一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法和系统技术方案

本发明专利技术给出了一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法和系统，属于探测技术领域，包括：计算空中目标所处的大气透过率，以确定所述空中目标的背景噪声；对所述空中目标进行小面元拆分，得到小面元集；对所述小面元集中每个小面元进行姿态变换；获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形；计算不同时刻的信号光子数和噪声光子数；对所述光子计数激光雷达中的单光子探测器的回波光子接收过程进行仿真，得到单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布。本发明专利技术的仿真过程更符合实际空中目标探测过程，仿真结果准确高，弥补了现有仿真方法未考虑空中目标复杂姿态变化的缺失。方法未考虑空中目标复杂姿态变化的缺失。方法未考虑空中目标复杂姿态变化的缺失。

【技术实现步骤摘要】
一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法和系统


[0001]本专利技术属于探测
，尤其涉及一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法和系统。

技术介绍

[0002]远距离空中目标由于传输距离远和激光雷达散射截面小，导致激光雷达回波信号弱。光子计数激光雷达以高灵敏度、高探测精度和远探测距离的特点，被广泛应用于远距离目标的探测。光子计数激光雷达利用单光子探测器实现了单光子灵敏度，可有效地满足空中目标对高灵敏度的要求。
[0003]由于光子计数激光雷达中单光子探测器和时间相关光子计数技术的应用，使得光子计数激光雷达与传统的线性激光雷达存在探测机理上的差异，传统激光雷达的仿真方法已无法适用于光子计数激光雷达。空中目标的姿态样式具有多变性，与其他类型的目标探测存在较大差异，进而使得光子计数激光雷达对空中目标的探测难度增大。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的之一，在于提供一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法，该方法综合考虑了大气环境参数、系统参数和空中目标参数对空中目标探测的影响，仿真过程更符合实际空中目标探测过程，仿真结果准确高，弥补了现有仿真方法未考虑空中目标复杂姿态变化的缺失。
[0005]本专利技术的目的之二，在于提供一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的系统。
[0006]为了达到上述目的之一，本专利技术采用如下技术方案实现：一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法，所述方法包括如下步骤：步骤S1、计算空中目标所处的大气透过率，以确定所述空中目标的背景噪声；步骤S2、对所述空中目标进行小面元拆分，得到小面元集；步骤S3、对所述小面元集中每个小面元进行姿态变换；步骤S4、根据姿态变换结果，获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形；步骤S5、根据所述空中目标的背景噪声以及所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形，计算不同时刻的信号光子数和噪声光子数；步骤S6、根据所述不同时刻的信号光子数和噪声光子数，对所述光子计数激光雷达中的单光子探测器的回波光子接收过程进行仿真，得到单光子探测器阵列中各个单元的光子回波概率分布。
[0007]进一步的，在步骤S1中，所述大气透过率为：；
；其中，T为大气透过率；λ为激光波长；λ0为常数；V为大气能见度，单位为km；X为激光传输距离，单位为km。
[0008]进一步的，在步骤S3中，按照如下公式进行姿态变换：S（x，y，z）=RS0（x0，y0，z0）+M（x
m
，y
m
，z
m
）；；其中，S（x，y，z）为姿态变换后的各个小面元坐标；S0（x0，y0，z0）为姿态变换前的各个小面元坐标；M（x
m
，y
m
，z
m
）为空中目标坐标的中心坐标；R为姿态变换矩阵；θ
pitch
、θ
roll
和θ
yaw
分别为空中目标的俯仰角、翻滚角和偏航角。
[0009]进一步的，在所述步骤S4中，所述获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形的具体过程包括：步骤S41、根据姿态变换结果，计算所述各个小面元到所述光子计数激光雷达中的激光器发射的激光中心轴的距离，以选取距离小于激光光斑半径的小面元并放入到新的小面元集中；步骤S42、对所述激光器发射的激光进行分束；并从分束后得到的子激光中选取出与所述新的小面元集中小面元相交的子激光作为新子激光；步骤S43、获取所述新的小面元集各个新的小面元与各个新子激光的交点，构成交点集；步骤S44、从所述交点集中抽取出与同一个新子激光的交点，并选择距离激光器最近的交点所对应的小面元在不同时刻的波形作为对应新子激光不同时刻的脉冲波形；步骤S45、对所有的新子激光不同时刻的脉冲波形进行求和，得到所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形。
[0010]进一步的，在所述步骤S6中，所述回波光子仿真的具体过程包括：步骤S61、设置产生光子事件的时间t=1；步骤S62、根据t时刻的信号光子数和噪声光子数，产生一个t时刻的泊松分布的随机数；步骤S63、根据所述随机数，判断光子事件是否产生，如是，则将所述光子事件对应的时间进行存储，并令，进入步骤S64；如否，则令t=t+1，返回步骤S62；步骤S64、判断t是否大于脉冲周期，如是，则进入步骤S65；如否，则令t=t+1，返回步骤S62；其中，为所述单光子探测器的死时间；步骤S65、判断t是否大于总探测时间，如是，则输出存储的所述光子事件对应的时
间，以获取所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，结束；如否，则t=t+1，返回步骤S62。
