单光子激光雷达：动目标高精度测距测速跟踪之眼

　　光子计数激光雷达的工作原理。安装在跟踪平台上的光子计数激光雷达可实现对远距离高速非合作运动目标的高精度测距和测速。采用单光子探测器的激光雷达能够探测单个光子，具有极高的探测灵敏度。

      在其激光回波点云中，大量的噪声光子在时域上呈随机分布，而目标的回波光子具有一定的连续性和关联性，通过多次激光回波累加或者相关算法处理点云数据可以提取出目标的运动轨迹，从而获得动目标的距离和速度信息。

　　激光测距雷达主要采用飞行时间原理实现目标测距，具有测距精度高、作用距离远、测距速率高等特点，已广泛应用于远距离测距、三维成像、海陆地形测绘等领域。

　　随着无人机的技术发展，针对远距离小目标的识别和测距成为防卫的重要需求之一。近日，来自中国科学院上海光学精密机械研究所激光雷达研究团队研制了基于光子计数技术的小型化、轻量化的高速测距激光雷达(图1)。研究团队依托中国华阴兵器试验中心的技术支持，将激光雷达安装在经纬仪平台上，实现了对远程非合作小目标的实时测距和测速(图2)。

　　图1 激光测距系统整体视图

　　图2 激光测距系统与经纬仪安装示意图

　　在对远距离小目标进行测距时，激光雷达需要较高的激光脉冲能量及较大的接收口径，这将导致探测系统功耗高、体积大，不适用于经纬仪平台。

　　课题组研发的基于光子计数体制的激光雷达采用单光子探测器检测光子信号，具有极高的探测灵敏度，能够以较低的脉冲能量实现远距离目标的测距，减少了系统运行时的功耗，并降低了对接收口径的需求。

　　研究团队开展了外场试验。在大气能见度为7 km的环境下，该激光测距系统对于反射截面积为0.1 m2.反射率为0.6的小目标，大作用距离可达5446.3 m。

　　利用经纬仪平台的可见光及红外观测系统追踪一台运动的大疆无人机，获取了激光雷达回波原始点云。在数据处理过程中，首先利用高斯拟合对累加后的激光回波点云数据进行处理，以获得更精确的单次测距值，然后采用无迹卡尔曼滤波算法以实时获得无人机的距离和速度值，从而实现对运动无人机的高精度测距和测速。

　　研究结果表明，该技术能够满足远距离非合作运动小目标的测距测速需求。因系统具有小型化、低功耗和高数据输出率的优势，未来可将其应用于车载、机载和星载等运动平台，利用算法对激光回波点云处理提取目标信息，来实现远距离高速非合作目标的实时探测。

参考文献： 中国光学期刊网

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