基于概率統(tǒng)計的光子激光雷達性能提高的理論與實驗研究.pdf

1、在過去的幾十年里，激光雷達廣泛的應用在各個領域。激光雷達迅速的發(fā)展，體制不斷的豐富，功能不斷的增多，性能不斷的提高，滿足著各種應用背景的需求。但是激光雷達發(fā)展到今天，激光雷達的探測靈敏度由于傳統(tǒng)強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，它具有單光子響應靈敏度。它的出現(xiàn)為微弱光電信號探測帶來了新的希望，很快應用到激光雷達領域，產生了光子激

2、光雷達。光子激光雷達還具有測距精度高、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注。但是此前的研究都主要集中于光子激光雷達系統(tǒng)和體制方面的研究，對于光子激光雷達性能和功能研究比較少。這主要是由于Gm-APD探測器獨特的0/1數(shù)字化概率響應模式，它不同于傳統(tǒng)的強度探測器APD，CCD等，傳統(tǒng)的處理方法難以借鑒。目前還沒有完備的關于數(shù)字化概率信號處理的模型，缺乏這方面的理論研究，以至于光子激光雷達的

3、功能和性能不能完全的體現(xiàn)。
　　本論文從Gm-APD數(shù)字化概率響應特點入手，采用泊松概率分布描述其響應輸出模型，根據數(shù)字化概率統(tǒng)計的方法建立光子激光雷達數(shù)字化概率信號統(tǒng)計處理的模型。利用該模型對三類典型的光子激光雷達系統(tǒng)進行了研究，在虛警概率抑制方面，信噪比提高方面，測距精度提高方面，強度信號獲取方面均取得了突破性進展。
　　在脈沖式光子激光雷達噪聲虛警抑制方面的研究，針對Gm-APD容易被噪聲觸發(fā)而產生虛警的問題。根據Gm

4、-APD泊松概率響應模型，研究了信號和噪聲的響應情況，發(fā)現(xiàn)信號在Gm-APD數(shù)字化0/1概率響應后輸出結果仍然保留一定的相關性，而噪聲不具有相關性。根據信號和噪聲相關性的差異，提出了相關性判斷的方法進行噪聲虛警的抑制。實驗結果表明背景噪聲產生的虛警得到了很好的抑制。這部分成果為光子激光雷達的全天時應用奠定了基礎。
　　針對光子激光雷達無法獲取強度信息的問題，設計了復合調制脈沖編碼序列的探測方法，不僅對脈沖的位置進行了調制而且還對脈

5、沖的強度進行了調制。通過分析不同回波信號強度情況下Gm-APD探測器的觸發(fā)概率，根據不同強度回波脈沖探測的成功概率建立了回波強度反演解算的方法。然后進一步分析了強度反演的影響因素，包括強度調制的等級數(shù)、脈沖序列的長度以及回波信號的強度。最后通過實驗驗證了復合調制脈沖編碼序列探測的強度獲取方法，并獲得了精度優(yōu)于1％的強度探測結果。
　　在啁啾調制式光子激光雷達信噪比方面的研究，以Gm-APD探測器泊松概率響應模型為基礎，建立了啁啾調

6、制式光子激光雷達數(shù)字化概率信號后處理的理論模型，分析了啁啾調制式光子激光雷達信噪比的影響因素。一方面通過回波信號強度和信噪比變化關系的分析，獲得了一個最佳回波信號強度使得接收機的信噪比最大，并設計可調孔徑光闌進行最佳回波信號強度的調節(jié)，從而提高啁啾調制式光子激光雷達信噪比。另一方面通過推導了噪聲造成的虛警概率理論表達式，發(fā)現(xiàn)虛警概率分布特點，信號強時虛警概率低、信號弱時虛警概率高。根據虛警概率分布特點使用滑窗獲得信號的包絡，然后使用閾值

7、抑制波谷處的虛警，從而提高啁啾調制式光子激光雷達信噪比。當回波信號強度為每納秒0.5個光電子時，實驗結果表明信噪比提高了3.3 dB。
　　針對啁啾調制式光子激光雷達探測精度方面的研究，根據啁啾調制式光子激光雷達數(shù)字化概率信號后處理的模型，分析了啁啾制式光子激光雷達探測精度的影響因素。發(fā)現(xiàn)其探測精度和信號的調制帶寬成反比，由于混頻方式的原因，信號調制帶寬受到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

8、了探測精度的限制。針對這兩個因素，一方面設計了新型混頻方式——前置混頻，使用本振信號直接調制Gm-APD探測器采樣門寬度完成和回波信號的混頻過程，這種方式的最大優(yōu)點就是突破了Gm-APD有限采樣率對調制帶寬的限制，可以使啁啾調制式光子激光雷達工作在更大調制帶寬，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，并通過巧妙的設計使得中頻信息和相位信息能有效的結合起來，從而得到了更好的探測精度。仿真實驗結果