基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈方法和系统技术方案

本发明专利技术一种基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈方法和系统，对特定区域内接收机噪声的多次测量统计获得均值和均方根值，根据获取的噪声统计结果，对雪崩二极管的偏压进行调整，使其随环境、温度等的变化而变化，实现虚警率的恒定控制；同时对地形参数快速变化时，采用调整回波预鉴别阈值来控制虚警恒定。该反馈算法克服了星载激光测距仪由于太阳高度角的变化引起输出噪声剧烈变化的影响；同时对噪声多次累加统计，消除了地形起伏较大而引入奇异点，避免奇异点对后续测量造成影响；识别云层散射虚假回波并滤除，以上均通过数字控制方法，满足系统探测概率要求情况下，降低了在轨回波的虚警率，快速并精准获取测距值。

【技术实现步骤摘要】
基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈方法和系统
本专利技术属于星载激光雷达光学遥感信号探测领域，涉及一种基于数字恒虚警的探测及在轨反馈方法和系统，提高卫星平台高速运行产生太阳高度角的变化适应性；提高激光测距仪对粗糙度起伏大、反射率较大的复杂地形的适应性，并且提高识别云层散射虚假回波的能力，满足虚警率和探测概率的要求。
技术介绍
星载激光测距仪通常选用雪崩二极管(APD)作为接收机焦面探测器。APD对背景噪声极为敏感，输出的信号和噪声随APD倍增因子的变化而变化，倍增因子存在着一个最佳值。在此最佳倍增下，系统获得最佳信噪比。由此控制APD偏压进而影响输出的噪声大小，使其工作在最佳倍增因子状态。星载激光测距仪系统虚警概率随APD输出噪声增大而降低，为降低虚警率，同时保证较高的探测概率，传统方法是星载激光测距仪采用模拟探测体制，一方面是运用回波信号送入比较器，只针对回波阈值进行动态调整，根据噪声事件计数来动态调整回波鉴别阈值，但是随着鉴别阈值的调整，会滤除激光回波携带的地表信息；另一方面是针对该种缺陷，在调整鉴别阈值的同时，还可通过动态调整APD的偏置高压，探测器的倍增因子随之降低，这样会对探测器灵敏度产生影响，在降低背景噪声灵敏度的同时，对实际目标的探测能力也随之下降。模拟电路调整方式，根据统计APD探测器噪声事件个数进行动态实时调整APD偏压，但是在实际工作中，星载平台由于速度相对较大，导致地面激光足印间的间距较大，这样出现一个噪声奇异点就会影响到下一次的APD偏压设定，进而影响测距性能。星载激光测距仪随卫星平台运行过程中，太阳高度角的变化会引起APD探测器输出散粒噪声电流的变化，如果噪声过大将大量的地形信息湮没，地面也无法提取。另一方面，云层散射太阳光造成虚假回波的出现，需有效识别噪声并进行滤除。此外，对于陆地、森林等粗糙度较大的地形，会出现多个回波现象；对于地表反射率不同的地形，根据当时的信噪比精准的对虚警率进行调整，亟待提出一种方法以满足在轨从噪声中提取出真实回波信号，降低在轨虚警率的需求。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于数字恒虚警的探测及在轨反馈方法及系统，解决了星载测距仪易受卫星平台速度大、抖动大的影响，造成回波信号不易提取，云层散射造成虚假回波，对粗糙度起伏大、反射率较大的复杂地形虚警率较高等问题。本专利技术的技术方案是：一种基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈方法，步骤如下：(1)读取并执行控制算法函数；(2)根据星载激光测距仪系统要求的虚警率与探测概率计算地面回波信号最小阈噪比和最小信噪比；(3)读取该次测量的噪声统计区域偏移量与噪声采样宽度，对噪声统计区域进行采样；(4)计算得到步骤(3)中统计后的噪声平均值与均方根值；(5)对噪声区域采样波形数据与云判区间获得的数据进行统计对比，若两者在均值、均方根值相近，且均值均较大则可认为存在云层反射，忽略该次噪声统计；否则，进入步骤(6)；(6)判断步骤(4)中的获得的噪声平均值是否超过存储器中对应地形的噪声均值初始值，噪声均方根值是否超过存储器中噪声均值初始值；若噪声平均值或均方根值不超过初始值则进入步骤(7)，若噪声平均值或均方根值超过初始值则进入步骤(8)；(7)记录并保存此次测量的噪声值平均值与均方根值，将此次测量噪声结果分别与前若干次累加计算，获取的数值作为下次测量的噪声均值初始值与均方根初始值；(8)读取设置APD偏压与调整ADC采集回波的波形识别阈值子程序；(9)读取当前回波幅度峰值，根据系统最小信噪比与相关函数关系，计算出满足信噪比要求所需APD高压值；(10)根据系统最小阈噪比与相关函数关系，计算得到满足阈噪比要求所需波形识别阈值。