[0011]进一步的，所述方法还包括：步骤S7、根据所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，计算所述单光子探测器阵列各个单元获得的目标距离值，以获得所述空中目标的三维光子点云分布。
[0012]为了达到上述目的之二，本专利技术采用如下技术方案实现：一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的系统，所述系统包括：第一计算模块，用于计算空中目标所处的大气透过率，以确定所述空中目标的背景噪声；拆分模块，用于对所述空中目标进行小面元拆分，得到小面元集；姿态变换模块，用于对所述小面元集中每个小面元进行姿态变换；获取模块，用于根据姿态变换结果，获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形；第二计算模块，用于根据所述空中目标的背景噪声以及所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形，计算不同时刻的信号光子数和噪声光子数；仿真模块，用于根据所述不同时刻的信号光子数和噪声光子数，对所述光子计数激光雷达中的单光子探测器的回波光子接收过程进行仿真，得到所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布。
[0013]进一步的，所述获取模块包括：第一计算子模块，用于根据姿态变换结果，计算所述各个小面元到所述光子计数激光雷达中的激光器发射的激光中心轴的距离，以选取距离小于激光光斑半径的小面元并放入到新的小面元集中；选取子模块，用于对所述激光器发射的激光进行分束；并从分束后得到的子激光中选取出与所述新的小面元集中小面元相交的子激光作为新子激光；构成子模块，用于获取所述新的小面元集各个新的小面元与各个新子激光的交点，构成交点集；抽取子模块，用于从所述交点集中抽取出与同一个新子激光的交点，并选择距离激光器最近的交点所对应的小面元在不同时刻的波形作为对应新子激光不同时刻的脉冲波形；求和子模块，用于对所有的新子激光不同时刻的脉冲波形进行求和，得到所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形。
[0014]进一步的，所述仿真模块包括：设置子模块，用于设置产生光子事件的时间t=1；产生子模块，用于根据t时刻的信号光子数和噪声光子数，产生一个t时刻的泊松分布的随机数；第一判断子模块，用于根据所述随机数，判断光子事件是否产生，如是，则将所述光子事件对应的时间进行存储，并令后传输给第二判断子模块；如否，则令t=t+1后传输给产生子模块；第二判断子模块，用于判断t是否大于脉冲周期，如是，则将t传输给第三判断子模块；如否，则令t=t+1后传输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤S1、计算空中目标所处的大气透过率，以确定所述空中目标的背景噪声；步骤S2、对所述空中目标进行小面元拆分，得到小面元集；步骤S3、对所述小面元集中每个小面元进行姿态变换；步骤S4、根据姿态变换结果，获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形；步骤S5、根据所述空中目标的背景噪声以及所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形，计算不同时刻的信号光子数和噪声光子数；步骤S6、根据所述不同时刻的信号光子数和噪声光子数，对所述光子计数激光雷达中的单光子探测器的回波光子接收过程进行仿真，得到单光子探测器阵列中各个单元的光子回波概率分布。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述大气透过率为：；；其中，T为大气透过率；λ为激光波长；λ0为常数；V为大气能见度，单位为km；X为激光传输距离，单位为km。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，按照如下公式进行姿态变换：S（x，y，z）=RS0（x0，y0，z0）+M（x
m
，y
m
，z
m
）；；其中，S（x，y，z）为姿态变换后的各个小面元坐标；S0（x0，y0，z0）为姿态变换前的各个小面元坐标；M（x
m
，y
m
，z
m
）为空中目标的中心坐标；R为姿态变换矩阵；θ
pitch
、θ
roll
和θ
yaw
分别为空中目标的俯仰角、翻滚角和偏航角。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形的具体过程包括：步骤S41、根据姿态变换结果，计算所述各个小面元到所述光子计数激光雷达中的激光器发射的激光中心轴的距离，以选取距离小于激光光斑半径的小面元并放入到新的小面元集中；步骤S42、对所述激光器发射的激光进行分束；并从分束后得到的子激光中选取出与所述新的小面元集中小面元相交的子激光作为新子激光；步骤S43、获取所述新的小面元集各个新的小面元与各个新子激光的交点，构成交点集；
步骤S44、从所述交点集中抽取出与同一个新子激光的交点，并选择距离激光器最近的交点所对应的小面元在不同时刻的波形作为对应新子激光不同时刻的脉冲波形；步骤S45、对所有的新子激光不同时刻的脉冲波形进行求和，得到所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤S6中，所述仿真的具体过程包括：步骤S61、设置产生光子事件的时间t=1；步骤S62、根据t时刻的信号光子数和噪声光子数，产生一个t时刻的泊松分布的随机数；步骤S63、根据所述随机数，判断光子事件是否产生，如是，则将所述光子事件对应的时间进行存储，并令，进入步骤S64；如否，则令t=t+1，返回步骤S62；步骤S64、判断t是否大于脉冲周期，如是，则进入步骤S65；如否，则令t=t+1，返回步骤S62；其中，为所述单光子探测器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡以华，侯阿慧，方佳节，徐世龙，张鑫源，董骁，韩飞，赵楠翔，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：