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一种Gm-APD激光雷达最远探测距离的计算方法

阅读：425发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种Gm-APD激光雷达最远探测距离的计算方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种Gm-APD 激光雷达最远探测距离的计算方法。步骤1：利用激光雷达方程获取回波强度；步骤2：获取Gm-APD激光雷达各时间间隔的触发概率；步骤3：利用Monte Carlo方法获取不同统计帧数条件下的仿真数据；步骤4：根据步骤2的Gm-APD触发概率曲线以及步骤3的仿真数据利用信号检测方法获得回波参数；步骤5：计算回波检测概率并确认系统最优参数。使Gm-APD在指标参数确定的情况下，对激光器参数、光学口径等参数进行最优论证，使激光雷达系统在满足指标前提下，实现功耗及体积最优，对Gm-APD激光雷达进一步工程化有非常重要的推动作用。，下面是一种Gm-APD激光雷达最远探测距离的计算方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种Gm-APD激光雷达最远探测距离的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤，
步骤1：利用激光雷达方程获取回波强度，设定好激光单脉冲能量I、探测距离R和接收光学口径，根据激光雷达获得回波光子数及噪声光子数；
步骤2：获取Gm-APD激光雷达各时间间隔的触发概率，根据Poisson触发模型获得选通门内的触发概率曲线；
步骤3：利用Monte Carlo方法获取不同统计帧数条件下的仿真数据，设定不同的统计帧数F，根据Gm-APD触发概率模型进行1000*F次Monte Carlo仿真；
步骤4：根据步骤2的Gm-APD触发概率曲线以及步骤3的仿真数据利用信号检测方法获得回波参数，判断|ts-ts’|≤3τ，式中，回波位置为ts’，ts为回波实际在选通门的位置，若为是，则记为有效检测，若为否，则记为无效检测；
步骤5：计算回波检测概率并确认最优参数，统计有效加测次数V，检测概率为V/1000；
判断是否在检测概率大于α时探测距离R为最大值，若是，则判定在所设系数参数的情况下探测距离R为最优参数；若否，则改变激光单脉冲能量I或探测距离R或接收光学口径后回到步骤1重新进行论证。
2.根据权利要求1所述计算方法，其特征在于，所述步骤1具体为，激光雷达接收的回波能量受到目标散射特性、大气衰减系数、光学常数和探测距离的因素调制，面阵探测激光雷达每个像元的回波能量可由激光雷达距离方程获得，如下式，
式中激光雷达的分辨率为M×M，处于行位置j，列位置k的像素对应激光发射能量是Ijk；
Njk为接收到的回波光子数；Φ为单位像元对应的激光发散角；R为探测距离；ρ为目标反射率；为激光反射角；T为大气单程透过率；Ar为有效接收面积；η1和η2分别为收发的透过率；h为普朗克常数，c为光速，λ为波长，Q为探测器量子效率，η为探测器占空比，各像元对应的发射能量相同；
若目标为平面，且不考虑大气湍流造成的波形畸变，则回波激光脉冲时间波形是一维高斯型，像素(i,j)接收到的回波强度见下式，
式中，td为脉冲波延时，τ为激光脉宽，脉冲发射时间零点设定在-3τ，激光能量主要集中在峰值-3τ～3τ范围内，占总光强99.73％；
将设定的激光能量I、探测距离R及接收口径的参数代入公式(1)～(2)可获得选通门内的回波脉冲波形。
3.根据权利要求1所述计算方法，其特征在于，所述步骤2具体为，Gm-APD在时间序列上将整个选通范围分为若干等时长的间隔进行回波探测，像素(j,k)在各时间间隔接收的光子数由下式给出，
式中，Δt为时间间隔长度，i为第i个时间时间间隔，ts为回波在选通门的位置，MIN<·>为求最小，MAX<·>为求最大，fnoise为噪声强度，由下式表示：
式中，SNR为选通门内的信噪比，T为选通门宽，
Gm-APD的触发特性符合Poisson概率分布，对于距离选通激光雷达，距离范围内噪声及回波在各时间间隔的触发概率，由下式表示：
式中，第一项为探测器在前i-1个tag中不触发的概率，即产生0个初始电子的概率，N0,jk＝0，i代表的是时间tag，j与k分别代表像素的横向与纵向坐标，J为选通门的时间间隔总数，
根据公式(3)～(5)得到选通门内触发概率曲线。
4.根据权利要求1所述计算方法，其特征在于，所述步骤3具体为，利用触发概率曲线可获得触发概率累积分布方程--CDF，表示为
式中，Pi,jk为触发概率，利用随机数发生器产生随机数，随机数范围为0～1，随机数为均匀分布，用rand(·)函数表示0～1之间均匀产生随机数的函数，产生一个随机数的公式见下式，
num＝rand(1) (7)
式中，‘1’表示产生一个随机数,
在CDF离散数中寻找num值对应的位置i，记为i_rad＝i，若不存在相等的数，寻找大于随机数num的最小位置，并记住此值在CDF离散序列中的位置，记为i_rad＝i+1；若CDF离散数中不存在大于或等于num的数，则将此位置记为非数NaN,
若随机位置为NaN，则认为未产生随机位置，探测距离可继续用非数NaN代替，其它情况下，目标在选通门内的位置为(i_rad-0.5)Δt，
以所设定统计帧数F为一组，根据Monte Carlo方法产生1000组随机数据，即产生1000×F个随机数。
5.根据权利要求1所述计算方法，其特征在于，所述步骤5具体为，判断是否|ts-ts’|≤3τ，若是，记为有效检测，若否，记为无效检测，统计1000次Monte Carlo数据组的有效检测次数V，获得检测概率V/1000，
在设定的激光能量I及接收口径等一系列参数情况下，若检测概率大于α且探测距离R为此检测概率下最大值，则判定在所设系数参数的情况下探测距离R为最优参数，在探测距离R条件下的最优参数之一为此时所设定的参数，采用迭代形式重复改变各参数，通过比较评估，最终获取在指标、功耗和体积约束情况下的最优参数。

