CN110501687A - 一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法 - Google Patents

一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110501687A
CN110501687A CN201910790771.8A CN201910790771A CN110501687A CN 110501687 A CN110501687 A CN 110501687A CN 201910790771 A CN201910790771 A CN 201910790771A CN 110501687 A CN110501687 A CN 110501687A
Authority
CN
China
Prior art keywords
formula
radius
echo
diaphragm
receiver aperture
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910790771.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110501687B (zh
Inventor
孙剑峰
周鑫
刘迪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN201910790771.8A priority Critical patent/CN110501687B/zh
Publication of CN110501687A publication Critical patent/CN110501687A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110501687B publication Critical patent/CN110501687B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种Gm‑APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法，属于雷达探测领域。采用二分法对有效接收口径粗调，实现了对目标有无的判断；基于Poisson触发概率模型获取最大目标触发概率，并以目标最大触发概率对应的激光雷达系统接收口径为最优接收口径；根据实际接收系统中孔径光阑与有效接收口径的关系函数、光阑电机步进次数与口径光阑半径的关系函数，实现最优孔径光阑半径及电机步进次数计算，上位机控制电机步进次数实现最优接收口径自适应调节，无需人为参与，可实现白昼高噪声背景条件下的目标探测概率最大化。

Description

一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控 方法
技术领域
本发明属于雷达探测领域，特别是涉及一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法。
背景技术
基于Gm-APD激光主动探测技术至今已发展了二十多年，理论研究及工程应用日渐成熟，由于Gm-APD具有单光子级别的探测能力，Gm-APD的探测概率不仅与回波的信噪比有关，还与信号(或噪声)的绝对强度有关，因此白昼探测受到很大限制。为在白昼条件下尽可能实现高效目标探测，研究学者提出通过改变接收系统的接收口径的方式提高回波触发概率。对于传统线性探测系统，口径越大，探测效果越好，而对于Gm-APD，口径大小需要综合考虑信噪比及背景强度来选择。自2003年MIT的Fouche提出改变口径实现最优探测的建议以来，虽然在实验中发现改变光学口径可实现探测概率提高，但这些都是靠手动调节及人眼观察，不仅耗时而且不一定达到最优回波探测效果。随着激光雷达及人工智能技术的普及，这种自适应改变光学口径的方案终将由机器自主完成，因此自适应光学口径调节方案的需求是紧迫及必须的，不仅可克服手动调节速度慢及效果达不到最优的问题，而且有助于激光雷达设备与相关领域人工智能发展契合地更好。然而很少有人研究自适应光学口径策略以实现最优探测，就现有的研究成果，没有一种方案能够实现目标回波最优探测。本发明以回波探测概率最优为目的进行自适应接收口径调节，实现对目标在白昼有效探测。
发明内容
本发明的目的是实现一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法，能够解决现有的光学口径靠手动调节及人眼观察的问题，能够以回波探测概率最优为目的进行自适应接收口径调节，实现对目标在白昼有效探测。
本发明通过以下技术方案实现：一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法，所述自适应光学口径调控方法包括以下步骤：
步骤一：对实际光学接收系统测量，获得光阑电机步进数与光阑半径的函数关系、光阑半径与有效接收口径的函数关系，
其中，光阑半径变化量随电机步进次数的关系可用公式(3)表示：
Δr＝fstop(r1,k) (3)
式中，Δr为光阑半径变化量，Δr＝r2-r1，r1为未变化前的光阑半径，r2为变化后的光阑半径，k为光阑电机步进次数，电机正转，k为正，电机反转，k为负，
有效接收口径半径与光阑半径的关系用公式(4)表示，
R＝fAP(r) (4)
其中，R为有效接收口径半径，r为光阑半径；
步骤二：采用二分法对有效接收面积进行调节，根据有效口径面积Ar＝πR2及公式(3)与公式(4)进行光阑半径及电机步进次数计算，上位机控制光阑电机步进实现调节，每进行一次二分法调节，检测是否有目标，若存在目标，停止二分法检测，记住当前光阑半径r1及光学系统有效接收口径面积Ar1；否则，说明视场中无目标，无需进行探测；
步骤三：在有效接收口径面积为Ar1状态下进行回波直方图统计，获得统计频数曲线fecho，引入了Gm-APD激光雷达对目标探测服从Poisson触发概率模型，选通门内Gm-APD各时间间隔的触发概率见公式(1)所示，
