CN111323765A - 一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法 - Google Patents

Abstract

一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，属于星载激光雷达测绘技术领域，包括如下步骤：S1、建立星载光子计数激光雷达数学模型，然后设定接收光光子计数阈值；S2、根据所述接收光光子计数阈值，对星载光子计数激光雷达的目标回波进行判断，获取激光回波复原波形；S3、根据激光回波复原波形，提取激光回波复原波形的质心位置。本发明方法根据目标回波的泊松分布特性，并利用地物回波的空间、时间相关性，在距离门内提取有效目标距离信息，保证在轨目标距离预判和在连续地形下星载光子计数体制激光雷达在轨实时高精度距离信息提取。

Description

一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法

技术领域

本发明涉及一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，特别是涉及一种基于泊松分布的星载光子计数体制激光雷达回波信号处理及实时目标提取算法，适用于星载光子计数激光雷达系统，可实现对光子事件的提取，并实时得到当前的距离信息，属于星载激光雷达测绘技术领域。

背景技术

目前，为了获取精确的测量值和降低虚警概率，星载激光测高仪通常采用中等能量固体脉冲激光器(50mJ～100mJ)、低重频率(1～3Hz)，大口径光学系统(直径

)，利用线性探测结合阈值鉴别或全波形采集的方法获取有效目标的距离。该模式所需能量孔径积较大，也很难实现很多波束高重频发射，而线性探测要求有较高的阈噪比，回波光子的利用率非常低。

随着星载激光雷达的发展，单波束、低重频的星载激光雷达已经不满足未来的应用需求，且对地测绘对沿轨采样密度和垂轨覆盖区域两个指标一直在不断提高，可以说星载激光雷达进入了瓶颈阶段，现阶段的技术体制，无法满足高密度的激光测量。

本发明涉及了一种基于光子计数体制的新一代激光雷达系统，该系统将测量灵敏度提升至极限，激光回波能量只需在光子量级，避免了回波光子的浪费。该系统在相同功率口径积约束下，有效采样测量频率能提高两到三个数量级，同时能把体积、成本和接收镜头的重量大概降低两个数量级。同时，由于探测灵敏度极高，极其微弱的背景噪声也会被响应到，单次脉冲测量，无法区分背景噪声和有效信号。

该系统采用单光子探测器，能够对光子能量量级的回波信号进行响应。光雷达与地物目标相对静止的情况，脉冲发射激光是高斯波形，达到地面后，足印反射或漫反射的回波呈现泊松分布或者有一定展宽，当回波光子响应累计次数足够多后满足泊松分布。该体制激光雷达可以利用地物回波的空间、时间相关性，在距离门内提取有效目标距离信息。但由于星载激光雷达的特殊性，主要是其搭载运动平台以7km/s高速绕地运动，且在地形剧烈变化区域，地物目标无法预判，这对光子计数激光雷达信号处理和信息提取提出了挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，包括如下步骤：S1、建立星载光子计数激光雷达数学模型，然后设定接收光光子计数阈值；S2、根据所述接收光光子计数阈值，对星载光子计数激光雷达的目标回波进行判断，获取激光回波复原波形；S3、根据激光回波复原波形，提取激光回波复原波形的质心位置。本发明方法根据目标回波的泊松分布特性，并利用地物回波的空间、时间相关性，在距离门内提取有效目标距离信息，保证在轨目标距离预判和在连续地形下星载光子计数体制激光雷达在轨实时高精度距离信息提取。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，包括如下步骤：

S1、建立星载光子计数激光雷达数学模型，然后设定接收光光子计数阈值；

S2、根据所述接收光光子计数阈值，对星载光子计数激光雷达的目标回波进行判断，获取激光回波复原波形；

S3、根据激光回波复原波形，提取激光回波复原波形的质心位置。

上述星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，优选的，采用泊松分布和激光测高仪的雷达方程，建立星载光子计数激光雷达数学模型。

上述星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，优选的，根据星载光子计数激光雷达的功率口径积，设定接收光光子计数阈值。

上述星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，优选的，对星载光子计数激光雷达的目标回波进行判断包括如下步骤：

S21、对星载光子计数激光雷达的所有目标回波，将超过所述接收光光子计数阈值事件，作为疑似目标回波事件；

S22、对所有的疑似目标回波事件进行加权统计后，拟合得到激光回波复原波形。

上述星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，优选的，根据激光回波复原波形，利用质心提取方法提取激光回波复原波形的质心位置。

