CN108226940B - 一种动目标的单光子测距方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种动目标的单光子测距方法和装置，测距方法如下步骤：将目标物所允许的速度范围划分为第一设定数量的速度区间，并得到各速度区间每次探测的回波时间段；对目标物进行第二设定数量次探测，得到每次探测实际接收到回波信号的时间，并判断各次探测实际接收到回波信号的时间所在的回波时间段；对各次探测实际接收到回波信号的时间所在回波时间段对应的速度区间进行统计，得到目标物的实际移动速度，并根据目标的移动速度计算出第一次探测时目标物所在的位置和最后一次探测时目标物所在的位置。本发明所提供的技术方案，不需要采用信号积分法对采集的结果进行分析，所以对运动目标的测距结果更加准确。

Description

一种动目标的单光子测距方法和装置
技术领域
本发明属于单光子测距技术领域，具体涉及一种动目标的单光子测距方法和装置。
背景技术
单光子激光测距系统往往采用高重频，低能量的激光器和灵敏度极高的单光子探测器(PMT或Geiger-mode APD)实现探测，并通过单光子计数实现测距距离提取。
时间相关单光子计数(TCSPC,Time-correlated single-photon counting)技术是应用最为广泛的单光子激光测距技术，它将时间轴分为离散的时间区间，当探测器探测到一个或多个光子，产生一个响应输出，记录下该次响应发生的时间，并对改时间区间内的光子计数值加1；当进行大量重复脉冲的探测后，可以统计得到响应时间对应光子计数的统计直方图，如图1所示。
当在一次信号积累过程中测距目标始终发生测距距离方向上的相对运动，则TCSPC方法的时间相关特性将发生破坏，信号将不能实现时间上的正确积累，表现在单光子统计直方图上则为目标运动造成的信号展宽，信噪比下降造成无法正确提取，如图2所示。对于随机的无特定频谱特征或波形形状特征的展宽信号，目前常用的解决方法为信号积分法，当测距目标的相对运动速度随机且无法准确估计时，信号积分宽度能根据目标的最大运动速度来选定，如图3所示。采用信号积分法虽然能实现有效信号的全部积累，但不难看出积分后信噪比严重下降，如当积分宽度为p个栅格时，信噪比下降了倍。
因此现有技术中对运动的被测目标，单光子测距方法的准确性较低，不仅对被测目标物的运动速度有较高的要求，还需要尽可能的提高激光重频、增大单脉冲激光能量、减小积累次数，以减小信号积累时间内的目标距离漂移。但是如此以来便对激光测距系统的系统设计带来较大负担。
发明内容
本发明提供一种动目标的单光子测距方法和装置，用于提高单光子测距方法对运动目标测距的准确性。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种动目标的单光子测距方法，包括如下步骤：
(1)将目标物所允许的速度范围划分为第一设定数量的速度区间，并得到各速度区间每次探测的回波时间段；
所述各速度区间每次探测的回波时间段，是指目标物以各速度区间的速度移动时，在每次探测接收到回波信号的时间段；
(2)对目标物进行第二设定数量次探测，得到每次探测实际接收到回波信号的时间，并判断各次探测实际接收到回波信号的时间所在的回波时间段；
(3)对各次探测实际接收到回波信号的时间所在回波时间段对应的速度区间进行统计，得到目标物的实际移动速度，并根据目标的移动速度计算出第一次探测时目标物所在的位置和最后一次探测时目标物所在的位置。
本发明所提供的技术方案，根据目标物实际移动速度所对应的速度区间，得到第一次探测时被测物的位置和最后一次探测时被测物的位置，不需要采用信号积分法对采集的结果进行分析，所以对运动目标的测距结果更加准确。
进一步的，设目标物所允许的最大速度为M，所述第一设定数量为n，则每个速度区间覆盖的速度范围为2M/n+ΔM，其中ΔM为每个速度区间的交叠量。
进一步的，所述步骤(3)中，统计各次探测实际接收到回波信号的时间所在回波时间段对应的速度区间，将其中次数最多的速度区间作为实际速度区间，从实际速度区间中选择出所述实际移动速度。
一种动目标的单光子测距装置，包括处理器，处理器用于：