式中，τbin为Gm-APD的计时精度，(l+1)τbin＝tg为回波在选通门的前沿位置，si为第i个τbin回波光子率函数，r为回波的脉冲宽度所占τbin的个数，n为背景噪声光子率函数，为时间稳态型；
同时引入回波光子数的率函数，见公式(2)表示，
式中，S为激光回波总光子数，脉冲宽度τ，
基于公式(1)与公式(2)进行回波拟合，获得回波位置tg、脉宽τ、背景噪声率函数n、回波光子数S1及信噪比SNR；
步骤四：根据公式(1)与(2)，将回波光子数设定为变量，计算当前信噪比情况下的最高触发概率及对应的回波光子数S2；
步骤五：根据公式(5)计算最优探测概率对应的光学系统有效接收口径的半径R2；
其中，R1代表初始光学口径；
步骤六：根据公式(4)计算最优探测概率对应光阑半径r2，基于此根据公式(3)计算电机步进次数，上位机控制光阑电机步进，实现有效接收口径自适应调节。
进一步的，当激光雷达选通门宽为0.1μs时，Gm-APD时间分辨率为τbin＝1ns，激光回波只占一个τbin，回波处于选通门中间，接收口径的半径的调节范围为0～35mm。
本发明具有如下有益效果：本发明采用二分法对有效接收口径粗调，实现了对目标有无的判断；基于Poisson触发概率模型获取最大目标触发概率，并以目标最大触发概率对应的激光雷达系统接收口径为最优接收口径；根据实际接收系统中孔径光阑与有效接收口径的关系函数、光阑电机步进次数与口径光阑半径的关系函数，实现最优孔径光阑半径及电机步进次数计算，上位机控制电机步进次数实现最优接收口径自适应调节，无需人为参与，可实现白昼高噪声背景条件下的目标探测概率最大化。
附图说明
图1为本发明的一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法的方法流程图；
图2为自适应口径调节前后虚警率和触发概率的比较图；
图3为统计次数成像结果图，其中图3(a)为激光雷达设备在初始任意口径条件下的成像结果图；图3(b)为采用自适应光学口径调控方法得到的成像结果图；图3(c)为光学口径最大情况下的成像结果图。
具体实施方式
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。
参照图1所示，本发明提供了一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法的一实施例，所述自适应光学口径调控方法包括以下步骤：
步骤一：对实际光学接收系统测量，获得光阑电机步进数与光阑半径的函数关系、光阑半径与有效接收口径的函数关系；
激光雷达接收光学系统的自适应调节模块主要由孔径光阑及光阑电机组成，光阑电机用于改变光阑通光孔径，进而实现接收系统的有效口径调节。光阑半径的变化量是光阑当前半径与电机步进次数的函数，这与光阑制造原理有关。系统中光阑半径变化量随电机步进次数的关系可用公式(3)表示：
Δr＝fstop(r1,k) (3)
式中，Δr为光阑半径变化量，Δr＝r2-r1，r1为未变化前的光阑半径，r2为变化后的光阑半径，k为光阑电机步进次数，电机正转，k为正，电机反转，k为负，
孔径光阑半径对有效接收口径影响与孔径光阑在光学系统中位置有很大关系，对于某确定的光学系统，通过实际测量获得有效接收口径半径R与光阑半径r的关系用公式(4)表示，
R＝fAP(r) (4)
步骤二：进行有效接收口径粗调，强背景噪声情况下，接收口径较大情况下可能探测不到目标。采用二分法对有效接收面积进行调节，根据有效口径面积Ar＝πR2及公式(3)与(4)进行光阑半径及电机步进次数计算，上位机控制光阑电机步进实现调节。每进行一次二分法调节，检测是否有目标，若存在目标，停止二分法检测，记住当前光阑半径r1及光学系统有效接收口径面积Ar1；若在整个光阑变化范围内检测不到目标，说明视场中无目标，无需进行探测；
步骤三：在有效接收口径面积为Ar1状态下进行回波直方图统计，获得统计频数曲线fecho，引入了Gm-APD激光雷达对目标探测服从Poisson触发概率模型，选通门内Gm-APD各时间间隔的触发概率见公式(1)所示，
式中，τbin为Gm-APD的计时精度，(l+1)τbin＝tg为回波在选通门的前沿位置，si为第i个τbin回波光子率函数，r为回波的脉冲宽度所占τbin的个数，n为背景噪声光子率函数，为时间稳态型；
同时引入回波光子数的率函数，见公式(2)表示，
式中，S为激光回波总光子数，脉冲宽度τ，
基于公式(1)与公式(2)进行回波拟合，获得回波位置tg、脉宽τ、背景噪声率函数n、回波光子数S1及信噪比SNR；
步骤四：根据公式(1)与(2)，将回波光子数设定为变量，计算当前信噪比情况下的最高触发概率及对应的回波光子数S2；
步骤五：根据公式(5)计算最优探测概率对应的光学系统有效接收口径的半径R2；
其中，R1代表初始光学口径；
步骤六：根据公式(4)计算最优探测概率对应光阑半径r2，基于此根据公式(3)计算电机步进次数，上位机控制光阑电机步进，实现有效接收口径自适应调节。
下面提供一个具体实施例，证明包括算法中某些参数取最优范围或最优值时，分别能达到什么样的效果。
假定激光雷达选通门宽为0.1μs，Gm-APD时间分辨率为τbin＝1ns，激光回波最多只占一个τbin，回波处于选通门中间，接收口径的半径0～35mm可调，假定在有效接收口径的半径为20mm时，接收的光子数为5，忽略暗计数的影响，那么在不同信噪比情况下的回波触发概率见图2所示，在不同回波信噪比条件下，采用该方法使得噪声虚警率降低，回波触发概率上升，证明此方法有效。
采用Gm-APD激光雷达对目标成像，图3(a)为激光雷达设备在初始任意口径条件下的成像结果，图3(b)为采用自适应光学口径调控方法得到的成像结果，图3(c)为光学口径最大情况下的成像结果。从成像结果看，最优口径的回波触发次数相对更强。统计如图3(a)红框区域的平均触发概率及虚警率，见表1，可以看到最优口径的触发概率最大，所取最优口径既不是最大口径也不是最小口径，但是保证回波触发概率最高，实现回波最优探测。
表1触发率与虚警率统计。

