CN110488251A - 激光雷达系统及其激光雷达回波信号曲线的获得方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光雷达系统及其激光雷达回波信号曲线的获得方法、装置。本发明将光子计数率设计成每周期内分成高压偏置信号V1(t)下的光子计数率和低压偏置信号V2(t)下的光子计数率的周期性光子计数率，且对V2(t)下得到的光子计数率修正之后，才还原近场信号的实际强度获得整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息。因为近场背向散射信号较强，与远场信号相差几个数量级，常规探测器的动态范围很难满足雷达需求，本发明通过调整探测器的近场低压和远场高压偏置电压，改变不同探测距离下的探测器探测效率，并通过对探测效率的修正来还原近场信号和远场信号的实际强度，实现整个区域内的激光雷达回波信号曲线的探测。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，尤其在基于单光子探测器的激光雷达相关领域中的一种激光雷达系统及其激光雷达回波信号曲线的获得方法，一种激光雷达回波信号曲线的获得方法及其获得装置、采用所述激光雷达回波信号曲线的获得方法的计算机终端与计算机可读存储介质。
背景技术
基于后向散射的激光雷达系统可以精确的测量大气的各类参数信息，其通过向大气中发射一束功率的脉冲激光束，所发射的脉冲激光束与空气中的粒子相互作用将产生背向散射光子，利用望远镜接收信号光束在空气中产生的背向散射光子并实现探测，从而记录下不同距离(对应的不同的时间)上的背向散射光子数。通过对不同距离上的背向散射光子数的计算，对计算得到计数值经过后期处理程序进行分析得到大气参数信息，如可以精确的得到大气的消光系数等参数，然后通过对消光系数等参数的分析即可得到大气的各类参数信息。基于后向散射的激光雷达系统可以被广泛的应用与环境监测、高速公路、港口、机场等重要领域。
在激光雷达的探测系统中，目前主要采用的有相干探测和直接探测。相干探测采用了本地光和信号光拍频的方式得到回波信号的频率、强度等信息，直接探测则直接通过电流强度或者光子计数率大小读取回波信号的强度信息。单光子探测计数是直接探测系统中最前沿的探测技术，其在可见光波段多采用硅单光子探测器，在红外波段多采用铟镓砷单光子探测器、上转换单光子探测器、超导单光子探测器等。
目前，基于单光子探测器的激光雷达系统普遍具有以下的缺点：
1.部分区域(特别是在近场区域)，回波信号较强，容易使探测器出现饱甚至使得探测器致盲破坏；
2.饱和回波信号需要用相应单光子探测器的计数率修正函数进行纠正，纠正过程会引入误差，从而导致数据反演不准确；
3.在系统的产业化过程中，每个单光子探测器拥有自己对应的修正函数，因此每个基于单光子探测器的激光雷达系统需要独立的修正函数进行纠正，这就严重限制了其批量化生产和后期维护。
发明内容
为了解决传统激光雷达系统因数据饱和而带来的上述问题，本发明提供一种激光雷达系统及其激光雷达回波信号曲线的获得方法，一种激光雷达回波信号曲线的获得方法及其获得装置、采用所述激光雷达回波信号曲线的获得方法的计算机终端与计算机可读存储介质。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种激光雷达回波信号曲线的获得方法，其包括以下步骤：
步骤一、根据脉冲时序S1的脉冲信号V0输出脉冲激光束；其中，脉冲时序S1每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V0；
步骤二、发射所述脉冲激光束进入大气，并接收所述脉冲激光束在大气中与空气中的粒子相互作用而形成的背向散射光束；
步骤三、探测所述背向散射光束中的背向散射光子；
步骤四、对不同时刻的背向散射光子数进行计数，并根据不同时刻的背向散射光子数得到光子计数率；以及
步骤五、通过光子计数率还原近场信号的实际强度获得整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线；
其中，
在步骤三中，根据脉冲时序S2探测所述背向散射光子；其中，脉冲时序S2相对脉冲时序S1延迟一段时间T1，延迟时间T1后脉冲时序S2输出周期为时间T0的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号先为低压偏置信号V2(t)后为高压偏置信号V1(t)；
在步骤四中，根据脉冲时序S3的脉冲信号V3进行背向散射光子数计数，通过高压偏置信号V1(t)下的背向散射光子数计数和低压偏置信号V2(t)下的背向散射光子数计数，分别得到高压偏置信号V1(t)下的光子计数率和低压偏置信号V2(t)下的光子计数率；其中，脉冲时序S3相对脉冲时序S2延迟一段时间T2，延迟时间T2后脉冲时序S3每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V3；
在步骤五中，对低压偏置信号V2(t)下得到的光子计数率需乘以Amax/A (t)；通过低压偏置信号V2(t)下修正后的光子计数率和高压偏置信号V1(t) 下的光子计数率，还原整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；A(t)为低压偏置信号V2(t)下的对应探测效率，Amax为高压偏置信号V1(t)中的最大探测效率。
