宏/子脈沖編碼光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)

劉 博，姜 朔，于 洋，陳 臻

宏/子脈沖編碼光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)

劉 博1,2,3*，姜 朔1,2,3，于 洋4，陳 臻1,2

1中國科學(xué)院空間光電精密測量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610209；2中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川 成都 610209；3中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001

光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)因其極高的探測靈敏度在遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測領(lǐng)域有著非常重要的作用。針對遠(yuǎn)距離、高速度的目標(biāo)，普通的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)無法簡單通過統(tǒng)計(jì)直方圖獲得有用的回波信息。為了解決這一問題，本文提出了一種基于宏/子脈沖編碼的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)，利用時(shí)移脈沖累加的方法提取子脈沖的飛行時(shí)間進(jìn)而在一個(gè)宏脈沖內(nèi)獲得目標(biāo)距離信息。建立了宏/子脈沖編碼光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)的理論模型，對虛警概率和探測概率的影響進(jìn)行了分析，并通過蒙特卡洛仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其對遠(yuǎn)距離高速徑向運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測的有效性。

宏/子脈沖；激光雷達(dá)；光子計(jì)數(shù)；目標(biāo)探測

1 引 言

光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)具有對單光子敏感的高靈敏度，且能夠提供非常精確的光子到達(dá)時(shí)間，因而被認(rèn)為是一種很有前途的遠(yuǎn)距離探測方法[1-5]，在空間碎片的探測與識(shí)別、星載地形測繪、交會(huì)對接、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域受到研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[6-9]。這些空間探測領(lǐng)域有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：激光雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)之間距離較遠(yuǎn)，一般為幾十公里甚至幾百公里；激光雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)之間存在高速相對運(yùn)動(dòng)，如空間碎片或在軌航天器等，因此本文重點(diǎn)關(guān)注對高速相對徑向運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測。在這些領(lǐng)域中，為了捕獲快速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)就要求激光雷達(dá)具有超遠(yuǎn)距離的快速探測能力。

與線性探測模式激光雷達(dá)相比，光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)使用統(tǒng)計(jì)采樣技術(shù)，它需要積累足夠的光子事件來建立統(tǒng)計(jì)直方圖，通過建立的統(tǒng)計(jì)直方圖來提取回波信息。而建立統(tǒng)計(jì)直方圖就需要多次探測的脈沖累積，累積過程會(huì)極大地降低系統(tǒng)的測量速度，這也是光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)的主要缺點(diǎn)，尤其是當(dāng)激光雷達(dá)系統(tǒng)和目標(biāo)之間存在高速相對運(yùn)動(dòng)時(shí)更為突出。由于目標(biāo)或激光雷達(dá)平臺(tái)的相對運(yùn)動(dòng)，使得多個(gè)周期的激光脈沖回波之間具有不同的飛行時(shí)間間隔，多周期回波信號(hào)在時(shí)域難以體現(xiàn)聚類特性，因而給回波信息的提取帶來了極大的難度。解決這一問題的有效方法就是盡量縮短激光雷達(dá)的測量時(shí)間，當(dāng)測量時(shí)間短到可以忽略兩者直接的相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過回波信息具有的時(shí)域聚類特點(diǎn)仍然可以提取目標(biāo)信號(hào)。

有研究人員提出使用高重復(fù)頻率(幾十MHz)的激光光源來減小數(shù)據(jù)的采集時(shí)間[10]，然而高的脈沖重復(fù)頻率會(huì)極大地減小系統(tǒng)的最大不模糊距離。對于傳統(tǒng)的脈沖累加方法，長的不模糊距離與短的采集時(shí)間之間具有不可調(diào)和的矛盾，通過傳統(tǒng)的脈沖累計(jì)方法難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測。Du[11]和Liang[12]提出了采用多個(gè)高脈沖重復(fù)頻率的方法提高系統(tǒng)不模糊距離，能夠較好地解決距離模糊問題，但對于高重頻的激光脈沖，其峰值功率受限，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測。

