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摘要光子计数激光雷达是当前激光探测领域的一个前沿性问题。论文在深入资料调研的基础上，综述了光子计数激光雷达的工作原理及工作过程，并对其工作过程进行了建模和仿真。重点对回波信号进行了研究。讨论了不同信号幅度、噪声水平以及累计次数对激光雷达探测性能的影响。探测性能主要从探测率、虚警率和信噪比这三个方面进行建模和仿真。结果表明，随着信号幅度的增长，探测率和信噪比会上升，虚警率下降；随着噪声的增长，探测率和信噪比都会下降，而虚警率会上升；随着累计次数的增加，探测率和虚警率将会逐渐稳定，而信噪比会随累计次数的增加先增加，随后趋于饱和。 28178
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毕业论文关键词 光子计数；激光雷达；探测率；虚警率；信噪比；累计次数
Title The Simulation and Analysis of Echo Signals in Photon-Counting Laser Radar
Abstract Photon-Counting Laser Radar is a cutting-edge research topic of laser detection. Based on in-depth research, the working principle and process of photon-counting laser radar are introduced. Working process is modelled and simulated. This paper focus on echo signals. The effects of different signal amplitude, noise level and the numbers of accumulation of laser radar detection performance are discussed. The modeling and simulation of detection performance are mainly analyzed from three aspects: detection probability, false-alarm probability and signal-to-noise ratio. The results show that: with the increase of signal amplitude, the detection probability and the signal-to-noise ratio will rise, while the false-alarm probability will decrease; with the increase of noise level, the detection probability and the signal-to-noise ratio will decrease, while the false-alarm probability will rise; with the increase of numbers of accumulation, the detection probability and false-alarm probability will gradually stabilize, while the signal-to-noise ratio will increase with the numbers of accumulation at first, then reach saturation.
Keywords photon-counting; laser radar; detection probability; false-alarm probability; signal-to-noise ratio; numbers of accumulation
目 次
1 引言 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究进展 1
2 光子计数激光雷达理论 4
2.1 脉冲飞行时间测距法 4
2.2 盖革模式雪崩光电二极管 5
2.3 光子计数技术与时间相关光子计数技术 6
2.4 光子计数激光雷达系统 6
2.5 小结 8
3 光子计数激光雷达系统的仿真与分析 9
3.1 光子计数激光雷达的理论建模 9
3.2 探测率分布函数及仿真 13
3.3 虚警率分布函数及仿真 17
3.4 噪声与信噪比 18
3.5 小结 20
4 光子计数激光雷达回波信号影响因素的仿真与分析 21