作为上述方案的进一步改进，高压偏置信号V1(t)和低压偏置信号V2(t) 分别为常量V1、V2时，高压偏置信号V1和低压偏置信号V2的脉宽满足：
K1取决于实际应用场景中强回波信号和弱回波信号的分布， M1为高压偏置信号V1的脉宽，M2为低压偏置信号V2的脉宽；
K2取决于实际应用场景中强回波信号和弱回波信号的分布，A1 为高压偏置信号V1的幅值，A2为低压偏置信号V2的幅值。
本发明还提供一种激光雷达系统，其包括：
激光器，其用于根据脉冲时序S1的脉冲信号V0输出脉冲激光束；其中，脉冲时序S1每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V0；
望远镜系统，其用于发射所述脉冲激光束进入大气，并接收所述脉冲激光束在大气中与空气中的粒子相互作用而形成的背向散射光束；
单光子探测器，其用于探测所述背向散射光束中的背向散射光子；以及
时间数模转换器，其用于对不同时刻的背向散射光子数进行计数，并根据不同时刻的背向散射光子数得到计数率；
数据处理器，其用于通过光子计数率还原近场信号的实际强度获得整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；
其中，
所述单光子探测器根据脉冲时序S2探测所述背向散射光束中的背向散射光子；其中，脉冲时序S2相对脉冲时序S1延迟一段时间T1，延迟时间T1后脉冲时序S2输出周期为时间T0的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号先为低压偏置信号V2(t)后为高压偏置信号V1(t)；
所述时间数模转换器根据脉冲时序S3的脉冲信号V3进行背向散射光子数计数，通过高压偏置信号V1(t)下的背向散射光子数计数和低压偏置信号V2 (t)下的背向散射光子数计数，分别得到高压偏置信号V1(t)下的光子计数率和低压偏置信号V2(t)下的光子计数率；其中，脉冲时序S3相对脉冲时序 S2延迟一段时间T2，延迟时间T2后脉冲时序S3每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V3；
所述数据处理器对低压偏置信号V2(t)下得到的光子计数率需乘以 Amax/A(t)；通过低压偏置信号V2(t)下修正后的光子计数率和高压偏置信号V1(t)下的光子计数率，还原整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；A(t)为低压偏置信号V2(t)下的对应探测效率，Amax 为高压偏置信号V1(t)中的最大探测效率。
作为上述方案的进一步改进，所述望远镜系统采用收发一体的望远镜或采用收发分体的两个望远镜；当所述望远镜系统采用收发一体的望远镜时，所述激光雷达系统还包括环形器，所述激光器通过所述环形器与所述望远镜系统对接。
进一步地，所述环形器为三端口环形器，所述三端口环形器包括三个端口；所述激光器的脉冲激光束经由所述三端口环形器的端口一接收，并经由所述三端口环形器的端口二输出至所述望远镜系统，所述望远镜系统收集的背向散射光束经由所述三端口环形器的端口二接收，并经由所述三端口环形器的端口三输出至所述单光子探测器。
作为上述方案的进一步改进，
所述激光器为光纤激光器；
和/或者，
所述单光子探测器采用门控铟镓砷单光子探测器。
本发明还提供一种激光雷达系统的激光雷达回波信号曲线的获得方法，其应用于上述任意激光雷达系统，所述方法包括以下步骤：
利用激光雷达系统的激光器，根据脉冲时序S1的脉冲信号V0输出脉冲激光束；其中，脉冲时序S1每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V0；
利用激光雷达系统的望远镜系统，发射所述脉冲激光束进入大气，并接收所述脉冲激光束在大气中与空气中的粒子相互作用而形成的背向散射光束；
利用激光雷达系统的单光子探测器，根据脉冲时序S2探测所述背向散射光束中的背向散射光子；脉冲时序S2相对脉冲时序S1延迟一段时间T1，延迟时间T1后脉冲时序S2输出周期为时间T0的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号先为低压偏置信号V2(t)后为高压偏置信号V1(t)；
利用激光雷达系统的时间数模转换器，根据脉冲时序S3的脉冲信号V3对高压偏置信号V1(t)下的背向散射光子数计数和低压偏置信号V2(t)下的背向散射光子数计数，分别得到高压偏置信号V1(t)下的光子计数率和低压偏置信号V2(t)下的光子计数率；其中，脉冲时序S3相对脉冲时序S2延迟一段时间T2，延迟时间T2后脉冲时序S3每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V3；
利用激光雷达系统的数据处理器，对低压偏置信号V2(t)下得到的光子计数率需乘以Amax/A(t)；通过低压偏置信号V2(t)下修正后的光子计数率和高压偏置信号V1(t)下的光子计数率，还原整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；A(t)为低压偏置信号V2(t)下的对应探测效率，Amax为高压偏置信号V1(t)中的最大探测效率。