為了縮短測量時(shí)間，借鑒擴(kuò)頻通信的思想[13-14]，基于偽隨機(jī)編碼的測距方法被提出。1983年，Takeuchi等[15]首次將隨機(jī)相位編碼方法用于激光雷達(dá)，提高了系統(tǒng)的信噪比。Hiskett[16]，Krichel[17]和Ullrich[18]使用有限非周期脈沖串或者脈沖位置調(diào)制技術(shù)解決距離模糊問題。Zhang[19]采用偽隨機(jī)編碼光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了1.2 km處的非合作目標(biāo)成像。Yang[20]使用高速偽隨機(jī)光纖測距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)的高空間分辨率探測。然而，在偽隨機(jī)編碼方法中，通常使用激光二極管產(chǎn)生高頻脈沖序列，這種方法同樣難以獲得高峰值功率的脈沖激光，因而也不適合遠(yuǎn)距離空間領(lǐng)域的探測。

為解決該問題，本文提出采用宏/子脈沖編碼光子計(jì)數(shù)(macro/sub-pulse coded photon counting, MSCPC)激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測。宏/子脈沖方法的最大不模糊距離由宏脈沖的周期決定，而測量時(shí)間由周期內(nèi)所有子脈沖的總時(shí)間確定。一個(gè)周期內(nèi)宏脈沖總的子脈沖間隔遠(yuǎn)小于相同脈沖個(gè)數(shù)的脈沖累計(jì)方法的總間隔，因而與傳統(tǒng)脈沖累計(jì)方法相比，宏/子脈沖方法可以在一個(gè)宏脈沖實(shí)現(xiàn)探測，大幅縮短了探測時(shí)間，提高了最大不模糊距離。與偽隨機(jī)編碼方法不同，宏/子脈沖方法可以周期性地發(fā)射宏/子脈沖串，在相同的激光平均發(fā)射功率下可以得到更高的子脈沖峰值功率，因而能夠?qū)崿F(xiàn)更遠(yuǎn)距離的探測。因此，宏/子脈沖編碼光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)可以有效地解決遠(yuǎn)距離、高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測。

2 系統(tǒng)描述

2.1 宏/子脈沖編碼光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，激光器發(fā)射的周期性的脈沖串被稱為宏/子脈沖，例如圖中將重頻為1 kHz的等間隔激光脈沖編碼為宏/子脈沖串，其中宏脈沖由8個(gè)子脈沖組成，宏脈沖重頻為125 Hz(間隔8 ms)，子脈沖重頻為8 kHz(間隔0.125 ms)，子脈沖的能量相同，激光發(fā)射平均功率相同。系統(tǒng)通過一個(gè)外部觸發(fā)源同步。輸出的宏脈沖通過比例分束器分成兩個(gè)部分：其中能量較小的部分由PIN探測，被用作發(fā)射參考信號(hào)；能量較大的部分用來探測目標(biāo)。被目標(biāo)散射的回波信號(hào)通過光學(xué)系統(tǒng)接收、并由Gm-APD (Geiger-mode avalanche photodiode)完成探測。需要指出的是，在宏/子脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)中，任意兩個(gè)子脈沖具有不等的脈沖間隔，這一特點(diǎn)可以有效地避免距離模糊。