将目标物所允许的速度范围划分为第一设定数量的速度区间，并得到各速度区间每次探测的回波时间段；
所述各速度区间每次探测的回波时间段，是指目标物以各速度区间的速度移动时，在每次探测接收到回波信号的时间段；
对目标物进行第二设定数量次探测，得到每次探测实际接收到回波信号的时间，并判断各次探测实际接收到回波信号的时间所在的回波时间段；
对各次探测实际接收到回波信号的时间所在回波时间段对应的速度区间进行统计，得到目标物的实际移动速度，并根据目标的移动速度计算出第一次探测时目标物所在的位置和最后一次探测时目标物所在的位置。
进一步的，设目标物所允许的最大速度为M，所述第一设定数量为n，则每个速度区间覆盖的速度范围为2M/n+ΔM，其中ΔM为每个速度区间的交叠量。
进一步的，统计各次探测实际接收到回波信号的时间所在回波时间段对应的速度区间，将其中次数最多的速度区间作为实际速度区间，从实际速度区间中选择出所述实际移动速度。
附图说明
图1为现有技术中对静止目标物进行统计的示意图；
图2为现有技术中对运动被测物进行统计的示意图；
图3为现有技术中信号积分法的示意图；
图4为方法实施例中对运动目标进行统计处理的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种动目标的单光子测距方法和装置，用于提高单光子测距方法对运动目标测距的准确性。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种动目标的单光子测距方法，包括如下步骤：
(1)将目标物所允许的速度范围划分为第一设定数量的速度区间，并得到各速度区间每次探测的回波时间段；
所述各速度区间每次探测的回波时间段，是指目标物以各速度区间的速度移动时，在每次探测接收到回波信号的时间段；
(2)对目标物进行第二设定数量次探测，得到每次探测实际接收到回波信号的时间，并判断各次探测实际接收到回波信号的时间所在的回波时间段；
(3)对各次探测实际接收到回波信号的时间所在回波时间段对应的速度区间进行统计，得到目标物的实际移动速度，并根据目标的移动速度计算出第一次探测时目标物所在的位置和最后一次探测时目标物所在的位置。
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
方法实施例：
本实施例提供一种动目标的单光子测距方法，根据多次对移动目标物的测试结果，得到目标物的位置信息。
首先对目标物允许的移动速度进行区间划分；假设目标物允许的最大移动速度为M，考虑到目标物移动方向，则目标物的移动速度应在-M到+M之间；将目标物的移动速度分为m等份，划定m个速度估计区域，为了保证该方法在目标物的移动速度发生波动时也能适用，根据积累时间内目标物运动速度的最大变化量，确定出每个速度估计区域的交叠量ΔM，因此每个速度区间覆盖的速度范围为2M/m+ΔM；
首先根据单光子激光测距系统每次测距之间的时间间隔，得到每个速度区间每次探测的回波时间段。比如第一次探测时，目标物的移动速度为第一速度区间的速度时探测器接收到回波信号所用的时间在t1-t2之间，那么第一次探测第一速度区间的回波时间段为t1-t2；如果目标物的移动速度为第二速度区间的速度时探测器接收到回波信号所用的时间在t3-t4之间，那么第一次探测第一速度区间的回波时间段为t3-t4等等，一直得到第n次探测时，目标物的移动速度为各速度区间的速度时探测器接收到回波信号的时间段，即为各速度区间每次探测的回波时间段；这些时间段可以根据各速度区间的速度值和每次探测的时间间隔计算得到，也可以通过标定试验得到。
然后采用单光子激光测距系统对被测物进行n次测距，如图4所示，得到每次接收到回波信号的时间，并判断各次接收到回波信号时间所在的回波时间段，以及各回波时间段所对应的速度区间；对各次探测对应的速度区间进行统计，将其中次数最多的作为实际速度区间；从实际速度区间中选择一个速度值，将其作为目标物的实际移动速度，并根据此速度以及各次探测的时间间隔，计算出第一次探测时目标物所在的位置和最后一次探测时目标物所在的位置。