本发明还提供一种激光雷达回波信号曲线的获得装置，其采用上述任意激光雷达回波信号曲线的获得方法，其包括：
脉冲激光束输出模块，其用于根据脉冲时序S1的脉冲信号V0输出脉冲激光束；其中，脉冲时序S1每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V0；
背向散射光束形成模块，其用于发射所述脉冲激光束进入大气，并接收所述脉冲激光束在大气中与空气中的粒子相互作用而形成的背向散射光束；
单光子探测模块，其用于探测所述背向散射光束中的背向散射光子；
计数单元，其用于对不同时刻的背向散射光子数进行计数，并根据不同时刻的背向散射光子数得到光子计数率；以及
激光雷达回波曲线获取模块，其通过光子计数率还原近场信号的实际强度获得整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；
其中，
所述单光子探测模块根据脉冲时序S2探测所述背向散射光子；其中，脉冲时序S2相对脉冲时序S1延迟一段时间T1，延迟时间T1后脉冲时序S2输出周期为时间T0的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号先为低压偏置信号V2 (t)后为高压偏置信号V1(t)；
所述计数单元根据脉冲时序S3的脉冲信号V3进行背向散射光子数计数，通过高压偏置信号V1(t)下的背向散射光子数计数和低压偏置信号V2(t)下的背向散射光子数计数，分别得到高压偏置信号V1(t)下的光子计数率和低压偏置信号V2(t)下的光子计数率；其中，脉冲时序S3相对脉冲时序S2延迟一段时间T2，延迟时间T2后脉冲时序S3每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V3；
所述激光雷达回波曲线获取模块对低压偏置信号V2(t)下得到的光子计数率需乘以Amax/A(t)；通过低压偏置信号V2(t)下修正后的光子计数率和高压偏置信号V1(t)下的光子计数率，还原整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；A(t)为低压偏置信号V2(t)下的对应探测效率，Amax为高压偏置信号V1(t)中的最大探测效率。
本发明还提供一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述激光雷达回波信号曲线的获得方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现上述激光雷达回波信号曲线的获得方法的步骤。
因为近场背向散射信号较强，与远场信号相差几个数量级，常规探测器的动态范围很难满足雷达需求，本发明通过调整探测器的近场低压和远场高压偏置电压，改变不同探测距离下的探测器探测效率，并通过对探测效率的修正来还原近场信号和远场信号的实际强度，实现整个区域内的激光雷达回波信号曲线的探测。由于单光子探测器的探测效率与探测器的偏置电压相关，不同的偏置电压可以产生不同的探测效率，在本发明中，采用了门控周期性电信号作为单光子探测器的偏置电压实现探测效率可调谐的单光子探测器，在近场强回波信号的时域范围内，采用低电压偏置信号降低探测效率，从而降低近场的计数率，避免了探测器的饱和，在远场回波信号时域范围内，采用高电压偏置信号，正常探测效率采集远场信号。通过低压和高压偏置信号下的探测效率比值来还原近场信号的实际强度即可实现整个区域内的激光雷达回波信号曲线，解决了因为数据饱和带来的以上问题。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种激光雷达系统的功能模块示意图。
图2为图1中激光雷达系统采用的时序图。
图3为图1中激光雷达系统的激光雷达回波信号曲线的获得方法的流程图。
图4为本发明实施例3提供的一种激光雷达回波信号曲线的获得方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
请参阅图1，本实施例的激光雷达系统包括激光器1、环形器2、望远镜系统3、单光子探测器4、时间数模转换器5、数据处理器6、同步源模块7。
激光器1用于根据脉冲时序S1的脉冲信号V0输出脉冲激光束。在本实施例中，激光器1采用脉冲激光器，如光纤激光器，其发射波长为1.5微米。激光器1的选择没有特别限制，只要能输出脉冲激光束即可。脉冲时序S1每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V0，请结合图2。
望远镜系统3用于发射所述脉冲激光束进入大气，并接收所述脉冲激光束在大气中与空气中的粒子相互作用而形成的背向散射光束。望远镜系统可采用收发一体的望远镜，也可采用收发分体的两个望远镜，在本实施例中，望远镜系统采用收发一体的望远镜。当望远镜系统3采用收发一体的望远镜时，所述激光雷达系统需要包括环形器2，激光器1通过环形器2与望远镜系统3对接。环形器2的输出端口输出信号光，与收发一体的望远镜对接，通过收发一体的望远镜发射信号光束进入大气，信号光束在大气中的背向散射光子被重新收集进入收发一体望远镜。
在本实施例中，激光器1的输出端通过一个环形器2与收发一体的望远镜相连接，通过收发一体的望远镜发射进入大气，大气中信号光束的背向散射光子经过收发一体的望远镜耦合接收重新进入环形器2，从环形器2的另一端口输出后接入单光子探测器4进行探测。