说明书全文

一种Gm-APD激光雷达最远探测距离的计算方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光雷达技术领域；具体涉及一种Gm-APD激光雷达最远探测距离的计算方法。

背景技术

[0002] Gm-APD激光主动探测技术至今已发展了二十多年，在工程应用方面日渐成熟，研究人员在探测能力及成像效果方面做了很出色的努力，但是在参数设计及优化方面还有一定的欠缺。目标最远探测距离是激光雷达最重要的指标之一，从现有研究成果来看，在该指标确定情况下，没有有效的理论在设计过程中对各参数，例如，激光器单脉冲能量、累积帧数、光学口径等进行严谨的理论论证，在搭建实际过程中为保证指标，往往会选取高激光单脉冲能量、大光学口径等参数，导致实际体积及功耗增大，不能获取最优的设计。Gm-APD探测器具有单光子探测能力，其触发特性与回波信噪比和回波强度有很大关系，要实现回波检测，需要进行多次回波探测叠加并配合有效检测算法。Gm-APD回波触发概率受到回波信噪比、回波绝对强度共同影响，回波检测概率受到回波信噪比、回波绝对强度及统计帧数三者共同影响，采用传统线性探测激光雷达理论论证方法不能使Gm-APD激光雷达参数有效论证。

发明内容

[0003] 本计算方法结合激光雷达方程、Gm-APD Poisson触发模型、Monte Carlo方法及极大似然估计方法提出Gm-APD激光雷达的理论论证方法，使Gm-APD在指标参数确定的情况下，对激光器参数、光学口径等参数进行最优论证，使激光雷达在满足指标前提下，实现功耗及体积最优，对Gm-APD激光雷达进一步工程化有非常重要的推动作用。

[0004] 本发明通过以下技术方案实现：

[0005] 一种Gm-APD激光雷达最远探测距离的计算方法，所述计算方法包括以下步骤，[0006] 步骤1：利用激光雷达方程获取回波强度，设定好激光单脉冲能量I、探测距离R和接收光学口径，根据激光雷达获得回波光子数及噪声光子数；

[0007] 步骤2：获取Gm-APD激光雷达各时间间隔的触发概率，根据Poisson触发模型获得选通门内的触发概率曲线；

[0008] 步骤3：利用Monte Carlo方法获取不同统计帧数条件下的仿真数据，设定不同的统计帧数F，根据Gm-APD触发概率模型进行1000*F次Monte Carlo仿真；

