基于概率統(tǒng)計(jì)的光子激光雷達(dá)性能提高的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、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(cè)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(cè)器是一種新型的光子探測(cè)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(cè)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

2、光雷達(dá)。光子激光雷達(dá)還具有測(cè)距精度高、功耗低、系統(tǒng)體積小、對(duì)激光器能量要求低、集成度高等多方面的優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(cè)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(cè)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

3、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(duì)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(cè)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(duì)Gm-APD容易被噪聲觸發(fā)而產(chǎn)生虛警的問題。根據(jù)Gm

4、-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(duì)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(cè)方法，不僅對(duì)脈沖的位置進(jìn)行了調(diào)制而且還對(duì)脈

5、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(cè)器的觸發(fā)概率，根據(jù)不同強(qiáng)度回波脈沖探測(cè)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(zhǎng)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(cè)的強(qiáng)度獲取方法，并獲得了精度優(yōu)于1％的強(qiáng)度探測(cè)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(cè)器泊松概率響應(yīng)模型為基礎(chǔ)，建立了啁啾調(diào)

6、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

7、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 dB。
　　針對(duì)啁啾調(diào)制式光子激光雷達(dá)探測(cè)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(cè)精度的影響因素。發(fā)現(xiàn)其探測(cè)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(cè)精度；除此之外，中頻頻譜間隔也造成

8、了探測(cè)精度的限制。針對(duì)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)精度。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果