基于4D成像光子计数激光雷达系统实现的目标距离和目标强度的获取方法与流程

本发明涉及激光雷达技术领域。

背景技术：

由于gm-apd的极高响应灵敏度和极快的光电响应速度，因此基于gm-apd探测器的激光雷达系统在远距离和微弱信号的应用领域中发挥了重要的作用。但是目前军事和民用的各个领域应用中，仅靠距离像已经很难满足很多复杂的目标的探测要求了，然而由于gm-apd雪崩效应的0和1的逻辑输出，只能响应信号到达的时间，无法响应信号的强度信息。这极大的限制了基于gm-apd探测器的激光雷达系统的应用前景。人们为了解决这一问题，探索了很多方法。

其中，比较主要的一种方法是复合调制脉冲编码的4d成像光子计数激光雷达系统，该方法采用了独特的复合调制脉冲编码发射，在脉冲位置调制的基础上加入了脉冲幅度的调制，然后通过回波脉冲序列和发射脉冲序列的相关处理可以得到目标的距离信息，通过不同幅度的脉冲探测结果的统计解算可以获得目标的强度信息。

这种方法虽然实现了距离像和强度像的同时获取，但这个数据处理方法需要将回波信号中不同强度的脉冲进行分别统计，这一方面计算量大，比较耗费时间，另一方法由于分辨的错误也会造成解算强度的误差。因此，亟需提供一种耗时短和解算强度准确率高的距离像和强度像的获取方法。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有目标距离和目标强度的获取方法因距离解算计算量大，导致的耗时长及解算强度准确率低的问题，本发明提供了一种基于4d成像光子计数激光雷达系统实现的目标距离和目标强度的获取方法。

基于4d成像光子计数激光雷达系统实现的目标距离和目标强度的获取方法，所述的4d成像光子计数激光雷达系统包括信号发生器、激光器、发射光学系统、单向反射器、扫描器、全反射镜、接收光学系统、窄带滤波片、gm-apd单光子探测器和信号处理模块；

所述的信号发生器的复合调制随机脉冲信号输出端同时与激光器的复合信号输入端和信号处理模块的复合信号输入端连接，激光器的脉冲信号输出端与发射光学系统的脉冲信号输入端连接，发射光学系统输出的光信号经单向反射器透射后入射至扫描器，扫描器输出光探测信号至目标，经目标反射后的回波信号入射至该扫描器，扫描器输出的回波信号依次经单向反射器和全反射镜的反射后，入射至接收光学系统进行汇聚回波信号，被汇聚的回波信号经过窄带滤波片滤波后，最后由gm-apd单光子探测器进行光子计数探测，探测结果输入到信号处理模块，信号处理模块对接收的信号进行处理，从而得到目标的距离和强度信息；

其中，信号发生器的复合调制随机脉冲信号输出端输出的信号为本振信号；

目标距离和目标强度的获取方法包括如下步骤：

步骤一，信号处理模块对本振信号采用回波高斯脉冲波形函数进行处理，获得改造后的本振信号；

步骤二，对改造后的本振信号和gm-apd单光子探测器输出的光子计数探测结果进行时间上的自相关处理，使改造后的本振信号与光子计数探测结果进行混频，从而获得相关峰谱；

步骤三，采用峰值估算方法对相关峰谱中的波峰极大值进行搜索，获得相关峰谱中波峰极大值所对应的时间，该时间为回波信号的往返时间τ，将回波信号的往返时间τ代入雷达距离方程中，从而获得目标的距离；

步骤四，信号处理模块对信号发生器输出的本振信号中光子计数脉冲的个数m和gm-apd单光子探测器探测到的回波信号中光子计数脉冲的个数m′进行处理，获得本振信号的响应概率p＝m′/m；

对本振信号的响应概率p进行强度解算，从而获得目标的强度信息ns。

所述的强度解算采用如下公式实现：

ns＝-ln(1-p)。

所述的雷达距离方程的表达式为：r＝cτ/2；其中，r为目标的距离值，c为光速。

原理分析：首先，通过对本振信号改造，使其与回波信号具有相同的形式，再将改造后的本振信号和gm-apd探测结果混频处理，获得相关峰谱。一方面通过搜索相关峰谱中波峰的位置，解算出距离信息；一方面通过信号发生器输出的本振信号中光子计数脉冲的个数m和gm-apd单光子探测器探测到的回波信号中光子计数脉冲的个数m′进行处理，解算出强度信息。

本发明带来的有益效果是，通过对本振信号的改造，使其与回波信号具有相同的形式，从而提高相关处理的效率，提高距离解算算法的精度，目标距离的测量结果的精度提高了20％以上。通过对强度解算算法进行改进，极大的简化了解算的过程，从而避免了多余环节内引入的误差，有助于强度解算精度的提高，强度解算精度提高了30％以上。

