一種采用相鄰像元閾值法實(shí)時(shí)濾噪的光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可以實(shí)時(shí)進(jìn)行的光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)噪聲濾除技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)可以在光子匱乏的情況下(平均每個(gè)像素每個(gè)回波脈沖不足一個(gè)光子)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，因此成為了激光雷達(dá)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是正是由于光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)極高的響應(yīng)靈敏度，使得光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)也極易被噪聲觸發(fā)，從而產(chǎn)生大量的虛警，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。
[0003]目前的光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)噪聲濾除技術(shù)主要為多脈沖累計(jì)和圖像后處理技術(shù)，這些傳統(tǒng)的技術(shù)都需要累積探測(cè)時(shí)間或是后處理時(shí)間，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的光子技術(shù)成像激光雷達(dá)噪聲濾除技術(shù)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求的問(wèn)題，提出了一種采用相鄰像元閾值法實(shí)時(shí)濾噪的光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)。
[0005]—種采用相鄰像元閾值法實(shí)時(shí)濾噪的光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)，它包括激光器1、分束器2、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)3、PIN探測(cè)器4、接收光學(xué)系統(tǒng)5、Gm-Aro單光子探測(cè)器陣列6和相鄰像元閾值處理模塊7;
[0006]激光器I用于產(chǎn)生脈沖激光信號(hào)，該脈沖激光信號(hào)入射至分束器2，經(jīng)分束器2形成兩路脈沖激光信號(hào)，一路為經(jīng)過(guò)分束器2反射的反射脈沖激光信號(hào)，另一路為經(jīng)過(guò)分束器2透射的透射脈沖激光信號(hào)；
[0007]反射脈沖激光信號(hào)入射至PIN探測(cè)器4，經(jīng)PIN探測(cè)器4處理后輸出起始信號(hào)，該起始信號(hào)輸出至相鄰像元閾值處理模塊7;
[0008]透射脈沖激光信號(hào)入射至發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)3，經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)3準(zhǔn)直后照射到目標(biāo)；
[0009]目標(biāo)對(duì)經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)3準(zhǔn)直后的透射脈沖激光信號(hào)進(jìn)行反射和往返傳播后，目標(biāo)輸出回波信號(hào)至接收光學(xué)系統(tǒng)5，經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)5收集后入射至Gm-Aro單光子探測(cè)器陣列6，經(jīng)Gm-Aro單光子探測(cè)器陣列6聚焦處理后，通過(guò)相鄰像元閾值處理模塊7記錄具有時(shí)間相關(guān)性的回波信號(hào)，濾除隨機(jī)分布不具備時(shí)間相關(guān)性的噪聲信號(hào)；
[0010]相鄰像元閾值處理模塊7將具有時(shí)間相關(guān)性的回波信號(hào)與起始信號(hào)做比較，得到Gm-Aro單光子探測(cè)器陣列6對(duì)應(yīng)像素的往返時(shí)間差，通過(guò)該往返時(shí)間差經(jīng)過(guò)計(jì)算得到該對(duì)應(yīng)像素目標(biāo)的距離值，最終獲得目標(biāo)三維距離像。
[0011]—種采用相鄰像元閾值法實(shí)時(shí)濾噪的光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)，它還包括圖像顯示及存儲(chǔ)模塊8，圖像顯示及存儲(chǔ)模塊8用于顯示及存儲(chǔ)相鄰像元閾值處理模塊7處理后輸出的目標(biāo)三維距離像。
[0012]激光器I為窄脈沖激光器。
[0013]Gm-AI3D單光子探測(cè)器陣列6具有m X η個(gè)Gm-AI3D單光子探測(cè)器，每個(gè)Gm-APD單光子探測(cè)器為一個(gè)像元;m和η均為正整數(shù)。
[0014]經(jīng)Gm-Aro單光子探測(cè)器陣列6聚焦處理后，通過(guò)相鄰像元閾值處理模塊7記錄具有時(shí)間相關(guān)性的回波信號(hào)，濾除隨機(jī)分布不具備時(shí)間相關(guān)性的噪聲信號(hào)，其過(guò)程如下:
[0015]將Gm-APD單光子探測(cè)器陣列6中的m X η個(gè)Gm-APD單光子探測(cè)器劃分為c個(gè)基本單元，每個(gè)基本單元包括a X b個(gè)像元;a，b，c均為正整數(shù)；
[0016]每個(gè)基本單元內(nèi)的aXb個(gè)像元的邏輯電平實(shí)時(shí)相加，當(dāng)相加后的總和大于相鄰像元閾值處理模塊7內(nèi)的設(shè)定閾值時(shí)，判斷回波信號(hào)為具有時(shí)間相關(guān)性的回波信號(hào)，當(dāng)相加后的總和小于相鄰像元閾值處理模塊7的設(shè)定閾值時(shí)，判斷回波信號(hào)為隨機(jī)分布不具備時(shí)間相關(guān)性的噪聲信號(hào)。
[0017]有益效果:本發(fā)明公開(kāi)了一種采用相鄰像元閾值法實(shí)時(shí)濾噪的光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)。子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)采用蓋革模式雪崩光電二極管(即Gm-Aro)作為探測(cè)器，Gm-APD單光子探測(cè)器具有單光子響應(yīng)的靈敏度，除此之外，Gm-Aro單光子探測(cè)器還具有體積小，重量輕，功耗小，極大的提升了光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)的性能。也正是由于Gm-Aro單光子探測(cè)器極高的響應(yīng)靈敏度，不可避免的噪聲(這包括背景噪聲，暗計(jì)數(shù)噪聲等等)極易被其響應(yīng)，從而產(chǎn)生大量虛警嚴(yán)重影響成像質(zhì)量，甚至晴朗白天太陽(yáng)背景噪聲成為了光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)獲取一個(gè)清晰3D距離像的最大挑戰(zhàn)。本發(fā)明提出了一個(gè)巧妙的方案設(shè)計(jì)，利用回波信號(hào)具有相關(guān)性而噪聲不具有相關(guān)性的差異，采用相鄰像元閾值法直接在信號(hào)探測(cè)階段濾除噪聲產(chǎn)生的虛警，從而無(wú)需后續(xù)處理實(shí)時(shí)的獲得一個(gè)清晰的目標(biāo)三維距離像，解決了現(xiàn)有的光子技術(shù)成像激光雷達(dá)噪聲濾除技術(shù)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。