2.2 宏/子脈沖編碼光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)測距原理

針對宏/子脈沖光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)，本文提出了時(shí)移脈沖累加的飛行時(shí)間提取方法。在時(shí)移脈沖累加方法中對接收信號(hào)沒有特殊的要求，但是需要事先知道發(fā)射信號(hào)的子脈沖間隔。為了滿足這一要求，系統(tǒng)采用PIN 探測器對發(fā)射序列進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。基于此子脈沖之間的時(shí)間間隔被測量并保存，作為系統(tǒng)已知參數(shù)。如圖2所示，在一個(gè)周期內(nèi)，由Gm-APD(Geiger-mode avalanche photodiode)探測器探測的回波信號(hào)按照子脈沖間隔順序移位，將順序移位后的回波信號(hào)進(jìn)行累加。圖2中的紅色點(diǎn)線表示發(fā)射的子脈沖沒有被探測，黑色虛線表示時(shí)移脈沖累加方法中由于時(shí)間延遲補(bǔ)償而產(chǎn)生的無效數(shù)據(jù)。累加后峰值的位置(紅色實(shí)線)對應(yīng)于宏脈沖的飛行時(shí)間。換言之，由于每個(gè)子脈沖相對于第一個(gè)子脈沖的延遲時(shí)間是已知的，因此宏脈沖的飛行時(shí)間等于子脈沖在其延遲時(shí)間被補(bǔ)償后的飛行時(shí)間。將延遲時(shí)間補(bǔ)償后的子脈沖進(jìn)行脈沖累加，可以有效地提高信噪比，有利于宏脈沖飛行時(shí)間的提取。

圖1 宏/子脈沖編碼光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

宏/子脈沖光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)采用時(shí)移脈沖累加的方法獲取目標(biāo)距離，其中累加的過程與傳統(tǒng)的脈沖累加方法一樣，目的都是通過累加提高系統(tǒng)的信噪比。

考慮遠(yuǎn)距離高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測，當(dāng)目標(biāo)處于高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)脈沖測量到的是不同距離處的目標(biāo)。目前常見的商用光子計(jì)數(shù)模塊的時(shí)間分辨率一般為亞納秒量級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)亞厘米級(jí)的距離分辨。因此，只要每個(gè)脈沖間隔內(nèi)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)距離超過光子計(jì)數(shù)模塊時(shí)間分辨率對應(yīng)的距離分辨率，每個(gè)脈沖獲得的就是不同的飛行時(shí)間，本文使用的SIMINICS-FT1040光子計(jì)數(shù)模塊的時(shí)間分辨率為64 ps。定義計(jì)數(shù)模塊的時(shí)間分辨率為精時(shí)間門，如圖3(a)展示的是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在精時(shí)間門的情況下多脈沖累加的示意圖。紅色曲線表示不同周期激光脈沖的飛行時(shí)間對應(yīng)的精時(shí)間門的位置。在精時(shí)間門的情況下，由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，三個(gè)周期的回波信號(hào)位于不同的時(shí)間門，直接在這種精時(shí)間門的情況下對三個(gè)周期進(jìn)行累加難以提取出目標(biāo)的位置。在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度未知的情況下，為了解決這個(gè)問題，需要將系統(tǒng)的時(shí)間分辨率降低，目的是使目標(biāo)在較低的時(shí)間分辨率下近似靜止。低時(shí)間分辨率對應(yīng)粗的時(shí)間門，如圖3(b)展示的是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在粗時(shí)間門的情況下多脈沖累加的示意圖。藍(lán)色實(shí)線表示不同周期激光雷達(dá)的飛行時(shí)間對應(yīng)的粗時(shí)間門的位置。在粗時(shí)間門的情況下，由于時(shí)間分辨率較低，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)被忽略，不同位置目標(biāo)的回波位于相同的粗時(shí)間門內(nèi)，因此，可以通過多周期累加的方式提取目標(biāo)的飛行時(shí)間，從而獲得目標(biāo)的距離。

圖2 時(shí)移脈沖累加飛行時(shí)間提取方法

圖3 在精時(shí)間門(a)和粗時(shí)間門(b)的情況下，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)對脈沖累加效果的影響

對于宏/子脈沖方法，粗時(shí)間門的選擇與總的子脈沖間隔、子脈沖寬度以及目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)；而對于脈沖累加方法來說，粗時(shí)間門的選取則與激光器的脈沖重復(fù)頻率(pulse repetition frequency，PRF)、累加脈沖的個(gè)數(shù)、脈沖寬度、目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。

