單光子激光雷達(dá)：動目標(biāo)高精度測距測速跟蹤之眼

　　光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)的工作原理。安裝在跟蹤平臺上的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)距離高速非合作運(yùn)動目標(biāo)的高精度測距和測速。采用單光子探測器的激光雷達(dá)能夠探測單個光子，具有高的探測靈敏度。

      在其激光回波點(diǎn)云中，大量的噪聲光子在時域上呈隨機(jī)分布，而目標(biāo)的回波光子具有一定的連續(xù)性和關(guān)聯(lián)性，通過多次激光回波累加或者相關(guān)算法處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以提取出目標(biāo)的運(yùn)動軌跡，從而獲得動目標(biāo)的距離和速度信息。

　　激光測距雷達(dá)主要采用飛行時間原理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)測距，具有測距精度高、作用距離遠(yuǎn)、測距速率高等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離測距、三維成像、海陸地形測繪等領(lǐng)域。

　　隨著無人機(jī)的技術(shù)發(fā)展，針對遠(yuǎn)距離小目標(biāo)的識別和測距成為防衛(wèi)的重要需求之一。近日，來自中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所激光雷達(dá)研究團(tuán)隊(duì)研制了基于光子計(jì)數(shù)技術(shù)的小型化、輕量化的高速測距激光雷達(dá)(圖1)。研究團(tuán)隊(duì)依托中國華陰兵器試驗(yàn)中心的技術(shù)支持，將激光雷達(dá)安裝在經(jīng)緯儀平臺上，實(shí)現(xiàn)了對遠(yuǎn)程非合作小目標(biāo)的實(shí)時測距和測速(圖2)。

　　圖1 激光測距系統(tǒng)整體視圖

　　圖2 激光測距系統(tǒng)與經(jīng)緯儀安裝示意圖

　　在對遠(yuǎn)距離小目標(biāo)進(jìn)行測距時，激光雷達(dá)需要較高的激光脈沖能量及較大的接收口徑，這將導(dǎo)致探測系統(tǒng)功耗高、體積大，不適用于經(jīng)緯儀平臺。

　　課題組研發(fā)的基于光子計(jì)數(shù)體制的激光雷達(dá)采用單光子探測器檢測光子信號，具有高的探測靈敏度，能夠以較低的脈沖能量實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的測距，減少了系統(tǒng)運(yùn)行時的功耗，并降低了對接收口徑的需求。

　　研究團(tuán)隊(duì)開展了外場試驗(yàn)。在大氣能見度為7 km的環(huán)境下，該激光測距系統(tǒng)對于反射截面積為0.1 m2.反射率為0.6的小目標(biāo)，最大作用距離可達(dá)5446.3 m。

　　利用經(jīng)緯儀平臺的可見光及紅外觀測系統(tǒng)追蹤一臺運(yùn)動的大疆無人機(jī)，獲取了激光雷達(dá)回波原始點(diǎn)云。在數(shù)據(jù)處理過程中，首先利用高斯擬合對累加后的激光回波點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲得更精確的單次測距值，然后采用無跡卡爾曼濾波算法以實(shí)時獲得無人機(jī)的距離和速度值，從而實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動無人機(jī)的高精度測距和測速。

　　研究結(jié)果表明，該技術(shù)能夠滿足遠(yuǎn)距離非合作運(yùn)動小目標(biāo)的測距測速需求。因系統(tǒng)具有小型化、低功耗和高數(shù)據(jù)輸出率的優(yōu)勢，未來可將其應(yīng)用于車載、機(jī)載和星載等運(yùn)動平臺，利用算法對激光回波點(diǎn)云處理提取目標(biāo)信息，來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高速非合作目標(biāo)的實(shí)時探測。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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