如第一次探测时，接收到回波信号的时间为T，在第一次探测时的第三回波时间段，第三回波时间段对应的速度区间为第三速度区间，那么第一次探测的结果为第三区间，如此得到n次测试结果；经过对n次探测的统计，其中大部分的测试结果均为第五速度区间，那么将第五速度区间作为实际速度区间，从第五速度区间中选择一个速度值，将其作为目标物的实际速度值，根据目标物移动速度、移动时间和位移之间的关系，结合每次探测的时间间隔，计算出第一次探测时目标物所在的位置和最后一次探测时目标物所在的位置。
对于目标最大运动速度M，积累时间t，测距分辨率Δd，即一个时间计数栅格表示Δd的距离，则本实施例所提供的测距方法相当于由于目标运动造成信号展宽了Mt/Δd个栅格，采用传统积分法需进行积分宽度p＝Mt/Δd的积分，信噪比下降了倍，而实施例所提供的方法中每个速度估计区域的累积仅相当于积分宽度p/m的积分，信噪比仅下降了倍。
装置实施例：
本实施例提供一种动目标的单光子测距装置，包括处理器，处理器用于执行上述方法实施例中所提供的动目标的单光子测距方法，该测距方法在方法实施例中已经做了详细介绍，这里不多做说明。

Claims (6)

1.一种动目标的单光子测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将目标物所允许的速度范围划分为第一设定数量的速度区间，并得到各速度区间每次探测的回波时间段；
所述各速度区间每次探测的回波时间段，是指目标物以各速度区间的速度移动时，在每次探测接收到回波信号的时间段；
(2)对目标物进行第二设定数量次探测，得到每次探测实际接收到回波信号的时间，并判断各次探测实际接收到回波信号的时间所在的回波时间段；
(3)对各次探测实际接收到回波信号的时间所在回波时间段对应的速度区间进行统计，得到目标物的实际移动速度，并根据目标的移动速度计算出第一次探测时目标物所在的位置和最后一次探测时目标物所在的位置；
对所述目标物所允许的速度范围进行速度区间的划分：设目标物允许的最大速度为M，考虑到目标物移动方向，则目标物移动的速度范围为-M到+M；将目标物移动的速度范围分为n等份，划定n个速度区间。
2.根据权利要求1所述的一种动目标的单光子测距方法，其特征在于，设目标物所允许的最大速度为M，所述第一设定数量为n，则每个速度区间覆盖的速度范围为2M/n+ΔM，其中ΔM为每个速度区间的交叠量。
3.根据权利要求1或2所述的一种动目标的单光子测距方法，其特征在于，所述步骤(3)中，统计各次探测实际接收到回波信号的时间所在回波时间段对应的速度区间，将其中次数最多的速度区间作为实际速度区间，从实际速度区间中选择出所述实际移动速度。
4.一种动目标的单光子测距装置，其特征在于，包括处理器，处理器用于：
将目标物所允许的速度范围划分为第一设定数量的速度区间，并得到各速度区间每次探测的回波时间段；
所述各速度区间每次探测的回波时间段，是指目标物以各速度区间的速度移动时，在每次探测接收到回波信号的时间段；
对目标物进行第二设定数量次探测，得到每次探测实际接收到回波信号的时间，并判断各次探测实际接收到回波信号的时间所在的回波时间段；
对各次探测实际接收到回波信号的时间所在回波时间段对应的速度区间进行统计，得到目标物的实际移动速度，并根据目标的移动速度计算出第一次探测时目标物所在的位置和最后一次探测时目标物所在的位置；
对所述目标物所允许的速度范围进行速度区间的划分：设目标物允许的最大速度为M，考虑到目标物移动方向，则目标物移动的速度范围为-M到+M；将目标物移动的速度范围分为n等份，划定n个速度区间。
5.根据权利要求4所述的一种动目标的单光子测距装置，其特征在于，设目标物所允许的最大速度为M，所述第一设定数量为n，则每个速度区间覆盖的速度范围为2M/n+ΔM，其中ΔM为每个速度区间的交叠量。
6.根据权利要求4或5所述的一种动目标的单光子测距装置，其特征在于，统计各次探测实际接收到回波信号的时间所在回波时间段对应的速度区间，将其中次数最多的速度区间作为实际速度区间，从实际速度区间中选择出所述实际移动速度。
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