环形器2可为三端口环形器，所述三端口环形器包括三个端口。激光器1 的脉冲激光束经由三端口环形器的端口一接收，并经由三端口环形器的端口二输出至望远镜系统3，望远镜系统3收集的背向散射光束经由三端口环形器的端口二接收，并经由三端口环形器的端口三输出至单光子探测器4。
单光子探测器4用于探测背向散射光束中的背向散射光子。单光子探测器 4在背向散射光束中探测背向散射光子的方式有很多种，采用目前常规的方式即可，这是单光子探测器4的本职功能，如传统的1.5微米的门控铟镓砷单光子探测器。因此单光子探测器4的在背向散射光束中探测背向散射光子的方式在此不详细叙述。在本发明中，单光子探测器4的探测方式设计为：根据脉冲时序S2探测背向散射光束中的背向散射光子，使单光子探测器4实现探测效率可调谐。
脉冲时序S2相对脉冲时序S1延迟一段时间T1，延迟时间T1后脉冲时序 S2输出周期为时间T0的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号先为低压偏置信号V2(t)后为高压偏置信号V1(t)。因此，单光子探测器4根据脉冲时序 S2探测低压偏置信号V2(t)的背向散射光子和高压偏置信号V1(t)的背向散射光子。
单光子探测器4可利用门控信号对探测效率进行调制，单光子探测器4的探测效率受函数V(t)＝V1(t)+V2(t)调制，其中V1(t)调制后产生为高探测效率，V2(t)调制后产生低探测效率。
高压偏置信号V1(t)和低压偏置信号V2(t)分别为常量V1、V2时，门控信号的低电压偏置信号V2的探测效率一般为高电压偏置信号V1的一半门控信号的占空比取决于实际应用场景中强回波信号和弱回波信号的分布。如图2所示，高压偏置信号V1和低压偏置信号V2的脉宽满足：
K1取决于实际应用场景中强回波信号和弱回波信号的分布， M1为高压偏置信号V1的脉宽，M2为低压偏置信号V2的脉宽；
K2取决于实际应用场景中强回波信号和弱活波信号的分布，A1 为高压偏置信号V1的幅值，A2为低压偏置信号V2的幅值。
时间数模转换器5用于对不同时刻的背向散射光子数进行计数，并根据不同时刻的背向散射光子数得到计数率。时间数模转换器5的计数方式以及形成计数率的方式均有很多种，采用目前常规的方式即可，这是时间数模转换器5 的本职功能，因此时间数模转换器5的计数方式以及形成计数率的方式在此不详细叙述。在本发明中，时间数模转换器5的计数方式设计为：根据脉冲时序 S3的脉冲信号V3进行背向散射光子数计数。脉冲时序S3相对脉冲时序S2延迟一段时间T2，延迟时间T2后脉冲时序S3每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V3。因此，时间数模转换器5根据脉冲时序S3的脉冲信号V3对高压偏置信号V1(t)下的背向散射光子数计数和低压偏置信号V2(t)下的背向散射光子数计数，分别得到高压偏置信号V1(t)下的光子计数率和低压偏置信号V2(t)下的光子计数率。
脉冲时序S1、S2、S3均可为同一个同步源出来的电信号，在满足激光雷达回波信号曲线精度的条件下，允许存在一定的误差。为了使脉冲时序S1、S2、 S3在时序上绝对保持同步，可采用同步源模块7来实现。如同一个晶振出来的电信号，即可使脉冲时序S1、S2、S3在时序上同步。
脉冲时序S1中的脉冲信号V0，其幅值表征的电压可根据激光器1的性能确定，脉宽也可根据实际需求进行调整。
脉冲时序S2为低压偏置信号V2时，单光子探测器4此时的探测效率为低效率η2，为高压偏置信号V1时，单光子探测器4此时的探测效率为高效率η 1。高压偏置信号V1、低压偏置信号V2中占空比取决于实际情况，一般不大于15，高压偏置信号V1的幅值和低压偏置信号V2的幅值的大小也可根据实际情况而定，一般
数据处理器6用于通过光子计数率还原近场信号的实际强度获得整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息。数据处理器6的这个功能属于目前激光雷达系统所具有的本职功能，因此在此不详细叙述。在本发明中，数据处理器6的改进为：设置周期性的光子计数率，每个周期内的光子计数率分成高压偏置信号V1下的光子计数率和低压偏置信号V2下的光子计数率，同时修正低压偏置信号V2下得到的光子计数率：对低压偏置信号V2(t)下得到的光子计数率需乘以Amax/A(t)；通过低压偏置信号V2(t)下修正后的光子计数率和高压偏置信号V1(t)下的光子计数率，还原整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；其中，A(t)为低压偏置信号V2 (t)下的对应探测效率，Amax为高压偏置信号V1(t)中的最大探测效率。
然后数据处理器6再根据传统的方式还原近场信号的实际强度获得整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息。
