【《Gm-APD阵列激光目标探测的研究现状文献综述》2400字】

Gm-APD阵列激光目标探测的研究现状文献综述2002年MIT林肯实验室发表文章展示其自行研制的32×32像元Gm-APD探测器并给出性能指标，系统阐述了该种雷达成像和测距原理。通过4×4阵列雷达对待测目标扫描成像，得到了500m外目标的128×128像素距离像[9]。此项研究成果的公布加速了Gm-APD从理论到实际应用的转化。2005年MIT林肯实验室使用32×32像元探测器在150m高度的机载平台上对树林中隐藏的军事目标进行扫描成像，得到了清晰的距离像。如图1-1所示[10]。图1-1150m距离像[10]2010年，Krichel等人研制出一种基于Gm-APD的激光雷达测距系统，使用窄脉冲编码，可同时输出目标的距离和强度信息。其中强度信息是使用累积的光子总计数来表征的[11]，尽管根据后续研究，累积的光子总计数并非总是和光强呈线性关系，但是这一强度表征标准在后来的研究中仍然被大部分学者广泛使用。2010年，哈尔滨工业大学的王飞研究了宽脉冲激光在Gm-APD激光探测雷达的应用性能，该雷达使用的激光脉冲宽度远大于其内部计数器的时间分辨率。通过比较脉冲回波的间隔与脉冲脉宽，来判定回波信号的位置。实验给出了在探测距离为9.6m处的距离像，其测距的最大误差为1.5m[12]。2011年，MIT的林肯实验室与美国空军合作研制了ALIRT机载雷达成像系统，采用了32×128阵列的Si基Gm-APD激光雷达，可以对目标地标环境进行3D扫描成像。如图1-2为1000m高空ALIRT对某峡谷地貌的成像结果[13]。图1-2ALIRT峡谷地貌成像结果[13]2013年，华中科技大学的罗韩君对于光子计数雷达进行了理论分析，得出了窄脉冲激光要比宽脉冲激光雷达的测距精度更高，脉冲的宽度对于目标探测概率没有明显影响，回波位于距离门靠前的位置可以提示最大探测距离，Gm-APD的死时间越短，其时间分辨率越高，会有更佳的探测性能[14]。这些理论研究对于Gm-APD探测器后续的实际研发与应用有一定的理论指导意义。2014年，AhmedK团队在Science上提出了一种基于泊松概率反演Gm-APD激光成像系统。基于Gm-APD的泊松概率密度模型，结合已知信息反演推理，对探测目标的反射率信息进行重构，对Gm-APD的探测效率的提升效果较为明显。在该系统的基础上，对获取数据进行后处理，在弱光条件下进一步获得了高精度的目标反射率图像和距离图像。该系统针对人体模型成像的测距精度可以达到毫米量级[15]。2016年，哈尔滨工业大学孙剑峰团队使用国内自行研制的InGaAs材料搭建了一个32×32像元的Gm-APD雷达实验平台，相比于Si基的APD，InGaAs材料的APD具有更佳的大气传输特性。平台采用的激光波长为1570nm，单脉冲能量2mJ，成像帧频为1kHz。对720m外的目标进行成像并获得了清晰的距离像，如图1-3所示。此外还获得了3900m目标的大致轮廓像[16]。图1-3720m目标照片（左图）；32×32阵APD探测距离像（右图）[16]2016年，AltmannY等人从光子的泊松分布以及目标的稀疏特性角度出发，开辟重构距离信息和强度信息的新思路。该算法利用一种全新的贝叶斯算法模型，需要部分先验图像信息，利用Γ马尔科夫随机场推导出距离与强度信息的联合分布函数，并通过实验点云的数据验证了该算法的可行性及有效性[17]。2017年，西南技术物理研究所自行研制出APD面阵激光探测器，使用波长为1064nm的激光脉冲，实测结果表明该探测器在每秒成像20帧的前提下，探测距离为1.2km时，距离分辨率为0.45m[18]。2019年，哈尔滨工业大学的刘迪提出了一种领域核密度估计算法（KDE）来实现距离像的重构。在APD探测器像元规模不大于64×64的前提下，选择3×3的区域作为平滑邻域，选择高斯核函数为平滑核函数进行平滑去噪[19]。对50帧累积数据进行平滑测试，同直方图算法对比结果如图1-4所示。还得出了累积帧数同重构准确率的变化曲线。图1-4目标距离像（左图）；直方算法距离像（中图）；KDE算法距离像（右图）[19]2020年，哈尔滨工业大学的马乐提出了一种基于加权一阶类高斯匹配滤波算法，利用较少帧数实现对目标的三维重构算法，具有良好的实时性和复原效果。传统的峰值法通过寻址主峰来完成对目标的识别定位，但对于异常峰的甄别效果较差，会造成较大的误判概率。使用累积20帧数据，对比峰值法和匹配滤波方法效果如图1-6所示[20]。目标的还原度较峰值法提高量≥0.20。图1-5实验场景图（左图）；参考距离像（右图）[20]图1-6峰值法重构距离像（左图）；匹配滤波法重构距离像（右图）[20]2020年，东华大学的潘世光搭建了InGaAs型APD平台用于实现远距离测距，激光发射器的脉冲波长为1064nm。最终实测结果显示，该平台在待测目标反射率为0.1的情况下，最远测量距离可达51.598km，测距精度为5.97m，虚警概率为0.36%，探测概率为99%。2km处的目标测距精度为1m，700m外目标测距精度为0.8m[21]。