TCSPC技术提升穿透成像激光雷达在复杂环境中的性能

本文主要探讨的是"基于时间相关单光子计数的穿透成像激光雷达研究"这一课题。激光雷达作为一种先进的三维光学成像系统，因其空间分辨率高、抗干扰性强和体积小等特性，在军事侦察、环境监测以及自动驾驶等领域发挥着关键作用。然而，当面临诸如雾霾、烟尘、浅海和污染水域等复杂环境时，传统激光雷达的性能受到严重影响，表现为探测距离减小、分辨率下降和信噪比降低。 这些复杂环境中的散射现象主要遵循Mie散射理论，激光脉冲在传播过程中因多次散射而产生时间和空间上的展宽，导致信号强度减弱并受到后向散射的干扰。这不仅降低了目标的可识别性，还增加了信号处理的挑战。为了改善在大尺度散射介质中的穿透能力，文章提出利用单光子雪崩二极管（SPAD）结合时间相关单光子计数（TCSPC）技术。 TCSPC系统的优势在于它能有效地统计散射介质中光子的飞行时间，进而提高激光雷达在高光学厚度环境下的穿透深度。研究者将这种方法与传统的被动偏振、直方图均衡和距离选通等方法进行比较，分析它们在不同尺度散射介质中的适用性和局限性。小尺度散射如生物组织和毛玻璃环境下，可能采用其他方法来优化；而对于大气和水体这种大尺度散射，TCSPC系统则显示出更大的潜力。 本文的核心研究内容包括深入解析如何设计和优化基于TCSPC的激光雷达系统，包括硬件选择、信号处理算法以及如何减少后向散射对目标信号的干扰。此外，还将探讨如何提取散射介质特性信息，以便在保持高信噪比的同时，增强对目标的探测和成像质量。通过这些创新技术，本文旨在推动穿透成像激光雷达在恶劣环境中的实际应用，为智能驾驶和其它领域提供更强大的环境感知能力。