上述星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，优选的，在疑似目标回波事件的前后共五个距离单元内设定加权系数，然后进行光子事件加权统计，利用加权统计结果拟合得到激光回波复原波形。

上述星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，优选的，所述星载光子计数激光雷达数学模型为：

其中

式中，f_R为星载光子计数激光雷达接收机每秒获取的距离频率，单光子能量为hν；η_q为探测器量子效率；ρ为地标反射率；η_r为接收光学系统效率；σ为地表坡度；E_t为发射机单脉冲能量；A_r为接收镜头面积；R为作用距离；f_QS为激光器工作频率；P_t为发射机峰值功率；T₀为大气单程透过率；n_t为接收光光子计数阈值，k为第一序数，n_s为星载光子计数激光雷达在其接收视场范围接收的地表反射光子数。

上述星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，优选的，在S3 中，如果提取激光回波复原波形的质心位置时存在多点回波或物回波的情况，对连续距离单元做连续地形下的激光回波置信判断，完成激光回波复原波形的质心位置提取。

上述星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，优选的，对连续距离单元做连续地形下的激光回波置信判断的方法为：对于某一距离单元，根据前后距离单元距离测量的置信度进行该单元距离值的判断。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当该程序被处理器执行时实现上述星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法的步骤。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明与现有技术相比，能够提高激光雷达对回波光子的利用率、降低激光雷达对激光器能量的依赖，并且实现在轨光子事件的获取，回波波形复原，并提取波形信息，具有很好的使用效果；

(2)本发明方法与现有线性激光雷达处理技术相比，有效的支撑了星载光子计数激光雷达的研制。星载光子计数激光雷达，探测灵敏度可以达到10^-10W，该系统可以极大的提高对回波光子的利用率，从而降低对激光器和系统波束的限制；

(3)本发明与现有技术相比，克服了光子回波事件不易提取，有效回波事件被大量噪声事件淹没，导致系统虚警率较高的技术难点。通过对不同位置的回波事件加权、存储、统计能实现对激光线性回波能量进行拟合，并通过滑窗滤波、质心提取等方法，实现了有效目标的识别；

(4)本发明方法与现有技术相比，克服了在无激光回波距离单元的目标距离的判别，根据地形的连续性，拟合无回波区域的目标位置，提高了光子技术激光雷达的适应性。

附图说明

图1为基于泊松分布的星载光子计数激光雷达回波信号处理及实时目标距离提取算法的执行流程。

图2为探测器输出光子事件，过阈值判断，其中光子计数阈值选取为3。

图3为疑似信号提取示意图。

图4为回波统计加权及波形恢复。

图5为一个超级帧内距离跟踪算法示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，包括如下步骤：

S1、采用泊松分布和激光测高仪的雷达方程，建立星载光子计数激光雷达数学模型，然后根据星载光子计数激光雷达的功率口径积，设定接收光光子计数阈值。

所述星载光子计数激光雷达数学模型为：

其中

式中，f_R为星载光子计数激光雷达接收机每秒获取的距离频率，单光子能量为hν；η_q为探测器量子效率；ρ为地标反射率；η_r为接收光学系统效率；σ为地表坡度；E_t为发射机单脉冲能量；A_r为接收镜头面积；R为作用距离；f_QS为激光器工作频率；P_t为发射机峰值功率；T₀为大气单程透过率；n_t为接收光光子计数阈值，k为第一序数，n_s为星载光子计数激光雷达在其接收视场范围接收的地表反射光子数。

S2、根据所述接收光光子计数阈值，对星载光子计数激光雷达的目标回波进行判断，获取激光回波复原波形。

对星载光子计数激光雷达的目标回波进行判断包括如下步骤：

S21、对星载光子计数激光雷达的所有目标回波，将超过所述接收光光子计数阈值事件，作为疑似目标回波事件；

S22、对所有的疑似目标回波事件进行加权统计后，拟合得到激光回波复原波形。具体的，在疑似目标回波事件的前后共五个距离单元内设定加权系数，然后进行光子事件加权统计，利用加权统计结果拟合得到激光回波复原波形。