传统的数据处理器仅仅只是通过单一的光子计数率还原近场信号的实际强度获得整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息，而在本发明中，每个周期内的光子计数率分为高压偏置信号V1(t)下的光子计数率和低压偏置信号V2(t)下的光子计数率，光子计数率不再单一而是变成了两组，而且对低压偏置信号V2(t)下得到的光子计数率进行修正，之后才根据周期性的光子计数率组还原近场信号的实际强度获得整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息，这样得到的激光雷达回波信号曲线更真实，反演出的大气参数信息更准确。
在本发明中，激光雷达回波信号曲线的获得方法是基于飞行时间法，通过调节探测器的偏置电压，更改不同距离处回波信号的探测效率来计算回波信号曲线。数据处理器6的修正方法和单光子探测器4的探测条件、时间数模转换器5的计数条件有着密切的关联，其一起构成要件，使得本发明得到比传统更为数据真实的激光雷达回波信号曲线，从而能反演出更准确的大气参数信息。
本发明由于单光子探测器的探测效率与探测器的偏置电压相关，不同的偏置电压可以产生不同的探测效率，在本发明中，采用了门控周期性电信号作为单光子探测器的偏置电压实现探测效率可调谐的单光子探测器，在近场强回波信号的时域范围内，采用低电压偏置信号降低探测效率，从而降低近场的计数率，避免了探测器的饱和，在远场回波信号时域范围内，采用高电压偏置信号，正常探测效率采集远场信号。通过低压和高压偏置信号下的探测效率比值来还原近场信号的实际强度即可实现整个区域内的激光雷达回波信号曲线，解决了因为数据饱和带来的以上问题。
实施例2
本实施提供一种激光雷达回波信号曲线的获得方法，其应用于实施例1中的激光雷达系统。
请参阅图3，所述激光雷达回波信号曲线的获得方法包括以下步骤。
利用实施例1中的激光雷达系统的激光器1，根据脉冲时序S1的脉冲信号 V0输出脉冲激光束，其中，脉冲时序S1每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V0。
利用实施例1中的激光雷达系统的望远镜系统3，发射所述脉冲激光束进入大气，并接收所述脉冲激光束在大气中与空气中的粒子相互作用而形成的背向散射光束。
利用实施例1中的激光雷达系统的单光子探测器4，根据脉冲时序S2探测所述背向散射光束中的背向散射光子；其中，脉冲时序S2相对脉冲时序S1延迟一段时间T1，延迟时间T1后脉冲时序S2输出周期为时间T0的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号先为低压偏置信号V2(t)后为高压偏置信号V1(t)。因此，单光子探测器4是周期性的探测背向散射光束中的背向散射光子，每个周期内探测低压偏置信号V2(t)下的背向散射光子和高压偏置信号V1(t)下的背向散射光子。
利用实施例1中的激光雷达系统的时间数模转换器5，根据脉冲时序S3的脉冲信号V3对不同时刻的背向散射光子数进行计数，并根据不同时刻的背向散射光子数得到计数率。时间数模转换器5通过高压偏置信号V1(t)下的背向散射光子数计数和低压偏置信号V2(t)下的背向散射光子数计数，分别得到高压偏置信号V1(t)下的光子计数率和低压偏置信号V2(t)下的光子计数率。其中，脉冲时序S3相对脉冲时序S2延迟一段时间T2，延迟时间T2后脉冲时序S3每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V3。
利用实施例1中的激光雷达系统的数据处理器6，对低压偏置信号V2(t) 下得到的光子计数率需乘以Amax/A(t)；通过低压偏置信号V2(t)下修正后的光子计数率和高压偏置信号V1(t)下的光子计数率，还原整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；其中，A(t)为低压偏置信号 V2(t)下的对应探测效率，Amax为高压偏置信号V1(t)中的最大探测效率。
单光子探测器4的探测效率受函数V(t)＝V1(t)+V2(t)调制，其中 V1(t)调制后产生为高探测效率，V2(t)调制后产生低探测效率，需要修正低压偏置信号V2(t)下得到的光子计数率：对低压偏置信号V2(t)下得到的光子计数率需乘以Amax/A(t)；通过低压偏置信号V2(t)下修正后的光子计数率和高压偏置信号V1(t)下的光子计数率，还原整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息。
本实施例的激光雷达回波信号曲线的获得方法具有与实施例1的激光雷达系统具有相同的有益效果，在此不再详细叙述。
实施例3
请参阅图4，本实施例介绍了一种激光雷达回波信号曲线的获得方法，其包括以下步骤。
步骤一、根据脉冲时序S1的脉冲信号V0输出脉冲激光束；其中，脉冲时序S1每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V0。
此步骤可以由实施例1中的激光器1执行。
步骤二、发射所述脉冲激光束进入大气，并接收所述脉冲激光束在大气中与空气中的粒子相互作用而形成的背向散射光束。
此步骤可由实施例1中的望远镜系统3执行。
步骤三、探测所述背向散射光束中的背向散射光子。
在步骤三中，根据脉冲时序S2探测所述背向散射光子；其中，脉冲时序S2相对脉冲时序S1延迟一段时间T1，延迟时间T1后脉冲时序S2输出周期为时间T0的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号先为低压偏置信号V2(t)后为高压偏置信号V1(t)。