需要指出的是，為了減小距離游走誤差的影響[21]，在計(jì)算粗時(shí)間門寬度時(shí)考慮了脈沖的寬度。

3 宏/子脈沖光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)虛警概率與探測概率分析

為了定量地分析宏/子脈沖光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)與傳統(tǒng)脈沖累加光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)測量遠(yuǎn)距離、高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的性能，本節(jié)將對宏/子脈沖方法的虛警概率以及探測概率進(jìn)行分析。

3.1 虛警概率分析

當(dāng)初始電子的數(shù)量較少時(shí)，Gm-APD探測器的探測模型近似服從泊松分布[22]，噪聲的概率密度函數(shù)可以描述為個(gè)噪聲雪崩事件發(fā)生的概率。在一個(gè)時(shí)間門內(nèi)，個(gè)噪聲雪崩事件發(fā)生的概率可以表示為

圖4展示了當(dāng)脈沖累加個(gè)數(shù)為20，探測器死時(shí)間為25 ns，時(shí)間門寬度為20 ns時(shí)，在不同信號(hào)識(shí)別閾值情況下，虛警概率隨噪聲計(jì)數(shù)水平變化的情況。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)間門確定時(shí)，虛警概率隨噪聲計(jì)數(shù)的增加呈指數(shù)增長。實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)的虛警概率有一個(gè)最高閾值的限定。為了滿足系統(tǒng)對虛警概率的要求，當(dāng)噪聲計(jì)數(shù)越高時(shí)，需要設(shè)置更高的閾值。如圖4所示，當(dāng)噪聲計(jì)數(shù)小于0.55 Mcp時(shí)，閾值=3即可以滿足系統(tǒng)虛警概率小于0.1%的要求；而當(dāng)噪聲計(jì)數(shù)分布在0.55 Mcps~1.3 Mcps時(shí)，閾值則需要設(shè)置為=4。

當(dāng)時(shí)間門寬度一定時(shí)，噪聲水平自然是影響虛警概率的主要因素。圖5展示了當(dāng)累加脈沖個(gè)數(shù)為20、探測器死時(shí)間為25 ns、噪聲計(jì)數(shù)水平為1 Mcps時(shí)，不同信號(hào)識(shí)別閾值下，虛警概率隨時(shí)間門寬度變化的情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間門寬的增加，虛警概率呈指數(shù)增長。如圖5所示，假設(shè)系統(tǒng)指標(biāo)要求虛警概率不大于1%，在圖中所示的系統(tǒng)參數(shù)下，當(dāng)時(shí)間門寬度為20 ns時(shí)，可以設(shè)置信號(hào)識(shí)別閾值=3，而當(dāng)時(shí)間門寬度為50 ns時(shí)，則需要設(shè)置信號(hào)識(shí)別閾值=5。

3.2 探測概率分析

宏/子脈沖方法和脈沖累加方法探測概率的最大區(qū)別在于信號(hào)識(shí)別閾值的不同，因此兩種方法可以采用相同的探測概率表示形式。圖6展示了當(dāng)子脈沖個(gè)數(shù)為20、探測器死時(shí)間為25 ns、噪聲計(jì)數(shù)水平為1 Mcps時(shí)，在不同信號(hào)識(shí)別閾值情況下，探測概率隨信號(hào)初始光電子變化的情況。在同一個(gè)信號(hào)識(shí)別閾值下，與單脈沖探測概率變化的趨勢相同，隨著平均回波光子數(shù)的增加，宏/子脈沖方法的探測概率逐漸增加，并趨于飽和。但是，在探測概率均未飽和的情況下，當(dāng)信號(hào)初始光電子數(shù)相同時(shí)，信號(hào)識(shí)別閾值越高，系統(tǒng)的探測概率越低。

圖4 噪聲水平對探測概率的影響 (N=20, td=25 ns, tbin=20 ns)

圖5 時(shí)間門寬度對虛警概率的影響 (N=20, td=25 ns, ψn=1 Mcps)

圖6 信號(hào)識(shí)別閾值對探測概率的影響(N=20, td=25 ns, ψn=1 Mcps)

