CO2激光成像雷达距离分辨率测距精度的分析与实验研究

分析了脉冲外差体制CO₂激光成像雷达系统的目标距离分辨率、测距精度和误差的主要来源.对于单个光脉冲测距来讲,信噪比(SNR)起伏引起的探测误差、脉冲前沿触发等概率分布以及脉冲建立时间的随机性等是激光脉冲外差测距的主要随机误差,其它随机误差在数量级上可忽略不计.同时利用现有的CO₂激光脉冲外差探测系统,进行了远目标测距对比实验,观测到了2355 m目标脉冲回波信号,并精确测量出CO₂光脉冲飞行的往返时间,该实验数据可用做系统误差的校正和补偿.     

脉冲激光探测平面目标特性对测距分布的影响

针对脉冲激光近程探测系统平面目标特性影响测距分布的问题,推导了平面目标脉冲响应方程和脉冲激光回波方程,分析了不同平面目标倾斜角、激光发射发散角和激光发射脉宽对激光回波展宽的影响.基于脉冲激光回波方程和恒阈值时刻鉴别方法,推导了平面目标的测距概率密度函数解析式,并理论仿真分析了不同平面目标倾斜角、激光发射功率、激光发射发散角及阈噪比对测距统计特性分布的影响.运用蒙特卡罗算法进行全波形模拟测距实验;搭建脉冲激光测距实验环境,进行20 m测距实验.实验结果表明:理论仿真、蒙特卡罗模拟实验与实际实验的测距概率密度分布基本一致,随着平面目标倾斜角的增大,测距均值和测距方差增大;当倾斜角度为0°,20°,40°,60°时,回波信噪比高于阈噪比,测距分布呈现高斯分布;当倾斜角度为70°时,回波信噪比低于阈噪比,分布不再呈现高斯分布,呈现上升沿缓下降沿陡的分布特性.研究结果为研究目标平面特性对脉冲激光探测测距分布的影响提供了理论依据.     

百微米精度的单光子测距

本文发展了一种基于高精度单光子探测器的激光测距方法,实现了百微米量级精度的非合作目标激光测距.单光子测距系统引入参考位置,有效地抑制了系统延时漂移,使光子飞行时间测量精度达到0.5 ps,在2 m测距距离处,单光子测距系统的测距精度达到65μm@RMS.这项工作达到了当前脉冲飞行时间测距最高精度水平,为远距离非合作目标高精度测距和成像提供了一种有效的技术.     

伪随机编码超宽带短脉冲的探测能力研究

 为进行弱信号检测，研究在脉冲雷达中获得大信号时间宽度与信号带宽积的方法，利用伪随机编码方法调制超宽带短脉冲，可以在保持子脉冲信号带宽的情况下，以低功率发射长脉冲串类噪声信号，而提高信号的能量，提高探测距离。通过仿真实验得出，利用伪随机编码技术可以使超宽带信号具有更强的探测能力，可以在回波信号功率水平远远小于噪声水平（如信噪比5%）的情况下实现对探测目标的高保真成像。     

脉冲串互相关方法在远程激光测距中的应用

基于单脉冲激光测距在远程激光测距中的局限性,提出了一种基于发射脉冲串与回波脉冲串互相关的信号处理方法。该方法将多个激光发射脉冲和回波脉冲作为一次连续信号同时数字化,然后进行互相关处理。采用激光强度与发射间隔可调的激光系统来模拟不同反射强度、不同距离的测距回波信号;通过处理不同信噪比的回波信号,来探究本方法对于回波信号信噪比的提升能力以及对于尖峰噪声的抑制能力。实验结果表明,该方法能够有效提高回波信号的信噪比,信噪比为0.11的弱回波信号经过处理后信噪比被提升到5.92,从而扩展了激光测距系统的测程,有效降低了探测系统的探测虚警率,提高了远程激光测距系统的弱回波探测能力。     

