一種激光測距及激光測距數(shù)據(jù)的信號處理的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種脈沖激光測距方法，以及激光測距數(shù)據(jù)的信號處理的方法，屬于 激光測距技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 脈沖激光測距的基本原理是，主動向目標發(fā)射激光脈沖，探測目標反射的激光回 波，并精確測量激光脈沖發(fā)送與接收間的時間差即飛行時間，用來計算目標的距離。在對遠 距離非合作目標進行測距時，回波信號可能非常微弱，甚至大大小于背景噪聲值。因此對微 弱回波信號進行探測的能力是關(guān)系測距能力的重要問題。信號處理是脈沖激光測距系統(tǒng)中 的重要部分，激光測距系統(tǒng)中存在著許多噪聲源，影響到其探測效率、精度等指標。信號處 理的目的是最大限度地提高信噪比，排除噪聲對信號的干擾，準確地恢復(fù)目標信號。如何采 取有效的信號處理方法，從回波信號的噪聲背景中提取微弱目標信號是激光測距系統(tǒng)的重 要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用單光子探測技術(shù)檢測微弱 信號，針對回波信號極其微弱需多次累加的場合，根據(jù)大氣當前波長能見度與系統(tǒng)接收效 率計算出需完成的累加次數(shù)；在多次累加之后的數(shù)據(jù)上，解決了因為背景散射峰過強而造 成的難于鑒別目標信號的問題。
[0004] 本發(fā)明目的通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種激光測距數(shù)據(jù)的信號處理方法，其 特征在于包括以下步驟：
[0005] (a)根據(jù)當前激光波長大氣消光系數(shù)以及目標距離預(yù)估值L計算信號光接收概率 Ps;
[0006] (b)在不發(fā)射激光的條件下，對采集的目標反射的回波數(shù)據(jù)進行K次掃描疊加，其 中取K>10,并通過計數(shù)方式檢測疊加后每個時隙內(nèi)光子事件發(fā)生數(shù)目Num，當前大氣消光 系數(shù)下單時隙噪聲探測概率P n= Num/K ;
[0007] (C)估算要檢出信號最少需完成的累加次數(shù)N，N = 9Pn · (1-Pn)/Ps2;
[0008] (d)開啟激光，采集目標反射的回波數(shù)據(jù)；
[0009] (e)對采集的目標反射的回波數(shù)據(jù)進行N次累加；
[0010] (f)對累加后的數(shù)據(jù)進行匹配濾波；
[0011] (g)使用'db3'小波將濾波后的數(shù)據(jù)分解到4層；
[0012] (h)對第4層近似分量，令第4層近似分量等于該層近似分量最小模值；
[0013] ⑴第4層細節(jié)采用第一閾值函數(shù)進行閾值處理；獲得F(Y，T);
[0014] (j)對1、2、3層細節(jié)小波系數(shù)，采用第二閾值函數(shù)進行閾值處理；獲得D(I，Y);
[0015] (k)在各層小波系數(shù)進行小波重構(gòu)；
[0016] (1)采用閾值檢測法檢測重構(gòu)后信號的峰值并進行判斷，若不存在大于設(shè)定閾值 的峰值或存在多個大于設(shè)定閾值的峰值，反饋無目標；若存在唯一大于設(shè)定閾值的峰值，則 根據(jù)峰值所在位置計算出目標距離，反饋目標距離；
[0017] (m)測距結(jié)束。
[0018] 進一步，所述步驟（a)中獲取激光波長大氣消光系數(shù)的方法為：使用能見度儀測 量或從氣象部門查詢得到激光器波長當前能見度數(shù)據(jù)。
[0019] 進一步，所述步驟（a)中信號光接收概率Ps的計算方法如下；
[0020] Ps =eiLnenrT q CiD2Ei/ (8EpL2)
[0021] 其中，γ為大氣消光系數(shù)，L為目標距離預(yù)估值L，IU為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率，Tl ^ 為接受光學(xué)系統(tǒng)透過率；τ為目標物體反射率，ru為單光子探測器量子效率，D為接收光 學(xué)系統(tǒng)直徑，EiS激光器單脈沖能量，E 5為單光子能量。