[0009] 步骤4：根据步骤2的Gm-APD触发概率曲线以及步骤3的仿真数据利用信号检测方法获得回波参数，判断|ts-ts’|≤3τ，式中，回波位置为ts’，ts为回波实际在选通门的位置，若为是，则记为有效检测，若为否，则记为无效检测；

[0010] 步骤5：计算回波检测概率并确认最优参数，统计有效加测次数V，检测概率为V/1000；判断是否在检测概率大于α时探测距离R为最大值，若是，则判定在所设系数参数的情况下探测距离R为最优参数；若否，则改变激光单脉冲能量I或探测距离R或接收光学口径后回到步骤1重新进行论证。

[0011] 进一步的，所述步骤1具体为，激光雷达接收的回波能量受到目标散射特性、大气衰减系数、光学常数和探测距离的因素调制，面阵探测激光雷达每个像元的回波能量可由激光雷达距离方程获得，如下式，

[0012]

[0013] 式中激光雷达的分辨率为M×M，处于行位置j，列位置k的像素对应激光发射能量是Ijk；Njk为接收到的回波光子数；Φ为单位像元对应的激光发散角；R为探测距离；ρ为目标反射率；为激光反射角；T为大气单程透过率；Ar为有效接收面积；η1和η2分别为收发的透过率；h为普朗克常数，c为光速，λ为波长，Q为探测器量子效率，η为探测器占空比，各像元对应的发射能量相同；

[0014] 若目标为平面，且不考虑大气湍流造成的波形畸变，则回波激光脉冲时间波形是一维高斯型，像素(i,j)接收到的回波强度见下式，

[0015]

[0016] 式中，td为脉冲波延时，τ为激光脉宽，脉冲发射时间零点设定在-3τ，激光能量主要集中在峰值-3τ～3τ范围内，占总光强99.73％；

[0017] 将设定的激光能量I、探测距离R及接收口径的参数代入公式(1)～(2)可获得选通门内的回波脉冲波形。

[0018] 进一步的，所述步骤2具体为，Gm-APD在时间序列上将整个选通范围分为若干等时长的间隔进行回波探测，像素(j,k)在各时间间隔接收的光子数由下式给出，[0019]

[0020] 式中，Δt为时间间隔长度，i为第i个时间时间间隔，ts为回波在选通门的位置，MIN<·>为求最小，MAX<·>为求最大，fnoise为噪声强度，由下式表示：

[0021]

[0022] 式中，SNR为选通门内的信噪比，T为选通门宽，

[0023] Gm-APD的触发特性符合Poisson概率分布，对于距离选通激光雷达，距离范围内噪声及回波在各时间间隔的触发概率，由下式表示：

[0024]

[0025] 式中，第一项为探测器在前i-1个tag中不触发的概率，即产生0个初始电子的概率，N0,jk＝0，J为选通门的时间间隔总数，

[0026] 根据公式(3)～(5)得到选通门内触发概率曲线。

[0027] 进一步的，所述步骤3具体为，利用触发概率曲线可获得触发概率累积分布方程--CDF，表示为

[0028]

[0029] 式中，Pi,jk为触发概率，利用随机数发生器产生随机数，随机数范围为0～1，随机数为均匀分布，用rand(·)函数表示0～1之间均匀产生随机数的函数，产生一个随机数的公式见下式，

[0030] num＝rand(1) (7)

[0031] 式中，‘1’表示产生一个随机数,

[0032] 在CDF离散数中寻找num值对应的位置i，记为i_rad＝i，若不存在相等的数，寻找大于随机数num的最小位置，并记住此值在CDF离散序列中的位置，记为i_rad＝i+1；若CDF离散数中不存在大于或等于num的数，则将此位置记为非数NaN,

[0033] 若随机位置为NaN，则认为未产生随机位置，探测距离可继续用非数NaN代替，其它情况下，目标在选通门内的位置为(i_rad-0.5)Δt，

[0034] 以所设定统计帧数F为一组，根据Monte Carlo方法产生1000组随机数据，即产生1000×F个随机数。

[0035] 进一步的，所述步骤5具体为，判断是否|ts-ts’|≤3τ，如果是，记为有效检测，如果否，记为无效检测，统计1000次Monte Carlo数据组的有效检测次数V，获得检测概率V/1000，

