基于Geiger探測器的激光成像性能及測距精度研究.pdf

1、無掃描激光主動三維成像技術(shù)解決了掃描激光三維成像技術(shù)成像速度慢的缺陷，具有成像速度快，重量輕，體積小等優(yōu)勢，因此成為激光主動成像技術(shù)的主要發(fā)展方向。然而在采用面陣探測器時，不可避免的會減小單個探測器單元所獲得的能量，使得系統(tǒng)的作用距離大大降低。Geiger模式的雪崩光電二極管具有單光子級的探測靈敏度，同時輸出信號為數(shù)字信息，利于大規(guī)模集成。以Geiger模式探測器為基礎(chǔ)的脈沖飛行時間測距成像系統(tǒng)具有靈敏度高、成像速度快、測距精度高、探測

2、器集成度高、對激光器能量要求低、系統(tǒng)體積小、功耗低等多方面的優(yōu)勢，近年來受到極大關(guān)注。目前針對Geiger模式無掃描成像的研究多集中在探測器的制造以及探測器性能改進上，而對整個系統(tǒng)的性能研究開展較少。在分析了基于Geiger模式探測器陣列的激光三維成像系統(tǒng)目前存在的問題后，對基于Geiger模式探測器的激光成像性能及測距精度進行了深入研究。
　　首先根據(jù)Geiger模式探測器測距與傳統(tǒng)的閾值測距方法的差異，利用傳統(tǒng)激光雷達方程和光

3、子統(tǒng)計學(xué)理論，研究激光目標(biāo)回波信號以及系統(tǒng)中存在的各種噪聲的統(tǒng)計規(guī)律，研究獲得了系統(tǒng)的探測性能與系統(tǒng)器件間的量化關(guān)系；包括系統(tǒng)的探測概率，虛警概率，最大作用距離，以及探測景深等參數(shù)與系統(tǒng)器件參數(shù)的關(guān)系，為系統(tǒng)設(shè)計以及系統(tǒng)性能分析及測距精度分析提供理論基礎(chǔ)。
　　在此基礎(chǔ)上，進一步研究獲得了系統(tǒng)測距精度與激光脈沖寬度，距離門信號以及探測噪聲等參數(shù)的關(guān)系的計算方法。分別對無噪聲方波信號以及含噪聲的一般脈沖激光信號進行理論分析，得到系統(tǒng)

4、的測距精度與誤差隨系統(tǒng)器件的變化規(guī)律，包括激光回波強度，激光脈沖寬度，目標(biāo)位置，探測噪聲等。分析結(jié)果表明目標(biāo)回波強度和激光脈沖寬度對系統(tǒng)的測距精度具有極大的影響，目標(biāo)回波強度越強，激光脈沖寬度越窄，所能獲得的測距精度越高。利用Monte Carlo方法對誤差模型進行了驗證，結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。
　　針對Geiger模式探測器的脈沖飛行時間測距方法無法直接獲取目標(biāo)強度信息的缺陷，提出一種利用多脈沖統(tǒng)計獲取目標(biāo)強度信息的方法。理論

5、分析得到了其探測精度以及探測動態(tài)范圍隨統(tǒng)計的探測次數(shù)間的關(guān)系，結(jié)果表明統(tǒng)計探測次數(shù)越多，測量精度越高，測量動態(tài)范圍越大。利用Monte Carlo方法進行了實驗驗證，獲得了與理論相一致的實驗結(jié)果。
　　針對Geiger模式探測器高靈敏度條件下易受噪聲影響的缺點，提出了一種通過多脈沖統(tǒng)計方法提高系統(tǒng)探測概率以及降低系統(tǒng)虛警概率的算法，分析了多脈沖探測時的探測概率以及虛警概率隨多脈沖統(tǒng)計的脈沖次數(shù)間的聯(lián)系，結(jié)果表明隨著統(tǒng)計的脈沖次數(shù)的

6、增加，此算法的探測概率與虛警概率均會提高。在統(tǒng)計次數(shù)為5次時，在同樣的虛警概率條件下，探測概率可以提高一倍以上。利用Monte Carlo方法對理論進行了實驗驗證，獲得了與理論相一致的實驗結(jié)果。
　　最后改進了PIN陣列探測系統(tǒng)的信號處理電路，建立了模擬Geiger模式激光無掃描三維成像的實驗系統(tǒng)，對基于Geiger模式探測器陣列的脈沖三維成像系統(tǒng)的工作原理進行原理性驗證，證明了采用Geiger模式探測器陣列的激光三維成像系統(tǒng)的可