由于受激光脉冲宽度的限制，传统激光雷达无法实现几十厘米的浅水层测量。设计了一个双Gm-APD光子计数偏振激光雷达系统，采用宽脉冲获取薄浅水层的高精度距离像。浅水层的表面光滑，能够保偏；底面粗糙，将发生退偏。根据该偏振现象，通过发射水平线偏振光，接收系统中采用一个偏振分光棱镜将前后表面信号光分离，然后分别被两个Gm-APD探测。该系统不受信号光的脉冲宽度限制，并充分利用Gm-APD的死时间机制，针对超薄浅水层实现三维深度测量。利用基于穆勒矩阵和斯托克斯参量表示的偏振传输原理，理论分析了双Gm-APD偏振激光雷达的分光原理。采用信号复原质心算法抑制距离漂移误差获取高精度距离信息。对于深度从4.5cm变化到8 cm渐变的薄浅水层，底面覆盖了黑、白沙子，探测距离为5 m，在实验上采用6 ns激光脉冲获取了薄浅水层的高精度距离像，测距精度为0.8 cm，有效验证了方案的可行性。该方案能够为机载海洋测绘激光雷达的浅水层测量提供一定借鉴。
激光雷达 光子计数 距离像 偏振 距离漂移误差 lidar photon counting depth image polarization range walk error 红外与激光工程
2021, 50(3): 20200452
1 脉冲功率激光技术国家重点实验室(国防科技大学)，安徽 合肥 230037
2 电子制约技术安徽省重点实验室，安徽 合肥 230037
3 63850部队，吉林 白城 137000
摘 要： 光子探测具有灵敏度高、系统功耗低和探测距离远等优点，探测性能易受大气环境影响。建立湍流效应下光子探测模型，定义了回波光子调制泊松分布概率，当回波光子数小于0.1时，调制泊松分布退化为泊松分布。建立了光子探测距离漂移模型，重构光子探测的回波分布，以计算距离漂移。探讨了湍流效应下的光子探测回波特性和距离漂移的变化规律。结果表明：湍流作用下光子探测首光子效应减弱，当湍流为10-16 m-2/3，无湍流的回波光子数为2时，与无大气湍流时相比，距离漂移减小0.41 cm，测距精度下降0.23 cm；随着湍流的增强，湍流为5×10-15 m-2/3时，探测概率平均降低78.18%，距离漂移平均减小91.49%，测距精度最大下降85.77%。
距离漂移误差 大气湍流 光子探测 探测概率 泊松分布 range walk error atmospheric turbulence photon detection detection probability Poisson distribution 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200192
1 中国科学院光电技术研究所, 成都 610209
2 中国科学院空间光电精密测量技术重点实验室, 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
光子计数激光雷达具有灵敏度高、体积小等特点, 是未来远距离探测激光雷达的发展方向。光子计数激光雷达在探测时会产生游走误差, 从而影响系统的测距精度。文章就游走误差与探测器时间抖动之间的关系进行了理论分析与实验验证。首先, 基于激光雷达方程、单光子探测器时间抖动与光子计数探测的概率统计特性, 建立了激光回波信号与探测器时间抖动的数学模型；然后使用该模型进一步推导了探测器时间抖动与游走误差之间的关系, 计算分析与仿真实验都表明：系统的游走误差与探测器时间抖动呈正相关关系。最后, 使用拥有不同时间抖动的单光子探测器进行了实验, 实验结果表明：当探测器时间抖动标准差分别为15, 350和1152ps时, 游走误差分别为0.88, 2.55和12.56cm。
光子计数激光雷达 时间抖动 游走误差 泊松分布 photon counting radar timing jitter range walk error poisson distribution
