评估SiPM输出鉴别阈值对激光雷达系统探测性能的方法及系统技术方案

本发明专利技术提供评估SiPM输出鉴别阈值对激光雷达系统探测性能的方法及系统，可以准确、高效地选取不同条件下的最优鉴别阈值，促使器件发挥最佳的探测性能。方法包括：步骤1，建立SiPM单个像元的光子时域分布模型；步骤2，引入死区时间效应和多像元联合概率模型，建立SiPM光子事件响应模型；步骤3，考虑实际输出过程中响应脉冲波形和鉴别阈值大小对输出光子事件个数的影响，建立屏蔽效应D

【技术实现步骤摘要】
评估SiPM输出鉴别阈值对激光雷达系统探测性能的方法及系统


[0001]本专利技术属于激光雷达探测
，具体涉及评估SiPM输出鉴别阈值对激光雷达系统探测性能的方法及系统。

技术介绍

[0002]硅光电倍增管是近几年发展起来的一种新型的半导体光探测器件。由成百上千个串联了淬灭电阻的盖格模式雪崩光电二极管(Geiger
‑
mode avalanche photodiode,Gm
‑
APD)并联构成阵列结构，共用一个电源端和输出端。如此多的像元并联到一起会引起较大的暗计数和光学串扰，但由于其各像元独立工作和响应波形线性叠加的特点，使得SiPM有很好的光子计数能力，再加之高灵敏度和大动态范围的特点以及受环境温度和磁场影响小，使其在多光子探测条件下有广阔的应用前景，目前已被应用于激光雷达、医学成像、天体物理等领域，被广泛认为是替代传统弱光探测器的最佳选择。
[0003]由于SiPM特殊的脉冲叠加阈值鉴别输出模式，对系统探测概率与虚警概率的研究普遍停留在不考虑脉冲堆叠效应的近似情况下。不考虑脉冲堆叠效应，进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.评估SiPM输出鉴别阈值对激光雷达系统探测性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立SiPM单个像元的光子时域分布模型；步骤2，引入死区时间效应和多像元联合概率模型，建立SiPM光子事件响应模型；步骤3，考虑实际输出过程中响应脉冲波形和鉴别阈值大小对输出光子事件个数的影响，建立屏蔽效应D
PB
与触发效应D
CF
的近似时域分布模型；设单个像元的输出电压脉冲v(t)的幅值为V，鉴别阈值为T，R＝T/V，k＝floor(R)，floor()表示向下取整函数，时间区间(t
i
,t
i
+τ)内所有像元响应的光子事件总数为n
i
；发生屏蔽效应的光子事件时域分布组合为：产生触发效应的光子事件时域分布组合为：D
CF
(V,T；n
i
≤k)≈D
CF
(V,T；n
i
＝1,m,p)∪D
CF
(V,T；n
i
＝2,m,p)∪
…
∪D
CF
(V,T；n
i
＝k,m,p)(3
‑
2)式中，m、p分别表示时间区间位置以及对应时间区间响应光子事件数的组合向量；步骤4，估算不同鉴别阈值条件下SiPM的探测概率及虚警概率；步骤5，基于查全率和查准率以及F1系数指标进行鉴别阈值的去噪效果评估，进而确定最优鉴别阈值区间。2.根据权利要求1所述的评估SiPM输出鉴别阈值对激光雷达系统探测性能的方法，其特征在于：其中，在步骤2中，SiPM单个像元在时间区间(t
i
,t
i
+τ)内响应的光子事件数ε满足泊松分布：式中，τ为光子计数激光雷达系统使用的计时设备的最小时间分辨率，(t
i
,t
i
+τ)为时间区间，n
s
(t
i
,t
i
+τ)和n
n
(t
i
,t
i
+τ)为每个时间区间内接收的信号和噪声光子数，N
cell
为SIPM的像元数，！表示阶乘；N
single
表示每个时间区间内单个像元接收到的光子数；单个像元的光子事件响应概率为：式中，n
td
为死区时间所包含的以最小分辨率为宽度分隔的时间区间个数；
整个SiPM在某个时间区间内响应n个光子事件数的概率表示为：式中，C
Nelln
＝N
cell
！/[n！(N
cell
‑
n)！]为二项式系数。3.根据权利要求2所述的评估SiPM输出鉴别阈值对激光雷达系统探测性能的方法，其特征在于：其中，步骤4包括如下子步骤：步骤4.1，估算不同鉴别阈值条件下SiPM的探测概率，计算出该鉴别阈值下记录信号光子事件的期望个数；SiPM不同鉴别阈值条件下在时间区间(t
i
,t
i
+τ)的探测概率表示为：式中，P[D
PB
(V,T；n,m,p)]、P[D
CF
(V,T；n,m,p)]分别表示出现产生屏蔽效应与触发效应的光子事件时域分布组合的概率；通过累积信号脉宽范围内所有时间区间的探测概率，得到该鉴别阈值条件下的总探测概率；步骤4.2，估算不同鉴别阈值条件下SiPM的虚警概率，计算出该鉴别阈值下记录噪声光子事件的期望个数；SiPM单个像元或单个Gm
‑
APD在只有背景噪声时的光子事件响应概率需要重新改写为：将上式带入式(2
‑
3)与式(4
‑1‑
1)，计算得到的在该鉴别阈值条件下仍能过记录光子事件的概率，即为虚警概率P
f
(V,T)：式中，通过统计除信号范围外的时间门限范围时间区间的虚警概率，得到噪声光子事件期望个数：式中，range为门限持续时间，σ
p
为接收信号的均方根脉宽。
4.根据权利要求3所述的评估SiPM输出鉴别阈值对激光雷达系统探测性能的方法，其特征在于：其中，在步骤4.1中，当电压脉冲v(t)的脉宽很窄时，存在探测概率大于1的情况，此时累积信号脉宽范围内所有时间区间的探测概率表示为信号光子事件期望个数：式中，t
target
为目标位置的对应时刻。5.根据权利要求1所述的评估SiPM输出鉴别阈值对激光雷达系统探测性能的方法，其特征在于：其中，在步骤5中，采用查全率R
ec
和查准率P
re
对不同鉴别阈值的点云分布进行定量评价，查全率R
ec
表示鉴别阈值对应成功记录信号光子事件占所有接收信号光子的比例，查准率P
re
表示鉴别阈值对应成功记录光子事件中，真实接收信号光子事件所占的比例；两个度量值的计算公式如下：两个度量值的计算公式如下：式中，TP表示通过鉴别阈值筛选的信号光子事件个数，FN表示接收信号光子中未被记录为信号光子事件的个数，FP表示通过鉴别阈值筛选出的噪声光子事件个数；在光子点云数据中，查全率R
ec
数值越大，表示鉴别阈值筛选的光子事件越多，当R
ec
＝1时，表示鉴别阈值将每一次探测的信号光子都成功筛选出来；查准率P
re
数值越大，表示鉴别阈值记录噪声光子事件的比例越小，当P
re
＝1时，表示鉴别阈值筛选的光子事件均为信号光子事件；对于同一个鉴别阈值，使用查全率R
ec
和查准率P
re
的调和平均值F系数来定量评价鉴别阈值的去噪效果，F系数越大表示该鉴别阈值对信号光子事件的筛选结果越好，公式如下：式中，β为权重因子，当β＝1时查全率R
ec
和查准率P
re
...

【专利技术属性】
技术研发人员：马跃，肖毅，刘欣缘，黄炜怡，许敬一，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：