根據(jù)圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，時(shí)間門越寬，時(shí)間門的虛警概率越高，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的虛警概率更高，因此需要選擇更高的信號(hào)識(shí)別閾值以抑制虛警；而信號(hào)識(shí)別閾值越高，在相同的系統(tǒng)參數(shù)下，探測概率越低。在測量高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)時(shí)，因?yàn)楹?子脈沖方法可以更集中地發(fā)射多個(gè)子脈沖，子脈沖的發(fā)射持續(xù)時(shí)間越短，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)在時(shí)域上更集中，因而更容易實(shí)現(xiàn)對回波信號(hào)的提取。

4 宏/子脈沖光子計(jì)數(shù)雷達(dá)測距仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 遠(yuǎn)距離高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測仿真

本文采用蒙特卡洛(Monte Carlo)仿真方法來驗(yàn)證宏/子脈沖方法的探測性能。仿真的主要參數(shù)如表1所示。

魚粉的感官評(píng)價(jià)參考顯微鏡檢驗(yàn)的結(jié)果，可以參照國標(biāo)的方法進(jìn)行。同時(shí)，結(jié)合上述感覺評(píng)價(jià)，可以對魚粉的質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行定性和半定量的評(píng)價(jià)和分析。在通過上述感官評(píng)價(jià)判定為合格之后，再進(jìn)行化學(xué)評(píng)價(jià)，這也是魚粉質(zhì)量控制的基本原則。

在本文中假設(shè)目標(biāo)與激光雷達(dá)系統(tǒng)之間僅有徑向速度無切向速度，仿真過程通過以下五步來實(shí)現(xiàn)：

第一步：根據(jù)宏/子脈沖方法的脈沖間隔、目標(biāo)的初始位置、速度以及運(yùn)動(dòng)方向(相向運(yùn)動(dòng)或背向運(yùn)動(dòng))，計(jì)算出每個(gè)脈沖與高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)相逢時(shí)的飛行時(shí)間；

第二步：以泊松分布的方式，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)以及第一步獲得的脈沖飛行時(shí)間，在每個(gè)時(shí)間門內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生信號(hào)和噪聲；

第三步：根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)預(yù)先選擇合適的粗時(shí)間門(粗時(shí)間門的選取參照2.2節(jié))，并根據(jù)選定的粗時(shí)間門對第二步獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行粗值化處理，這一步的目的是為了減小目標(biāo)運(yùn)動(dòng)帶來的負(fù)面影響；

第四步：在第三步的基礎(chǔ)上，根據(jù)2.2節(jié)提出的時(shí)移累加方法將個(gè)子脈沖累加；

第五步：根據(jù)統(tǒng)計(jì)直方圖提取信號(hào)位置。

在蒙特卡洛仿真中，假設(shè)目標(biāo)從100 km遠(yuǎn)處向激光雷達(dá)系統(tǒng)高速運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)僅有徑向運(yùn)動(dòng)且運(yùn)動(dòng)速度為1500 m/s?？紤]到距離模糊的問題，設(shè)定宏脈沖的重復(fù)頻率為50 Hz。在每個(gè)宏脈沖周期中，20個(gè)子脈沖以不等的脈沖間隔分布在1 ms時(shí)間內(nèi)。在1 ms的時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)1.5 m，根據(jù)式(2)，時(shí)間門寬度可以設(shè)置為15 ns。依次根據(jù)仿真的五個(gè)步驟，得到了如圖7所示的宏/子脈沖方法的累加直方圖。

