一种光子计数激光雷达输出信号波形畸变的重建方法技术

本发明专利技术提供一种光子计数激光雷达输出信号波形畸变的重建方法，属于光子计数激光雷达回波信号分析领域。该方法包括以下步骤：确定光子计数激光雷达时间相关光子计数统计直方图；确定光子计数激光雷达回波信号的理论模型；将时间相关光子计数统计直方图转化为光子探测概率波形图；对波形降噪处理；计算光子计数激光雷达初始参数值；将初始参数值以及时间

【技术实现步骤摘要】
一种光子计数激光雷达输出信号波形畸变的重建方法


[0001]本专利技术属于光子计数激光雷达技术，具体为一种光子计数激光雷达输出信号波形畸变的重建方法。

技术介绍

[0002]如今激光雷达技术得发展日益成熟，在深空探测、航空航天以及夜间目标识别等领域有着广泛的应用前景在激光雷达的诸多技术中，基于时间相关的光子计数激光雷达作为一种采用盖革模式APD探测器进行信号探测的雷达技术，相较于其他激光雷达，具有更高的探测灵敏度，探测所需的激光脉冲能量更低，可以保障发射的激光能量在人眼安全范围内，被认为是下一代激光雷达的主要发展方向。光子计数激光雷达凭借其单光子探测灵敏度和使用距离门选通技术的特点，在远距离探测和极弱信号探测领域显示出了巨大的优势，它在三维成像、对地遥感和非视域成像中有着重要的潜在应用价值。
[0003]雪崩光电二极管(APD，Avalanche Photodiode)是激光雷达的核心器件。由于该器件电路的特殊性，使得该器件存在保护电路的死区时间。正是由于死区时间的存在，第一光子的探测过程会对紧邻的后续光子的探测产生屏蔽效应，从而会导致“时间相关光子计数直方图”产生畸变效应，即偏离理论回波信号的时间分布。该现象随着入射光通量的增大越专利技术显。为此，光子计数激光雷达核心器件——时间相关光子计数器(Time Correlated Single Photon Counting，TCSPC)的制造商提出了经典的低通量准则——5％准则，作为其无畸变探测的应用依据。目前普遍认为当系统的光子计数总数小于周期性激光脉冲总数的5％，可以忽略计数丢失和信号畸变，此时认为入射光通量为低通量；反之，为高通量。在高通量条件下，回波信号会产生明显的畸变。将畸变的回波信号直接用于激光雷达的测量，将会导致目标距离、反射率、目标表面特性等解算的不准确。这极大限制了光子计数激光雷达在高通量条件下的测量精度和应用范围。
[0004]因此，发展光子计数激光雷达输出信号波形畸变的重建方法，对于拓展光子计数激光雷达的应用环境，并改善测量精度有着重要的意义。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中的上述技术缺陷，本专利技术提出了一种光子计数激光雷达输出信号波形畸变的重建方法。
[0006]实现本专利技术目的的技术方案为：一种光子计数激光雷达输出信号波形畸变的重建方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：确定光子计数激光雷达时间相关光子计数统计直方图；
[0008]步骤2：确定光子计数激光雷达回波信号的理论模型；
[0009]步骤3：将时间相关光子计数统计直方图转化为光子探测概率波形图；
[0010]步骤4：对波形降噪处理；
[0011]步骤5：计算光子计数激光雷达初始参数值；
[0012]步骤6：将初始参数值以及时间
‑
光子探测概率曲线代入最优化算法联合理论模型计算得到最优解；
[0013]步骤7：将最优解代入不含死区时间的探测模型中，得到重建波形。
[0014]优选地，步骤2中光子计数激光雷达回波信号的理论模型表达式：
[0015]P(k；S,B,L)＝P0(k；S,B,L)
·
P
non
(k；S,B,L)
[0016]其中，P(k；S,B,L)表示不在死区时间范围内的第k个光子的探测概率，P0(k；S,B,L)为光子计数激光雷达在时隙k处至少产生1个初级光电子的概率，具体表达式为：
[0017]P0(k；S,B,L)＝1
‑
exp[
‑
N(k；S,B,L)][0018]N(k；S,B,L)为时隙k内包含的初级光电子数目；
[0019]P
non
(k；S,B,L)为时隙k不在死区时间范围内的概率，具体表达式为：
[0020][0021]其中，k
CWSS
为系统实现连续波稳态的最后一个时隙，且第k
CWSS
+1时隙进入信号回波的范围，d为死区时间占据的时隙数量，表达式为：
[0022][0023]T
d
为死区时间大小；P
CWSS
(k；S,B,L)表示实现噪声稳态时时隙内的概率，表达式为：
[0024][0025]N
b
表示恒定的噪声光子速率。
[0026]优选地，对时间
‑
光子探测概率降噪处理的具体方法：
[0027]将波形数据链上的任一点作为中心，对中心点及中心点的邻域求平均值，将求出的平均值作为中心平滑后的值，对波形数据链上的每一点都进行中心平滑处理，且每次选择邻域大小相同。
