中科院上海光機(jī)所陳衛(wèi)標(biāo)研究員課題組開展了基于高速偽隨機(jī)碼調(diào)制和單光子計數(shù)的激光三維成像雷達(dá)技術(shù)的研究。這一技術(shù)兼顧了低峰值功率和高成像速度兩方面，因而可以在不損失成像速度的情況下完成系統(tǒng)的低功耗化和小型化。
自激光問世以來，激光雷達(dá)技術(shù)迅速發(fā)展，三維成像激光雷達(dá)技術(shù)更是成為發(fā)展的主流。傳統(tǒng)的基于直接探測模式的三維成像雷達(dá)主要有兩種工作方式：
一是采用高峰值功率的單脈沖激光進(jìn)行飛行時間測距，這種方法需要能產(chǎn)生高峰值功率、窄脈寬脈沖激光的激光器，但是激光器研制成本高，難度大，且無法小型化。
二是采用時間相關(guān)單光子計數(shù)的方法，這種方法雖然可以在低峰值功率下工作，但需要較長的凝視時間來建立光子隨時間的分布函數(shù)，因而嚴(yán)重影響成像速度。
圖 課題組部分成員合影
為克服上述方法存在的問題，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的陳衛(wèi)標(biāo)研究員課題組開展了基于高速偽隨機(jī)碼調(diào)制和單光子計數(shù)的激光三維成像雷達(dá)技術(shù)的研究，并完成了室外環(huán)境下的驗證實(shí)驗。相關(guān)研究成果發(fā)表在Chinese Optics Letters 2016年第11期上（Y. F. Zhang, et al., Three-dimensional imaging lidarsystem based on high speed pseudorandom modulation and photon counting）。
圖 基于高速偽隨機(jī)碼調(diào)制和單光子計數(shù)的三維成像激光雷系統(tǒng)及其成像效果圖。(該系統(tǒng)兼顧了低峰值功率發(fā)射和高成像速度兩方面，并成功獲得了1.2km范圍內(nèi)的目標(biāo)的高分辨率三維圖像。)
基于高速偽隨機(jī)碼調(diào)制和單光子計數(shù)的激光三維成像雷達(dá)原理如下：
偽隨機(jī)碼具有尖銳的自相關(guān)性和極低的互相關(guān)性，因此通過相關(guān)運(yùn)算的方法可以將淹沒在噪聲中的偽隨機(jī)編碼位置提取出來，通過計算發(fā)射脈沖串和收到脈沖串的時間間隔即可獲得目標(biāo)距離，配合掃描系統(tǒng)則可獲得三維圖像。
這種方法采用低功率編碼發(fā)射和單光子接收的方式，一方面降低了對激光器峰值功率的要求，另一方面可以通過單次相關(guān)運(yùn)算獲得距離值，降低凝視時間。與傳統(tǒng)方式相比，這一技術(shù)兼顧了低峰值功率和高成像速度兩方面，因而可以在不損失成像速度的情況下完成系統(tǒng)的低功耗化和小型化。
該篇論文報道了與系統(tǒng)相距1.2 km的目標(biāo)的室外成像結(jié)果，獲得了高質(zhì)量的三維圖像。課題組的陳衛(wèi)標(biāo)研究員認(rèn)為，該技術(shù)兼具靈敏度高和成像速率快的優(yōu)勢，特別適合遠(yuǎn)距離激光三維成像和探測，具有非常好的發(fā)展?jié)摿Α?/div>
后續(xù)工作旨在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、低功耗化以及相應(yīng)算法的改進(jìn)，進(jìn)一步提升在高噪聲情況下成像的信噪比。
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