因此，周期性的探测背向散射光束中的背向散射光子，每个周期内探测低压偏置信号V2(t)下的背向散射光子和高压偏置信号V1(t)下的背向散射光子。此步骤可由实施例1中的单光子探测器4执行。高压偏置信号V1(t)和低压偏置信号V2(t)的脉宽也可同样满足实施例1中的相应脉宽条件。
步骤四、对不同时刻的背向散射光子数进行计数，并根据不同时刻的背向散射光子数得到光子计数率。
在步骤四中，根据脉冲时序S3的脉冲信号V3进行背向散射光子数计数；其中，脉冲时序S3相对脉冲时序S2延迟一段时间T2，延迟时间T2后脉冲时序S3每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V3。因此，通过高压偏置信号 V1(t)下的背向散射光子数计数和低压偏置信号V2(t)下的背向散射光子数计数，分别得到高压偏置信号V1(t)下的光子计数率和低压偏置信号V2(t) 下的光子计数率。
此步骤可由实施例1中的时间数模转换器5执行。
步骤五、通过光子计数率大小还原近场信号的实际强度即获得整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线。
在步骤五中，对低压偏置信号V2(t)下得到的光子计数率需乘以Amax/A (t)；通过低压偏置信号V2(t)下修正后的光子计数率和高压偏置信号V1(t) 下的光子计数率，还原整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；A(t)为低压偏置信号V2(t)下的对应探测效率，Amax为高压偏置信号V1(t)中的最大探测效率。此步骤可由实施例1中的数据处理器6执行。
本实施例的激光雷达回波信号曲线的获得方法，可设计成注入在控制器或上位机等具备程序控制功能的控制电路中的一段程序，去分别控制激光器1、望远镜系统3、单光子探测器4、时间数模转换器5、数据处理器6，使它们根据激光雷达回波信号曲线的获得方法的要求分别执行对应设计好的功能，最终实现本发明的效果。实施例1为本实施的一种具体实现方式。
本实施例的激光雷达回波信号曲线的获得方法在实现时，可以对应设计成一种激光雷达回波信号曲线的获得装置。所述激光雷达回波信号曲线的获得装置包括脉冲激光束输出模块、背向散射光束形成模块、单光子探测模块、计数单元、激光雷达回波信号曲线获取模块。
脉冲激光束输出模块用于根据脉冲时序S1的脉冲信号V0输出脉冲激光束，其中，脉冲时序S1每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V0。
背向散射光束形成模块用于发射所述脉冲激光束进入大气，并接收所述脉冲激光束在大气中与空气中的粒子相互作用而形成的背向散射光束。
单光子探测模块用于探测所述背向散射光束中的背向散射光子。所述单光子探测模块根据脉冲时序S2探测所述背向散射光子；其中，脉冲时序S2相对脉冲时序S1延迟一段时间T1，延迟时间T1后脉冲时序S2输出周期为时间T0 的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号先为低压偏置信号V2(t)后为高压偏置信号V1(t)。
计数单元用于对不同时刻的背向散射光子数进行计数，并根据不同时刻的背向散射光子数得到光子计数率。所述计数单元根据脉冲时序S3的脉冲信号 V3进行背向散射光子数计数；其中，脉冲时序S3相对脉冲时序S2延迟一段时间T2，延迟时间T2后脉冲时序S3每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号 V3。
激光雷达回波信号曲线获取模块用于通过光子计数率大小还原近场信号的实际强度即获得整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线。所述曲线获取模块需要先对低压偏置信号V2(t)下得到的光子计数率需乘以Amax/A(t)；通过低压偏置信号V2(t)下修正后的光子计数率和高压偏置信号V1(t)下的光子计数率，然后再还原整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；A(t)为低压偏置信号V2(t)下的对应探测效率，Amax为高压偏置信号V1(t)中的最大探测效率。
实施例4
本实施例提供一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述程序时实现实施例3的激光雷达回波信号曲线的获得方法的步骤。
实施例3的激光雷达回波信号曲线的获得方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成独立运行的程序，安装在计算机终端上，计算机终端可以是电脑、智能手机等。也可以设计成嵌入式运行的程序，安装在计算机终端上，如安装在单片机上。
实施例5
本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。所述程序被处理器执行时，实现实施例3的激光雷达回波信号曲线的获得方法的步骤。
