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1、 航天学院激光雷达成像技术（3）航天学院成像技术要点距离测量技术 直接飞行时间“Direct Time-of-Flight (TOF)” 连续波振幅调制的相位“Phase-Based AM-CW” 连续波振幅啁啾调制“Chirped AM-CW “ 连续波频率啁啾调制“Frequency chirp (FM-CW)” 成像方式 扫描成像（X-Y扫描、线扫描、MEMS或DMD扫描） FLASH成像（焦平面成像）条纹相机成像 距离选通成像 相控阵成像 合成孔径成像航天学院航天学院激光雷达常见的性能指标最大辐射功率 水平视场“ horizontal Field of View (FOV)” 垂直视场
2、“ vertical FOV” 光源波长“Wavelength of optical source” 最远测量距离“Maximum distance to be measured”测量时间/帧频“ Measurement time / frame rate” 纵向分辨率“depth resolution “ 角分辨率“angular resolution” 测距精度“Range Measurement accuracy”航天学院脉冲飞行时间测量法（1）图-1纯脉冲飞行时间物理过程航天学院连续波幅度调制相位测量法 图-2 飞行时间决定相位的物理过程航天学院相位差与距离关系模糊距离信噪比与测距精度
3、举例1航天学院连续波啁啾幅度调制测量法F-调制深度T-调制周期fif -中频啁啾调制信号与中频信号图示航天学院航天学院航天学院Block diagram for an experimental single channel (2-D) chirped-AM/cw LADAR 航天学院连续波频率啁啾调制测量法 航天学院Frequency chirp (FM-CW) used in the Metric Vision MV-200 coherent Ladar. 航天学院相干激光雷达距离精度航天学院外差等效噪声功率heterodyne noise equivalent power (NEP) 信噪
4、比 signal-to-noise ratio (SNR) 散焦损耗defocusing loss航天学院外差探测信噪比受相干长度影响。对于洛伦兹型光源线宽:考虑散焦和相干长度等因素，其效噪比SNR表示为 including the losses due to the defocusing and coherence, the equation becomes:啁啾激光雷达1个正弦信号测距精度航天学院距离精度range accuracy,航天学院Typical parameters for the Metric Vision MV-200 CLRTheoretical Range Accura
5、cies for Different Targets for the sensor as described航天学院扫描成像航天学院平行光束扫描 会聚光束扫描 航天学院航天学院V高度H(m)的飞行速度；N=mn探测器单元数量；dres探测器面元尺寸 脉冲重复频率 fr：其中：N (m n)-像素；F-帧频总的扫描时间：其中：tot-总扫描角； tot-光束发散角；Tdwell=1/fr-光束滞留时间飞行时扫描频率：航天学院扫描时脉冲积累数：其中：B-天线3dB光束宽度(deg);fr-重频；m-天线每分转数瞄准误差与滞后角效应：其中：-滞后角；d/dt-扫描速率；-往返时间；r-到目标距离；c
6、-光 速；n-传播介质平均折射率航天学院航天学院航天学院Model 6400 Moving Coil Capacitive Position Detector Optical Scanner航天学院航天学院Preliminary SpecsPE100011PF210012PE200012PE210012Scan speed (fast axis)10 kHz21 kHz20kHz21 kHzScan speed (slow axis)1.15 kHz1.2 kHz1.2 kHz1.2 kHzMirror plate size1.2 mm Circular0.9 mm Circular1.0 m
7、m Circular1.0 mm CircularOptical scanning angle15o / 12o15o / 15o15o / 15o15o / 15oScan trajectory (fast axis)sinusoidalsinusoidalsinusoidalsinusoidalScan trajectory (slow axis)sinusoidal sinusoidalsinusoidalsinusoidalScan jitter 80% 450650nm 80% 450650nm 80% 450650nm 80% 450650nmMirror flatness7.5m
8、 FPA采样率2GHz500GHz 瞬时视场10.110.1mrad在150m处为1.5m正方形航天学院2003年6月该Jigsaw系统装在UH-1 直 升机上进行了飞行实验 隐蔽在树林中带伪装网的坦克目标 航天学院飞行实验中获取的坦克目标的伪彩色3D 激光雷达图像处理过程显 示航天学院APD的工作模式 线性模式工作电压接近并小于雪崩电压时，M到1000左右就会饱和，这样的倍增还不足以探测到单光子信号；盖革模式工作偏压大于雪崩电压时，光子信号APD吸收，并使APD迅速雪崩，同时采用一定的抑制电路（无源抑制、有源抑制和主动门抑制），迅速切断雪崩，使APD恢复到接收光子的状态。 航天学院盖革模式淬
