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高速大动态范围的激光测距技术

2018-10-12

基于时间相关单光子计数(TCSPC)的测距技术,因为能够将检测灵敏度提升至单光子水平,在远距离激光测距、三维成像等领域开始发挥重要作用。

然而,激光脉冲的重复频率限制了测距系统的最大测量范围。尽管高重复频率可以大大提高系统的采集速率,缩短测量时间,但若使用10MHz的激光脉冲,理论上的非模糊测量距离仅有15m。高频激光脉冲与大测量范围显得格格不入。迄今为止,研究者们提出多种方法来解决TCSPC的激光测距系统的距离模糊这一棘手问题。例如,使用随机序列技术,具体的光子飞行时间通过比较发射于接收到的光子序列获得,绝对量程可通过增加随机序列的长度来增加。但是,该方法对于激光器要求较高,并且多目标识别存在瓶颈。

最近,实验室吴光研究员团队发展多重复频率的激光测距技术,利用三组接近10MHz的1550nm脉冲激光,将系统的非模糊距离从15m提高至165km。结合TCSPC技术,该测距系统相比于传统激光雷达在能耗与结构上有着大幅的改善。为了测试系统的稳定性和实用性,课题组在青海湖演示了21km的户外测距实验。测量结果为21677.85m,测距精度仅为3cm。并且实验结果显示,系统可以同时采集相隔16km的两个目标,大大提高了测量动态范围,克服了常规激光雷达动态范围小的弊端。在对波形结果的分析上,也有助于拓展高速的全波形激光雷达的新思路。相关研究结果已发表在Sci. Rep. 8, 4198 (2018)。


图1激光测距系统的装置图

图2 青海湖测距的卫星照片

图3 大动态范围的测距结果

 

Sci. Rep. 8, 4198(2018).pdf

(来源:华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室

 

 



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