【摘要】：在過去的幾十年里,激光雷達(dá)廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。激光雷達(dá)迅速的發(fā)展,體制不斷的豐富,功能不斷的增多,性能不斷的提高,滿足著各種應(yīng)用背景的需求。但是激光雷達(dá)發(fā)展到今天,激光雷達(dá)的探測靈敏度由于傳統(tǒng)強(qiáng)度器件的限制遇到了發(fā)展的瓶頸。Geiger Mode-Avalanche Photo Diode(Gm-APD)探測器是一種新型的光子探測器,它具有單光子響應(yīng)靈敏度。它的出現(xiàn)為微弱光電信號(hào)探測帶來了新的希望,很快應(yīng)用到激光雷達(dá)領(lǐng)域,產(chǎn)生了光子激光雷達(dá)。光子激光雷達(dá)還具有測距精度高、功耗低、系統(tǒng)體積小、對激光器能量要求低、集成度高等多方面的優(yōu)勢,逐漸的引起了人們的關(guān)注。但是此前的研究都主要集中于光子激光雷達(dá)系統(tǒng)和體制方面的研究,對于光子激光雷達(dá)性能和功能研究比較少。這主要是由于Gm-APD探測器獨(dú)特的0/1數(shù)字化概率響應(yīng)模式,它不同于傳統(tǒng)的強(qiáng)度探測器APD,CCD等,傳統(tǒng)的處理方法難以借鑒。目前還沒有完備的關(guān)于數(shù)字化概率信號(hào)處理的模型,缺乏這方面的理論研究,以至于光子激光雷達(dá)的功能和性能不能完全的體現(xiàn)。本論文從Gm-APD數(shù)字化概率響應(yīng)特點(diǎn)入手,采用泊松概率分布描述其響應(yīng)輸出模型,根據(jù)數(shù)字化概率統(tǒng)計(jì)的方法建立光子激光雷達(dá)數(shù)字化概率信號(hào)統(tǒng)計(jì)處理的模型。利用該模型對三類典型的光子激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了研究,在虛警概率抑制方面,信噪比提高方面,測距精度提高方面,強(qiáng)度信號(hào)獲取方面均取得了突破性進(jìn)展。在脈沖式光子激光雷達(dá)噪聲虛警抑制方面的研究,針對Gm-APD容易被噪聲觸發(fā)而產(chǎn)生虛警的問題。根據(jù)Gm-APD泊松概率響應(yīng)模型,研究了信號(hào)和噪聲的響應(yīng)情況,發(fā)現(xiàn)信號(hào)在Gm-APD數(shù)字化0/1概率響應(yīng)后輸出結(jié)果仍然保留一定的相關(guān)性,而噪聲不具有相關(guān)性。根據(jù)信號(hào)和噪聲相關(guān)性的差異,提出了相關(guān)性判斷的方法進(jìn)行噪聲虛警的抑制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明背景噪聲產(chǎn)生的虛警得到了很好的抑制。這部分成果為光子激光雷達(dá)的全天時(shí)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。針對光子激光雷達(dá)無法獲取強(qiáng)度信息的問題,設(shè)計(jì)了復(fù)合調(diào)制脈沖編碼序列的探測方法,不僅對脈沖的位置進(jìn)行了調(diào)制而且還對脈沖的強(qiáng)度進(jìn)行了調(diào)制。通過分析不同回波信號(hào)強(qiáng)度情況下Gm-APD探測器的觸發(fā)概率,根據(jù)不同強(qiáng)度回波脈沖探測的成功概率建立了回波強(qiáng)度反演解算的方法。然后進(jìn)一步分析了強(qiáng)度反演的影響因素,包括強(qiáng)度調(diào)制的等級(jí)數(shù)、脈沖序列的長度以及回波信號(hào)的強(qiáng)度。