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Gm-APD激光雷达目标探测电路设计及相关探测算法研究

Gm-APD激光雷达目标探测电路设计及相关探测算法研究

引用

作者：帅汉书哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

得益于其高探测灵敏度与高时间分辨率,Gm-APD(Geiger-mode Avalanche Photo Diode)激光雷达在远距离、微弱目标探测等领域具有得天独厚的优势,已成为近年来激光雷达方向的研究热点。Gm-APD激光雷达采用具有低成本、数字化响应等优势的Gm... 详细信息

得益于其高探测灵敏度与高时间分辨率,Gm-APD(Geiger-mode Avalanche Photo Diode)激光雷达在远距离、微弱目标探测等领域具有得天独厚的优势,已成为近年来激光雷达方向的研究热点。Gm-APD激光雷达采用具有低成本、数字化响应等优势的Gm-APD作为单光子探测器件,可以响应单个光子级的微弱回波信号,但不能直接获取强度信息,为了抑制探测过程中的噪声干扰从而实现目标信号的提取,需要累积探测来重建目标信息。本文应用64×64像元的Gm-APD面阵探测器来完成目标探测,设计了基于全可编程So C平台的目标探测电路,研究了相关的目标探测算法。首先,阐述Gm-APD激光雷达的基本探测原理,结合光子的泊松分布特性给出了Gm-APD激光雷达的泊松探测概率模型,并根据概率模型给出了距离像数据的仿真流程。然后,从距离信息和强度信息提取角度分别研究了Gm-APD激光雷达的目标探测实现方法,通过对仿真实验进行定性定量分析验证了目标探测方法的有效性。其次,结合实际课题需求,根据电路的预期实现功能和主要技术指标给出了硬件电路的整体设计框架,选择全可编程So C芯片ZYNQ作为主控芯片完成了目标探测电路的原理图与PCB设计,并针对电路完成了制板、焊接和调试,调试结果表明电路工作正常。最后,介绍ZYNQ各模块的逻辑程序和软件程序设计,并在电路上完成了目标探测算法的测试验证,实现了目标探测功能,通过分析比较ZYNQ平台和计算机仿真平台下的处理结果,证明了算法的可移植性。

关键词： Gm-APD激光雷达目标探测泊松概率 ZYNQ

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Gm-APD阵列激光雷达目标探测算法研究

Gm-APD阵列激光雷达目标探测算法研究

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作者：姜若旭哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

作为一种主动成像技术,激光雷达已经成为现在目标探测领域的研究热点。Gm-APD（Geiger-Mode of Avalanche Photodiodes）阵列激光雷达,拥有单光子灵敏度与亚皮秒量级的时间分辨率,可以对远距离、弱信号目标进行探测。本文应用该探测器... 详细信息

作为一种主动成像技术,激光雷达已经成为现在目标探测领域的研究热点。Gm-APD（Geiger-Mode of Avalanche Photodiodes）阵列激光雷达,拥有单光子灵敏度与亚皮秒量级的时间分辨率,可以对远距离、弱信号目标进行探测。本文应用该探测器来获取远距离探测目标的强度像和距离像,研究了DSP平台的目标探测算法,并对算法进行了仿真。本文首先介绍了Gm-APD阵列激光雷达的工作原理,同时根据光子的泊松特性建立出Gm-APD阵列激光雷达的泊松概率模型。根据实际项目要求,探测目标特征是远距离、小目标,在64×64的探测阵列中只占有少部分像素点,根据这个特征,本文利用目标的稀疏性,通过累计测量得到的光电子数和雪崩泊松概率,选用稀疏泊松重构算法逆推出探测目标的实际强度信息。本文根据实际探测环境进行了仿真研究,估计的反射率分布与真实目标的反射率分布之间误差矩阵的Frobenius范数（F范数）为3.08,通过与中值滤波与累加近似进行对比,得出该算法的误差更小,精度更高。其次,由于探测目标的稀疏性,本文利用正交匹配追踪算法（orthogonal matching pursuit,OMP）来计算目标距离的稀疏估计解后,通过解的范围,筛除不正确的距离值后,通过稀疏泊松重构算法求解出探测目标的距离值。通过改变正则化参量的大小,分析重构距离值噪声与精度之间的关系,得出随着正则化参量的增加,距离值精度升高,但噪声明显增多。最后,利用DSP芯片拥有独立硬件乘法单元以及可以对浮点数进行运算的优势,将本文所研究的算法在DSP平台进行仿真验证,并对仿真结果进行分析。

关键词： Gm-APD阵列激光雷达稀疏泊松概率 DSP

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