触发预电离一体化脉冲氙灯电源设计

采用高压触发预电离为一体+脉冲形成网络触发氙灯的技术路线,分别设计了脉冲氙灯电源系统中高压触发、预燃电流维持两个功能单元。根据脉冲氙灯160mm×9mm、极间距70mm的技术指标,成功设计了一台具有手动和电脉冲触发功能的方波脉冲氙灯电源。氙灯充电电压300~900V可调,光脉冲宽度为150μs±20μs,光脉冲上升时间不超过90μs,触发延迟不超过90μs,触发抖动在±2μs范围内。给出了单次触发情况下脉冲氙灯电源输出的实验结果,验证了所采用的设计原理和技术方法的可行性。     

重复频率倍增光频梳时域互相关绝对测距

利用法布里-珀罗标准具对光纤光频梳的重复频率(重频)进行倍增,使光频梳重频从最初的250 MHz提升至10 GHz,对应的脉冲间距从1200 mm缩减至30 mm,极大地降低了脉冲互相关测距方法对参考臂扫描范围的需求.建立了重频倍增光频梳的时域互相关干涉信号数学模型,通过数值模拟分析了光源参数(重频、起始偏移频率)和法布里-珀罗标准具参数(色散、腔长、中心波长)对滤出光谱形状以及互相关信号的影响.在实验中,使用重频倍增后的光频梳进行脉冲互相关干涉绝对测距,与参考干涉仪对比,在210 mm范围内获得优于4μm的测距精度.     

脉冲激光探测的最大探测距离的研究

脉冲激光探测的最大探测距离与发射信号功率有关,根据系统发射端瞬时功率的形式,通过计算得出了脉冲激光平均发射功率和最大瞬时功率分别与驱动电流的脉冲上升沿时间、脉冲宽度、脉冲重复周期的关系.结合传输衰减、弱信号检测和信号预处理过程中的信号功率变化,得出了最大探测距离与激励电流波形参数、光电探测器参数、信号预处理电路噪声、信...     

基于双模式探测器的大动态范围激光测距EI北大核心CSCD

开发了一种基于双模式探测的大动态范围激光测距方法.使用基于硅雪崩光电二极管（APD）的单个探测器在线性模式与盖革模式之间切换,实现了平均光子数为1~105的大动态强度范围光信号探测.在此基础上,进行了30m的室内线性探测模式测距和500m的室外盖革探测模式测距实验,利用时间相关单光子计数设备记录的信号详细分析了两种模式测距的时间特性,证明了这种方法可以根据探测距离和背景环境进行探测模式切换,从而实现大动态范围激光测距.并且进一步分析了APD偏置电压的调节对测距系统测量精度以及探测背景噪声的影响.     

基于长脉冲光源的钠信标回光特性实验研究

采用与信标发射接收系统参数匹配的长脉冲光源,可在脉冲回光时间内产生较亮星等的钠信标,既有利于提高信标探测的信噪比,也有利于实现自适应光学系统的高频闭环校正.基于450 mm直径望远镜和大能量长脉冲光源,开展了钠信标探测实验,得到了长脉冲光源产生的钠信标回光特性.通过CCD和光电倍增管,采集得到了不同发射能量、出射偏振态下的回光强度,并获得了最大强度为15万光子/m2/pulse的回光,对应脉冲回光时间内约4.1等星的亮度.分析推算了实验条件下钠原子的柱密度.实验全过程未出现明显的饱和现象,验证了采用长脉冲钠信标光源避免饱和效应、得到高亮度钠信标的可行性.     

提高近程运动目标实时测距性能的方法研究

为了提高机场泊位引导系统中激光测距的精度和频率,对测距方法、脉冲展宽的影响、系统接收信噪比、接收带宽、阈值设定方法等几个方面进行了研究。通过改进自触发脉冲飞行时间激光测距法,提高发射信号峰值功率,采用合适滤波器、减小接收系统带宽、设置自适应阈值等手段有效提高了测距系统对近程运动目标的测距性能。采用半实物仿真手段进行动态测距实验,结果表明,测距机的动态测量精度小于2cm,满足泊位系统测距性能的要求。     

小型低值LD激光测距仪的测距能力与系统的信噪比

研制成一种小型、便携式、低值、对人眼安全、无合作目标的小型低值半导体LD激光测距仪.工作波长λ=905nm;测距范围14～1000m;测距精度<±1m;重复频率100Hz.有多种工作模式,具有省电功能.它的测距能力优于国内外同类低值LD激光测距仪.LF-1激光测距仪是一种光子雷达系统.本文从光子测距方程、系统结构、信噪比分析角度,讨论了系统的测距能力.     