[0022] 進一步，所述步驟（i)中所述第一閾值函數(shù)如下：
【主權(quán)項】
1. 一種激光測距數(shù)據(jù)的信號處理方法，其特征在于包括以下步驟： (a) 根據(jù)當前激光波長大氣消光系數(shù)以及目標距離預(yù)估值L計算信號光接收概率Ps; (b) 在不發(fā)射激光的條件下，對采集的目標反射的回波數(shù)據(jù)進行K次掃描疊加，其中取 K>10,并通過計數(shù)方式檢測疊加后每個時隙內(nèi)光子事件發(fā)生數(shù)目Num，當前大氣消光系數(shù)下 單時隙噪聲探測概率Pn= Num/K ; (c) 估算要檢出信號最少需完成的累加次數(shù)N，N = 9Pn · (I-Pn)/Ps2; (d) 開啟激光，采集目標反射的回波數(shù)據(jù)； (e) 對采集的目標反射的回波數(shù)據(jù)進行N次累加； (f) 對累加后的數(shù)據(jù)進行匹配濾波； (g) 使用'db3'小波將濾波后的數(shù)據(jù)分解到4層； (h) 對第4層近似分量，令第4層近似分量等于該層近似分量最小模值； (i) 第4層細節(jié)采用第一閾值函數(shù)進行閾值處理；獲得F(Y，T); (j) 對1、2、3層細節(jié)小波系數(shù)，采用第二閾值函數(shù)進行閾值處理；獲得D(I，Y); (k) 在各層小波系數(shù)進行小波重構(gòu)； (l) 采用閾值檢測法檢測重構(gòu)后信號的峰值并進行判斷，若不存在大于設(shè)定閾值的峰 值或存在多個大于設(shè)定閾值的峰值，反饋無目標；若存在唯一大于設(shè)定閾值的峰值，則根據(jù) 峰值所在位置計算出目標距離，反饋目標距離； (m) 測距結(jié)束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述步驟（a)中當前激光波長大氣消光系數(shù) 的獲取方法為：使用能見度儀測量或從氣象部門查詢得到激光器波長當前能見度數(shù)據(jù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述步驟（a)中信號光接收概率P 3的計算方 法如下； Ps= e n e n r τ n 〇D2E^(8EpL2) 其中，γ為大氣消光系數(shù)，L為目標距離預(yù)估值L，IU為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率，Tl 接受光學(xué)系統(tǒng)透過率；τ為目標物體反射率，IU為單光子探測器量子效率，D為接收光學(xué) 系統(tǒng)直徑，EiS激光器單脈沖能量，E 5為單光子能量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述步驟（i)中所述第一閾值函數(shù)如下：
式中，Y為小波系數(shù)，T為閾值，若4層細節(jié)小波系數(shù)最大模值為Μ，Γ = #,并記錄滿 足|Y|>T的區(qū)間P。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述方法，其特征在于所述步驟（j)中所述第二閾值函數(shù)如下：
式中，I為該層小波系數(shù)索引值，P為滿足第4層細節(jié)小波系數(shù)中|Υ|>τ的區(qū)間，Y為小 波系數(shù)值。
6. -種基于脈沖激光測距系統(tǒng)的脈沖激光測距方法，所述脈沖激光測距系統(tǒng)包括中控 與信號處理模塊[101]、飛行時間測量模塊[102]、激光器[103]、光學(xué)發(fā)射天線[104]、光學(xué) 接收天線[105]、光學(xué)濾波器[106]、單光子探測器[107];其特征在于包括如下步驟： (1) 開機啟動中控與信號處理模塊[101]，開啟發(fā)射光學(xué)天線[104]與接收光學(xué)天線 [105]，啟動飛行時間測量模塊[102]，啟動單光子探測器[107]，啟動激光器[103]，中控與 信號處理模塊[101]對各部件進行開機自檢； (2) 中控與信號處理模塊[101]獲取激光波長大氣消光系數(shù)和目標距離預(yù)估值L，計算 