4.1 信号幅度与探测性能 21
4.2 噪声水平与探测性能 25
4.3 累计次数与探测性能 32
4.4 小结 38
结论 40
致谢 41
参考文献42 1
引言 1.1 研究背景与意义 1960 年,世界上第一台激光器诞生，开启了全新的激光研究领域。激光雷达结合了传统雷达和激光技术[1]，以微波雷达原理为基础，激光光束作为信息传递的载体[2]。其结合了激光与雷达的亮度高、准直度高、单色性好等优点[3]，迅速发展起来。 传统的激光雷达需要较高的信噪比才能更好的判断回波信号的质量。这样不仅需要实际发射的激光能量高于理论所计算出的能量，还降低了发射激光的重复频率[4]，限制了探测距离，增加了功耗和体积。并且无法使回波信号的能量被有效利用，造成了浪费。为了使激光雷达能更好的应用于工业领域，其各方面性能都需要提高。 随着不断地研究和探索，光子计数激光雷达凭借其高灵敏度、高重复频率、低功率及体积小等优点[5]，获得了越来越多科学家的青睐。其主要利用工作在盖革模式的雪崩光电二极管探测器，在雪崩效应下，瞬态能探测到单光子能量，并对能量进行相应的光电转换和输出，完成一次探测。这样不仅增大了探测距离，同时也增加了探测概率和信噪比，降低了光子能量的浪费。目前，越来越多的国家开始投入和研制性能更好的光子技术激光雷达。为了能够得到更好的回波信号，利用时间相关光子计数技术法和距离门等方法都已得到了较好的研究成果。光子计数激光雷达以展现出其在测距、成像、航空和国防等诸多领域的优势，我国也应该投入更多的人才和精力，进行研究并应用于相应产业中。 1.2 国内外研究进展 1.2.1 国外研究进展 早在19世纪70年代,光子探测器早已应用到阿波罗的月球测距项目中。该探月测距工程仍在美国的 McDonaldLaser系统中运行,每脉冲平均可接受到0.01 个光子[6]。 20 世纪 60 年代后,随着理论的深入研究，激光雷达技术渐渐走向成熟。激光的测程在 3万米以上，其精度大约为 5 米。随着测程的缩短，精度则会越来越提高，甚至达到 2 毫米[7]。 1990 年，美国国防部弹道导弹防御局的激光雷达系统利用了工作在盖革模式下的雪崩光电二极管作为探测器，其雷达系统性能得到了改善[8]。 同年，美国麻省理工学院林肯实验室开始致力于三文成像激光雷达的研究，并于 2002年成功研制了4×4盖革模式探测器阵列，随后又开发了32×32的阵列探测器，时间分辨率高1996 年，林肯实验室开始研制基于盖革模式 APD 焦平面阵列的闪光激光雷达，目的在于在隐蔽及伪装的条件下对目标的探测能力[9]。 2000 年，英国的 Gerald S.Buller等人，设计了光子计数激光雷达系统并进行了激光测距实验。3m远的目标，在10个回波光子数为的条件下，探测精度达到3mm，探测精度和测程都大大提高[7]。 2002 年，林肯实验室在波长为 532 nm 的波段处测距精度达到 3cm, 每脉冲平均可接受到 0.27 个光子。且该系统体积小，量子效率高[10]。 2006 年，美国陆军实验室着手研究盖革模式 APD 啁啾调制的激光雷达，理论信噪比与实际信噪比仅差 0.2，证明了啁啾调制激光雷达的可行性[11]。随后，在 2009，美国陆军实验室将啁啾调制信号加在盖革模式 APD的偏置电压上，简化了系统结构[12]。 与此同时，在 2008 年，美国波音公司与林肯实验室合作研制了多层工作于盖革模式下的APD单光子探测器, 对目标三文伪彩色成像[13]。室温下，1060 nm的探测器暗计数率不超过 200kHz；零度不超过 100kHz。不仅减少了暗计数率，还有效提高了探测率。 2009 年, 林肯实验室利用两个 128×32 元的盖革模式 APD 阵列制成了 256×64 元的 盖革 APD 阵列[8]，可探测率却低于50%。 在2010年，依旧是英国G.s. Buller等人，改进了单光子计数成像系统，在白天进行了三文成像测试，采用能量小于50 μW的激光对325米远处的人脸扫描分析，得到了三文距离图像[14]。 在单光子探测器方面，加拿大珀金埃尔默等公司掌握着成熟的 Si-APD 生产技术。瑞士日内瓦大学研制出了稳定的 InGaAs/InP APD 单光子探测器。美国普林斯顿光波公司也推出了具有单光子探测功能的 PGA-600 探测器[6]。由此可见，基于盖革模式雪崩二极管的光子激光测距系统可在国防、成像和测距等领域大量应用。 1.2.2 国内研究进展 在国外，光子计数激光雷达领域不得不提美国陆军实验室和林肯实验室。而国内也有许多研究所和大学在此领域进行着的探索。 2008 年，南京理工大学寇松峰等研究了基于 4 元 APD 阵列的激光测距技术研究，论证了其可行性，分析了测距精度[15]。 同年，上海技术物理研究所的朱磊等人研制了时间间隔测量系统，时间分辨率为 27ps,提高了光子雷达的系统性能[16]。