基于4D成像光子計數激光雷達系統實現的目標距離和目標強度的獲取方法與流程
本發明涉及激光雷達技術領域。
背景技術：
由于gm-apd的極高響應靈敏度和極快的光電響應速度，因此基于gm-apd探測器的激光雷達系統在遠距離和微弱信號的應用領域中發揮了重要的作用。但是目前軍事和民用的各個領域應用中，僅靠距離像已經很難滿足很多復雜的目標的探測要求了，然而由于gm-apd雪崩效應的0和1的邏輯輸出，只能響應信號到達的時間，無法響應信號的強度信息。這極大的限制了基于gm-apd探測器的激光雷達系統的應用前景。人們為了解決這一問題，探索了很多方法。
其中，比較主要的一種方法是復合調制脈沖編碼的4d成像光子計數激光雷達系統，該方法采用了獨特的復合調制脈沖編碼發射，在脈沖位置調制的基礎上加入了脈沖幅度的調制，然后通過回波脈沖序列和發射脈沖序列的相關處理可以得到目標的距離信息，通過不同幅度的脈沖探測結果的統計解算可以獲得目標的強度信息。
這種方法雖然實現了距離像和強度像的同時獲取，但這個數據處理方法需要將回波信號中不同強度的脈沖進行分別統計，這一方面計算量大，比較耗費時間，另一方法由于分辨的錯誤也會造成解算強度的誤差。因此，亟需提供一種耗時短和解算強度準確率高的距離像和強度像的獲取方法。
技術實現要素：
本發明是為了解決現有目標距離和目標強度的獲取方法因距離解算計算量大，導致的耗時長及解算強度準確率低的問題，本發明提供了一種基于4d成像光子計數激光雷達系統實現的目標距離和目標強度的獲取方法。
基于4d成像光子計數激光雷達系統實現的目標距離和目標強度的獲取方法，所述的4d成像光子計數激光雷達系統包括信號發生器、激光器、發射光學系統、單向反射器、掃描器、全反射鏡、接收光學系統、窄帶濾波片、gm-apd單光子探測器和信號處理模塊；
所述的信號發生器的復合調制隨機脈沖信號輸出端同時與激光器的復合信號輸入端和信號處理模塊的復合信號輸入端連接，激光器的脈沖信號輸出端與發射光學系統的脈沖信號輸入端連接，發射光學系統輸出的光信號經單向反射器透射后入射至掃描器，掃描器輸出光探測信號至目標，經目標反射后的回波信號入射至該掃描器，掃描器輸出的回波信號依次經單向反射器和全反射鏡的反射后，入射至接收光學系統進行匯聚回波信號，被匯聚的回波信號經過窄帶濾波片濾波后，最后由gm-apd單光子探測器進行光子計數探測，探測結果輸入到信號處理模塊，信號處理模塊對接收的信號進行處理，從而得到目標的距離和強度信息；
其中，信號發生器的復合調制隨機脈沖信號輸出端輸出的信號為本振信號；
目標距離和目標強度的獲取方法包括如下步驟：
步驟一，信號處理模塊對本振信號采用回波高斯脈沖波形函數進行處理，獲得改造后的本振信號；
步驟二，對改造后的本振信號和gm-apd單光子探測器輸出的光子計數探測結果進行時間上的自相關處理，使改造后的本振信號與光子計數探測結果進行混頻，從而獲得相關峰譜；
步驟三，采用峰值估算方法對相關峰譜中的波峰極大值進行搜索，獲得相關峰譜中波峰極大值所對應的時間，該時間為回波信號的往返時間τ，將回波信號的往返時間τ代入雷達距離方程中，從而獲得目標的距離；
步驟四，信號處理模塊對信號發生器輸出的本振信號中光子計數脈沖的個數m和gm-apd單光子探測器探測到的回波信號中光子計數脈沖的個數m′進行處理，獲得本振信號的響應概率p＝m′/m；
對本振信號的響應概率p進行強度解算，從而獲得目標的強度信息ns。
所述的強度解算采用如下公式實現：
ns＝-ln(1-p)。
所述的雷達距離方程的表達式為：r＝cτ/2；其中，r為目標的距離值，c為光速。
原理分析：首先，通過對本振信號改造，使其與回波信號具有相同的形式，再將改造后的本振信號和gm-apd探測結果混頻處理，獲得相關峰譜。一方面通過搜索相關峰譜中波峰的位置，解算出距離信息；一方面通過信號發生器輸出的本振信號中光子計數脈沖的個數m和gm-apd單光子探測器探測到的回波信號中光子計數脈沖的個數m′進行處理，解算出強度信息。
本發明帶來的有益效果是，通過對本振信號的改造，使其與回波信號具有相同的形式，從而提高相關處理的效率，提高距離解算算法的精度，目標距離的測量結果的精度提高了20％以上。通過對強度解算算法進行改進，極大的簡化了解算的過程，從而避免了多余環節內引入的誤差，有助于強度解算精度的提高，強度解算精度提高了30％以上。
附圖說明
圖1為本發明所述的4d成像光子計數激光雷達系統的原理示意圖；
