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单光子激光测距的漂移误差理论模型及补偿方法

黄科 李松 马跃 田昕 周辉 张智宇

单光子激光测距的漂移误差理论模型及补偿方法

黄科, 李松, 马跃, 田昕, 周辉, 张智宇
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  • 单光子激光测距系统采用高灵敏度的单光子探测器作为接收器件,更易实现高密度、高覆盖率的目标采样,是未来激光测距系统的发展方向.漂移误差作为限制单光子激光测距精度提高的瓶颈问题,其主要由平均回波信号光子数的变化引起.以激光雷达方程、单光子探测器的概率与统计理论为基础,建立了漂移误差的理论模型,给出了漂移误差与平均信号光子数、均方根脉宽等系统参数之间的理论关系式.同时,结合单光子探测概率模型给出了一种漂移误差的修正方法,并搭建实验系统对漂移误差模型和修正方法进行了验证.在回波信号均方根脉宽为3.2 ns、平均回波信号光子数为0.03到4.3个情况下,未经修正的漂移误差最大达到46 cm,经修正后的均方根误差为1.16 cm,平均绝对误差为0.99 cm,达到1 cm量级,漂移误差对测距精度的影响基本可以忽略.该方法可以解决漂移误差制约单光子激光测距精度提高的瓶颈问题.
      通信作者: 李松, ls@whu.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:41506210)、国家科技重大专项(批准号:42-Y20A11-9001-17/18)、中国博士后科学基金(批准号:2016M600612)和卫星测绘技术与应用国家测绘地理信息局重点实验室(批准号:KLSMTA-201701)资助的课题.
    [1]

    Iqbal I A, Dash J, Ullah S, Ahmad G 2013 Int. J. Appl. Earth Obs. 23 109

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    Apakwok R, Markus T, Morison J, Palm S P, Neumann T A, Brunt K M 2014 J. Atmos. Ocean. Technol. 31 1151

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    Zhang S, Tao X, Feng Z J, Wu G H, Xue L, Yan X C, Zhang L B, Jia X Q, Wang Z Z, Sun J, Dong G Y, Kang L, Wu P H 2016 Acta Phys. Sin. 65 188501 (in Chinese) [张森, 陶旭, 冯志军, 吴淦华, 薛莉, 闫夏超, 张蜡宝, 贾小氢, 王治中, 孙俊, 董光焰, 康琳, 吴培亨 2016 物理学报 65 188501]

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    Johnson S E, Nichols T L, Gat P, Klausutis T J 2004 Sensors 5412 72

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    Zhang J S 2014 Ph. D. Dissertation (Rochester:Rochester Institute of Technology)

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-13
  • 修回日期:  2017-12-06
  • 刊出日期:  2018-03-20

单光子激光测距的漂移误差理论模型及补偿方法

  • 1. 武汉大学电子信息学院, 武汉 430072
  • 通信作者: 李松, ls@whu.edu.cn
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:41506210)、国家科技重大专项(批准号:42-Y20A11-9001-17/18)、中国博士后科学基金(批准号:2016M600612)和卫星测绘技术与应用国家测绘地理信息局重点实验室(批准号:KLSMTA-201701)资助的课题.

摘要: 单光子激光测距系统采用高灵敏度的单光子探测器作为接收器件,更易实现高密度、高覆盖率的目标采样,是未来激光测距系统的发展方向.漂移误差作为限制单光子激光测距精度提高的瓶颈问题,其主要由平均回波信号光子数的变化引起.以激光雷达方程、单光子探测器的概率与统计理论为基础,建立了漂移误差的理论模型,给出了漂移误差与平均信号光子数、均方根脉宽等系统参数之间的理论关系式.同时,结合单光子探测概率模型给出了一种漂移误差的修正方法,并搭建实验系统对漂移误差模型和修正方法进行了验证.在回波信号均方根脉宽为3.2 ns、平均回波信号光子数为0.03到4.3个情况下,未经修正的漂移误差最大达到46 cm,经修正后的均方根误差为1.16 cm,平均绝对误差为0.99 cm,达到1 cm量级,漂移误差对测距精度的影响基本可以忽略.该方法可以解决漂移误差制约单光子激光测距精度提高的瓶颈问题.

English Abstract

参考文献 (23)

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