S3、根据激光回波复原波形，利用质心提取方法提取激光回波复原波形的质心位置。如果提取激光回波复原波形的质心位置时存在多点回波或物回波的情况，对连续距离单元做连续地形下的激光回波置信判断，完成激光回波复原波形的质心位置提取。

对连续距离单元做连续地形下的激光回波置信判断的方法为：对于某一距离单元，根据前后距离单元距离测量的置信度进行该单元距离值的判断。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当该程序被处理器执行时实现上述星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法的步骤。

实施例1：

一种基于泊松分布的星载光子计数激光雷达回波信号处理及实时目标距离提取算法，即一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，如图 1所示，包括如下步骤：

(1)建立星载光子计数体制激光雷达数学模型，明确回波光子判断阈值。

所述的回波光子判断阈值计算方法为：

设当前的光子探测激光雷达系统的回波光子判断阈值为n_t，每秒接收机的获取距离频率(有效的光子回波探测)为：

其中最大表面回波率f_max为，

n_s为星载光子计数激光雷达在其接收视场范围接收的地表反射光子数，

hν单光子能量；η_q探测器量子效率；ρ地面反射率；η_r接收光学系统效率；σ地表坡度；E_t发射机单脉冲能量；A_r接收镜头面积；R作用距离；f_QS激光器工作频率；P_t发射机峰值功率；T₀大气单程透过率。

通过设置接收光光子计数阈值n_t，可以得到最大表面回波率曲线。通过物理模型的分析可以选取在特定的功率口径积下有效的回波阈值，对目标回波进行预判。

(2)根据回波光子阈值，判断目标疑似回波。利用飞行时间法可以得到每一次单光子响应事件的响应的距离信息L_i，并进行实时存储。

(3)设计系统加权系数，进行光子事件统计线性激光回波复原。

具体的，根据当前接收系统在疑似波形前后共五个距离单元内设计加权系数k1,k2,k3，并进行光子事件统计，加权后的统计结果作为拟合的线性激光回波复原。

一般k1,k2,k3取值范围为[0，5]。

(4)激光有效波形识别及回波质心提取。

通过宽为w的固定窗口寻找接收信号读数中的回波信号，w的平均值通过接收机带宽及激光发射脉宽确定，j波形有效位置采样编号，s(i)为该距离但原处的统计值，可以理解为能量值，则波门内能量平均值S(j)为：

对有效回波窗口w内的回波波形识别时，首先从编号逐渐增加的一端开始。 w波门内起始距离单元编号为0，波形有效位置依次向左搜索，直到波形有效时记录编号为l(信号连续过阈值，且前后起伏满足设计要求)。同时，从采样读数编号值逐渐减小的范围末端进行搜索，当波形失效记录此时读数编号r。此时S(l)和S(r)为固定窗口中信号左右边界的平均值。相应公式如下：

根据锁定的信号边沿内的采样门宽计算质心数值则，质心T为：

当通过步骤1-4无法实现有效质心的提取，或存在多质心的情况，通过补充步骤5实现回波判断：

(5)对连续距离单元做连续地形下的激光回波置信判断。即在未检测到有效回波或者存在多回波的距离单元，可根据前后距离单元距离测量的置信度进行该单元距离值判断。

实施例2：

一种基于泊松分布的星载光子计数激光雷达回波信号处理及实时目标距离提取算法，即一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，主要涉及了回波光子信息储存、加权；以及波形识别和距离跟踪算法。

第一步：星载光子计数体制激光雷达数学模型建立。

基于光子计数体制激光雷达，探测器对入射光信号相应服从泊松分布。泊松分布描述在单位时间或空间内事件的发生次数。在总事件m条件下，发生x 次时间的概率为：

则发生时间大于n次的概率为：

借助于传统激光测高仪的雷达方程，星载光子计数激光雷达在其接收视场范围接收的地表反射光子数为：

单光子能量hν；η_q探测器量子效率；ρ地标反射率；η_r接收光学系统效率；σ地表坡度；E_t发射机单脉冲能量；A_r接收镜头面积；R作用距离；f_QS激光器工作频率；P_t发射机峰值功率；T₀大气单程透过率。并且可以得到回波光子数与探测距离的关系为：

