基于微通道板的单光子激光测高技术研究

激光测高是一种基于卫星平台获取地表三维信息的先进测量手段,被广泛应用于资源普查及城市规划等领域。传统激光测高采用能量探测体制,要求强的回波信号,此时高功率激光器搭配较大口径光学接收器必然会带来功耗增加、体积庞大以及可靠性降低等问题。近年,随着光子计数探测器的日趋成熟,由低功率、高重频、窄脉宽脉冲激光器搭配中等口径光学接收器及面阵光子计数探测器所构成的新型光子计数激光测高系统,具有光子级别的响应灵敏度、更高的测量精度以及更长的工作寿命,代表了未来激光测高技术的发展趋势。

中科院西安光机所赵惠研究员与盛立志副研究员带领的课题组提出了基于位敏阳极微通道阵列板MCP的光子计数激光测高系统的构想。与雪崩光电二极管APD阵列相比,MCP具有更高的空间分辨且具备强光防护能力,同时先进的位置敏感阳极读取技术使MCP能够以105/s以上的高计数率实现离散光子信号的同步计时与定位,其所带来的稠密点云为更精细地刻画地表三维信息提供了可能。

首先,建立了基于位敏阳极MCP的光子计数激光测高系统的数学建模,不仅对典型工况下的影响空间分辨率和高程分辨率的因素进行了分析,而且在对回波信号特征(包括回波光子分布及信噪比等)进行计算评估的基础上,探讨了探测概率与测距误差概率分布之间的相互联系。如图1a和图1b所示,测距误差概率分布类似于高斯分布,过高的探测率会导致探测器响应回波脉冲的前沿;随着探测率增高,误差概率分布的峰值会变高,半高宽变窄,整体越偏右,从而导致系统测距误差变大。

 
                          (a)                                                              (b)
图1不同探测率下误差的概率分布

其次,考虑到激光测高时高程信息的突变处往往伴随光影的明显变化,比如森林边界、楼房的阴影以及海洋沿岸等,而由于大部分遥感卫星都搭载了遥感相机,因此提出了一种结合多光谱信息的高程优化方法。可以使用多光谱相机所成的像,通过提取图像边界对高程信息进行优化。如图2所示,给出了优化前后高程模型和光子分布直方图,可以看出优化的效果非常明显,均方根误差有显著下降。


图2优化前后的高程模型和直方图

该研究内容发表在《光学学报》第38卷第12期,且被选为当期的封面文章,具体文章内容点击查看:http://www.opticsjournal.net/Articles/abstract?aid=OJ181208000079u1x4z7

依据该文章内容设计的封面图如下: