[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

摘要

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Ns，计算激光雷达系统总噪声率Nn；基于激光脉冲均方根脉宽σs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fs(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Ra和随机误差Rp，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。

主权项

1.一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，其特征在于，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Ar，接收光学系统孔径Dr，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Dt，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Dtarget，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KD(Δx,Δy)和接收孔径上的强度归一化协方差函数μA(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KD(Δx,Δy)计算如下，接收孔径上的强度归一化协方差函数μA(Δx,Δy)计算如下，其中，α和β分别为目标平面坐标系的横坐标和纵坐标，I(α,β)为目标上散斑场的强度分布，z为激光雷达与目标之间的距离，λ为激光波长，e为自然对数，j为复数；步骤2，根据步骤1中计算的接收孔径自相关函数KD(Δx,Δy)和接收孔径上的强度归一化协方差函数μA(Δx,Δy)，计算散斑自由度M如下，其中，为接收光学系统接收孔径权重函数D(x,y)的二重积分；步骤3，设定单光子激光雷达系统参数，包括激光单脉冲发射能量Et，激光脉冲均方根脉宽σs，激光雷达探测器的量子效率ηq，接收光学系统效率ηr，发射光学系统效率ηt，设定目标反射率ρ，依据以下激光雷达方程计算平均信号光子数Ns，其中，h是普朗克常数，υ是光波频率，hυ表示单个光子的能量大小，ρ是目标反射率，θg是激光测高仪的指向角与目标表面法向方向的夹角，Tv是激光雷达与目标之间的单程大气透过率，R为目标到测距系统的距离；步骤4，设定单光子激光雷达探测器暗计数噪声率Nd，单光子激光雷达目标散射噪声N1，大气后向散射噪声N2，窄带滤光片带宽Δf，窄带滤光片中心透过率rt，计算激光雷达系统总噪声率Nn如下，Nn＝Nd+[(N1+N2)·Δf]·rt然后计算探测概率如下，其中，P(K＝Nn)为产生Nn个噪声光子事件的探测概率，K为光电探测光子上产生的光子事件个数；步骤5，根据步骤2、步骤3和步骤4中计算得到的散斑自由度M，平均信号光子数N_s和单位时间内总噪声率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；计算单光子激光雷达的漂移误差Ra如下，计算单光子激光雷达的随机误差Rp如下，其中，c为光速，Ts是目标在距离门中时刻；根据漂移误差Ra和随机误差Rp与传统利用泊松分布进行近似后的计算结果的差异，得到散斑空间相干性对单光子激光雷达测距精度的影响。