為了驗(yàn)證宏/子脈沖編碼光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)的可行性，假設(shè)目標(biāo)以1500 m/s的速度從100 km遠(yuǎn)處徑直飛向激光雷達(dá)系統(tǒng)。對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)2 s仿真探測，宏/子脈沖方法可以提供100個(gè)回波位置。分別仿真統(tǒng)計(jì)了單脈沖探測概率為30%、40%、50%三種回波強(qiáng)度下，宏/子脈沖方法能夠正確提取回波位置的概率(零虛警條件下的探測概率)。在圖8中，藍(lán)色的實(shí)線代表目標(biāo)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡，紅色點(diǎn)代表兩種方法探測到的目標(biāo)位置。其中，在藍(lán)色實(shí)線上的紅點(diǎn)代表目標(biāo)被正確探測，其他紅點(diǎn)則表示目標(biāo)位置提取錯(cuò)誤。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著回波強(qiáng)度的增加，宏/子脈沖方法可以更好地恢復(fù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

為了更定量地分析宏/子脈沖方法的探測概率，在三種回波強(qiáng)度下，對上述仿真過程分別重復(fù)5次，探測概率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。由表中統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在仿真的三種回波信號(hào)強(qiáng)度下，宏/子脈沖方法的探測概率逐漸增加并在單脈沖探測概率為40%~50%左右時(shí)接近飽和狀態(tài)。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)的主要參數(shù)

圖7 宏/子脈沖方法的累加直方圖

圖8 宏/子脈沖方法在不同回波信號(hào)強(qiáng)度下的探測仿真結(jié)果。(a) 單脈沖探測概率30%；(b) 單脈沖探測概率40%；(c) 單脈沖探測概率50%

表2 宏/子脈沖方法探測概率仿真結(jié)果

4.2 遠(yuǎn)距離高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在完成仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，搭建了等效遠(yuǎn)距離高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)一步完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于遠(yuǎn)距離高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景難以在實(shí)驗(yàn)室條件下完成，我們以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完成了遠(yuǎn)距離高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的等效驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)原理圖如圖9所示，利用實(shí)驗(yàn)室頻率5 GHz的AWG5002信號(hào)發(fā)生器和外調(diào)制頻率10 MHz的激光器，對遠(yuǎn)距離高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的回波信號(hào)進(jìn)行構(gòu)造。構(gòu)造的過程可以分為三個(gè)步驟：首先，由信號(hào)發(fā)生器的通道1產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)直接由光子計(jì)數(shù)采集卡記錄作為計(jì)時(shí)開始信號(hào)；隨后以信號(hào)發(fā)生器通道1作為時(shí)序基準(zhǔn)，直接由信號(hào)發(fā)生器的通道2通過延時(shí)產(chǎn)生模擬100 km處耦合了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的回波信號(hào)電脈沖序列，再由該電脈沖序列直接驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生光脈沖序列，此時(shí)由激光器產(chǎn)生的光脈沖在時(shí)間延遲上等效于100 km遠(yuǎn)處目標(biāo)的回波脈沖；最后，考慮距離對激光脈沖能量的衰減，在光脈沖進(jìn)入Gm-APD探測器之前加入可調(diào)光學(xué)衰減器(VOA)，通過調(diào)節(jié)VOA的衰減比例，模擬不同距離的回波信號(hào)強(qiáng)度?？偟膩碚f，通過信號(hào)發(fā)生器完成對回波信號(hào)時(shí)域上的模擬，通過VOA完成對回波信號(hào)強(qiáng)度上的模擬，最終構(gòu)造出的光脈沖序列在時(shí)域與強(qiáng)度上均與真實(shí)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的回波信號(hào)近似。圖10為搭建的等效遠(yuǎn)距離高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

圖9 高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)原理圖

帶有飛行時(shí)間延遲的調(diào)制信號(hào)可以根據(jù)目標(biāo)的初始距離、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度和脈沖的周期計(jì)算獲得。則宏/子脈沖方法中發(fā)射的第個(gè)宏脈沖的飛行時(shí)間可以表示為

