一种单光子探测时间-强度信息的恢复方法与流程

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种单光子探测时间-强度信息的恢复方法。

背景技术：

单光子激光雷达有着探测灵敏度高、有效作用距离远等优势，在近年来获得了长足发展。目前，单光子激光雷达在目标信息获取中存在的主要问题在于：

（1）在进行目标信息获取时主要采取首光子成像模式，即通过记录目标首个回波光子到达时间来确定目标距离信息，进而实现成像。在对纵深目标探测时，目标回波信号表现为沿时间维度上的强度分布，仅仅通过首光子成像无法获取目标纵深信息。此外，由于噪声和回波光子随机性效应，造成首光子触发时间产生随机抖动，影响对目标距离的准确测定。

（2）可以通过多次光子计数信号累积来获得回波光子数随时间变化信息，但是受制于单光子探测器死时间影响，直接累积信号将发生畸变，不能反映准确的目标回波的时间-强度变化信息，也就难以在此基础上准确提前目标纵深信息。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种单光子探测时间-强度信息的恢复方法，该恢复方法能够准确反映目标回波的时间-强度变化信息，且能够恢复单光子探测时目标纵深回波信息。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：

一种单光子探测时间-强度信息的恢复方法，所述恢复方法包括如下步骤：

步骤一、对多次探测得到的光子数进行累积平均，得到单个探测时间间隔单元内累积平均信号；

步骤二、对探测距离门内前x个探测时间间隔单元探测到的背景光子噪声数进行平均，得到单个探测时间间隔单元内平均光子噪声估计值；

步骤三、根据光子雷达方程，计算探测距离门内接收到的回波光子总数的第一估计值；

步骤四、根据单个探测时间间隔单元内累积平均信号和平均光子噪声估计值，计算探测距离门内接收到的回波光子总数的第二估计值；

步骤五、对第一估计值和第二估计值进行加权求和，得到探测距离门内接收到的回波光子总数的第三估计值；

步骤六、根据单个探测时间间隔单元内累积平均信号、平均光子噪声估计值和第三估计值，得到回波强度分布概率的初始估计值；

步骤七、根据回波强度分布概率的初始估计值，对探测距离门内各个探测时间间隔单元内接收到的回波光子数进行恢复迭代估计；并根据恢复迭代估计结果，计算测距离门内的回波光子总数；

步骤八、判断测距离门内的回波光子总数是否位于第一阈值和第二阈值之间，如是，则更新第三估计值，进入步骤九；如否，则更新第三估计值，返回步骤六；

步骤九、根据单个探测时间间隔单元内累积平均信号、平均光子噪声估计值和更新后的第三估计值，得到恢复信号的时间-强度概率分布函数。

进一步的，步骤一中，所述单个探测时间间隔单元内累积平均信号为；

；

其中，nsum(d)为第d个探测时间间隔单元内累积平均信号；ni(d)为第i次探测第d个探测时间间隔单元探测到的光子数，d=1,2,3,...,w，i=1,2,3,...,m，m为探测次数，w为探测距离门内探测时间间隔单元数。

进一步的，步骤二中，所述单个探测时间间隔单元内平均光子噪声估计值按照如下公式计算：

；

其中，nn_even为单个探测时间间隔单元内平均光子噪声估计值；ni(j)为第i次探测第j个探测时间间隔单元探测的光子数，i=1,2,3,...,m，m为探测次数，j=1,2,3,...,x,，x小于w，w为探测距离门内探测时间间隔单元数。

进一步的，步骤四中，所述第二估计值为：

；

其中，ns2为第二估计值；nsum(d)为第d个探测时间间隔单元内累积平均信号；nn_even为单个探测时间间隔单元内平均光子噪声估计值；d=1,2,3,...,w，w为探测距离门内探测时间间隔单元数。

进一步的，步骤五中，所述第三估计值为：

；

其中，ns为第三估计值；ns1和ns2分别为第一估计值和第二估计值；α为修正系数，取0~1之间。

进一步的，步骤六中，所述回波强度分布概率的初始估计值为：

；

其中，p(d)为探测距离门内第d个探测时间间隔单元内回波强度分布概率的

初始估计值；nsum(d)为第d个探测时间间隔单元内累积平均信号；nn_even为单个探测时间间隔单元内平均光子噪声估计值；ns为第三估计值；d=1,2,3,...,w，w为探测距离门内探测时间间隔单元数。