9、灭电路被动淬灭主动淬灭航天学院GM-APD:光子/数字转换Digitally encoded photon arrival timephotonAPD单元Digital timing circuitLenslet arrayAPD array焦平面CMOS array航天学院APD/CMOS 时间记录阵列Silicon APDs for 0.9 m20-50 % 探测效率10-kHz 暗光子技术率桥接 CMOS 计时InGaAsP/InP APDs for 1 1.5 m 20-50%探测效率10-kHz暗光子技术率TE-cooling (1 m )桥接 CMOS 计时CMOS 计时电路t25
10、0 - 500-ps 时间分辨率500 MHz and 1-GHz 时钟100-m Bridge-Bonded Si APDsBump-Bonded InGaAsP APDs航天学院32x32 Array Silicon (Visible), InGaAs (1-m)32 x 128 ArrayGM-APD 阵列 CMOS 计时电路技术优势:极高的灵敏度 (单光子)极高的距离分辨率 ( 10 cm)高度集成化 距离像数字化输出可升级大尺寸面阵航天学院光子技术阵列也可用于相干探测（引入本振光子时）使用 GM-APD进行相干探测的优势:两种模式激光雷达 探测器阵列工作在近量子极限 可使用大尺度面阵
11、探测器GM-APD相干激光成像雷达Signal PhotonsSignal PhotonsLO Photons直接探测相干探测航天学院低光子通量下的干扰Spatial: 双狭缝实验Temporal: 外差探测高光通量低光通量distance xtimedistance xIntensityCountsIntensityCountstimeLaser 2Laser 1Detectorff + f1/ f高光通量低光通量航天学院工作原理LO 快门系统在直接探测/相干探测之间转换 CW 主振荡器和放大器调节产生某一波形 两个面阵探测器（水平和垂直偏振方向）Master OscillatorAmpli
12、tude ModulatorAmplifier/ Isolator StagesWaveform SynthesizerLO ShutterAmplitude ModulatorAPD Arrays航天学院经典相干探测描述Laser sourceAOMFrequency referencem, mixing efficiencyPhasefrequency-shifte航天学院经典相干探测: CNR如果本振光产生的噪声远远大于其它噪声,则 CNR 主要由信号 回波的散粒噪声决定，即：航天学院GM APD 相干探测 : CNR尽管CNR降低 3-dB ，但有如下好处：单个探测器即可直接探测亦可相
13、干探测，简化成双模系统 本振光功率:仍为传统相干探测水平，mW两级/每个单元可以适用于大面阵探测器GM-APD与传统相干探测相比由于散粒噪声极限的作用使载噪比 CNR降低一半航天学院GM-APD信号光和本振光光子探测Luu and Jiang (Appl. Optics 45, 3798) developed expression for CNR in presence of saturation (NP = total number of photon “buckets” available)SaturatedNext photon likely to hit dead pixelIncre
14、asing LO or return powerMacropixelNext photon likely to hit free pixelIndividual APDsFocal Plane航天学院GM-APD相干探测数据处理方法Collection of GM APDs acts as a single coherent detector Histogram of arrival times gives intensity vs time FFT or digitally mix with i.f. to obtain frequency/phase Time resolution of
15、clock (2 GHz) determines bandwidthAOMFrequency referenceLaser sourceArrival timesHistogram of arrival timesPower spectral densitySignal ProcessingEarly HitLate Hit No Hit航天学院CNR 结果比较Number of return photoelectronsCoherent CNR (dB)CNRArray Filled航天学院CNR 与理论值比较-20-1001020301101001000 Number of return
16、photoelectronsCoherent CNR (dB)Array FilledSaturating-pixel theory, nonuniform illuminationDetector intensity imageNPDCR = 175 kHz/pixelm = 0.4Saturating-pixel theory, uniform illumination航天学院本振光功率增加效应Number of return photons在未饱和区域增加本振光功率可以得到 3 dB 的好处最佳本振光功率由信号回波和探测器单元参数确定CNR (dB)Number of local oscillator photonsCNR/Shot noise limit10 Return photons50 Return p