與仿真中使用的參數(shù)一樣，假設(shè)目標(biāo)以1500 m/s的速度從100 km遠(yuǎn)處徑直飛向激光雷達(dá)系統(tǒng)，設(shè)置宏脈沖的周期為20 ms。對目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡連續(xù)進(jìn)行2 s的監(jiān)測，根據(jù)式(8)計(jì)算宏/子脈沖方法的調(diào)制信號(hào)，并將調(diào)制信號(hào)對激光器進(jìn)行外觸發(fā)，獲得遠(yuǎn)距離的目標(biāo)回波，實(shí)驗(yàn)中使用的信號(hào)發(fā)生器可以將脈沖的飛行時(shí)間精確到亞納秒量級(jí)。同時(shí)，調(diào)整VOA的衰減比例，比較不同回波強(qiáng)度(單脈沖探測概率為30%、40%、50%)下兩種方法的探測性能。

圖10 等效遠(yuǎn)距離高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

與圖8類似，圖11和表4展示了宏/子脈沖方法在三種不同回波強(qiáng)度下，探測到的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡和統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，在展示的三種回波信號(hào)強(qiáng)度下，宏/子脈沖方法的目標(biāo)跟蹤軌跡的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致。

在測量遠(yuǎn)距離高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，宏/子脈沖編碼方法以不等的短間隔將多個(gè)脈沖以脈沖簇的形式進(jìn)行集中式發(fā)射，這種方法有效地減小了多個(gè)脈沖之間的總間隔，因而是一種有效的遠(yuǎn)距離高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測方法。對于高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，參與累加的多個(gè)脈沖之間的間隔越短，則目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的距離越小；根據(jù)式(1)可知，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)距離越小，需要選擇的粗時(shí)間門越??；而粗時(shí)間門越小，由式(4)可知系統(tǒng)的虛警概率越低；在保證系統(tǒng)滿足最大虛警概率要求的前提下，可以選擇更小信號(hào)識(shí)別閾值；而信號(hào)識(shí)別閾值越小，根據(jù)式(6)、式(7)可知，目標(biāo)的探測概率越高。因此，宏/子脈沖編碼方法由于比脈沖累加方法具有更短的脈沖發(fā)射間隔，探測概率得以顯著提高。

表5統(tǒng)計(jì)了宏/子脈沖方法探測概率的理論、仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)三者具有極高的一致性；隨著單脈沖探測概率的增加，宏/子脈沖的探測概率逐漸增加并趨于飽和，最終通過理論、仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了宏/子脈沖編碼光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)是一種有效的遠(yuǎn)距離高速徑向運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測方法。

表3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)

圖11 宏/子脈沖方法在不同回波信號(hào)強(qiáng)度下的探測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a) 單脈沖探測概率30%；(b) 單脈沖探測概率40%；(c) 單脈沖探測概率50%

表4 宏/子脈沖方法探測概率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 總 結(jié)

宏/子脈沖編碼光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)是針對遠(yuǎn)距離且目標(biāo)與激光雷達(dá)平臺(tái)間存在相對距離變化的應(yīng)用而提出的方法。與傳統(tǒng)脈沖的對比，宏/子脈沖方法采用脈沖串簇發(fā)的方式，縮短了光子計(jì)數(shù)所需累積脈沖的時(shí)間間隔。脈沖串的間隔越短，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)越不顯著，這一特點(diǎn)使得其對于遠(yuǎn)距離高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測具有明顯的優(yōu)勢。同時(shí)子脈沖在相對較短的時(shí)間內(nèi)集中發(fā)射，提高了系統(tǒng)的探測速度，可以顯著提高對于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測距精度。所提出的方法沒有明顯的增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，與傳統(tǒng)的脈沖累積方法具有相同的激光平均發(fā)射功率，并不增加對系統(tǒng)資源的需求，同時(shí)不需要復(fù)雜的算法即可以采用常規(guī)的方式對回波信號(hào)進(jìn)行提取，因而具有重大的實(shí)用價(jià)值。

表5 宏/子脈沖方法探測概率

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Macro/sub-pulse coded photon counting LiDAR

Liu Bo1,2,3*, Jiang Shuo1,2,3, Yu Yang4, Chen Zhen1,2

1Key Laboratory of Science and Technology on Space Optoelectronic Precision Measurement, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610209, China;2Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610209, China;3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4Institute of Oceanographic Instrumentation, Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences), Qingdao, Shandong 266001, China

