一种光子计数激光雷达输出信号波形畸变的重建方法

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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发明显。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。
4.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。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的上述技术缺陷，本发明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。
6.实现本发明目的的技术方案为：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：
7.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；
8.步骤2：确定光子计数激光雷达回波信号的理论模型；
9.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；
10.步骤4：对波形降噪处理；
11.步骤5：计算光子计数激光雷达初始参数值；
12.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；
13.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。
14.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：
15.p(k；s,b,l)＝p0(k；s,b,l)
·
p
non
(k；s,b,l)
16.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：
17.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]
td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]
nb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，tm为l1内最后一个时隙，tn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，nb(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；fi为将参数(si,bi,li)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，fi(k；si,bi,li)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；
[0047]
步骤6.3：比较相对误差与误差阈值的大小，若相对误差的绝对值大于误差阈值ξ时，计算迭代后的参数值，迭代后的参数值表示为：
[0048]
x
i+1
＝xi+dx
[0049]
式中，xi和x
i+1
分别为第i-1次和第i次迭代后的参数矩阵。
[0050]
将迭代后的参数代入光子计数激光雷达回波信号的理论模型中，得到新的间相关光子计数波形f
i+1
；
[0051]
直至当相对误差小于误差阈值时，停止迭代，输出此时的tcspc波形对应的距离，信号强度以及噪声对应的参数值。
[0052]
优选地，步骤7中不含死区时间的探测模型表达式为：
[0053]
p(t)＝1-exp{-[f(t)+b
·
ct
·
τ]}
[0054]
ct为激光重复频率，f(t)是激光脉冲波形表达式，其表达式为：
[0055]
[0056][0057]
其中，pw为脉冲宽度，a是含信号s的函数，td为脉冲激光从发射到接收的时间。
[0058]
7.根据权利要求书6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，含信号s的函数的表达式为：
[0059][0060]
脉冲激光从发射到接收的时间具体为：
[0061][0062]
c为光速。
[0063]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明设计了合理的针对高通量条件下光子计数激光雷达输出畸变信号的重建方法；2)本发明充分利用光子计数激光雷达的理论模型，减小在重建过程中由于模型迭代产生的误差，重建过程简单明了；3)重建波形更加接近真实波形，提取信息更加准确。
[0064]
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0065]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0066]
图1为本发明方法的流程图。
[0067]
图2为光子计数激光雷达初始参数值示意图。
具体实施方式
[0068]
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本发明。下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的创新构思。
[0069]
本发明构思为，如图1所示，一种光子计数激光雷达输出信号波形畸变的重建方法，该方法包括以下步骤：
[0070]
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；
[0071]
步骤2：确定光子计数激光雷达回波信号的理论模型，其表达式：
[0072]
p(k；s,b,l)＝p0(k；s,b,l)
·
p
non
(k；s,b,l)
[0073]
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，其表达式为：
[0074]
p(k；s,b,l)＝p0(k；s,b,l)
·
p
non
(k；s,b,l)
[0075]
n(k；s,b,l)为时隙k内包含的初级光电子数目。
[0076][0077]
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，其表达式为：
[0078][0079]
td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：
[0080][0081]
nb表示恒定的噪声光子速率。
[0082]
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；
[0083]
步骤4：对波形降噪处理，具体方法为：
[0084]
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。
[0085]
步骤5：如图2所示，为计算光子计数激光雷达初始参数值示意图，具体方法为：
[0086]
从降噪波形中提取距离l初始值：
[0087][0088]
c是光速，s是信号的范围，一般取全脉宽范围(2pw)，且将峰值处对应时隙作为中心点，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。
[0089]
从降噪波形中提取噪声b初始值：
[0090][0091]
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，tm为l1内最后一个时隙，tn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，nb(k)第i个时隙内的噪声光子数；。
[0092]
从降噪波形中提取信号s初始值：
[0093][0094]
式中，b为提取的噪声初始值。
[0095]
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，具体方法为：
[0096]
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；
[0097]
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:
[0098][0099][0100]
式中，f0为第1步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；fi为将参数(si,bi,li)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，fi(k；si,bi,li)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。
[0101]
计算参数迭代增量：
[0102][0103]
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；
[0104]
步骤6.3：比较相对误差与误差阈值的大小，若相对误差的绝对值大于误差阈值ξ时，计算迭代后的参数值，迭代后的参数值表示为：
[0105]
x
i+1
＝xi+dx
[0106]
式中，xi和x
i+1
分别为第i-1次和第i次迭代后的参数矩阵。
[0107]
将迭代后的参数代入光子计数激光雷达回波信号的理论模型中，得到新的间相关光子计数波形f
i+1
；
[0108]
直至当相对误差小于误差阈值时，停止迭代，输出此时的tcspc波形对应的距离，信号强度以及噪声对应的参数值。
[0109]
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。其表达式为：
[0110]
p(t)＝1-exp{-[f(t)+b
·
ct
·
τ]}
[0111]
ct为激光重复频率，f(t)是激光脉冲波形表达式，其表达式为：
[0112][0113][0114]
其中，pw为脉冲宽度，a是含信号s的函数，td为脉冲激光从发射到接收的时间，其表
达式为：
[0115][0116][0117]
c为光速，取3
×
108m/s。
[0118]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
[0119]
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0120]
应当理解，为了精简本发明并帮助本领域的技术人员理解本发明的各个方面，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例中进行描述，或者参照单个图进行描述。但是，不应将本发明解释成示例性实施例中包括的特征均为本专利权利要求的必要技术特征。
[0121]
应当理解，可以对本发明的一个实施例的设备中包括的模块、单元、组件等进行自适应性地改变以把它们设置在与该实施例不同的设备中。可以把实施例的设备包括的不同模块、单元或组件组合成一个模块、单元或组件，也可以把它们分成多个子模块、子单元或子组件。

技术特征：
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.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，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：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；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:公式中，计算残差平方和的相对误差err: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；计算参数迭代增量：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；步骤6.3：比较相对误差与误差阈值的大小，若相对误差的绝对值大于误差阈值ξ时，计算迭代后的参数值，迭代后的参数值表示为：
x
i+1
＝x
i
+dx式中，x
i
和x
i+1
分别为第i-1次和第i次迭代后的参数矩阵。将迭代后的参数代入光子计数激光雷达回波信号的理论模型中，得到新的间相关光子计数波形f
i+1
；直至当相对误差小于误差阈值时，停止迭代，输出此时的tcspc波形对应的距离，信号强度以及噪声对应的参数值。6.根据权利要求书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7中不含死区时间的探测模型表达式为：p(t)＝1-exp{-[f(t)+b
·
ct
·
τ]}ct为激光重复频率，f(t)是激光脉冲波形表达式，其表达式为：ct为激光重复频率，f(t)是激光脉冲波形表达式，其表达式为：其中，p
w
为脉冲宽度，a是含信号s的函数，t
d
为脉冲激光从发射到接收的时间。7.根据权利要求书6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，含信号s的函数的表达式为：脉冲激光从发射到接收的时间具体为：c为光速。

技术总结
本发明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-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；将最优解代入不含死区时间的探测模型中，得到重建波形。本发明选择充分利用理论模型的正确性，减小在迭代过程中产生的误差，与现有技术相比，该发明原理明确，使用范围广，且过程简单，重建结果趋近真实波形，从中提取到的信息更加准确。从中提取到的信息更加准确。


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
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/14