[发明专利]散斑相干性对单光子激光雷达测距精度影响的评估方法

说明书

本发明提供一种散斑相干性对单光子激光雷达测距精度影响的评估方法，包括设定单光子激光雷达系统参数，计算单光子激光雷达系统的接收孔径自相关函数和接收孔径上的强度归一化协方差函数，计算散斑自由度M；依据激光雷达方程计算平均信号光子数N_s，计算激光雷达系统总噪声率N_n；基于激光脉冲均方根脉宽σ_s将探测概率对时间求微分得到回波信号关于时间t的探测概率密度函数f_s(t)，得到探测器探测到目标点的时间的均值和方差Var，根据漂移误差R_a和随机误差R_p，得到散斑空间相干性对单光子激光雷达测距精度的影响。本发明具有很好的兼容性，能为激光雷达的系统参数设计提供指导，支持在满足虚警概率的约束下，尽可能提高探测概率，降低测距误差。

技术领域

本发明涉及激光散斑的空间分布对脉冲式测距激光雷达的测距精度评估方法，尤其是涉及单光子激光雷达在不同目标特性条件下，用散斑自由度评估受发射系统、接收系统等系统参数和光斑初始分布影响的激光散斑空间相干性，并分析其对激光雷达测距精度的影响。

背景技术

由于激光雷达探测的目标的表面相对于激光波长的尺度，通常是“粗糙”的，因而这些粗糙表面的多种多样的微小子面元对观察到的总场提供了随机的相位基元，这些基元相互干涉形成了最后的强度。激光的散斑效应对于工作在线性体制的激光雷达影响不显著，但对于工作在光子计数模式下的激光雷达所接收的光子信号的统计分布的影响不能被忽略。引入散斑自由度可以很好地描述散斑的统计特性，更好地描述接收回光信号的统计特性，并用于分析激光散斑空间相干性对激光雷达测距精度的影响。

实际上，美国国家航空航天局计划发射的ICESat-2(Ice,Cloud,and landElevation Satellite-2)和LIST(Lidar Surface Topography)卫星都采用了光子计数的探测体制。目前美国已成功研制ICESat-2的机载验证系统MABEL(Multiple AltimeterBeam Experimental Lidar)；上海技术与物理研究所研制了采用4×4探测器阵列的光子计数式激光雷达。测距精度是激光雷达的核心指标，测距精度的理论模型对激光雷达系统参数的优化设计至关重要。目前已有的单光子激光雷达测距精度模型和评估方法，都忽略了散斑的影响，并以泊松分布对光子事件进行近似，而并没有给出与系统参数有关的近似条件，难以对实际的测距系统是否满足近似条件进行评估，考虑散斑空间相关性对测距精度影响的评价方法也未见完整资料给出。

发明内容

本发明主要是利用新建立的考虑了散斑空间相干性的单光子激光雷达探测模型，提供了一种用于评估散斑空间相关性对单光子激光雷达的测距精度影响的方法。

本发明的技术方案提供一种散斑相干性对单光子激光雷达测距精度影响的评估方法，包括以下步骤：

步骤1，设定单光子激光雷达系统参数，包括激光波长λ，接收光学望远镜的有效口径面积A_r，接收光学系统孔径D_r，接收光学系统接收孔径权重函数D(x,y)，发射光学系统孔径D_t，发射激光光斑初始振幅分布I(x,y)，x和y分别为接收孔径平面坐标系上任意一点的横坐标和纵坐标；设定目标类型和目标直径D_target，激光雷达与目标之间的距离z，所述目标类型为点目标或面目标；设定测量时环境参数，计算单光子激光雷达系统的接收孔径自相关函数K_D(Δx,Δy)和接收孔径上的强度归一化协方差函数μ_A(Δx,Δy)，其中(Δx,Δy)为探测器或接收孔径上两点的坐标之差；

所述单光子激光雷达系统的接收孔径自相关函数K_D(Δx,Δy)计算如下，

接收孔径上的强度归一化协方差函数μ_A(Δx,Δy)计算如下，