Structure of macro/sub-pulse coded photon counting LiDAR system

Overview:The photon counting LiDAR plays an important role in the long distance measurement because of the high sensitivity to a single photon and the ability of providing accurate photon arrival time. It uses statistical sampling technology which needs to accumulate enough photon events to establish a statistical histogram and extract echo information through the histogram. However, the process will greatly reduce the measurement speed of the system. If there is a relative movement between the system and target, the laser pulses of multiple cycles will have different flight time. Then it can be difficult to extract the distance of the target as the echo signals are difficult to reflect the clustering characteristics in time. In order to solve this problem, a macro/sub-pulse coded photon counting LiDAR is proposed. The measurement speed of the macro/sub-pulse method is determined by the total time of all sub-pulses in the period. Compared with pulse accumulation, the macro/sub-pulse method can realize fast measurement. In the system, the emitting pulse is divided into two parts by a proportional beam splitter, one part is directly detected by PIN and used as the transmitting reference signal, and the other part is used to detect targets. Echo signals scattered by the target are received by optical system and detected by GM-APD (Geiger-mode avalanche photodiode). It should be pointed out that in the macro/sub-pulse LiDAR system, any two sub-pulses have different pulse intervals, which can effectively avoid distance blur. In this paper, the theoretical model of macro/sub-pulse coded photon counting LiDAR is established. To obtain the distance of the target, a method which accumulates the sub-pulses with different time shift operations was proposed in this article. For the time-shifted pulse accumulation method, there is no special requirement for the received signal, but the sub-pulse interval of the transmitted signal needs to be known in advance. To meet this requirement, a PIN detector is used to record the transmitting sequence. Within a period, the echo signals detected by GM-APD detector are shifted sequentially according to the interval of sub-pulses, and the sequentially shifted echo signals are accumulated. The position of the cumulative peak corresponds to the flight time of the sub-pulse. Also, in the third part of this article, the influence of false alarm probability and detection probability were analyzed. The effectiveness of macro/sub-pulse coded photon counting LiDAR is verified by Monte Carlo simulation and experiment.

Citation: Liu B, Jiang S, Yu Y,. Macro/sub-pulse coded photon counting LiDAR[J]., 2020,47(10): 200265

Macro/sub-pulse coded photon counting LiDAR

Liu Bo1,2,3*, Jiang Shuo1,2,3, Yu Yang4, Chen Zhen1,2

1Key Laboratory of Science and Technology on Space Optoelectronic Precision Measurement, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610209, China;2Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610209, China;3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4Institute of Oceanographic Instrumentation, Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences), Qingdao, Shandong 266001, China

Photon counting LiDAR plays an important role in the long-distance target measurement because of the high detection sensitivity. For the targets with high radial velocity and long distance, ordinary photon counting LiDAR could not recover the useful echo information simply by statistical histogram. In order to solve this problem, a method based on macro/sub-pulse coded photon counting LiDAR is proposed. The flight time of the subpulses is extracted by time shift pulse accumulation and the target distance information is obtained in one macro pulse. In this paper, the theoretical model of macro/sub-pulse coded photon counting LiDAR is established, and the influence of false alarm probability and detection probability is analyzed. The effectiveness of the LiDAR is verified by Monte Carlo simulation and actual experiments.

macro/sub-pulse; LiDAR; photon counting; target measurement

TN958.98；TP23

A

劉博，姜朔，于洋，等. 宏脈沖編碼光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)[J]. 光電工程，2020，47(10): 200265

10.12086/oee.2020.200265

: Liu B, Jiang S, Yu Y,Macro/sub-pulse coded photon counting LiDAR[J]., 2020, 47(10): 200265

2020-07-16；

2020-09-28

劉博(1979-)，男，博士，研究員，主要從事激光雷達(dá)探測與通信的研究。E-mail：boliu@ioe.ac.cn

* E-mail: boliu@ioe.ac.cn