基于Geiger探測(cè)器的激光成像性能及測(cè)距精度研究.pdf

1、無(wú)掃描激光主動(dòng)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(shì)，因此成為激光主動(dòng)成像技術(shù)的主要發(fā)展方向。然而在采用面陣探測(cè)器時(shí)，不可避免的會(huì)減小單個(gè)探測(cè)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(jí)的探測(cè)靈敏度，同時(shí)輸出信號(hào)為數(shù)字信息，利于大規(guī)模集成。以Geiger模式探測(cè)器為基礎(chǔ)的脈沖飛行時(shí)間測(cè)距成像系統(tǒng)具有靈敏度高、成像速度快、測(cè)距精度高、探測(cè)

2、器集成度高、對(duì)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(shì)，近年來(lái)受到極大關(guān)注。目前針對(duì)Geiger模式無(wú)掃描成像的研究多集中在探測(cè)器的制造以及探測(cè)器性能改進(jìn)上，而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能研究開(kāi)展較少。在分析了基于Geiger模式探測(cè)器陣列的激光三維成像系統(tǒng)目前存在的問(wèn)題后，對(duì)基于Geiger模式探測(cè)器的激光成像性能及測(cè)距精度進(jìn)行了深入研究。
　　首先根據(jù)Geiger模式探測(cè)器測(cè)距與傳統(tǒng)的閾值測(cè)距方法的差異，利用傳統(tǒng)激光雷達(dá)方程和光

3、子統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，研究激光目標(biāo)回波信號(hào)以及系統(tǒng)中存在的各種噪聲的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，研究獲得了系統(tǒng)的探測(cè)性能與系統(tǒng)器件間的量化關(guān)系；包括系統(tǒng)的探測(cè)概率，虛警概率，最大作用距離，以及探測(cè)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(jì)以及系統(tǒng)性能分析及測(cè)距精度分析提供理論基礎(chǔ)。
　　在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究獲得了系統(tǒng)測(cè)距精度與激光脈沖寬度，距離門信號(hào)以及探測(cè)噪聲等參數(shù)的關(guān)系的計(jì)算方法。分別對(duì)無(wú)噪聲方波信號(hào)以及含噪聲的一般脈沖激光信號(hào)進(jìn)行理論分析，得到系統(tǒng)

4、的測(cè)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(qiáng)度，激光脈沖寬度，目標(biāo)位置，探測(cè)噪聲等。分析結(jié)果表明目標(biāo)回波強(qiáng)度和激光脈沖寬度對(duì)系統(tǒng)的測(cè)距精度具有極大的影響，目標(biāo)回波強(qiáng)度越強(qiáng)，激光脈沖寬度越窄，所能獲得的測(cè)距精度越高。利用Monte Carlo方法對(duì)誤差模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。
　　針對(duì)Geiger模式探測(cè)器的脈沖飛行時(shí)間測(cè)距方法無(wú)法直接獲取目標(biāo)強(qiáng)度信息的缺陷，提出一種利用多脈沖統(tǒng)計(jì)獲取目標(biāo)強(qiáng)度信息的方法。理論

5、分析得到了其探測(cè)精度以及探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍隨統(tǒng)計(jì)的探測(cè)次數(shù)間的關(guān)系，結(jié)果表明統(tǒng)計(jì)探測(cè)次數(shù)越多，測(cè)量精度越高，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍越大。利用Monte Carlo方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了與理論相一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　針對(duì)Geiger模式探測(cè)器高靈敏度條件下易受噪聲影響的缺點(diǎn)，提出了一種通過(guò)多脈沖統(tǒng)計(jì)方法提高系統(tǒng)探測(cè)概率以及降低系統(tǒng)虛警概率的算法，分析了多脈沖探測(cè)時(shí)的探測(cè)概率以及虛警概率隨多脈沖統(tǒng)計(jì)的脈沖次數(shù)間的聯(lián)系，結(jié)果表明隨著統(tǒng)計(jì)的脈沖次數(shù)的

6、增加，此算法的探測(cè)概率與虛警概率均會(huì)提高。在統(tǒng)計(jì)次數(shù)為5次時(shí)，在同樣的虛警概率條件下，探測(cè)概率可以提高一倍以上。利用Monte Carlo方法對(duì)理論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了與理論相一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　最后改進(jìn)了PIN陣列探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理電路，建立了模擬Geiger模式激光無(wú)掃描三維成像的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)基于Geiger模式探測(cè)器陣列的脈沖三維成像系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行原理性驗(yàn)證，證明了采用Geiger模式探測(cè)器陣列的激光三維成像系統(tǒng)的可