單光子激光雷達：動目標高精度測距測速跟蹤之眼

　　光子計數激光雷達的工作原理。安裝在跟蹤平臺上的光子計數激光雷達可實現對遠距離高速非合作運動目標的高精度測距和測速。采用單光子探測器的激光雷達能夠探測單個光子，具有高的探測靈敏度。

      在其激光回波點云中，大量的噪聲光子在時域上呈隨機分布，而目標的回波光子具有一定的連續性和關聯性，通過多次激光回波累加或者相關算法處理點云數據可以提取出目標的運動軌跡，從而獲得動目標的距離和速度信息。

　　激光測距雷達主要采用飛行時間原理實現目標測距，具有測距精度高、作用距離遠、測距速率高等特點，已廣泛應用于遠距離測距、三維成像、海陸地形測繪等領域。

　　隨著無人機的技術發展，針對遠距離小目標的識別和測距成為防衛的重要需求之一。近日，來自中國科學院上海光學精密機械研究所激光雷達研究團隊研制了基于光子計數技術的小型化、輕量化的高速測距激光雷達(圖1)。研究團隊依托中國華陰兵器試驗中心的技術支持，將激光雷達安裝在經緯儀平臺上，實現了對遠程非合作小目標的實時測距和測速(圖2)。

　　圖1 激光測距系統整體視圖

　　圖2 激光測距系統與經緯儀安裝示意圖

　　在對遠距離小目標進行測距時，激光雷達需要較高的激光脈沖能量及較大的接收口徑，這將導致探測系統功耗高、體積大，不適用于經緯儀平臺。

　　課題組研發的基于光子計數體制的激光雷達采用單光子探測器檢測光子信號，具有高的探測靈敏度，能夠以較低的脈沖能量實現遠距離目標的測距，減少了系統運行時的功耗，并降低了對接收口徑的需求。

　　研究團隊開展了外場試驗。在大氣能見度為7 km的環境下，該激光測距系統對于反射截面積為0.1 m2.反射率為0.6的小目標，最大作用距離可達5446.3 m。

　　利用經緯儀平臺的可見光及紅外觀測系統追蹤一臺運動的大疆無人機，獲取了激光雷達回波原始點云。在數據處理過程中，首先利用高斯擬合對累加后的激光回波點云數據進行處理，以獲得更精確的單次測距值，然后采用無跡卡爾曼濾波算法以實時獲得無人機的距離和速度值，從而實現對運動無人機的高精度測距和測速。

　　研究結果表明，該技術能夠滿足遠距離非合作運動小目標的測距測速需求。因系統具有小型化、低功耗和高數據輸出率的優勢，未來可將其應用于車載、機載和星載等運動平臺，利用算法對激光回波點云處理提取目標信息，來實現遠距離高速非合作目標的實時探測。

參考文獻： 中國光學期刊網

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