一种单光子激光雷达多探测器条件下的测距精度评估方法技术

本发明专利技术涉及一种单光子激光雷达在多个探测器条件下的测距精度评估方法。本发明专利技术首先建立单光子激光雷达在多个探测器条件下的测距精度模型，测距精度由测距系统误差和随机误差组成，得出测距精度与激光雷达的系统参数、被测目标参数和测量时的环境参数的数学关系式。根据激光雷达的系统参数、被测目标参数和测量时的环境参数，可以快速评估出单光子激光雷达的测距精度。该测距精度评估方法，具有很好向下的兼容性，当探测器个数等于1时，与现有的单个探测器条件下单光子激光雷达测距精度评估方法相同，可以直接替代现有的单个探测器条件下单光子激光雷达测距精度评估方法。

【技术实现步骤摘要】
一种单光子激光雷达多探测器条件下的测距精度评估方法
本专利技术涉及一种脉冲式测距激光雷达的测距精度评估方法，尤其是涉及一种单光子激光雷达在多个探测器条件下，针对同一目标的测距精度评估方法。
技术介绍
与传统线性体制激光雷达不同，单光子激光雷达只能探测到信号的有无，不能探测到信号的大小，因而基于单光子探测体制的激光雷达记录的不是与信号强度线性相关的波形，而是记录探测到的单光子事件的时间标签，其输出可以理解为由没有信号的空白区域和探测到单光子事件的离散点组成。单光子探测体制的信号光子利用率高，探测器噪声相对较小，因而基于单光子探测体制的激光雷达所需激光器的单脉冲能量与基于回波波形采样体制相比要低几个数量级。更低的单脉冲能量意味着激光脉宽可以压缩到更窄，激光器重频可以达到更高；同时也更容易实现多波束并行发射，缩短地形地貌测绘的时间；还可以获得有关表面坡度和粗糙度的信息，实现高精度、高分辨率的空间高程测绘，十分有利于空间科学研究。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，主要集中于对单个单光子探测器模式的测距精度进行建模和量化分析。实际上，美国国家航空航天局计划发射的ICESat-2(Ice,Cloud,andlandElevationSatellite-2)和LIST(LidarSurfaceTopography)卫星都计划搭载多个探测器组成的阵列式单光子激光雷达(ICESat-2为4×4探测器阵列，LIST为5×5探测器阵列)。目前美国已成功研制ICESat-2的机载验证系统MABEL(MultipleAltimeterBeamExperimentalLidar)；上海光机所的光子计数式激光雷达也采用4×4探测器阵列模式。现有研究实质上是针对探测器端的测距精度模型，而对于针对同一目标使用阵列式多个探测器进行测量的，即针对目标端的单光子激光雷达测距精度分析模型尚未有资料完整给出。
技术实现思路
本专利技术主要是利用新建立的单光子激光雷达在多探测器条件下的测距精度模型，提供了一种用于单光子激光雷达在多探测器条件下的测距精度评估方法。本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种单光子激光雷达多探测器条件下的测距精度评估方法，包括以下步骤：步骤1，设定单光子激光雷达系统参数，即激光单脉冲发射能量Et，激光频率υ，激光雷达探测器的量子效率ηq，光学系统的传输效率ηr，接收光学望远镜的有效口径面积Ar；设定被探测目标参数，即发射光学系统光轴与目标法线的夹角θg，目标反射率βr，激光雷达与目标之间的距离z；设定测量时环境参数，即激光雷达与目标的单程大气透过率Ta，计算单次激光脉冲得到的平均信号光子数Ns；步骤2，设定激光雷达系统参数，即激光光束发散角θT，发射脉冲宽度σf；设定被测目标参数，即激光雷达与目标之间的距离z，发射光学系统光轴与目标法线的夹角θg，地表目标粗糙度Std(Δξ)，计算激光雷达接收脉冲宽度σs；步骤3，根据步骤1计算得出的单次激光脉冲得到的平均信号光子数Ns和步骤2计算得出的激光雷达接收脉冲宽度σs，另设定激光雷达探测器个数n，单位时间内的噪声光子数fn，计算单光子激光雷达多探测器条件下的激光飞行时间均值步骤4，根据步骤1和步骤2分别计算得出的单次激光脉冲得到的平均信号光子数Ns和激光雷达接收脉冲宽度σs，另设定激光雷达探测器个数n，单位时间内的噪声光子数fn，基于公式(13)计算单光子激光雷达多探测器条件下的测距系统误差Ra。步骤5，根据步骤1和步骤2分别计算得出的单次激光脉冲得到的平均信号光子数Ns和激光雷达接收脉冲宽度σs，另设定激光雷达探测器个数n，单位时间内的噪声光子数fn，基于公式(14)计算单光子激光雷达多探测器条件下的测距随机误差Rp。步骤6，根据步骤1、步骤2和步骤3分别计算得出的单次激光脉冲得到的平均信号光子数Ns、激光雷达接收脉冲宽度σs和激光飞行时间均值另设定激光雷达探测器个数n，单位时间内的噪声光子数fn，根据公式(15)计算单光子激光雷达多探测器条件下的测距整体误差Rss。在上述单光子激光雷达多探测器条件下的测距精度评估方法中，通过步骤6所计算得出的测距整体误差Rss，表征了在给定系统参数、目标参数和环境参数条件下，单光子激光雷达在多个探测器条件下的总体测距精度。