[发明专利]一种单光子激光雷达多探测器条件下的测距精度评估方法

说明书

本发明涉及一种单光子激光雷达在多个探测器条件下的测距精度评估方法。本发明首先建立单光子激光雷达在多个探测器条件下的测距精度模型，测距精度由测距系统误差和随机误差组成，得出测距精度与激光雷达的系统参数、被测目标参数和测量时的环境参数的数学关系式。根据激光雷达的系统参数、被测目标参数和测量时的环境参数，可以快速评估出单光子激光雷达的测距精度。该测距精度评估方法，具有很好向下的兼容性，当探测器个数等于1时，与现有的单个探测器条件下单光子激光雷达测距精度评估方法相同，可以直接替代现有的单个探测器条件下单光子激光雷达测距精度评估方法。

技术领域

本发明涉及一种脉冲式测距激光雷达的测距精度评估方法，尤其是涉及一种单光子激光雷达在多个探测器条件下，针对同一目标的测距精度评估方法。

背景技术

与传统线性体制激光雷达不同，单光子激光雷达只能探测到信号的有无，不能探测到信号的大小，因而基于单光子探测体制的激光雷达记录的不是与信号强度线性相关的波形，而是记录探测到的单光子事件的时间标签，其输出可以理解为由没有信号的空白区域和探测到单光子事件的离散点组成。单光子探测体制的信号光子利用率高，探测器噪声相对较小，因而基于单光子探测体制的激光雷达所需激光器的单脉冲能量与基于回波波形采样体制相比要低几个数量级。更低的单脉冲能量意味着激光脉宽可以压缩到更窄，激光器重频可以达到更高；同时也更容易实现多波束并行发射，缩短地形地貌测绘的时间；还可以获得有关表面坡度和粗糙度的信息，实现高精度、高分辨率的空间高程测绘，十分有利于空间科学研究。

测距精度是激光雷达的核心指标，测距精度的理论模型对激光雷达系统参数的优化设计至关重要。目前已有的单光子激光雷达测距精度模型和评估方法，主要集中于对单个单光子探测器模式的测距精度进行建模和量化分析。实际上，美国国家航空航天局计划发射的ICESat-2(Ice,Cloud,and land Elevation Satellite-2)和LIST(Lidar SurfaceTopography)卫星都计划搭载多个探测器组成的阵列式单光子激光雷达(ICESat-2为4×4探测器阵列，LIST为5×5探测器阵列)。目前美国已成功研制ICESat-2的机载验证系统MABEL(Multiple Altimeter Beam Experimental Lidar)；上海光机所的光子计数式激光雷达也采用4×4探测器阵列模式。现有研究实质上是针对探测器端的测距精度模型，而对于针对同一目标使用阵列式多个探测器进行测量的，即针对目标端的单光子激光雷达测距精度分析模型尚未有资料完整给出。

发明内容

本发明主要是利用新建立的单光子激光雷达在多探测器条件下的测距精度模型，提供了一种用于单光子激光雷达在多探测器条件下的测距精度评估方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种单光子激光雷达多探测器条件下的测距精度评估方法，包括以下步骤：

步骤1，设定单光子激光雷达系统参数，即激光单脉冲发射能量E_t，激光频率υ，激光雷达探测器的量子效率η_q，光学系统的传输效率η_r，接收光学望远镜的有效口径面积A_r；设定被探测目标参数，即发射光学系统光轴与目标法线的夹角θ_g，目标反射率β_r，激光雷达与目标之间的距离z；设定测量时环境参数，即激光雷达与目标的单程大气透过率T_a，计算单次激光脉冲得到的平均信号光子数N_s；

步骤2，设定激光雷达系统参数，即激光光束发散角θ_T，发射脉冲宽度σ_f；设定被测目标参数，即激光雷达与目标之间的距离z，发射光学系统光轴与目标法线的夹角θ_g，地表目标粗糙度Std(Δξ)，计算激光雷达接收脉冲宽度σ_s；