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合調(diào)制脈沖編碼序列探測的強(qiáng)度獲取方法,并獲得了精度優(yōu)于1%的強(qiáng)度探測結(jié)果。在啁啾調(diào)制式光子激光雷達(dá)信噪比方面的研究,以Gm-APD探測器泊松概率響應(yīng)模型為基礎(chǔ),建立了啁啾調(diào)制式光子激光雷達(dá)數(shù)字化概率信號(hào)后處理的理論模型,分析了啁啾調(diào)制式光子激光雷達(dá)信噪比的影響因素。一方面通過回波信號(hào)強(qiáng)度和信噪比變化關(guān)系的分析,獲得了一個(gè)最佳回波信號(hào)強(qiáng)度使得接收機(jī)的信噪比最大,并設(shè)計(jì)可調(diào)孔徑光闌進(jìn)行最佳回波信號(hào)強(qiáng)度的調(diào)節(jié),從而提高啁啾調(diào)制式光子激光雷達(dá)信噪比。另一方面通過推導(dǎo)了噪聲造成的虛警概率理論表達(dá)式,發(fā)現(xiàn)虛警概率分布特點(diǎn),信號(hào)強(qiáng)時(shí)虛警概率低、信號(hào)弱時(shí)虛警概率高。根據(jù)虛警概率分布特點(diǎn)使用滑窗獲得信號(hào)的包絡(luò),然后使用閾值抑制波谷處的虛警,從而提高啁啾調(diào)制式光子激光雷達(dá)信噪比。當(dāng)回波信號(hào)強(qiáng)度為每納秒0.5個(gè)光電子時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明信噪比提高了3.3 d B。針對啁啾調(diào)制式光子激光雷達(dá)探測精度方面的研究,根據(jù)啁啾調(diào)制式光子激光雷達(dá)數(shù)字化概率信號(hào)后處理的模型,分析了啁啾制式光子激光雷達(dá)探測精度的影響因素。發(fā)現(xiàn)其探測精度和信號(hào)的調(diào)制帶寬成反比,由于混頻方式的原因,信號(hào)調(diào)制帶寬受到Gm-APD采樣頻率的限制,從而影響探測精度;除此之外,中頻頻譜間隔也造成了探測精度的限制。針對這兩個(gè)因素,一方面設(shè)計(jì)了新型混頻方式——前置混頻,使用本振信號(hào)直接調(diào)制Gm-APD探測器采樣門寬度完成和回波信號(hào)的混頻過程,這種方式的最大優(yōu)點(diǎn)就是突破了Gm-APD有限采樣率對調(diào)制帶寬的限制,可以使啁啾調(diào)制式光子激光雷達(dá)工作在更大調(diào)制帶寬,從而有效提高探測精度。另一方面使用I/Q正交鑒相的方法提取了以前沒有利用的相位信息,并通過巧妙的設(shè)計(jì)使得中頻信息和相位信息能有效的結(jié)合起來,從而得到了更好的探測精度。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)平均回波信號(hào)強(qiáng)度為-10.5 ns,平均噪聲強(qiáng)度為-10.01 ns時(shí),測距精度由1.47 m提高為14.3 cm。
【圖文】：

驗(yàn)結(jié)果如圖 1-1 所示，圖（a）是 CCD 的成像結(jié)果，（b）結(jié)果。它們使用相同的目標(biāo)和場景，但是的信號(hào)的強(qiáng)度素接收到 300 個(gè)光電子，而 Gm-APD 平均每個(gè)像素只兩個(gè)結(jié)果可以看出 Gm-APD 有很好的弱光探測能力，三維空間的旋轉(zhuǎn)，這樣對遮蔽目標(biāo)的成像非常有利。

圖 1-1 所示，，圖（a）是 CCD 的成像結(jié)們使用相同的目標(biāo)和場景，但是的信 300 個(gè)光電子，而 Gm-APD 平均每可以看出 Gm-APD 有很好的弱光探的旋轉(zhuǎn)，這樣對遮蔽目標(biāo)的成像非常
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TN958.98


本文編號(hào)：2581894