进一步的，步骤七中，按照如下公式，对探测距离门内各个探测时间间隔单元内接收到的回波光子数进行恢复迭代估计：

；

；

其中，n(d)为探测距离门内第d个探测时间间隔单元接收到的光子数估计值；n'(d)为探测距离门内前d-1个探测时间间隔单元接收到的总光子数；d=1,2,3,...,w，w为探测距离门内探测时间间隔单元数，n'(0)=0。

进一步的，步骤七中，所述测距离门内的回波光子总数为：

；

其中，n''为测距离门内的回波光子总数。

进一步的，步骤八中，所述更新后的第三估计值为：

；

其中，n's为更新后的第三估计值。

进一步的，步骤九的具体实现过程为：

步骤91、按照如下公式，计算回波强度分布概率值；

；

其中，p'(d)为探测距离门内第d个探测时间间隔单元内回波强度分布概率值；

步骤92、判断p'(d)和p(d)的差值绝对值是否小于第三阈值，如是，则p'(d)为恢复信号的时间-强度概率分布函数，结束；如否，则令p(d)=p'(d)，返回步骤七。

本发明的有益效果：

本发明根据光子雷达方程，实现对探测距离门内接收到的回波光子总数的一次估计；并通过单个探测时间间隔单元内累积平均信号和平均光子噪声估计值，实现对探测距离门内接收到的回波光子总数的二次估计；并通过对两次估计的结果进行加权求和，实现对探测距离门内接收到的回波光子总数的三次估计，避免由于探测器响应死时间效应造成的接收光子数大幅偏离真实目标回波光子数，得到一个较为接近目标真实回波光子数的初始估计值；利用单个探测时间间隔单元内累积平均信号和平均光子噪声估计值以及第三次的估计结果，得到回波强度分布概率的初始估计值，并通过迭代估计，最终恢复目标回波准确的时间-强度分布信息，且避免了噪声、回波光子随机性和探测器死时间效应造成的测距误差，通过恢复出的目标回波信息，保证了目标纵深方向信息提取的准确性；本发明通过对探测距离门内各个探测时间间隔单元内接收到的回波光子数进行恢复迭代估计，并利用更新后的测距离门内的回波光子总数对信号恢复进行判断，并在信号恢复判断的基础上，有效地恢复出目标回波的时间-强度分布信息，从而提高了目标纵深方向信息提取的准确性。

附图说明

图1为本发明的单光子探测时间-强度信息恢复方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。

本实施例给出了一种单光子探测时间-强度信息的恢复方法，参考图1，该恢复方法包括如下步骤：

步骤一、对多次探测得到的光子数进行累积平均，得到单个探测时间间隔单元内累积平均信号；

本实施例中，单个探测时间间隔单元内累积平均信号为；

；

其中，nsum(d)为第d个探测时间间隔单元内累积平均信号；ni(d)为第i次探测第d个探测时间间隔单元探测到的光子数，d=1,2,3,...,w，i=1,2,3,...,m，m为探测次数，w为探测距离门内探测时间间隔单元数。

步骤二、对探测距离门内前x个探测时间间隔单元探测到的背景光子噪声数进行平均，得到单个探测时间间隔单元内平均光子噪声估计值；

在探测距离门内，取前x个探测时间间隔单元内探测信号认为是背景光子噪声，通过对前x个探测间隔内的回波信号进行平均，得到单个探测时间间隔单元内平均光子噪声估计值，具体公式如下：

；

其中，nn_even为单个探测时间间隔单元内平均光子噪声估计值；ni(j)为第i次探测第j个探测时间间隔单元探测的光子数，i=1,2,3,...,m，m为探测次数，j=1,2,3,...,x,，x小于w，w为探测距离门内探测时间间隔单元数。

步骤三、根据光子雷达方程，计算探测距离门内接收到的回波光子总数的第一估计值。

本实施例中的光子雷达方程如下：

；

其中，ns1为第一估计值；ρ为目标反射率；t为大气传输单程透过率；ηl和ηr分别为发射和接收系统的光学效率；at为视场内目标被照射部分在激光发射光束截面方向投影面积；al为目标处激光光束横截面积；ar为系统有效接收面积；r为探测距离；et为激光单脉冲能量；ηq为光子探测器的量子效率；hυ为单光子能量；ρ、t、at为估计值，ρ可以根据相邻目标回波解算后的结果进行估计，t可以根据探测距离按照经验公式进行估算，at在目标面积较大时等于al，在目标较小时约等于目标横截面积。

