基于改进核心的BRDF模型的Gm-APD激光雷达回波能量计算方法技术

技术编号:21889561 阅读:23 留言:0更新日期:2019-08-17 13:38
本发明专利技术是基于改进核心的BRDF模型的Gm‑APD激光雷达回波能量计算方法。本发明专利技术采用kernel‑based BRDF模型的建立思想,以LL‑BRDF为核心,考虑背景光及回波光来源,第一次建立了适应Gm‑APD激光雷达的改进kernel‑based BRDF模型,模型利用背景等效强度系数将背景光与激光回波建立了联系,获得混合散射光模型,使BRDF模型更能准确地描述实际目标散射情况。本专利所建激光雷达方程模型可更清楚描述回波组成及分布特性,相对现有激光雷达方程更符合实际物理规律,且方程能够同时获取噪声光及激光回波光,对Gm‑APD探测理论的定量研究提供更加有力支持。

Gm-APD lidar echo energy calculation method based on improved core BRDF model

【技术实现步骤摘要】
基于改进核心的BRDF模型的Gm-APD激光雷达回波能量计算方法
本专利技术涉及Gm-APD激光雷达回波能量计算
,是一种基于改进核心的BRDF模型的Gm-APD激光雷达回波能量计算方法。
技术介绍
目前,Gm-APD触发特性的研究很少考虑实际目标散射特性对目标探测概率及作用距离的影响,原因是所用的目标散射模型只是简单的朗伯散射模型,这种散射模型与实际目标的散射特性不相符。早在2000年,已有研究学者将可描述目标散射特性的双向反射分布函数(BRDF)引入到激光雷达方程中,但未曾用于解决Gm-APD目标散射引起的触发概率问题。目前激光雷达方程未考虑白昼背景光散射模型问题,尤其对于Gm-APD这种易受背景光干扰的探测器,建立激光雷达回波噪声模型的需求非常迫切。实际上回波噪声与目标散射特性紧密相连,目前未将噪声模型与目标散射特性建立联系用于白昼Gm-APD探测理论的研究中,通常在应用过程中将噪声设定为某个固定的数值,对白昼目标探测策略指导性较差。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术存在的问题,本专利技术提供了一种基于改进核心的BRDF模型的Gm-APD激光雷达回波能量计算方法,本专利技术提供了以下技术方案:一种基于改进核心的BRDF模型的Gm-APD激光雷达回波能量计算方法,包括如下步骤:步骤一:建立背景光模型,获得背景光,当半球空间的散射射光混合与入射光强内,建立背景光的BRDF模型;步骤二:根据目标实际反射机理,建立激光对应的BRDF模型;步骤三:对现有BRDF模型进行改进,在激光雷达选通范围内,将BRDF模型转换为关于时间函数,利用背景光等效强度系数建立激光与背景噪声关系函数;步骤四:利用背景等效强度系数将激光与背景噪声建立联系,使激光雷达方程的表达式更加完善,激光雷达方程用来衡量选通门内目标入射端激光强度与背景光强相对大小,并作为评价背景强度对于激光雷达探测影响的一个参数,计算选通范围内的各时间点接收的回波光子数;步骤五:建立Gm-APD触发概率模型,根据所述Gm-APD触发概率模型建立考虑实际目标散射特性及噪声模型的Gm-APD激光雷达方程。优选地,所述步骤一具体为:第一步:通过下式建立背景光模型:L=Ldir+Ldiff(1)其中,L为背景光,Ldir为直接被目标反射的太阳光,随后经过大气传输被探测器接收的光强,Ldiff为其大气漫散射光经过目标反射之后,直接被探测器接收的光强;第二步:当半球空间的漫散射光混合与整个入射光强内,通过下式建立背景光的BRDF模型:其中,BRDF(θs,θv,Φ)为背景光对应的BRDF模型,fr为BRDF模型,θs为太阳光入射方向天顶角,θv为探测器观测方向天顶角,为探测器观测方向方位角;d(θs)是在太阳光入射角度为θs情况下,漫散射分量占总入射光强的比例;θx为漫散射分量的入射天顶角,为漫散射分量的反射方位角,Φ为背景光的观测方位角。优选地,所述步骤二具体为:通过下式建立BRDF模型:其中,fr为BRDF模型,ρ为目标体反射系数,G为几何衰减因子,D为微表面倾斜分布方程,C1=0.8532σ-0.095,C2=0.3595σ1.785,C3为表面反射系数,σ为微表面斜坡的均方差。优选地,所述步骤三具体为:将现有BRDF模型进行改进,在激光雷达选通范围内,背景光是时间连续型,激光回波为时间脉冲型,通过下式表示将BRDF模型改写为关于时间的函数:其中,fr1为BRDF模型改写为关于时间的函数,f为激光时间波形,t为时间,tg为激光前沿在选通门内的位置,θ1为太阳在目标坐标系中的天顶角,ε为背景等效强度系数。