所述步骤(1)的具体过程为：步骤11：处理器读取该次测量恒虚警反馈控制算法函数，当前处于测量模式下，加载存储器中的初始设定参数，包括星载激光测距仪系统要求的探测虚警率、探测概率，当前所测量地形类型编号，当前地形相应的噪声均值初始值、噪声均方根初始值；步骤12：加载存储器中该次测量的设定参数，包括噪声统计区域偏移量、噪声采样宽度、噪声采样系数，云判区间波形数据均值、均方根值，ADC采集的全波形数据回波峰值幅度、当前太阳高度角、地形反射率，APD温度值及高压调整系数、阈值调整系数。所述步骤(2)的具体过程为：根据系统要求的虚警率与探测概率，计算信道的阈噪比最小值、信噪比最小值，计算方法为：其中，Pfa0为虚警率，Pd0为探测概率，TNRmin为阈噪比，SNRmin为信噪比。所述步骤(3)的具体过程为：步骤31：读取该次测量的噪声统计区域偏移量即ADC采集噪声信号数据的起始位置，噪声统计起始位置位于回波门关闭之后，然后读取噪声采集宽度，计算出ADC采样噪声信号点数量nk，计算方法如下：其中，WN为噪声采样宽度，c为光速，fs为ADC采样频率；步骤32：ADC对噪声统计区域进行全波形采样并存于存储器中。所述步骤(4)的具体过程为：步骤41：计算噪声统计的平均值，计算方法为：其中，yi,k是指第k次测距高速ADC采集的第i个波形幅度；步骤42：计算噪声统计的均方根值，计算方法为：所述步骤(5)的具体过程为：步骤51：读取云判区间获得的数据统计值包括均值、均方根值；步骤52：读取该次测量ADC采集的回波峰值幅度；步骤53：将该次噪声统计的均值与均方根值分别与云判区间获得的均值、均方根进行比较，若满足如下准则，则认为存在云层反射，且不保存该次噪声统计；否则，进入步骤(6)；判断云层反射存在准则如下：|μk-μc|≤0.1μk，|σk-σc|≤0.1σk，μk≥0.5Ar，其中，Ar为ADC采集的全波形数据中回波峰值幅度。所述步骤(6)的具体过程为：步骤61：根据当前地形类型编号读取对应地形的噪声均值初始值，噪声均值初始值；步骤62：比较步骤(4)中的此次测量的噪声平均值与存储器中对应地形的噪声均值初始值的大小，比较噪声均方根值与存储器中噪声均值初始值的大小，若噪声平均值与均方根值均不超过初始值则进入步骤(7)，若噪声平均值或均方根值超过初始值则进入步骤(8)。所述步骤(7)的具体过程为：步骤71：记录并保存此次测量的噪声值平均值与均方根值；步骤72：将此次测量噪声均值、均方根值分别与前若干次累加计算，所得数值作为下次测量的噪声均值初始值与均方根初始值。所述步骤(8)的具体过程为：步骤81：根据系统最小信噪比、当前噪声统计均值与步骤(5)中的回波峰值幅度计算出最小噪声均方根值：其中，SNRmin为系统最小信噪比，Ar为ADC采集的回波全波形数据中幅度值，μk为该次测量噪声统计均值，σn为最小噪声均方根值；步骤82：读取当前测量太阳高度角，地表反射率，计算出APD所接收的背景光功率，计算方法为：其中，已知常数包括：Es为太阳在1064nm处光谱辐照度，Δλ为窄带滤光片带宽，τa为大气透过率，ηr为接收光学效率，θr为接收视场；设置参数包括：θi为太阳高度角，ρT为对应地形的反射率；步骤83：根据步骤81中得出的最小噪声均方根值、步骤82得出的APD接收到背景光功率与当前APD温度值的函数关系，计算出APD的倍增系数：σn≈α0In2其中，M为APD倍增系数，In为AP本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈方法，其特征在于步骤如下：(1)读取并执行控制算法函数；(2)根据星载激光测距仪系统要求的虚警率与探测概率计算地面回波信号最小阈噪比和最小信噪比；(3)读取该次测量的噪声统计区域偏移量与噪声采样宽度，对噪声统计区域进行采样；(4)计算得到步骤(3)中统计后的噪声平均值与均方根值；(5)对噪声区域采样波形数据与云判区间获得的数据进行统计对比，若两者在均值、均方根值相近，且均值均较大则可认为存在云层反射，忽略该次噪声统计；否则，进入步骤(6)；(6)判断步骤(4)中的获得的噪声平均值是否超过存储器中对应地形的噪声均值初始值，噪声均方根值是否超过存储器中噪声均值初始值；若噪声平均值或均方根值不超过初始值则进入步骤(7)，若噪声平均值或均方根值超过初始值则进入步骤(8)；(7)记录并保存此次测量的噪声值平均值与均方根值，将此次测量噪声结果分别与前若干次累加计算，获取的数值作为下次测量的噪声均值初始值与均方根初始值；(8)读取设置APD偏压与调整ADC采集回波的波形识别阈值子程序；(9)读取当前回波幅度峰值，根据系统最小信噪比与相关函数关系，计算出满足信噪比要求所需APD高压值；(10)根据系统最小阈噪比与相关函数关系，计算得到满足阈噪比要求所需波形识别阈值。...