步骤四、根据单个探测时间间隔单元内累积平均信号和平均光子噪声估计值，计算探测距离门内接收到的回波光子总数的第二估计值；

本实施例中，第二估计值为：

；

其中，ns2为第二估计值；nsum(d)为第d个探测时间间隔单元内累积平均信号；nn_even为单个探测时间间隔单元内平均光子噪声估计值；d=1,2,3,...,w，w为探测距离门内探测时间间隔单元数。

步骤五、对第一估计值和第二估计值进行加权求和，得到探测距离门内接收到的回波光子总数的第三估计值。

本实施例中，第三估计值为：

；

其中，ns为第三估计值；ns1和ns2分别为第一估计值和第二估计值；α为修正系数，取0~1之间。

步骤六、根据单个探测时间间隔单元内累积平均信号、平均光子噪声估计值和第三估计值，得到回波强度分布概率的初始估计值；

本实施例中，回波强度分布概率的初始估计值为：

；

其中，p(d)为探测距离门内第d个探测时间间隔单元内回波强度分布概率的

初始估计值；nsum(d)为第d个探测时间间隔单元内累积平均信号；nn_even为单个探测时间间隔单元内平均光子噪声估计值；ns为第三估计值；d=1,2,3,...,w，w为探测距离门内探测时间间隔单元数。

步骤七、根据回波强度分布概率的初始估计值，对探测距离门内各个探测时间间隔单元内接收到的回波光子数进行恢复迭代估计；并根据恢复迭代估计结果，计算测距离门内的回波光子总数；

本实施例中，按照如下公式，对探测距离门内各个探测时间间隔单元内接

收到的回波光子数进行恢复迭代估计：

；

；

其中，n(d)为探测距离门内第d个探测时间间隔单元接收到的光子数估计值；n'(d)为探测距离门内前d-1个探测时间间隔单元接收到的总光子数；d=1,2,3,...,w，w为探测距离门内探测时间间隔单元数，n'(0)=0。

本实施例中，测距离门内的回波光子总数为：

；

其中，n''为测距离门内的回波光子总数。

步骤八、判断测距离门内的回波光子总数是否位于第一阈值和第二阈值之间，如是，则更新第三估计值，进入步骤九；如否，则更新第三估计值，返回步骤六；

本实施例中，更新后的第三估计值为：

；

其中，n's为更新后的第三估计值。

步骤九、根据单个探测时间间隔单元内累积平均信号、平均光子噪声估计值和更新后的第三估计值，得到恢复信号的时间-强度概率分布函数。

本步骤的具体实现过程为：

步骤91、按照如下公式，计算回波强度分布概率值；

；

其中，p'(d)为探测距离门内第d个探测时间间隔单元内回波强度分布概率值；

步骤92、判断p'(d)和p(d)的差值绝对值是否小于第三阈值，如是，则p'(d)为恢复信号的时间-强度概率分布函数，结束；如否，则令p(d)=p'(d)，返回步骤七。

本实施例根据光子雷达方程，实现对探测距离门内接收到的回波光子总数的一次估计；并通过单个探测时间间隔单元内累积平均信号和平均光子噪声估计值，实现对探测距离门内接收到的回波光子总数的二次估计；并通过对两次估计的结果进行加权求和，实现对探测距离门内接收到的回波光子总数的三次估计，避免由于探测器响应死时间效应造成的接收光子数大幅偏离真实目标回波光子数，得到一个较为接近目标真实回波光子数的初始估计值；利用单个探测时间间隔单元内累积平均信号和平均光子噪声估计值以及第三次的估计结果，得到回波强度分布概率的初始估计值，并通过迭代估计，最终恢复目标回波准确的时间-强度分布信息，且避免了噪声、回波光子随机性和探测器死时间效应造成的测距误差，通过恢复出的目标回波信息，保证了目标纵深方向信息提取的准确性；本实施例通过对探测距离门内各个探测时间间隔单元内接收到的回波光子数进行恢复迭代估计，并利用更新后的测距离门内的回波光子总数对信号恢复进行判断，并在信号恢复判断的基础上，有效地恢复出目标回波的时间-强度分布信息，从而提高了目标纵深方向信息提取的准确性。

以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。