参考文献JiangX,WiltonS,KudryashovI.InGaAsP/InPGeiger-modeAPD-basedLIDAR[C].OpticalSensing,Imaging,andPhotonCounting:FromX-RaystoTHz.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,2018,10729(107290C):1-13.VoAV,LeaferD,BertolottoM.AirborneLaserScanningDataStorageandIndexing:StateoftheArtReview[J].InternationalJournalofRemoteSensing,2016,37(24):6187-6204.KutterufMR,LebowP.1541nmGmAPDLADARsystem[C]//SPIE,2014,9080:908006.KomljenovicT,HelkeyR,ColdrenL,etal.SparseaperiodicarraysforopticalbeamformingandLIDAR[J].OpticsExpress,2017,25(3):2511-2528.RothmanJ,FoubertK,LasfarguesG.HighoperatingtemperatureSWIRHgCdTeAPDsforremotesensing[C]//SPIE,2014,9254:92540P.DengS,GordonD,MorrisonAP,etal.Ageiger-modeAPDphotoncountingsystemwithadjustabledead-timeandinterchangeabledetector[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2016,28:99-102.KeränenP,KostamovaaraJ.Awiderange,4.2ps(rms)precisionCMOSTDCwithcyclicinterpolatorsbasedonswitched-frequencyringoscillators[J].IEEETransactionsonCircuitsandSystemsI:RegularPapers,2015,62(12):2795-2805.张河辉,丁宇星,黄庚华.光子计数激光测深系统[J].红外与激光工程,2019,48(1):106002-0106002.AullBF,LoomisAH,YoungDJ,etal.Geiger-modeavalanchephotodiodesforthree-dimensionalimaging[J].LincolnLaboratoryJournal,2002,13(2):335-349.MarinoRM,DavisWR.Jigsaw:afoliage-penetrating3Dimaginglaserradarsystem[J].LincolnLabJ,2005,15(1):23-36.BullerGS,KrichelNJ,McCarthyA,etal.Kilometerrangedepthimagingusingtime-correlatedsingle-photoncounting[C].ProceedingsofSPIE,2011,8155:81551I.王飞.基于Geiger探测器的激光成像性能及测距精度研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学博士学位论文,2010:81-89.RobotKnowlton.AirborneLadarImagingResearchTestbed[R].Lexington:MitLincolnLaboratory,2011.罗韩君.单光子成像探测关键技术研究[D].武汉：华中科技大学博士学位论文,2013：30-35.KirmaniA,VenkatramanD,ShinD,etal.First-photonimaging[J].Science,2014,343(6166):58-61.孙剑峰,姜鹏,张秀川,周鑫,付宏明,高新江,王骐.32×32面阵InGaAsGm-APD激光主动成像实验[J].红外与激光工程,2016,45(12):89-93.AltmannY,RenX,McCarthyA,etal.Lidarwaveform-basedanalysisofdepthimagesconstructedusingsparsesingle-photondata[J].TransactionsonImageProcessing,2016,25(5):1935-1946.于跃.APD阵列探测器读出电路的设计与实现[D].长春：长春理工大学硕士学位论文,2020：54-58.刘迪,孙剑峰,姜鹏,高尚,周鑫,王鹏辉,王骐.GM-APD激光雷达距离像邻域KDE重构[J].红外与激光工程,2019,48(06):365-370.马乐,陆威,姜鹏,刘迪,王鹏辉,