基于空间关联技术的高速多光束光子计数激光成像

Photon-counting Lidar is an important application of the single-photon detection technique, which shows considerable significance with applications in surveying and long distance target detection. Due to the high detection sensitivity of the single-photon detector, the performances of the Lidar system could be improved greatly. In this project, the multi-pixel space correlation technique is developed based on the 100-beam photon-counting laser imaging system. By investigating the correlation information of photon signals between neighboring pixels and combining the time correlation single-photon-counting information of each pixel, the detection sensitivity could be further increased. The sensitivity of the imaging system could be improved from the current average of 10 photon count/pixel to an average of 1 photon count/pixel. And a long distance imaging experiment will be carried out by using the multi-pixel space correlation technique.

光子计数激光雷达在测绘和远距离目标探测等领域开始发挥重要作用，是单光子探测技术重要应用方向。借助单光子探测器超高探测灵敏度，可以大幅提升激光雷达的性能指标。本项目在课题组研制的100光束光子计数激光成像系统基础上，发展多像素光子计数空间关联处理技术，通过挖掘相邻像素间光子信号的关联信息，结合各个像素的时间相关单光子符合计数信息，进一步提高系统探测灵敏度，将三维图像探测灵敏度由当前的平均10光子计数/像素，提高至平均1光子计数/像素，并开展远距离成像实验。

激光雷达以其体积小、功耗低、精度高等优势，在远距离目标探测、对地测绘、无人驾驶等领域有重要应用。激光雷达系统中，单光子探测技术和多光束测量体制的应用，可以大幅提高系统的工作距离和成像速率。在光子计数雷达系统中，回波信号的信噪比是衡量成像质量的关键指标，高信噪比的三维点云数据，有利于目标的识别，提高信噪比的方法主要有减小背景计数、提高回波光计数率、对点云数据进行去噪算法处理等。本项目发展多像素空间关联技术，用于成像数据后处理，剔除三维点云图像中的噪点，同时研究新型多光束探测复用技术以及空间滤波技术，降低多光束激光雷达系统的复杂度，提高抗背景噪声能力。经过项目团队三年的努力，取得了一些列的研究成果，主要有：.1、基于多像素空间关联技术，我们提出了一种基于密度分布信噪差的目标三维信息提取算法，并将其应用于1550nm高速机载单光子激光雷达，系统中，白天背景光噪声约为有效信号的30倍，结合数据处理算法，可以在强背景光噪声下提取清晰的三维图像。.2、在新型多光束探测复用技术方面，研究基于时分复用、波分复用以及伪随机编码复用的多光束光子计数激光雷达技术，仅使用一个单光子探测器就实现了多光束回波光信号的探测，通过上述复用技术，可以降低多光束光学收发系统的复杂度，绕过了单光子探测器阵列制备的难题，为多光束光子计数激光雷达提供了一种简单的探测方法。.3、在复杂环境背景光噪声抑制方面，我们发展了基于FP标准具的空间滤光技术，在532nm波段实现了日光下单光子探测激光测距。