假设接收机能接收每一次地表回波，则针对激光回波探测遵循的泊松分布概率特点，每秒接收机获取的距离频率为：

其中，f_max为最大表面回波率：

为最大表面回波率。对于给定的功率口径积，通过设置接收光光子计数阈值n_t，可以得到最大表面回波率曲线。通过物理模型的分析可以选取在特定的功率口径积下有效的回波阈值，对目标回波进行预判。

第二步：回波波形恢复及有效距离信息提取。

利用仿真模型得到的光子计数阈值n_t,可以得到有效的目标回波信息，该过程分为两部分。

1)疑似目标回波判断

如果把探测器输出信号设为一次单光子响应事件，利用飞行时间法可以得到每一次单光子响应事件的响应的距离信息L_i。存储该时间在响应距离单元的回波直方图下，如图2所示。对所有的回波事件信息存储后，判断过光子计数阈值n_t事件，作为疑似目标回波，如图3所示，并且疑似目标判断距离单元分辨率小于等于距离信息提取的分辨率。

2)目标回波统计加权。

根据探测器响应时间、响应抖动，系统带宽设计、地形特点等，设计系统加权系数k₁，k₂，k₃；其中k₁为测距信息单元N加权系数；k₂为测距信息前后单元N+1，N-1加权系数；k₃为测距单元N+2，N-2加权系数。根据预设系数对过光子计数阈值n_t事件进行加权，如事件M，光子计数数值为H(过 n_t阈值事件数量)，加权转存后直方图输出为5个事件单元M-2，M-1，M，M+1， M+2，加权输出结果分别为H^*k₃，H^*k₂，H^*k₁，H^*k₂，H^*k₃。将所有的疑似回波事件加权后得到激光回波复原波形，如图4所示。

一般k1，k2，k3取值范围为[0，5]。

3)复原回波质心提取

以距离信息单元搜索复原回波的质心位置。复原回波波形由电子学噪声和目标反射组成。为了搜索到目标回波信号的有效位置，采取了质心提取的方法。

通过宽为w的固定窗口寻找接收信号读数中的回波信号，w的平均值通过接收机带宽及激光发射脉宽确定，j波形有效位置采样编号，s(i)为该距离但原处的统计值，可以理解为能量值，则波门内能量平均值S(j)为：

对有效波形识别时，首先从编号逐渐增加的一端开始。波门开始信号编号为0，波形有效位置一次向左搜索，直到波形有效时记录编号为l(信号连续过阈值，且前后起伏满足设计要求)。同时，从采样读数编号值逐渐减小的范围末端进行搜索，当波形失效记录此时读数编号r。此时S(l)和S(r)为固定窗口中信号左右边界的平均值。相应公式如下：

波形提取方案以主回波信道内信号数倍于噪声电平水平时则认为信号到来，并跟据信号噪声水平提升或者降低信号阈值，从而保证信号探测指数恒定。根据锁定的信号边沿内的采样门宽计算质心数值。质心计算原理为：

根据飞行时间法，通过主波和回波质心位置计算可获得有效目标位置。

第三步：连续地形下，距离跟踪方法

通常采用时间光子检测技术，把极其微弱的信号光子从背景噪声计数里面提取出来。但并不能保证在全部的测距单元内，回波信号都能有效提取，特别是，卫星平台以高速环绕地球运转，时间相关法受到限制，由此提出了距离跟踪算法。

该算法同样将回波波门沿距离矢量等分成多个距离单元，由垂直测距单元和水平帧(水平运动位置)确定的二维区域我们定义为检测单元，单一一次距离获取定义为一个测距帧，由10个连续的测距帧组成超级帧。实际地形由黑色实线表示，从图中可以看出，实际地形值穿越多个检测单元。

在每个检测单元内对光子计数进行累加，累加算法如第二步有效回波提取方法所示。如果该检测单元测距信息被有效提取认为是信号，否则该检测单元暂时认为是噪声。同时对区域进行前向搜索和后向搜索，从而保证为能有效进行距离信息提取的检测单元可根据地形的连续性进行判断

如图5所示，浅蓝色单元为测距有效检测单元，否则即可暂时确定该测距单元为噪声光子单元。在图2中的第3、7、8帧，由于地形坡度过大或表面粗糙度影响，导致表面回波光子计数落入到两个或更多检测单元内部，进而导致上述测距单元光子计数统计值均未超出设定的光子计数阈值，但只该单元测距信息提取失败。此时根据地形的连续性可以通过帧间累积的形式获得信号光子的检测单元。