Claims (2)

1.一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法，其特征在于，所述自适应光学口径调控方法包括以下步骤：
步骤一：对实际光学接收系统测量，获得光阑电机步进数与光阑半径的函数关系、光阑半径与有效接收口径的函数关系，
其中，光阑半径变化量随电机步进次数的关系可用公式(3)表示：
Δr＝fstop(r1,k) (3)
式中，Δr为光阑半径变化量，Δr＝r2-r1，r1为未变化前的光阑半径，r2为变化后的光阑半径，k为光阑电机步进次数，电机正转，k为正，电机反转，k为负，
有效接收口径半径与光阑半径的关系用公式(4)表示，
R＝fAP(r) (4)
其中，R为有效接收口径半径，r为光阑半径；
步骤二：采用二分法对有效接收面积进行调节，根据有效口径面积Ar＝πR2及公式(3)与公式(4)进行光阑半径及电机步进次数计算，上位机控制光阑电机步进实现调节，每进行一次二分法调节，检测是否有目标，若存在目标，停止二分法检测，记住当前光阑半径r1及光学系统有效接收口径面积Ar1；否则，说明视场中无目标，无需进行探测；
步骤三：在有效接收口径面积为Ar1状态下进行回波直方图统计，获得统计频数曲线fecho，引入了Gm-APD激光雷达对目标探测服从Poisson触发概率模型，选通门内Gm-APD各时间间隔的触发概率见公式(1)所示，
式中，τbin为Gm-APD的计时精度，(l+1)τbin＝tg为回波在选通门的前沿位置，si为第i个τbin回波光子率函数，r为回波的脉冲宽度所占τbin的个数，n为背景噪声光子率函数，为时间稳态型；
同时引入回波光子数的率函数，见公式(2)表示，
式中，S为激光回波总光子数，脉冲宽度τ，
基于公式(1)与公式(2)进行回波拟合，获得回波位置tg、脉宽τ、背景噪声率函数n、回波光子数S1及信噪比SNR；
步骤四：根据公式(1)与(2)，将回波光子数设定为变量，计算当前信噪比情况下的最高触发概率及对应的回波光子数S2；
步骤五：根据公式(5)计算最优探测概率对应的光学系统有效接收口径的半径R2；
其中，R1代表初始光学口径；
步骤六：根据公式(4)计算最优探测概率对应光阑半径r2，基于此根据公式(3)计算电机步进次数，上位机控制光阑电机步进，实现有效接收口径自适应调节。
2.根据权利要求1所述的一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法，其特征在于，当激光雷达选通门宽为0.1μs时，Gm-APD时间分辨率为τbin＝1ns，激光回波只占一个τbin，回波处于选通门中间，接收口径的半径的调节范围为0～35mm。
CN201910790771.8A 2019-08-26 2019-08-26 一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法 Active CN110501687B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910790771.8A CN110501687B (zh) 2019-08-26 2019-08-26 一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910790771.8A CN110501687B (zh) 2019-08-26 2019-08-26 一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110501687A true CN110501687A (zh) 2019-11-26
CN110501687B CN110501687B (zh) 2021-08-10