信號光接收概率Ps; (3) 在激光器待機即不發(fā)射激光的模式下，進行K次掃描，通過飛行時間測量模塊 [102]記錄單光子探測器[107]采集的回波信號，進行K次掃描疊加，其中取K>10,疊加后 的每個時隙通過計數(shù)方式檢測光子事件發(fā)生數(shù)目Num，飛行時間測量模塊[102]將光子事 件發(fā)生數(shù)目Num發(fā)送至中控與信號處理模塊[101]，中控與信號處理模塊[101]計算當前大 氣消光系數(shù)下單時隙噪聲探測概率P n= Num/K ; (4) 中控與信號處理模塊[101]估算要檢出信號最少需完成的累加次數(shù)N，N = 9Ρη· (I-Pn)/Ps2; (5) 中控與信號處理模塊[101]控制激光器[103]發(fā)射一個激光脈沖，同時觸發(fā)飛行時 間測量模塊[102]，激光脈沖經(jīng)過光學(xué)發(fā)射天線[104]擴束整形后向目標發(fā)射，照射在目標 表面的激光脈沖通過漫反射形成目標回波，經(jīng)光學(xué)接收天線[105]接收后，通過光學(xué)濾波 器[106]進行光學(xué)濾波，經(jīng)單光子探測器[107]采集目標反射的回波數(shù)據(jù)發(fā)送至飛行時間 測量模塊[102]; (6) 飛行時間測量模塊[102]對采集的目標反射的回波數(shù)據(jù)進行N次累加，并將累加后 的數(shù)據(jù)發(fā)送至中控與信號處理模塊[101]; (7) 中控與信號處理模塊[101]對累加后的數(shù)據(jù)進行匹配濾波； (8) 中控與信號處理模塊[101]對濾波后的信號使用'db3'小波將濾波后的數(shù)據(jù)分解 到4層；對第4層近似分量，令第4層近似分量等于該層近似分量最小模值；第4層細節(jié)采 用第一閾值函數(shù)進行閾值處理，獲得F (Y，T);對1、2、3層細節(jié)小波系數(shù)，采用第二閾值函數(shù) 進行閾值處理，獲得D(I，Y); (9) 中控與信號處理模塊[101]在各層小波系數(shù)進行小波重構(gòu)； (10) 中控與信號處理模塊[101]采用閾值檢測法檢測重構(gòu)后信號的峰值并進行判斷， 若不存在大于設(shè)定閾值的峰值或存在多個大于設(shè)定閾值的峰值，反饋無目標；若存在唯一 大于設(shè)定閾值的峰值，則根據(jù)峰值所在位置計算出目標距離，反饋目標距離； (11) 測距結(jié)束。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述方法，其特征在于所述步驟（8)中所述第一閾值函數(shù)如下：
式中，Y為小波系數(shù)，T為閾值，若4層細節(jié)小波系數(shù)最大模值為Μ，Γ = #，并記錄滿 足|Y|>T的區(qū)間P。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述方法，其特征在于所述步驟（8)中所述第二閾值函數(shù)如下：
式中，I為該層小波系數(shù)索引值，P為滿足第4層細節(jié)小波系數(shù)中I Yl >T的區(qū)間，Y為小 波系數(shù)值。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用單光子探測技術(shù)進行脈沖激光測距的方法及信號處理方法。在接收端回波信號強度遠低于噪聲的情況下，采用多次信號累加的方式提高信噪比，針對系統(tǒng)信號與噪聲特征進行建模，計算當前波長能見度環(huán)境下，估計出可探測的信噪比需進行累加的最少次數(shù)N。針對N次累加的回波信號中背向散射峰嚴重干擾目標信號判定的情況，采用小波多分辨率分析結(jié)合先驗知識制定專門的閾值方案進行去干擾與降噪的信號處理方法。
【IPC分類】G01S17-08, G01S7-48
【公開號】CN104833979
【申請?zhí)枴緾N201510205921
【發(fā)明人】楊文良, 王鵬程, 褚鑫, 莫小范, 王天順
【申請人】北京航天控制儀器研究所
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年4月27日