附图说明

图1为本发明所述的4d成像光子计数激光雷达系统的原理示意图；

图2为本发明所述的基于4d成像光子计数激光雷达系统实现的目标距离和目标强度的获取方法的流程图；

图3为距离信息解算的相关峰谱示意图；其中，tpluse表示发射脉冲的宽度，i表示信号脉冲的强度，t表示时间，τ表示回波信号的往返延迟时间，图3a为本振信号为矩形脉冲的信号波形，图3b为改造后的本振信号的波形，图3c为gm-apd单光子探测器输出的探测结果的波形，图3d为相关峰谱的波形。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于4d成像光子计数激光雷达系统实现的目标距离和目标强度的获取方法，所述的4d成像光子计数激光雷达系统包括信号发生器1、激光器2、发射光学系统3、单向反射器4、扫描器5、全反射镜6、接收光学系统7、窄带滤波片8、gm-apd单光子探测器9、信号处理模块10；

所述的信号发生器1的复合调制随机脉冲信号输出端同时与激光器2的复合信号输入端和信号处理模块10的复合信号输入端连接，激光器2的脉冲信号输出端与发射光学系统3的脉冲信号输入端连接，发射光学系统3输出的光信号经单向反射器4透射后入射至扫描器5，扫描器5输出光探测信号至目标，经目标反射后的回波信号入射至该扫描器5，扫描器5输出的回波信号依次经单向反射器4和全反射镜6的反射后，入射至接收光学系统7进行汇聚回波信号，被汇聚的回波信号经过窄带滤波片8滤波后，最后由gm-apd单光子探测器9进行光子计数探测，探测结果输入到信号处理模块10，信号处理模块10对接收的信号进行处理，从而得到目标的距离和强度信息；

其中，信号发生器1的复合调制随机脉冲信号输出端输出的信号为本振信号；

目标距离和目标强度的获取方法包括如下步骤：

步骤一，信号处理模块10对本振信号采用回波高斯脉冲波形函数进行处理，获得改造后的本振信号；

步骤二，对改造后的本振信号和gm-apd单光子探测器9输出的光子计数探测结果进行时间上的自相关处理，使改造后的本振信号与光子计数探测结果进行混频，从而获得相关峰谱；

步骤三，采用峰值估算方法对相关峰谱中的波峰极大值进行搜索，获得相关峰谱中波峰极大值所对应的时间，该时间为回波信号的往返时间τ，将回波信号的往返时间τ代入雷达距离方程中，从而获得目标的距离；

步骤四，信号处理模块10对信号发生器1输出的本振信号中光子计数脉冲的个数m和gm-apd单光子探测器9探测到的回波信号中光子计数脉冲的个数m′进行处理，获得本振信号的响应概率p＝m′/m；

对本振信号的响应概率p进行强度解算，从而获得目标的强度信息ns。

具体通过图3说明本实施方式，本振信号的矩形脉冲(如图3a)改造成和回波信号具有相同形式的本振信号(如图3b)；然后使用改造后的本振信号和gm-apd单光子探测器9的探测结果进行相关，从而可以有效的提高相关的效果，有效的缩窄相关峰，从而有效的提高测距精度。

具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于4d成像光子计数激光雷达系统实现的目标距离和目标强度的获取方法的区别在于，所述的强度解算采用如下公式实现：

ns＝-ln(1-p)。

本实施方式，如图3(a)本振信号由多种等差强度的脉冲随机分布组成，我们使用1,2…i…n来表示不同强度的单个脉冲，1,2…i…n叫做编码，表示不同强度的脉冲。一次探测使用的是脉冲序列，包括m个脉冲，这个脉冲序列里包含着n种不同强度调制的脉冲随机分布组成。n种不同强度的脉冲是等概率出现的，因此，对于一次探测的脉冲序列，m个各种强度脉冲，编码为1,2…i…n的脉冲个数是相等的分别为m/n。我们设最大强度的回波脉冲的光电子形式信号强度为ns，也就是说编码为n的脉冲强度为ns，这样编码为i(i∈[1,n])的回波脉冲，信号的强度为(ins)/n，那么现在来计算编码为i的脉冲触发gm-apd产生雪崩事件概率

由于本振信号中包括n种不同强度的脉冲，n种不同强度的脉冲中，每种强度的脉冲出现的概率是均等的，均为因此，总的响应概率应该为本振信号中n种不同强度脉冲响应概率的加权平均：

将公式一代入公式二中，并进行整理，从而获得ns＝-ln(1-p)。

具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于4d成像光子计数激光雷达系统实现的目标距离和目标强度的获取方法的区别在于，所述的雷达距离方程的表达式为：r＝cτ/2；其中，r为目标的距离值，c为光速。