Family

ID=68589511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910790771.8A Active CN110501687B (zh) 2019-08-26 2019-08-26 一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110501687B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111220962A (zh) * 2020-02-28 2020-06-02 哈尔滨工业大学 一种适用于偏振Gm-APD激光雷达的探测模型建立方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9851442B1 (en) * 2013-11-05 2017-12-26 The Boeing Company LADAR augmented infra-red (LAIR) sensor
CN108828616A (zh) * 2018-06-12 2018-11-16 南京理工大学 可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达及恒虚警控制方法
CN109100737A (zh) * 2017-06-21 2018-12-28 西克股份公司 用于测量到对象的距离的光电传感器和方法
CN109507656A (zh) * 2018-11-14 2019-03-22 哈尔滨工业大学 适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统
CN109541619A (zh) * 2018-12-13 2019-03-29 武汉大学 散斑相干性对单光子激光雷达测距精度影响的评估方法
CN109816603A (zh) * 2018-12-30 2019-05-28 天津大学 单光子计数成像的图像传感器图像还原方法
CN110133614A (zh) * 2019-05-14 2019-08-16 哈尔滨工业大学 基于改进核心的BRDF模型的Gm-APD激光雷达回波能量计算方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9851442B1 (en) * 2013-11-05 2017-12-26 The Boeing Company LADAR augmented infra-red (LAIR) sensor
CN109100737A (zh) * 2017-06-21 2018-12-28 西克股份公司 用于测量到对象的距离的光电传感器和方法
CN108828616A (zh) * 2018-06-12 2018-11-16 南京理工大学 可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达及恒虚警控制方法
CN109507656A (zh) * 2018-11-14 2019-03-22 哈尔滨工业大学 适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统
CN109541619A (zh) * 2018-12-13 2019-03-29 武汉大学 散斑相干性对单光子激光雷达测距精度影响的评估方法
CN109816603A (zh) * 2018-12-30 2019-05-28 天津大学 单光子计数成像的图像传感器图像还原方法
CN110133614A (zh) * 2019-05-14 2019-08-16 哈尔滨工业大学 基于改进核心的BRDF模型的Gm-APD激光雷达回波能量计算方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
尹丽菊: "基于GM_APD的光子计数成像技术研究", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
张子静: "基于概率统计的光子激光雷达性能提高的理论与实验研究", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
张龙: "基于Gm_APD的成像激光雷达目标探测特性", 《光学与光电技术》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111220962A (zh) * 2020-02-28 2020-06-02 哈尔滨工业大学 一种适用于偏振Gm-APD激光雷达的探测模型建立方法
CN111220962B (zh) * 2020-02-28 2022-04-08 哈尔滨工业大学 一种适用于偏振Gm-APD激光雷达的探测模型建立方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110501687B (zh) 2021-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11412139B2 (en) Traffic monitoring device capable of switching camera mode
CN112924981B (zh) 一种飞行时间测距方法、系统和设备
CN106791475A (zh) 曝光调整方法及所适用的车载摄像装置
CN108828616B (zh) 可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达及恒虚警控制方法
JP2008241435A (ja) 距離画像生成装置
CN104184958A (zh) 一种适用于空间探测成像的基于fpga的自动曝光控制方法及其装置
CN105915811A (zh) 图像强光抑制适应控制方法和装置
CN109507656A (zh) 适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统
CN108304781A (zh) 一种面阵盖革apd激光成像雷达图像预处理方法
EP3624436B1 (en) Image collection control method and device, and vehicle chassis image obtaining system
CN110187355A (zh) 一种距离测量方法及深度相机
CN110501687A (zh) 一种Gm-APD激光雷达目标有效探测的自适应光学口径调控方法
WO2022161481A1 (zh) 一种飞行时间测距方法、系统和设备
CN105049664A (zh) 一种手持激光三维扫描仪的补光控制方法
CN102752513A (zh) 照相机以及照相机的控制方法
CN110361751A (zh) 时间飞行深度相机及单频调制解调的降低噪声的距离测量方法
CN102055537A (zh) 静态无线激光通信针对强大气湍流影响的光斑检测方法
CN201838179U (zh) 摄像机红外主动跟踪装置及采用该装置的摄像机控制系统
CN110231018B (zh) 一种结构光测距方法、装置及计算机可读存储介质
CN106327474A (zh) 一种自动在线盲元检测方法
CN108156447A (zh) 基于光点检测的相机成像管理系统
CN207718625U (zh) 可切换摄像模式的交通监控装置
CN110376582A (zh) 自适应gm-phd的机动目标跟踪方法
CN110456380B (zh) 飞行时间传感相机及其深度检测方法
CN102857681A (zh) 一种通过半反射镜采集图像和提高图像质量的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant