本发明专利技术公开了一种非视域目标多角度探测联合定位装置及方法，该包括单光子计数模块、窄脉冲激光定向发射系统、时序模块、云台控制系统、高精度云台、光学接收系统、单光子计数模块、数据采集系统和联合定位计算模块，其中非视域探测与定位场景包括中介面和被遮挡在探测器件视域外的目标物。本发明专利技术在雷达接收系统放置高精度云台，可以实现从多个不同方向上接收到视域外目标微弱的回波信号并采集信息，根据对目标位置信息的反演实现光子计数激光雷达非视域目标快速探测与多角度联合定位。本发明专利技术在非视域目标探测领域中显著降低了数据处理时间短，大幅提高了目标信号分辨的准确性和多角度联合定位的精确度。多角度联合定位的精确度。多角度联合定位的精确度。
【技术实现步骤摘要】
非视域目标多角度探测联合定位装置及方法
[0001]本专利技术涉及光子计数激光雷达技术，特别涉及一种非视域目标多角度探测联合定位装置及方法。
技术介绍
[0002]如今激光雷达技术的发展日益成熟，广泛地应用在军事和民用领域中。随着针对微弱光信号的单光子探测器件飞速发展，光子计数激光雷达在非视域(NLOS)领域的应用逐渐兴起。非视域探测技术可以借助外在的中介面(墙壁、玻璃、金属等)对被遮挡的视域外物体进行精确的定位与图像重建，在面对未知、可能存在危险或复杂的遮挡场景时能够提前探测，预知情况，防止危机，具有广阔的应用前景。比如在救灾现场时，救援人员可以对废墟后不能直接看到的未知空间进行检测，提前避免某些危险情况的发生,减少不必要的伤亡；汽车在狭窄道路或拐弯处的行驶过程中存在一定的视觉盲区，利用非视域探测技术可以引导驾驶员提前规避盲区中突然窜出的自行车、行人或动物，作为辅助驾驶的一种手段；在战场环境下提前侦查视域外的未知空间，掌握敌人动态，优化行动方案等多方面的应用。总之，非视域探测为人们提前预判风险，预判未知环境提供了很大帮助，是激光雷达系统一种全新的发展领域。
[0003]在实际的非视域场景中存在大量的背景干扰因素，发射激光经过在中介面上两次反射和隐藏物体的一次反射后，物体的回波信号十分微弱难以分辨，影响视域外目标的定位精确度。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于提供一种非视域目标多角度探测联合定位装置，能够准确地提取分辨视域外目标的回波信号，并精确定位目标。
[0005]实现本专利技术目的的技术方案为：一种非视域目标多角度探测联合定位装置，包括：
[0006]至少一云台；
[0007]至少一云台控制系统，用于控制云台转动；
[0008]至少一窄脉冲激光定向发射系统，用于向中介面发射脉冲激光；
[0009]至少一光学接收系统，用于接收光子信号；
[0010]至少一单光子计数模块，用于实现光子计数，并记录光子飞行时间；
[0011]至少一数据采集系统，用于保存目标信息数据；
[0012]至少一联合定位计算模块，用于根据目标光子信息确定目标位置；
[0013]至少一时序模块，用于产生云台控制系统、窄脉冲激光定向发射系统以及单光子计数模块的控制时序。
[0014]优选地，单光子计数模块以盖革模式APD作为探测组件。
[0015]优选地，所述窄脉冲激光定向发射系统的光源选用脉宽为400ps的520nm脉冲激光。
[0016]本专利技术还提出了一种非视域目标多角度探测联合定位方法，包括：
[0017]采集环境光子信号信息；
[0018]根据环境信息设置初始参数；
[0019]采集视域外目标光子信号；
[0020]从视域外目标光子信号中去除环境光子信号信息，根据剩余的光子信号信息实现目标定位。
[0021]优选地，采集环境光子信号信息的具体方法为：
[0022]时序模块控制窄脉冲激光定向发射系统向中介面发射脉冲激光，在无目标情况下背景环境产生的光子信号经过光学接收系统到达单光子计数模块，单光子计数模块记录环境光子信号信息，并将结果发送给数据采集系统，数据采集系统记录采集的环境光子信号信息并储存。
[0023]优选地，所述环境光子信号信息包括背景噪声光子计数直方图、中介面一次散射的回波光子计数直方图和光子飞行时间。
[0024]优选地，采集视域外目标光子信号的具体方法为：
[0025]时序模块控制窄脉冲激光定向发射系统经过一定的时间延迟后产生脉冲激光，脉冲激光经过准直以一定的角度照射到具有一定反射系数的中介面上；时序模块根据设定的距离门等待时间和距离门持续时间，在中介面回波光子飞行时间结束后驱动单光子计数模块工作，通过光学接收系统采集目标回波光子信号。
[0026]优选地，时序模块驱动云台控制系统经过一定的时延Δt+δ后开始工作，控制云台使得光学接收系统以不同的探测角度接收目标回波信号，发送到单光子计数模块，形成多组含有视域外目标信息的回波光子计数直方图，同时构成多个以激光在中介面上的照明点和光学接收系统在中介面上的扫描点为焦点的椭圆面。
[0027]优选地，每次的探测过程中，单光子计数模块在一个时隙bin中接收到的全部光子计数记为P(t)；每个时隙bin中对应的环境光子计数为B(t)，如果符合：P(t)
‑