实施例3的激光雷达回波信号曲线的获得方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成计算机可读存储介质可独立运行的程序，计算机可读存储介质可以是U盘，设计成U盾，通过U盘设计成通过外在触发启动整个方法的程序。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光雷达回波信号曲线的获得方法，其包括以下步骤：
步骤一、根据脉冲时序S1的脉冲信号V0输出脉冲激光束；其中，脉冲时序S1每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V0；
步骤二、发射所述脉冲激光束进入大气，并接收所述脉冲激光束在大气中与空气中的粒子相互作用而形成的背向散射光束；
步骤三、探测所述背向散射光束中的背向散射光子；
步骤四、对不同时刻的背向散射光子数进行计数，并根据不同时刻的背向散射光子数得到光子计数率；以及
步骤五、通过光子计数率还原近场信号的实际强度获得整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；
其特征在于，
在步骤三中，根据脉冲时序S2探测所述背向散射光子；其中，脉冲时序S2相对脉冲时序S1延迟一段时间T1，延迟时间T1后脉冲时序S2输出周期为时间T0的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号先为低压偏置信号V2(t)后为高压偏置信号V1(t)；
在步骤四中，根据脉冲时序S3的脉冲信号V3进行背向散射光子数计数，通过高压偏置信号V1(t)下的背向散射光子数计数和低压偏置信号V2(t)下的背向散射光子数计数，分别得到高压偏置信号V1(t)下的光子计数率和低压偏置信号V2(t)下的光子计数率；其中，脉冲时序S3相对脉冲时序S2延迟一段时间T2，延迟时间T2后脉冲时序S3每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V3；
在步骤五中，对低压偏置信号V2(t)下得到的光子计数率需乘以Amax/A(t)；通过低压偏置信号V2(t)下修正后的光子计数率和高压偏置信号V1(t)下的光子计数率，还原整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；A(t)为低压偏置信号V2(t)下的对应探测效率，Amax为高压偏置信号V1(t)中的最大探测效率。
2.如权利要求1所述的激光雷达回波信号曲线的获得方法，其特征在于，高压偏置信号V1(t)和低压偏置信号V2(t)分别为常量V1、V2时，高压偏置信号V1和低压偏置信号V2的脉宽满足：
K1取决于实际应用场景中强回波信号和弱回波信号的分布，M1为高压偏置信号V1的脉宽，M2为低压偏置信号V2的脉宽；
K2取决于实际应用场景中强回波信号和弱回波信号的分布，A1为高压偏置信号V1的幅值，A2为低压偏置信号V2的幅值。
3.一种激光雷达系统，其包括：
激光器，其用于根据脉冲时序S1的脉冲信号V0输出脉冲激光束；其中，脉冲时序S1每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V0；
望远镜系统，其用于发射所述脉冲激光束进入大气，并接收所述脉冲激光束在大气中与空气中的粒子相互作用而形成的背向散射光束；
单光子探测器，其用于探测所述背向散射光束中的背向散射光子；以及
时间数模转换器，其用于对不同时刻的背向散射光子数进行计数，并根据不同时刻的背向散射光子数得到计数率；
数据处理器，其用于通过光子计数率还原近场信号的实际强度获得整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；
其特征在于，
所述单光子探测器根据脉冲时序S2探测所述背向散射光束中的背向散射光子；其中，脉冲时序S2相对脉冲时序S1延迟一段时间T1，延迟时间T1后脉冲时序S2输出周期为时间T0的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号先为低压偏置信号V2(t)后为高压偏置信号V1(t)；
所述时间数模转换器根据脉冲时序S3的脉冲信号V3进行背向散射光子数计数，通过高压偏置信号V1(t)下的背向散射光子数计数和低压偏置信号V2(t)下的背向散射光子数计数，分别得到高压偏置信号V1(t)下的光子计数率和低压偏置信号V2(t)下的光子计数率；其中，脉冲时序S3相对脉冲时序S2延迟一段时间T2，延迟时间T2后脉冲时序S3每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V3；
所述数据处理器对低压偏置信号V2(t)下得到的光子计数率需乘以Amax/A(t)；通过低压偏置信号V2(t)下修正后的光子计数率和高压偏置信号V1(t)下的光子计数率，还原整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；A(t)为低压偏置信号V2(t)下的对应探测效率，Amax为高压偏置信号V1(t)中的最大探测效率。
4.如权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于，所述望远镜系统采用收发一体的望远镜或采用收发分体的两个望远镜；当所述望远镜系统采用收发一体的望远镜时，所述激光雷达系统还包括环形器，所述激光器通过所述环形器与所述望远镜系统对接。