因此，本专利技术主要有以下优点：1)可以快速计算单光子激光雷达在任意给定的系统参数、不同的被测目标参数和环境参数条件下，单光子激光雷达的测距系统误差、随机误差和整体误差，能够为单光子激光雷达的硬件系统参数优化设计提供参考和指导；2)该单光子激光雷达多探测器条件下的测距精度评估方法，具有很好向下的兼容性，当探测器个数等于1时(即n＝1)，与现有的单个探测器条件下单光子激光雷达测距精度评估方法相同，可以直接替代现有的单个探测器条件下单光子激光雷达测距精度评估方法。附图说明图1是利用本专利技术计算并绘制的接收信号脉宽σs分别为1ns、2ns、3ns和4ns，单脉冲信号光子数Ns从0.1到10个光子变化，单位时间内的噪声光子数fn为0时，单光子激光雷达在单个探测器条件下(即n＝1)的测距系统误差Ra曲线。图2是利用本专利技术计算并绘制的接收信号脉宽σs分别为1ns、2ns、3ns和4ns，单脉冲信号光子数Ns从0.1到10个光子变化，单位时间内的噪声光子数fn为0时，单光子激光雷达在单个探测器条件下(即n＝1)的测距随机误差Rp曲线。图3是利用本专利技术计算并绘制的单光子激光雷达在1个，4个(2×2阵列)，9个(3×3阵列)，16个(4×4阵列)或25个(5×5阵列)探测器条件下，单脉冲信号光子数Ns从0.1到10个光子变化，单位时间内的噪声光子数fn为0，接收信号脉宽σs为2ns时，单光子激光雷达的测距系统误差Ra曲线。图4是利用本专利技术计算并绘制的单光子激光雷达在1个，4个(2×2阵列)，9个(3×3阵列)，16个(4×4阵列)或25个(5×5阵列)探测器条件下，单脉冲信号光子数Ns从0.1到10个光子变化，单位时间内的噪声光子数fn为0，接收信号脉宽σs为2ns时，单光子激光雷达的测距系统误差Rp曲线。图5是利用本专利技术计算并绘制的单光子激光雷达在1个，4个(2×2阵列)，9个(3×3阵列)，16个(4×4阵列)或25个(5×5阵列)探测器条件下，单脉冲信号光子数Ns从0.1到10个光子变化，单位时间内的噪声光子数fn为0，接收信号脉宽σs为2ns时，单光子激光雷达的总体测距系统Rss曲线，该曲线表征了单光子激光雷达在此种输入条件下的总体测距精度。图6是利用本专利技术计算并绘制的单光子激光雷达在1个，4个(2×2阵列)，9个(3×3阵列)，16个(4×4阵列)或25个(5×5阵列)探测器条件下，单脉冲信号光子数Ns从0.1到10个光子变化，单位时间内的噪声光子数fn为0，接收信号脉宽σs为4ns时，单光子激光雷达的总体测距系统Rss曲线，该曲线表征了单光子激光雷达在此种输入条件下的总体测距精度。通过图6可以看出，对于类似于ICESat-2系统参数的星载单光子激光雷达，4×4阵列分布探测器可以实现0.1～10个接收光子数区间范围内，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单光子激光雷达多探测器条件下的测距精度评估方法，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，即激光单脉冲发射能量Et，激光频率υ，激光雷达探测器的量子效率ηq，光学系统的传输效率ηr，接收光学望远镜的有效口径面积Ar；设定被探测目标参数，即发射光学系统光轴与目标法线的夹角θg，目标反射率βr，激光雷达与目标之间的距离z；设定测量时环境参数，即激光雷达与目标的单程大气透过率Ta，计算单次激光脉冲得到的平均信号光子数Ns；步骤2，设定激光雷达系统参数，即激光光束发散角θT，发射脉冲宽度σf；设定被测目标参数，即激光雷达与目标之间的距离z，发射光学系统光轴与目标法线的夹角θg，地表目标粗糙度Std(Δξ)，计算激光雷达接收脉冲宽度σs；步骤3，根据步骤1计算得出的单次激光脉冲得到的平均信号光子数Ns和步骤2计算得出的激光雷达接收脉冲宽度σs，另设定激光雷达探测器个数n，单位时间内的噪声光子数fn，计算单光子激光雷达多探测器条件下的激光飞行时间均值

【技术特征摘要】
1.一种单光子激光雷达多探测器条件下的测距精度评估方法，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，即激光单脉冲发射能量Et，激光频率υ，激光雷达探测器的量子效率ηq，光学系统的传输效率ηr，接收光学望远镜的有效口径面积Ar；设定被探测目标参数，即发射光学系统光轴与目标法线的夹角θg，目标反射率βr，激光雷达与目标之间的距离z；设定测量时环境参数，即激光雷达与目标的单程大气透过率Ta，计算单次激光脉冲得到的平均信号光子数Ns；步骤2，设定激光雷达系统参数，即激光光束发散角θT，发射脉冲宽度σf；设定被测目标参数，即激光雷达与目标之间的距离z，发射光学系统光轴与目标法线的夹角θg，地表目标粗糙度Std(Δξ)，计算激光雷达接收脉冲宽度σs；步骤3，根据步骤1计算得出的单次激光脉冲得到的平均信号光子数Ns和步骤2计算得出的激光雷达接收脉冲宽度σs，另设定激光雷达探测...

【专利技术属性】
技术研发人员：李松，马跃，周辉，田昕，杨晋陵，高俊玲，黄科，张智宇，张文豪，余诗哲，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42