优选地,所述激光时间波形和背景等效强度系数通过下式表示:其中,τ为激光脉冲宽度,E为大气背景光功率密度,I为单脉冲激光能量,Tg为选通门宽度,T为大气单程透过率,η1为光学发射系统的透过率,UB为选通门内目标上垂直于入射方向的背景光能量密度,U’为目标上垂直于入射反向的单脉冲激光能量密度,SNRi为选通门内目标上的入射光信噪比。优选地,所述步骤四具体为:通过下式计算选通范围内的各时间点接收的回波光子数:其中,N(t)为选通范围内的各时间点接收的回波光子数,η2为光学接收系统的透过率,Ar为激光雷达有效接收口径面积,hc/λ为单光子能量,其中,h为普朗克常数,c为光速,λ为波长。优选地,所述步骤五具体为:第一步:Gm-APD触发过程服从Poisson统计,对于一个Poisson过程,在时间t1和t2之间产生k个初始电子的概率,所述概率通过下式表示:其中,N(t1,t2)为时间t1和t2之间接收的光子数,通过下式表示:式中,P(k;t1,t2)为在时间t1和t2之间产生k个初始电子的概率,η为探测器量子效率,nd(t)为暗计数的率函数;第二步:Gm-APD在选通范围内将时间分为若干等时长的时间间隔Δτ进行回波探测,各时间间隔的触发概率通过下式表示:式中,Pi为各时间间隔的触发概率,N0=0,等式右边第一项为探测器在前i-1个tag中不触发的概率,即产生0个初始电子的概率;第三步:将选通范围内的各时间点接收的回波光子数代入公式(10),建立考虑实际目标散射特性及噪声模型的Gm-APD激光雷达方程。本专利技术具有以下有益效果:本专利技术采用kernel-basedBRDF模型的建立思想,以LL-BRDF为核心,考虑背景光及回波光来源,第一次建立了适应Gm-APD激光雷达的改进kernel-basedBRDF模型,模型利用背景等效强度系数将背景光与激光回波建立了联系,获得混合散射光模型,使BRDF模型更能准确地描述实际目标散射情况。基于改进的kernel-basedBRDF模型建立激光雷达方程,激光雷达方程可将选通门内各时间点的激光回波及噪声同时计算出来。本专利所建激光雷达方程模型可更清楚描述回波组成及分布特性,相对现有激光雷达方程更符合实际物理规律,且方程能够同时获取噪声光及激光回波光,对Gm-APD探测理论的定量研究提供更加有力支持。同时,所建方程(7)适用其它体制激光雷达回波能量计算。附图说明图1是目标观测面法线方向为正南方向时,目标处于不同距离情况下,回波触发概率随探测角度的变化情况图。图1-a为8时,观测方位角为0°回波触发概率随探测角度的变化情况图;图1-b为8时,观测方位角为180°回波触发概率随探测角度的变化情况图;图1-c为12时,观测方位角为0°或180°回波触发概率随探测角度的变化情况图。图2是目标观测面法线方向为正北方向时,目标处于不同距离情况下,回波触发概率随探测角度的变化情况图。图2-a为8时,回波触发概率随探测角度的变化情况;图2-b为12时,回波触发概率随探测角度的变化情况。图3是Gm-APD装置及场景图。图3-a为探测场景图;图3-b为目标姿态图。图4是成像结果图。图5不同时间的背景光理论与实验验证对比图。具体实施方式以下结合具体实施例,对本专利技术进行了详细说明。具体实施例一:本专利技术提供一种基于改进核心的BRDF模型的Gm-APD激光雷达回波能量计算方法,包括如下步骤:步骤一:建立背景光模型,获得背景光,当半球空间的散射射光混合与入射光强内,建立背景光的BRDF模型;步骤二:根据目标实际反射机理,建立激光对应的BRDF模型;步骤三:对现有BRDF本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进核心的BRDF模型的Gm‑APD激光雷达回波能量计算方法,其特征是:包括如下步骤:步骤一:建立背景光模型,获得背景光,当半球空间的散射射光混合于入射光强内,建立背景光的BRDF模型;步骤二:根据目标实际反射机理,建立激光对应的BRDF模型;步骤三:对现有BRDF模型进行改进,在激光雷达选通范围内,将BRDF模型转换为关于时间的函数,利用背景光等效强度系数建立激光与背景噪声关系函数;步骤四:利用背景等效强度系数将激光与背景噪声建立联系,使激光雷达方程的表达式更加完善,激光雷达方程用来衡量选通门内目标入射端激光强度与背景光强相对大小,并作为评价背景强度对于激光雷达探测影响的一个参数,计算选通范围内的各时间点接收的回波光子数;步骤五:建立Gm‑APD触发概率模型,根据所述Gm‑APD触发概率模型建立考虑实际目标散射特性及噪声模型的Gm‑APD激光雷达方程。