B(t)＞Threshold则判定为有效的目标回波光子信号，发送到数据采集系统储存，Threshold表示阈值。
[0028]优选地，根据剩余的光子信号信息实现目标定位的具体原理为：
[0029]在视域外空间坐标系中，对于任意一次的探测过程有等式：
[0030]ct＝R1+R2+R3+R4[0031]其中t表示测量得到的光子飞行总时间，c是光速，R1为脉冲激光发射点到照射到中介面上的点的距离，R2为脉冲激光照射到中介面上的点到漫反射到视域外目标处的距离，R3为激光在目标表面漫反射后传播至中介面上的距离，R4为种睫毛上的点到光学接收系统的距离；
[0032]在总光程中减去SPAD视域内的光程就得到目标位置的等式：
[0033]|R2|+|R3|＝ct'
[0034]t'是R2和R3对应的光子飞行时间；
[0035]将激光在中介面上的照明点固定，SPAD在中介面上的扫描点表示为(x
i
,y
i
,z
i
)；
[0036]选取多个扫描点，确定视域外目标所在的位置区域；
[0037]由每个扫描点像素i收集数据计算得到的目标位置概率密度表示为狄拉克函数的
形式：
[0038]P
i
(t')
∝
δ(|R
2i
|+|R
3i
|
‑
ct')
[0039]式中，R
2i
和R
3i
为每次探测的视域外光程。
[0040]通过对目标位置概率密度进行高斯拟合，则有其高斯函数的表达形式：
[0041][0042]对应回波信号的时间信息，并且回波信号峰值与光子飞行时间成正比，σ是标准差，和发射激光脉冲的FWHM相关；
[0043]通过上式在非视域空间中投影得到目标物体在坐标系中各个位置的概率密度分布，多个椭圆交叉形成的截面即为非视域目标定位的联合概率密度分布最大位置，对应目标物体的实际坐标。
[0044]本专利技术与现有技术相比，其显著优势有：1)本专利技术设计了合理的针对非视域目标探测联合定位的光子计数激光雷达系统装置，具备实用性和集成性；2)本专利技术将背景检测和阈值筛选方法相结合，克服了在复杂的背景环境中强烈的背景噪声计数，有效提取了目标回波信号，提高定位的精确度；3)本专利技术通过高精度云台控制接收系统探测角度保证了探测角度调节的精准性，并与单光子计数模块同步工作，降低了数据采集本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种非视域目标多角度探测联合定位装置，其特征在于，包括：至少一云台；至少一云台控制系统，用于控制云台转动；至少一窄脉冲激光定向发射系统，用于向中介面发射脉冲激光；至少一光学接收系统，用于接收光子信号；至少一单光子计数模块，用于实现光子计数，并记录光子飞行时间；至少一数据采集系统，用于保存目标信息数据；至少一联合定位计算模块，用于根据目标光子信息确定目标位置；至少一时序模块，用于产生云台控制系统、窄脉冲激光定向发射系统以及单光子计数模块的控制时序。2.根据权利要求1所述的非视域目标多角度探测联合定位装置，其特征在于，单光子计数模块以盖革模式APD作为探测组件。3.根据权利要求1所述的非视域目标多角度探测联合定位装置，其特征在于，所述窄脉冲激光定向发射系统的光源选用脉宽为400ps的520nm脉冲激光。4.一种非视域目标多角度探测联合定位方法，其特征在于，包括：采集环境光子信号信息；根据环境信息设置初始参数；采集视域外目标光子信号；从视域外目标光子信号中去除环境光子信号信息，根据剩余的光子信号信息实现目标定位。5.根据权利要求4所述的非视域目标多角度探测联合定位方法，其特征在于，采集环境光子信号信息的具体方法为：时序模块控制窄脉冲激光定向发射系统向中介面发射脉冲激光，在无目标情况下背景环境产生的光子信号经过光学接收系统到达单光子计数模块，单光子计数模块记录环境光子信号信息，并将结果发送给数据采集系统，数据采集系统记录采集的环境光子信号信息并储存。6.根据权利要求4或5所述的非视域目标多角度探测联合定位方法，其特征在于，所述环境光子信号信息包括背景噪声光子计数直方图、中介面一次散射的回波光子计数直方图和光子飞行时间。7.根据权利要求4所述的非视域目标多角度探测联合定位方法，其特征在于，采集视域外目标光子信号的具体方法为：时序模块控制窄脉冲激光定向发射系统经过一定的时间延迟后产生脉冲激光，脉冲激光经过准直以一定的角度照射到具有一定反射系数的中介面上；时序模块根据设定的距离门等待时间和距离门持续时间，在中介面回波光子飞行时间结束后驱动单光子计数模块工作，通过光学接收系统采集目标回波光子信号。8.根据权利要求4所述的非视域目标多角度探测联合定位方法，其特征在于，时序模块驱动云台控制系统经过一定的时延Δt+δ后开始工作，控制云台使得光学接收系统以不同的探测角度接收目标回波信号，发送到单光子计数模块，形成多组含有视域...
【专利技术属性】
技术研发人员：李振华，庄子岩，来建成，王春勇，纪运景，严伟，吴志祥，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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