5.如权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，所述环形器为三端口环形器，所述三端口环形器包括三个端口；所述激光器的脉冲激光束经由所述三端口环形器的端口一接收，并经由所述三端口环形器的端口二输出至所述望远镜系统，所述望远镜系统收集的背向散射光束经由所述三端口环形器的端口二接收，并经由所述三端口环形器的端口三输出至所述单光子探测器。
6.如权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于，
所述激光器为光纤激光器；
和/或者，
所述单光子探测器采用门控铟镓砷单光子探测器。
7.一种激光雷达系统的激光雷达回波信号曲线的获得方法，其应用于如权利要求2至6中任意一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
利用激光雷达系统的激光器，根据脉冲时序S1的脉冲信号V0输出脉冲激光束；其中，脉冲时序S1每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V0；
利用激光雷达系统的望远镜系统，发射所述脉冲激光束进入大气，并接收所述脉冲激光束在大气中与空气中的粒子相互作用而形成的背向散射光束；
利用激光雷达系统的单光子探测器，根据脉冲时序S2探测所述背向散射光束中的背向散射光子；其中，脉冲时序S2相对脉冲时序S1延迟一段时间T1，延迟时间T1后脉冲时序S2输出周期为时间T0的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号先为低压偏置信号V2(t)后为高压偏置信号V1(t)；
利用激光雷达系统的时间数模转换器，根据脉冲时序S3的脉冲信号V3对高压偏置信号V1(t)下的背向散射光子数计数和低压偏置信号V2(t)下的背向散射光子数计数，分别得到高压偏置信号V1(t)下的光子计数率和低压偏置信号V2(t)下的光子计数率；其中，脉冲时序S3相对脉冲时序S2延迟一段时间T2，延迟时间T2后脉冲时序S3每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V3；
利用激光雷达系统的数据处理器，对低压偏置信号V2(t)下得到的光子计数率需乘以Amax/A(t)；通过低压偏置信号V2(t)下修正后的光子计数率和高压偏置信号V1(t)下的光子计数率，还原整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；A(t)为低压偏置信号V2(t)下的对应探测效率，Amax为高压偏置信号V1(t)中的最大探测效率。
8.一种激光雷达回波信号曲线的获得装置，其采用如权利要求1或2中的激光雷达回波信号曲线的获得方法，其包括：
脉冲激光束输出模块，其用于根据脉冲时序S1的脉冲信号V0输出脉冲激光束；其中，脉冲时序S1每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V0；
背向散射光束形成模块，其用于发射所述脉冲激光束进入大气，并接收所述脉冲激光束在大气中与空气中的粒子相互作用而形成的背向散射光束；
单光子探测模块，其用于探测所述背向散射光束中的背向散射光子；
计数单元，其用于对不同时刻的背向散射光子数进行计数，并根据不同时刻的背向散射光子数得到光子计数率；以及
激光雷达回波曲线获取模块，其通过光子计数率还原近场信号的实际强度获得整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；
其特征在于，
所述单光子探测模块根据脉冲时序S2探测所述背向散射光子；其中，脉冲时序S2相对脉冲时序S1延迟一段时间T1，延迟时间T1后脉冲时序S2输出周期为时间T0的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号先为低压偏置信号V2(t)后为高压偏置信号V1(t)；
所述计数单元根据脉冲时序S3的脉冲信号V3进行背向散射光子数计数，通过高压偏置信号V1(t)下的背向散射光子数计数和低压偏置信号V2(t)下的背向散射光子数计数，分别得到高压偏置信号V1(t)下的光子计数率和低压偏置信号V2(t)下的光子计数率；其中，脉冲时序S3相对脉冲时序S2延迟一段时间T2(t)，延迟时间T2后脉冲时序S3每隔一段时间T0输出一个所述脉冲信号V3；
所述激光雷达曲线获取模块对低压偏置信号V2(t)下得到的光子计数率需乘以Amax/A(t)；通过低压偏置信号V2(t)下修正后的光子计数率和高压偏置信号V1(t)下的光子计数率，还原整个大气区域内的激光雷达回波信号曲线并反演大气参数信息；A(t)为低压偏置信号V2(t)下的对应探测效率，Amax为高压偏置信号V1(t)中的最大探测效率。
9.一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1或2所述的激光雷达回波信号曲线的获得方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现如权利要求1或2所述的激光雷达回波信号曲线的获得方法的步骤。
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