提高距离选通无扫描成像激光雷达距离分辨率方法研究

无扫描激光雷达是成像激光雷达领域的重要研究方向，距离选通无扫描成像激光雷达因具有器件成熟度高、作用距离远、成像速度快等优势成为无扫描激光雷达中的研究热点。但距离选通无扫描激光雷达一直面临一个重要的问题,即由于采用宽脉冲激光发射和宽选通门接收的工作方式，造成系统距离分辨率较低，无法满足实际应用测距范围大和距离分辨率高的要求，制约着距离选通无扫描激光雷达的大规模应用。为了解决这一问题，本研究提出通过控制选通门形状的新方法，提高系统的距离分辨率。本方法是对系统的选通门形状与距离分辨率关系的研究，寻找使系统实现最高距离分辨率的选通门形状。通过理论研究和实验验证,得出不同应用背景条件下最优的选通门形状的确定方法，期望通过本课题的研究使距离选通激光雷达系统的分辨率提高5倍以上，达到能够实际应用的需求。

采用宽脉冲发射的距离选通激光雷达可以获得超过脉冲宽度的距离分辨率，被称为超分辨率距离选通激光雷达系统，是一种极具应用前景的激光雷达系统。但是该系统存在的测距范围与距离分辨率相互制约的问题，在很多应用场合距离分辨率不高是一个主要的问题。本项目以提高超分辨率无扫描激光雷达系统的距离分辨率为突破口，推导了该系统的雷达方程，得出了距离分辨率与系统参数之间的关系表达式，在此基础上提出了超分辨系统的改进系统方案，并对原有课题组的距离选通无扫描激光雷达进行了大幅度的改进工作，实现了10-1000纳秒的选通门宽度可调，选通门中MCP的增益从1-1000可调，调节的斜率范围是电压0.01V-10V/ns，利用该系统我们进行了改进的超分辨率距离选通激光雷达成像的实验研究。并对理论上给出的选通门形状与距离分辨率的关系进行验证。通过理论研究、数值模拟和实验对比发现线性增益选通门系统在相同的脉冲宽度、信噪比、初始增益下测距精度较常数增益要高，即使在线性增益系统精度最低处仍然是传统超分辨率距离选通无扫描激光雷达的两倍，最高处是传统的5倍以上。最后分析了系统信噪比、增益、脉冲宽度对精度的影响，得出在系统允许的情况下，采用高的初始增益，较快的增益变化速率，小的脉冲宽度能有效的提高系统的距离分辨率。这一结论对于提高距离选通无扫描激光雷达系统设计具有指导意义。