【技术特征摘要】
1.一种基于改进核心的BRDF模型的Gm-APD激光雷达回波能量计算方法,其特征是:包括如下步骤:步骤一:建立背景光模型,获得背景光,当半球空间的散射射光混合于入射光强内,建立背景光的BRDF模型;步骤二:根据目标实际反射机理,建立激光对应的BRDF模型;步骤三:对现有BRDF模型进行改进,在激光雷达选通范围内,将BRDF模型转换为关于时间的函数,利用背景光等效强度系数建立激光与背景噪声关系函数;步骤四:利用背景等效强度系数将激光与背景噪声建立联系,使激光雷达方程的表达式更加完善,激光雷达方程用来衡量选通门内目标入射端激光强度与背景光强相对大小,并作为评价背景强度对于激光雷达探测影响的一个参数,计算选通范围内的各时间点接收的回波光子数;步骤五:建立Gm-APD触发概率模型,根据所述Gm-APD触发概率模型建立考虑实际目标散射特性及噪声模型的Gm-APD激光雷达方程。2.根据权利要求1所述的一种基于改进核心的BRDF模型的Gm-APD激光雷达回波能量计算方法,其特征是:所述步骤一具体为:第一步:通过下式建立背景光模型:L=Ldir+Ldiff(1)其中,L为背景光,Ldir为直接被目标反射的太阳光,随后经过大气传输被探测器接收的光强,Ldiff为其大气漫散射光经过目标反射之后,直接被探测器接收的光强;第二步:当半球空间的漫散射光混合与整个入射光强内,通过下式建立背景光的BRDF模型:其中,BRDF(θs,θv,Φ)为背景光对应的BRDF模型,fr为BRDF模型,θs为太阳光入射方向天顶角,θv为探测器观测方向天顶角,为探测器观测方向方位角;d(θs)是在太阳光入射角度为θs情况下,漫散射分量占总入射光强的比例;θx为漫散射分量的入射天顶角,为漫散射分量的反射方位角,Φ为背景光的观测方位角。3.根据权利要求1所述的一种基于改进核心的BRDF模型的Gm-APD激光雷达回波能量计算方法,其特征是:所述步骤二具体为:通过下式建立BRDF模型:其中,fr为BRDF模型,ρ为目标体反射系数,G为几何衰减因子,D为微表面倾斜分布方程,C1=0.8532σ-0.095,C2=0.3595σ1.785,C3为表面反射系数,σ为微表面斜坡的均方差。4.根据权利要求1所述的一种基于改进核心的BRDF模型的Gm-APD激光雷达回...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙剑峰周鑫刘迪王海虹陆威李思宁
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

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