一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达制造技术

一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达，涉及激光雷达技术领域。解决了现有的光子技术成像激光雷达噪声滤除技术无法满足实时应用的要求的问题。脉冲激光信号入射至分束器后形成两路信号；一路信号经PIN探测器处理后输出至相邻像元阈值处理模块；另一路信号经发射光学系统准直后照射到目标；目标对另一路信号进行传播后输出回波信号经接收光学系统和Gm-APD单光子探测器阵列后，通过相邻像元阈值处理模块记录具有时间相关性的回波信号并将该信号与起始信号做比较，得到Gm-APD单光子探测器阵列对应像素的往返时间差，通过该往返时间差经过计算得到该对应像素目标的距离值，最终获得目标三维距离像。它适用于激光成像中的噪声滤除。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光雷达
，特别涉及一种可以实时进行的光子计数成像激光雷达噪声滤除技术。
技术介绍
光子计数成像激光雷达可以在光子匮乏的情况下(平均每个像素每个回波脉冲不足一个光子)对目标进行探测，因此成为了激光雷达领域的研究热点。但是正是由于光子计数成像激光雷达极高的响应灵敏度，使得光子计数成像激光雷达也极易被噪声触发，从而产生大量的虚警，严重影响成像质量。目前的光子计数成像激光雷达噪声滤除技术主要为多脉冲累计和图像后处理技术，这些传统的技术都需要累积探测时间或是后处理时间，无法满足实时应用的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的光子技术成像激光雷达噪声滤除技术无法满足实时应用的要求的问题，提出了一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达。一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达，它包括激光器1、分束器2、发射光学系统3、PIN探测器4、接收光学系统5、Gm-APD单光子探测器阵列6和相邻像元阈值处理模块7；激光器1用于产生脉冲激光信号，该脉冲激光信号入射至分束器2，经分束器2形成两路脉冲激光信号，一路为经过分束器2反射的反射脉冲激光信号，另一路为经过分束器2透射的透射脉冲激光信号；反射脉冲激光信号入射至PIN探测器4，经PIN探测器4处理后输出起始信号，该起始信号输出至相邻像元阈值处理模块7；透射脉冲激光信号入射至发射光学系统3，经发射光学系统3准直后照射到目标；目标对经发射光学系统3准直后的透射脉冲激光信号进行反射和往返传播后，目标输出回波信号至接收光学系统5，经接收光学系统5收集后入射至Gm-APD单光子探测器阵列6，经Gm-APD单光子探测器阵列6聚焦处理后，通过相邻像元阈值处理模块7记录具有时间相关性的回波信号，滤除随机分布不具备时间相关性的噪声信号；相邻像元阈值处理模块7将具有时间相关性的回波信号与起始信号做比较，得到Gm-APD单光子探测器阵列6对应像素的往返时间差，通过该往返时间差经过计算得到该对应像素目标的距离值，最终获得目标三维距离像。一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达，它还包括图像显示及存储模块8，图像显示及存储模块8用于显示及存储相邻像元阈值处理模块7处理后输出的目标三维距离像。激光器1为窄脉冲激光器。Gm-APD单光子探测器阵列6具有m×n个Gm-APD单光子探测器，每个Gm-APD单光子探测器为一个像元；m和n均为正整数。经Gm-APD单光子探测器阵列6聚焦处理后，通过相邻像元阈值处理模块7记录具有时间相关性的回波信号，滤除随机分布不具备时间相关性的噪声信号，其过程如下：将Gm-APD单光子探测器阵列6中的m×n个Gm-APD单光子探测器划分为c个基本单元，每个基本单元包括a×b个像元；a，b，c均为正整数；每个基本单元内的a×b个像元的逻辑电平实时相加，当相加后的总和大于相邻像元阈值处理模块7内的设定阈值时，判断回波信号为具有时间相关性的回波信号，当相加后的总和小于相邻像元阈值处理模块7的设定阈值时，判断回波信号为随机分布不具备时间相关性的噪声信号。有益效果：本专利技术公开了一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达。子计数成像激光雷达采用盖革模式雪崩光电二极管(即Gm-APD)作为探测器，Gm-APD单光子探测器具有单光子响应的灵敏度，除此之外，Gm-APD单光子探测器还具有体积小，重量轻，功耗小，极大的提升了光子计数成像激光雷达的性能。也正是由于Gm-APD单光子探测器极高的响应灵敏度，不可避免的噪声(这包括背景噪声，暗计数噪声等等)极易被其响应，从而产生大量虚警严重影响成像质量，甚至晴朗白天太阳背景噪声成为了光子计数成像激光雷达获取一个清晰3D距离像的最大挑战。本专利技术提出了一个巧妙的方案设计，利用回波信号具有相关性而噪声不具有相关性的差异，采用相邻像元阈值法直接在信号探测阶段滤除噪声产生的虚警，从而无需后续处理实时的获得一个清晰的目标三维距离像，解决了现有的光子技术成像激光雷达噪声滤除技术无法满足实时应用的要求。本专利技术适用于激光成像中的噪声滤除。附图说明图1为一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达的原理框图；图2、图3和图4为一个基本单元的工作原理图；其中，图2为m×n个像元被划分为多个3×3像元的基本单元；图3为一个基本像元的计时电路图，每个像元都有自己的计时电路，一个基本单元有一个总的计时电路；图4为基本单元内的信号处理流程示意图；图5为实施例中的当基本单元像元数N＝9时，不同信号噪声强度下阈值Y的结果；图6至图9为成像结果的比较，其中，图6为没有采用相邻像元阈值法去噪的直接探测结果示意图；图7为阈值Y＝6时获得的探测结果；图8为阈值Y＝7时获得的探测结果；图9为阈值Y＝8时获得的探测结果。具体实施方式具体实施方式一、参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达，它包括激光器1、分束器2、发射光学系统3、PIN探测器4、接收光学系统5、Gm-APD单光子探测器阵列6和相邻像元阈值处理模块7；激光器1用于产生脉冲激光信号，该脉冲激光信号入射至分束器2，经分束器2形成两路脉冲激光信号，一路为经过分束器2反射的反射脉冲激光信号，另一路为经过分束器2透射的透射脉冲激光信号；反射脉冲激光信号入射至PIN探测器4，经PIN探测器4处理后输出起始信号，该起始信号输出至相邻像元阈值处理模块7；透射脉冲激光信号入射至发射光学系统3，经发射光学系统3准直后照射到目标；目标对经发射光学系统3准直后的透射脉冲激光信号进行反射和往返传播后，目标输出回波信号至接收光学系统5，经接收光学系统5收集后入射至Gm-APD单光子探测器阵列6，经Gm-APD单光子探测器阵列6聚焦处理后，通过相邻像元阈值处理模块7记录具有时间相关性的回波信号，滤除随机分布不具备时间相关性的噪声信号；相邻像元阈值处理模块7将具有时间相关性的回波信号与起始信号做比较，得到Gm-APD单光子探测器阵列6对应像素的往返时间差，通过该往返时间差经过计算得到该对应像素目标的距离值，最终获得目标三维距离像。具体实施方式二、本实施方式是对实施方式一所述的一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达的进一步说明，本实施方式中，它还包括图像显示及存储模块8，图像显示及存储模块8用于显示及存储相邻像元阈值处理模块7处理后输出的目标三维距离...