在此引入更为复杂的搜索算法，在时间轴上进行前向搜索与后向搜索，可以进一步提升星载测高仪对地形坡度和地面粗糙度的适应性。举例来说，在第三帧，对应的地形为上坡阶段，由于帧2第五个检测单元被认为是回波光子单元，通过前向搜索，利用相邻帧的最小测距间隔准则，则丢失的回波光子单元有可能出现在4,5,6检测单元；然而，通过后向搜索，帧4第七个检测单元为回波光子单元(对应下坡曲线)，则在第三帧丢失的回波光子单元有可能出现在 6,7,8单元。在帧3内部，前向搜索与后向搜索对应的公约单元为第六个检测单元，实际上在帧3第6检测单元也包括很多的信号回波光子。

另外一个特殊情况如附图5所示的帧7和帧8两个测距帧，在这连个连续测距帧里，互相关检测算法均没有成功检测到信号光子单元。通过前向搜索帧 6，帧7的信号光子单元应该在第6、7、8检测单元，帧8的信号光子单元应该在第5、6、7、8、9检测单元。通过后向搜索帧9，帧8的信号光子单元应该位于第4、5、6帧，帧7的信号光子单元应该位于3、4、5、6、7检测单元。通过前向和后向搜索，在帧7内部重叠的检测单元为6、7，在帧8内部重叠的检测单元为5、6，他们分别包含了丢失的信号光子计数。实际上，剧烈变化的地形(陡坡地形)引起信号光子单元在一个测距帧里跳跃多个检测单元，并未完全遵守相邻帧正负一个检测单元的约定。

根据以上距离跟踪算法，则可以将未能成功提取测距信息的测距单元进行数据复原，保证了测量信息的完整性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立星载光子计数激光雷达数学模型，然后设定接收光光子计数阈值；

S2、根据所述接收光光子计数阈值，对星载光子计数激光雷达的目标回波进行判断，获取激光回波复原波形；

S3、根据激光回波复原波形，提取激光回波复原波形的质心位置。

2.根据权利要求1所述的一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，其特征在于，采用泊松分布和激光测高仪的雷达方程，建立星载光子计数激光雷达数学模型。

3.根据权利要求1所述的一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，其特征在于，根据星载光子计数激光雷达的功率口径积，设定接收光光子计数阈值。

4.根据权利要求1所述的一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，其特征在于，对星载光子计数激光雷达的目标回波进行判断包括如下步骤：

S21、对星载光子计数激光雷达的所有目标回波，将超过所述接收光光子计数阈值事件，作为疑似目标回波事件；

S22、对所有的疑似目标回波事件进行加权统计后，拟合得到激光回波复原波形。

5.根据权利要求1所述的一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，其特征在于，根据激光回波复原波形，利用质心提取方法提取激光回波复原波形的质心位置。

6.根据权利要求4所述的一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，其特征在于，在疑似目标回波事件的前后共五个距离单元内设定加权系数，然后进行光子事件加权统计，利用加权统计结果拟合得到激光回波复原波形。

7.根据权利要求1所述的一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，其特征在于，所述星载光子计数激光雷达数学模型为：

其中

式中，f_R为星载光子计数激光雷达接收机每秒获取的距离频率，单光子能量为hν；η_q为探测器量子效率；ρ为地标反射率；η_r为接收光学系统效率；σ为地表坡度；E_t为发射机单脉冲能量；A_r为接收镜头面积；R为作用距离；f_QS为激光器工作频率；P_t为发射机峰值功率；T₀为大气单程透过率；n_t为接收光光子计数阈值，k为第一序数，n_s为星载光子计数激光雷达在其接收视场范围接收的地表反射光子数。

8.根据权利要求1～7之一所述的一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，其特征在于，在S3中，如果提取激光回波复原波形的质心位置时存在多点回波或物回波的情况，对连续距离单元做连续地形下的激光回波置信判断，完成激光回波复原波形的质心位置提取。

9.根据权利要求8所述的一种星载光子计数激光雷达回波信号处理及目标提取方法，其特征在于，对连续距离单元做连续地形下的激光回波置信判断的方法为：对于某一距离单元，根据前后距离单元距离测量的置信度进行该单元距离值的判断。

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，当该程序被处理器执行时实现权利要求1～9之一所述方法的步骤。

Images