[0028]优选地，计算光子计数激光雷达初始参数值的具体方法：
[0029]从降噪波形中提取距离L初始值：
[0030][0031]c是光速，s是信号的范围，N(k)表示以信号s的第一个时隙作为起点的第k时隙中包含的光子数目，τ为时间分辨率；
[0032]从降噪波形中提取噪声B初始值：
[0033][0034]l1和l2分别为信号区域前后非信号区域的长度，T1表示距离门内第一个时隙，T
m
为l1内最后一个时隙，T
n
为l2内第一个时隙，T
end
为l2内最后一个时隙，M是总探测次数，N
b
(k)是第k个时隙内的噪声光子数；
[0035]从降噪波形中提取信号S初始值：
[0036][0037]式中，B为提取的噪声参数。
[0038]优选地，通过初始参数值以及时间
‑
光子探测概率曲线通过最优化算法联合理论模型计算得到最优解的具体方法：
[0039]步骤6.1：将提取出来的参数作为初始值，代入光子计数激光雷达回波信号的理论模型，得到新的时间相关光子计数波形f1；
[0040]步骤6.2：将f1代入残差平方和SSR
(i)
公式中，计算残差平方和的相对误差err:
[0041][0042][0043]式中，f0为步骤6.1确定的光子计数激光雷达时间相关光子计数统计直方图经降噪后得到的数据链，f0(k)为该数据链上第k个数据；f
i
为将参数(S
i
,B
i
,L
i
)代入光子计数激光雷达回波信号的理论模型得到的数据链，f
i
(k；S
i
,B
i
,L
i
)为该数据链上第k个数据；SSR
(i)
为第i次计算的残差平方和，SSR
(i
‑
1)
为第i
‑
1次计算的残差平方和；
[0044]计算参数迭代增量：
[0045][0046]dx为dS、dB和dL组成的三维矩阵，dS、dB、dL分别为S、B、L的增量，J为雅可比矩阵，J'为J的转置；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光子计数激光雷达输出信号波形畸变的重建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定光子计数激光雷达时间相关光子计数统计直方图；步骤2：确定光子计数激光雷达回波信号的理论模型；步骤3：将时间相关光子计数统计直方图转化为光子探测概率波形图；步骤4：对波形降噪处理；步骤5：计算光子计数激光雷达初始参数值；步骤6：将初始参数值以及时间
‑
光子探测概率曲线代入最优化算法联合理论模型计算得到最优解；步骤7：将最优解代入不含死区时间的探测模型中，得到重建波形。2.根据权利要求1所述的光子计数激光雷达输出信号波形畸变的重建方法，其特征在于，步骤2中光子计数激光雷达回波信号的理论模型表达式：P(k；S,B,L)＝P0(k；S,B,L)
·
P
non
(k；S,B,L)其中，P(k；S,B,L)表示不在死区时间范围内的第k个光子的探测概率，P0(k；S,B,L)为光子计数激光雷达在时隙k处至少产生1个初级光电子的概率，具体表达式为：P0(k；S,B,L)＝1
‑
exp[
‑
N(k；S,B,L)]N(k；S,B,L)为时隙k内包含的初级光电子数目；P
non
(k；S,B,L)为时隙k不在死区时间范围内的概率，具体表达式为：其中，k
CWSS
为系统实现连续波稳态的最后一个时隙，且第k
CWSS
+1时隙进入信号回波的范围，d为死区时间占据的时隙数量，表达式为：T
d
为死区时间大小；P
CWSS
(k；S,B,L)表示实现噪声稳态时时隙内的概率，表达式为：N
b
表示恒定的噪声光子速率。3.根据权利要求1所述的光子计数激光雷达输出信号波形畸变的重建方法，其特征在于，对时间
‑
光子探测概率降噪处理的具体方法：将波形数据链上的任一点作为中心，对中心点及中心点的邻域求平均值，将求出的平均值作为中心平滑后的值，对波形数据链上的每一点都进行中心平滑处理，且每次选择邻域大小相同。4.根据权利要求1所述的光子计数激光雷达输出信号波形畸变的重建方法，其特征在于，计算光子计数激光雷达初始参数值的具体方法：从降噪波形中提取距离L初始值：
c是光速，s是信号的范围，N(k)表示以信号s的第一个时隙作为起点的第k时隙中包含的光子数目，τ为时间分辨率；从降噪波形中提取噪声B初始值：l1和l2分别为信号区域前后非信号区域的长度，T1表示距离门内第一个时隙，T
m
为l1内最后一个时隙，T
n
为l2内第一个时隙，T
end
为l2内最后一个时隙，M是总探测次数，N
b
(k)是第k个时隙内的噪声光子数；从降噪波形中提取信号S初始值：式中，B为提取的噪声参数。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵艳，李杰楷，来建成，严伟，王春勇，李振华，纪运景，吴志祥，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：