[0036] 在设定的激光能量I及接收口径等一系列参数情况下，若检测概率大于α且探测距离R为此检测概率下最大值，则对应的R为最远探测距离，在探测距离R条件下的最优参数之一为此时所设定的参数,采用迭代形式重复改变各参数，通过比较评估，最终获取在指标、功耗和体积约束情况下的最优参数。

[0037] 本发明的有益效果是：

[0038] 第一次提出根据激光雷达方程、Poisson统计模型、Monte Carlo随机数产生方法及MLE回波检测方法实现Gm-APD指标理论论证流。

[0039] 使Gm-APD在指标参数确定的情况下，对激光器参数、光学口径参数等进行最优论证，使激光雷达在满足指标前提下，实现功耗及体积最优，对Gm-APD激光雷达进一步工程化有非常重要的推动作用。附图说明

[0040] 图1本发明的流程图。

[0041] 图2本发明不同统计帧数及发射能量对应的检测概率。

具体实施方式

[0042] 下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0043] 实施例1

[0044] 如图1所示，一种Gm-APD激光雷达最远探测距离的计算方法，所述计算方法包括以下步骤，

[0045] 步骤1：利用激光雷达方程获取回波强度，设定好激光单脉冲能量I、探测距离R和接收光学口径，根据激光雷达获得回波光子数及噪声光子数；

[0046] 步骤2：获取Gm-APD激光雷达各时间间隔的触发概率，根据Poisson触发模型获得选通门内的触发概率曲线；

[0047] 步骤3：利用Monte Carlo方法获取不同统计帧数条件下的仿真数据，设定不同的统计帧数F，根据Gm-APD触发概率模型进行1000*F次Monte Carlo仿真；

[0048] 步骤4：根据步骤2的Gm-APD触发概率曲线以及步骤3的仿真数据利用信号检测方法，(例如极大似然估计算法、贝叶斯估计法、峰值法等)获得回波参数，判断|ts-ts’|≤3τ，式中，回波位置为ts’，ts为回波实际在选通门的位置，若为是，则记为有效检测，若为否，则记为无效检测；

[0049] 步骤5：计算回波检测概率并确认最优参数，统计有效加测次数V，检测概率为V/1000；判断是否在检测概率大于α时探测距离R为最大值，若是，则判定在所设系数参数的情况下R为最远探测距离，就为最优参数；若否，则改变激光单脉冲能量I或探测距离R或接收光学口径后回到步骤1重新进行论证。

[0050] 进一步的，所述步骤1具体为，激光雷达接收的回波能量受到目标散射特性、大气衰减系数、光学常数和探测距离的因素调制，面阵探测激光雷达每个像元的回波能量可由激光雷达距离方程获得，如下式，

[0051]

[0052] 式中激光雷达的分辨率为M×M，处于行位置j，列位置k的像素对应激光发射能量是Ijk；Njk为接收到的回波光子数；Φ为单位像元对应的激光发散角；R为探测距离；ρ为目标反射率；为激光反射角；T为大气单程透过率；Ar为有效接收面积；η1和η2分别为收发的透过率；h为普朗克常数，c为光速，λ为波长，Q为探测器量子效率，η为探测器占空比，各像元对应的发射能量相同；

[0053] 若目标为平面，且不考虑大气湍流造成的波形畸变，则回波激光脉冲时间波形是一维高斯型，像素(i,j)接收到的回波强度见下式，

[0054]

[0055] 式中，td为脉冲波延时，τ为激光脉宽，脉冲发射时间零点设定在-3τ，激光能量主要集中在峰值-3τ～3τ范围内，占总光强99.73％；

[0056] 将设定的激光能量I、探测距离R及接收口径的参数代入公式(1)～(2)可获得选通门内的回波脉冲波形。

[0057] 进一步的，所述步骤2具体为，Gm-APD在时间序列上将整个选通范围分为若干等时长的间隔进行回波探测，像素(j,k)在各时间间隔接收的光子数由下式给出，[0058]