[0018]本發(fā)明適用于激光成像中的噪聲濾除。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為一種采用相鄰像元閾值法實(shí)時(shí)濾噪的光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)的原理框圖；[°02°]圖2、圖3和圖4為一個(gè)基本單元的工作原理圖；其中，圖2為mXn個(gè)像元被劃分為多個(gè)3 X 3像元的基本單元；圖3為一個(gè)基本像元的計(jì)時(shí)電路圖，每個(gè)像元都有自己的計(jì)時(shí)電路，一個(gè)基本單元有一個(gè)總的計(jì)時(shí)電路;圖4為基本單元內(nèi)的信號(hào)處理流程示意圖；
[0021]圖5為實(shí)施例中的當(dāng)基本單元像元數(shù)N=9時(shí)，不同信號(hào)噪聲強(qiáng)度下閾值Y的結(jié)果；
[0022]圖6至圖9為成像結(jié)果的比較，其中，圖6為沒(méi)有采用相鄰像元閾值法去噪的直接探測(cè)結(jié)果示意圖；圖7為閾值Y = 6時(shí)獲得的探測(cè)結(jié)果；圖8為閾值Y = 7時(shí)獲得的探測(cè)結(jié)果；圖9為閾值Υ = 8時(shí)獲得的探測(cè)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0023]【具體實(shí)施方式】一、參照?qǐng)D1具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種采用相鄰像元閾值法實(shí)時(shí)濾噪的光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)，它包括激光器1、分束器2、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)3、PIN探測(cè)器4、接收光學(xué)系統(tǒng)5、Gm-APD單光子探測(cè)器陣列6和相鄰像元閾值處理模塊7;
[0024]激光器I用于產(chǎn)生脈沖激光信號(hào)，該脈沖激光信號(hào)入射至分束器2，經(jīng)分束器2形成兩路脈沖激光信號(hào)，一路為經(jīng)過(guò)分束器2反射的反射脈沖激光信號(hào)，另一路為經(jīng)過(guò)分束器2透射的透射脈沖激光信號(hào)；
[0025]反射脈沖激光信號(hào)入射至PIN探測(cè)器4，經(jīng)PIN探測(cè)器4處理后輸出起始信號(hào)，該起始信號(hào)輸出至相鄰像元閾值處理模塊7;
[0026]透射脈沖激光信號(hào)入射至發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)3，經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)3準(zhǔn)直后照射到目標(biāo)；
[0027]目標(biāo)對(duì)經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)3準(zhǔn)直后的透射脈沖激光信號(hào)進(jìn)行反射和往返傳播后，目標(biāo)輸出回波信號(hào)至接收光學(xué)系統(tǒng)5，經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)5收集后入射至Gm-Aro單光子探測(cè)器陣列6，經(jīng)Gm-Aro單光子探測(cè)器陣列6聚焦處理后，通過(guò)相鄰像元閾值處理模塊7記錄具有時(shí)間相關(guān)性的回波信號(hào)，濾除隨機(jī)分布不具備時(shí)間相關(guān)性的噪聲信號(hào)；
[0028]相鄰像元閾值處理模塊7將具有時(shí)間相關(guān)性的回波信號(hào)與起始信號(hào)做比較，得到Gm-Aro單光子探測(cè)器陣列6對(duì)應(yīng)像素的往返時(shí)間差，通過(guò)該往返時(shí)間差經(jīng)過(guò)計(jì)算得到該對(duì)應(yīng)像素目標(biāo)的距離值，最終獲得目標(biāo)三維距離像。
[0029]【具體實(shí)施方式】二、本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式一所述的一種采用相鄰像元閾值法實(shí)時(shí)濾噪的光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)的進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，它還包括圖像顯示及存儲(chǔ)模塊8，圖像顯示及存儲(chǔ)模塊8用于顯示及存儲(chǔ)相鄰像元閾值處理模塊7處理后輸出的目標(biāo)三維距離像。
[0030]【具體實(shí)施方式】三、本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式一所述的一種采用相鄰像元閾值法實(shí)時(shí)濾噪的光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)的進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，激光器I為窄脈沖激光器。
[0031]本實(shí)施方式中，激光器為窄脈沖激光器，脈沖可以提高信號(hào)脈沖的時(shí)間相關(guān)性，而且窄脈沖的使用還有助于成像精度的提高。
[0032]【具體實(shí)施方式】四、本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式一所述的一種采用相鄰像元閾值法實(shí)時(shí)濾噪的光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)的進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中,Gm-Aro單光子探測(cè)器6具有m X η個(gè)Gm-Aro單光子探測(cè)器，每個(gè)Gm-ATO單光子探測(cè)器為一個(gè)像元;m和η均為正整數(shù)。
[0033]本實(shí)施方式中，mXη個(gè)Gm-APD單光子探測(cè)器構(gòu)成本實(shí)施方式中所述的Gm-Aro單光子探測(cè)器6 Xm-AF1D的中文含義為蓋革模式雪崩光電二極管。
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