【技术特征摘要】
1.一种基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈方法，其特征在于步骤如下：(1)读取并执行控制算法函数；(2)根据星载激光测距仪系统要求的虚警率与探测概率计算地面回波信号最小阈噪比和最小信噪比；(3)读取该次测量的噪声统计区域偏移量与噪声采样宽度，对噪声统计区域进行采样；(4)计算得到步骤(3)中统计后的噪声平均值与均方根值；(5)对噪声区域采样波形数据与云判区间获得的数据进行统计对比，若两者在均值、均方根值相近，且均值均较大则可认为存在云层反射，忽略该次噪声统计；否则，进入步骤(6)；(6)判断步骤(4)中的获得的噪声平均值是否超过存储器中对应地形的噪声均值初始值，噪声均方根值是否超过存储器中噪声均值初始值；若噪声平均值或均方根值不超过初始值则进入步骤(7)，若噪声平均值或均方根值超过初始值则进入步骤(8)；(7)记录并保存此次测量的噪声值平均值与均方根值，将此次测量噪声结果分别与前若干次累加计算，获取的数值作为下次测量的噪声均值初始值与均方根初始值；(8)读取设置APD偏压与调整ADC采集回波的波形识别阈值子程序；(9)读取当前回波幅度峰值，根据系统最小信噪比与相关函数关系，计算出满足信噪比要求所需APD高压值；(10)根据系统最小阈噪比与相关函数关系，计算得到满足阈噪比要求所需波形识别阈值。2.根据权利要求1所述的一种基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体过程为：步骤11：处理器读取该次测量恒虚警反馈控制算法函数，当前处于测量模式下，加载存储器中的初始设定参数，包括星载激光测距仪系统要求的探测虚警率、探测概率，当前所测量地形类型编号，当前地形相应的噪声均值初始值、噪声均方根初始值；步骤12：加载存储器中该次测量的设定参数，包括噪声统计区域偏移量、噪声采样宽度、噪声采样系数，云判区间波形数据均值、均方根值，ADC采集的全波形数据回波峰值幅度、当前太阳高度角、地形反射率，APD温度值及高压调整系数、阈值调整系数。3.根据权利要求1所述的一种基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体过程为：根据系统要求的虚警率与探测概率，计算信道的阈噪比最小值、信噪比最小值，计算方法为：其中，Pfa0为虚警率，Pd0为探测概率，TNRmin为阈噪比，SNRmin为信噪比。4.根据权利要求1所述的一种基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体过程为：步骤31：读取该次测量的噪声统计区域偏移量即ADC采集噪声信号数据的起始位置，噪声统计起始位置位于回波门关闭之后，然后读取噪声采集宽度，计算出ADC采样噪声信号点数量nk，计算方法如下：其中，WN为噪声采样宽度，c为光速，fs为ADC采样频率；步骤32：ADC对噪声统计区域进行全波形采样并存于存储器中。5.根据权利要求4所述的一种基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈方法，其特征在于：所述步骤(4)的具体过程为：步骤41：计算噪声统计的平均值，计算方法为：其中，yi,k是指第k次测距高速ADC采集的第i个波形幅度；步骤42：计算噪声统计的均方根值，计算方法为：6.根据权利要求5所述的一种基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈方法，其特征在于：所述步骤(5)的具体过程为：步骤51：读取云判区间获得的数据统计值包括均值、均方根值；步骤52：读取该次测量ADC采集的回波峰值幅度；步骤53：将该次噪声统计的均值与均方根值分别与云判区间获得的均值、均方根进行比较，若满足如下准则，则认为存在云层反射，且不保存该次噪声统计；否则，进入步骤(6)；判断云层反射存在准则如下：|μk-μc|≤0.1μk，|σk-σc|≤0.1σk，μk≥0.5Ar，其中，Ar为ADC采集的全波形数据中回波峰值幅度。7.根据权利要求1-6任意所述的一种基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈方法，其特征在于：所述步骤(6)的具体过程为：步骤61：根据当前地形类型编号读取对应地形的噪声均值初始值，噪声均值初始值；步骤62：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张靖涛，李旭，王遨游，王龙，邓永涛，邓德斌，郭元荣，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11