[0059] 式中，Δt为时间间隔长度，i为第i个时间时间间隔，ts为回波在选通门的位置，MIN<·>为求最小，MAX<·>为求最大，fnoise为噪声强度，由下式表示：

[0060]

[0061] 式中，SNR为选通门内的信噪比，T为选通门宽，

[0062] Gm-APD的触发特性符合Poisson概率分布，对于距离选通激光雷达，距离范围内噪声及回波在各时间间隔的触发概率，由下式表示：

[0063]

[0064] 式中，第一项为探测器在前i-1个tag中不触发的概率，即产生0个初始电子的概率，N0,jk＝0，J为选通门的时间间隔总数，

[0065] 根据公式(3)～(5)得到选通门内触发概率曲线。

[0066] 进一步的，所述步骤3具体为，利用触发概率曲线可获得触发概率累积分布方程--CDF，表示为

[0067]

[0068] 式中，Pi,jk为触发概率，利用随机数发生器产生随机数，随机数范围为0～1，随机数为均匀分布，用rand(·)函数表示0～1之间均匀产生随机数的函数，产生一个随机数的公式见下式，

[0069] num＝rand(1) (7)

[0070] 式中，‘1’表示产生一个随机数,

[0071] 在CDF离散数中寻找num值对应的位置i，记为i_rad＝i，若不存在相等的数，寻找大于随机数num的最小位置，并记住此值在CDF离散序列中的位置，记为i_rad＝i+1；若CDF离散数中不存在大于或等于num的数，则将此位置记为NaN(非数),

[0072] 若随机位置为NaN，则认为未产生随机位置，探测距离可继续用NaN代替，其它情况下，目标在选通门内的位置为(i_rad-0.5)Δt，

[0073] 以所设定统计帧数F为一组，根据Monte Carlo方法产生1000组随机数据，即产生1000×F个随机数。

[0074] 进一步的，所述步骤4具体为，极大似然估计方法是一种在模型已知情况下，基于样本数据进行位置未知参数估计的有效方法。极大似然估计的主要思想是在模型的基础上，参数实际值导致的样本出现概率最大，根据概率最大值对应的参数估计值作为真实值；似然函数表达式如下：

[0075]

[0076] 其中P为似然函数值；θ为参数空间，即延时td，噪声光子数，回波光子数，回波脉宽，D为样本结果；Ptr为公式(5)中触发概率；u(i)为对仿真数据进行直方图统计，获取不同时间间隔的触发次数，

[0077] 利用公式(3)、公式(5)通过求取P最大值对应的参数值即得到估计得到各参数，即回波强度Njk’、背景强度fnoise’、脉宽τ’、回波位置ts’。

[0078] 进一步的，所述步骤5具体为，判断是否|ts-ts’|≤3τ，如果是，记为有效检测，如果否，记为无效检测，统计1000次Monte Carlo数据组的有效检测次数V，获得检测概率V/1000，

[0079] 在设定的激光能量I及接收口径等一系列参数情况下，若检测概率大于α且探测距离R为此检测概率下最大值，则对应的R为最远探测距离，在探测距离R条件下的最优参数之一为此时所设定的参数,采用迭代形式重复改变各参数，通过比较评估，最终获取在指标、功耗、体积等约束情况下的最优参数。

[0080] 实施例2

[0081] 采用64×64Gm-APD实现激光探测，视场为2°×2°，接收口径为65mm，收发光学的透过率分别为0.9，探测器占空比15％，探测器量子效率10％，激光波段为1064nm，激光脉宽2.5ns，Gm-APD的时间精度为1.25ns，白昼的噪声为13MHz，忽略探测器噪声，目标反射率为
0.1，探测距离为5km。图2为不同统计数及激光发射能量对应的检测概率曲线，表1所示为实现5km探测，检测概率达到70％，不同帧数对应的激光单脉冲能量。从理论论证结果看，统计帧数固定的情况下，单脉冲能量越高，检测概率越大，在检测概率固定情况下，统计帧数越大，对单脉冲能量的需求越小。

[0082] 表1不同统计帧数对应激光发射能量

[0083]

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一种Gm-APD激光雷达最远探测距离的计算方法

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