圖2為本發明所述的基于4d成像光子計數激光雷達系統實現的目標距離和目標強度的獲取方法的流程圖；
圖3為距離信息解算的相關峰譜示意圖；其中，tpluse表示發射脈沖的寬度，i表示信號脈沖的強度，t表示時間，τ表示回波信號的往返延遲時間，圖3a為本振信號為矩形脈沖的信號波形，圖3b為改造后的本振信號的波形，圖3c為gm-apd單光子探測器輸出的探測結果的波形，圖3d為相關峰譜的波形。
具體實施方式
具體實施方式一：參見圖1說明本實施方式，本實施方式所述的基于4d成像光子計數激光雷達系統實現的目標距離和目標強度的獲取方法，所述的4d成像光子計數激光雷達系統包括信號發生器1、激光器2、發射光學系統3、單向反射器4、掃描器5、全反射鏡6、接收光學系統7、窄帶濾波片8、gm-apd單光子探測器9、信號處理模塊10；
所述的信號發生器1的復合調制隨機脈沖信號輸出端同時與激光器2的復合信號輸入端和信號處理模塊10的復合信號輸入端連接，激光器2的脈沖信號輸出端與發射光學系統3的脈沖信號輸入端連接，發射光學系統3輸出的光信號經單向反射器4透射后入射至掃描器5，掃描器5輸出光探測信號至目標，經目標反射后的回波信號入射至該掃描器5，掃描器5輸出的回波信號依次經單向反射器4和全反射鏡6的反射后，入射至接收光學系統7進行匯聚回波信號，被匯聚的回波信號經過窄帶濾波片8濾波后，最后由gm-apd單光子探測器9進行光子計數探測，探測結果輸入到信號處理模塊10，信號處理模塊10對接收的信號進行處理，從而得到目標的距離和強度信息；
其中，信號發生器1的復合調制隨機脈沖信號輸出端輸出的信號為本振信號；
目標距離和目標強度的獲取方法包括如下步驟：
步驟一，信號處理模塊10對本振信號采用回波高斯脈沖波形函數進行處理，獲得改造后的本振信號；
步驟二，對改造后的本振信號和gm-apd單光子探測器9輸出的光子計數探測結果進行時間上的自相關處理，使改造后的本振信號與光子計數探測結果進行混頻，從而獲得相關峰譜；
步驟三，采用峰值估算方法對相關峰譜中的波峰極大值進行搜索，獲得相關峰譜中波峰極大值所對應的時間，該時間為回波信號的往返時間τ，將回波信號的往返時間τ代入雷達距離方程中，從而獲得目標的距離；
步驟四，信號處理模塊10對信號發生器1輸出的本振信號中光子計數脈沖的個數m和gm-apd單光子探測器9探測到的回波信號中光子計數脈沖的個數m′進行處理，獲得本振信號的響應概率p＝m′/m；
對本振信號的響應概率p進行強度解算，從而獲得目標的強度信息ns。
具體通過圖3說明本實施方式，本振信號的矩形脈沖(如圖3a)改造成和回波信號具有相同形式的本振信號(如圖3b)；然后使用改造后的本振信號和gm-apd單光子探測器9的探測結果進行相關，從而可以有效的提高相關的效果，有效的縮窄相關峰，從而有效的提高測距精度。
具體實施方式二：參見圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的一種基于4d成像光子計數激光雷達系統實現的目標距離和目標強度的獲取方法的區別在于，所述的強度解算采用如下公式實現：
ns＝-ln(1-p)。
本實施方式，如圖3(a)本振信號由多種等差強度的脈沖隨機分布組成，我們使用1,2…i…n來表示不同強度的單個脈沖，1,2…i…n叫做編碼，表示不同強度的脈沖。一次探測使用的是脈沖序列，包括m個脈沖，這個脈沖序列里包含著n種不同強度調制的脈沖隨機分布組成。n種不同強度的脈沖是等概率出現的，因此，對于一次探測的脈沖序列，m個各種強度脈沖，編碼為1,2…i…n的脈沖個數是相等的分別為m/n。我們設最大強度的回波脈沖的光電子形式信號強度為ns，也就是說編碼為n的脈沖強度為ns，這樣編碼為i(i∈[1,n])的回波脈沖，信號的強度為(ins)/n，那么現在來計算編碼為i的脈沖觸發gm-apd產生雪崩事件概率
由于本振信號中包括n種不同強度的脈沖，n種不同強度的脈沖中，每種強度的脈沖出現的概率是均等的，均為
將公式一代入公式二中，并進行整理，從而獲得ns＝-ln(1-p)。
具體實施方式三：參見圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的一種基于4d成像光子計數激光雷達系統實現的目標距離和目標強度的獲取方法的區別在于，所述的雷達距離方程的表達式為：r＝cτ/2；其中，r為目標的距離值，c為光速。
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