一種激光測距及激光測距數(shù)據(jù)的信號處理的方法
【技術領域】
[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 激光測距技術領域。
【背景技術】
[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)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種利用單光子探測技術檢測微弱 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；
[0016] (1)采用閾值檢測法檢測重構后信號的峰值并進行判斷，若不存在大于設定閾值 的峰值或存在多個大于設定閾值的峰值，反饋無目標；若存在唯一大于設定閾值的峰值，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為目標距離預估值L，IU為發(fā)射光學系統(tǒng)透過率，Tl ^ 為接受光學系統(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； (l) 采用閾值檢測法檢測重構后信號的峰值并進行判斷，若不存在大于設定閾值的峰 值或存在多個大于設定閾值的峰值，反饋無目標；若存在唯一大于設定閾值的峰值，則根據(jù) 峰值所在位置計算出目標距離，反饋目標距離； (m) 測距結束。
2. 根據(jù)權利要求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為目標距離預估值L，IU為發(fā)射光學系統(tǒng)透過率，Tl 接受光學系統(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 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]、光學發(fā)射天線[104]、光學 接收天線[105]、光學濾波器[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)射光學天線[104]與接收光學天線 [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]，激光脈沖經過光學發(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，經光學接收天線[105]接收后，通過光學濾波 器[106]進行光學濾波，經單光子探測器[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； (10) 中控與信號處理模塊[101]采用閾值檢測法檢測重構后信號的峰值并進行判斷， 若不存在大于設定閾值的峰值或存在多個大于設定閾值的峰值，反饋無目標；若存在唯一 大于設定閾值的峰值，則根據(jù)峰值所在位置計算出目標距離，反饋目標距離； (11) 測距結束。
7. 根據(jù)權利要求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