【技术保护点】
一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达，其特征在于，它包括激光器(1)、分束器(2)、发射光学系统(3)、PIN探测器(4)、接收光学系统(5)、Gm‑APD单光子探测器阵列(6)和相邻像元阈值处理模块(7)；激光器(1)用于产生脉冲激光信号，该脉冲激光信号入射至分束器(2)，经分束器(2)形成两路脉冲激光信号，一路为经过分束器(2)反射的反射脉冲激光信号，另一路为经过分束器(2)透射的透射脉冲激光信号；反射脉冲激光信号入射至PIN探测器(4)，经PIN探测器(4)处理后输出起始信号，该起始信号输出至相邻像元阈值处理模块(7)；透射脉冲激光信号入射至发射光学系统(3)，经发射光学系统(3)准直后照射到目标；目标对经发射光学系统(3)准直后的透射脉冲激光信号进行反射和往返传播后，目标输出回波信号至接收光学系统(5)，经接收光学系统(5)收集后入射至Gm‑APD单光子探测器阵列(6)，经Gm‑APD单光子探测器阵列(6)聚焦处理后，通过相邻像元阈值处理模块(7)记录具有时间相关性的回波信号，滤除随机分布不具备时间相关性的噪声信号；相邻像元阈值处理模块(7)将具有时间相关性的回波信号与起始信号做比较，得到Gm‑APD单光子探测器阵列(6)对应像素的往返时间差，通过该往返时间差经过计算得到该对应像素目标的距离值，最终获得目标三维距离像。...

【技术特征摘要】
1.一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达，其特征在于，它包括激
光器(1)、分束器(2)、发射光学系统(3)、PIN探测器(4)、接收光学系统(5)、Gm-APD
单光子探测器阵列(6)和相邻像元阈值处理模块(7)；
激光器(1)用于产生脉冲激光信号，该脉冲激光信号入射至分束器(2)，经分束器(2)
形成两路脉冲激光信号，一路为经过分束器(2)反射的反射脉冲激光信号，另一路为经过分
束器(2)透射的透射脉冲激光信号；
反射脉冲激光信号入射至PIN探测器(4)，经PIN探测器(4)处理后输出起始信号，该
起始信号输出至相邻像元阈值处理模块(7)；
透射脉冲激光信号入射至发射光学系统(3)，经发射光学系统(3)准直后照射到目标；
目标对经发射光学系统(3)准直后的透射脉冲激光信号进行反射和往返传播后，目标输
出回波信号至接收光学系统(5)，经接收光学系统(5)收集后入射至Gm-APD单光子探测器
阵列(6)，经Gm-APD单光子探测器阵列(6)聚焦处理后，通过相邻像元阈值处理模块(7)
记录具有时间相关性的回波信号，滤除随机分布不具备时间相关性的噪声信号；
相邻像元阈值处理模块(7)将具有时间相关性的回波信号与起始信号做比较，得到Gm-APD
单光子探测器阵列(6)对应像素的往返时间差，通过该往返时间差经过计算得到该对应像素
目标的距离值，最终获得目标三维距离像。
2.根据权利要求1所述的一种采...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子静，赵远，靳辰飞，张勇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23