A wide dynamic range laser rangefinder with cm-level resolution based on AGC amplifier structure

A pulsed time-of-flight (TOF) laser rangefinder with a pulsed laser diode and an avalanche photo diode (APD) receiver is constructed and tested. Trigged by an avalanche transistor, the laser diode can emit a periodic pulse with rise time of ～2 ns. A new structure with auto gain control (AGC) circuits both in the pre-amplifier and the post-amplifier is presented. Through this technology, not only the dynamic range of the receiver is extended, but also the walk error of timing discriminators is reduced. Large measurement range from 5 m to 500 m is achieved without any cooperative target. The single-shot precision is 3 cm for the weakest signal. Compared with previous laser rangefinders, the complexity of this system is greatly simplified.     

机载多脉冲激光雷达目标信号模拟器的研究

研究多脉冲激光雷达目标信号模拟器,用以评估回波数字信号处理算法及其实现平台的性能。结合信号能量与波形关系指出由激光雷达方程建立回波信号波形模型是不充分的。对空中目标回波脉冲展宽进行建模及数值仿真,得到不同倾角、目标距离及目标尺寸下的波形展宽时间数据。根据展宽前后能量保持不变的性质,利用高斯脉冲函数特征参数求解建立回波波形数学模型。基于目标距离误差及目标回波噪声统计特性建立回波仿真模型,提出了依信噪比发生回波观测信号的方法。对比两种模拟器的信噪比误差、最小模拟信噪比、连续工作时间等性能指标,总结了新型模拟器的优势。     

高精度多脉冲激光测距回波检测技术

针对远距离激光测距机回波信号脉宽强度特征和噪声的统计特性,提出了一种高精度多脉冲激光测距机的回波信号检测技术。采用时钟移相分配方式实现了400 MHz高速信号采集及数字化处理,提高了回波脉冲的检测精度。采用ARM嵌入式高速核处理器进行数据算法处理,完成了滤波降噪、自适应门限检测和多帧相关检测等功能,使回波信噪比提高了7.6 dB,达到远距离精确获取目标距离信息的目的。     

非合作目标相位式激光测距系统的测程估计

对于中程距离的测量,从测量速度、精度和可靠性的折衷方面来讲,相位式激光测距法优于其它的测距法。给出了非合作目标相位式激光测距系统的接收光功率表达式,研究了根据信噪比确定所需的接收光功率,从而估计测程的方法。     

脉冲激光测距时间间隔测量技术

在脉冲激光测距系统中,为提高时间间隔测量的精度,采用插值法进行时间间隔测量。在分析传统的数字计数法测量原理与误差的基础上,重点研究了插值法。其测量对象针对传统数字计数法中待测脉冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔。测量采用电容充放电技术,把时间间隔加入到一个时间扩展模块(通常为一只高精度的电容),实现时间上的放大,再对放大后的时间进行测量,可提高时间测量的精度。利用该方法得到的时间间隔测量精度可达到100 ps,对应于1.5 cm的测距精度。     

激光雷达干扰效果评估方法研究

研究了光电干扰对测距和跟踪测量激光雷达干扰效果的评估方法.在深入分析激光雷达光电干扰机理的基础上,提出了相应的干扰效果评估准则.对激光测距机的距离欺骗干扰效果采用测距误差-干扰成功率准则或准测率准则定量评估,对测距机的激光盲干扰效果依据盲激光对测距准确度、测距功能的影响程度进行评估.对于跟踪测量激光雷达,根据实施干扰后其跟踪误差是否超出正常跟踪准确度的三倍判定一次干扰是否有效,再依据多次试验的干扰成功率的大小评估干扰效果.