CN114660571A - 非视域目标多角度探测联合定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非视域目标多角度探测联合定位装置及方法，该包括单光子计数模块、窄脉冲激光定向发射系统、时序模块、云台控制系统、高精度云台、光学接收系统、单光子计数模块、数据采集系统和联合定位计算模块，其中非视域探测与定位场景包括中介面和被遮挡在探测器件视域外的目标物。本发明在雷达接收系统放置高精度云台，可以实现从多个不同方向上接收到视域外目标微弱的回波信号并采集信息，根据对目标位置信息的反演实现光子计数激光雷达非视域目标快速探测与多角度联合定位。本发明在非视域目标探测领域中显著降低了数据处理时间短，大幅提高了目标信号分辨的准确性和多角度联合定位的精确度。

Description

非视域目标多角度探测联合定位装置及方法

技术领域

本发明涉及光子计数激光雷达技术，特别涉及一种非视域目标多角度探测联合定位装置及方法。

背景技术

如今激光雷达技术的发展日益成熟，广泛地应用在军事和民用领域中。随着针对微弱光信号的单光子探测器件飞速发展，光子计数激光雷达在非视域(NLOS)领域的应用逐渐兴起。非视域探测技术可以借助外在的中介面(墙壁、玻璃、金属等)对被遮挡的视域外物体进行精确的定位与图像重建，在面对未知、可能存在危险或复杂的遮挡场景时能够提前探测，预知情况，防止危机，具有广阔的应用前景。比如在救灾现场时，救援人员可以对废墟后不能直接看到的未知空间进行检测，提前避免某些危险情况的发生,减少不必要的伤亡；汽车在狭窄道路或拐弯处的行驶过程中存在一定的视觉盲区，利用非视域探测技术可以引导驾驶员提前规避盲区中突然窜出的自行车、行人或动物，作为辅助驾驶的一种手段；在战场环境下提前侦查视域外的未知空间，掌握敌人动态，优化行动方案等多方面的应用。总之，非视域探测为人们提前预判风险，预判未知环境提供了很大帮助，是激光雷达系统一种全新的发展领域。

在实际的非视域场景中存在大量的背景干扰因素，发射激光经过在中介面上两次反射和隐藏物体的一次反射后，物体的回波信号十分微弱难以分辨，影响视域外目标的定位精确度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非视域目标多角度探测联合定位装置，能够准确地提取分辨视域外目标的回波信号，并精确定位目标。

实现本发明目的的技术方案为：一种非视域目标多角度探测联合定位装置，包括：

至少一云台；

至少一云台控制系统，用于控制云台转动；

至少一窄脉冲激光定向发射系统，用于向中介面发射脉冲激光；

至少一光学接收系统，用于接收光子信号；

至少一单光子计数模块，用于实现光子计数，并记录光子飞行时间；

至少一数据采集系统，用于保存目标信息数据；

至少一联合定位计算模块，用于根据目标光子信息确定目标位置；

至少一时序模块，用于产生云台控制系统、窄脉冲激光定向发射系统以及单光子计数模块的控制时序。

优选地，单光子计数模块以盖革模式APD作为探测组件。

优选地，所述窄脉冲激光定向发射系统的光源选用脉宽为400ps的520nm脉冲激光。

本发明还提出了一种非视域目标多角度探测联合定位方法，包括：

采集环境光子信号信息；

根据环境信息设置初始参数；

采集视域外目标光子信号；

从视域外目标光子信号中去除环境光子信号信息，根据剩余的光子信号信息实现目标定位。

优选地，采集环境光子信号信息的具体方法为：

时序模块控制窄脉冲激光定向发射系统向中介面发射脉冲激光，在无目标情况下背景环境产生的光子信号经过光学接收系统到达单光子计数模块，单光子计数模块记录环境光子信号信息，并将结果发送给数据采集系统，数据采集系统记录采集的环境光子信号信息并储存。

优选地，所述环境光子信号信息包括背景噪声光子计数直方图、中介面一次散射的回波光子计数直方图和光子飞行时间。

优选地，采集视域外目标光子信号的具体方法为：

时序模块控制窄脉冲激光定向发射系统经过一定的时间延迟后产生脉冲激光，脉冲激光经过准直以一定的角度照射到具有一定反射系数的中介面上；时序模块根据设定的距离门等待时间和距离门持续时间，在中介面回波光子飞行时间结束后驱动单光子计数模块工作，通过光学接收系统采集目标回波光子信号。

优选地，时序模块驱动云台控制系统经过一定的时延Δt+δ后开始工作，控制云台使得光学接收系统以不同的探测角度接收目标回波信号，发送到单光子计数模块，形成多组含有视域外目标信息的回波光子计数直方图，同时构成多个以激光在中介面上的照明点和光学接收系统在中介面上的扫描点为焦点的椭圆面。

优选地，每次的探测过程中，单光子计数模块在一个时隙bin中接收到的全部光子计数记为P(t)；每个时隙bin中对应的环境光子计数为B(t)，如果符合：P(t)-B(t)＞Threshold则判定为有效的目标回波光子信号，发送到数据采集系统储存，Threshold表示阈值。

优选地，根据剩余的光子信号信息实现目标定位的具体原理为：

在视域外空间坐标系中，对于任意一次的探测过程有等式：

ct＝R₁+R₂+R₃+R₄

其中t表示测量得到的光子飞行总时间，c是光速，R₁为脉冲激光发射点到照射到中介面上的点的距离，R₂为脉冲激光照射到中介面上的点到漫反射到视域外目标处的距离，R₃为激光在目标表面漫反射后传播至中介面上的距离，R₄为种睫毛上的点到光学接收系统的距离；

在总光程中减去SPAD视域内的光程就得到目标位置的等式：

|R₂|+|R₃|＝ct'

t'是R₂和R₃对应的光子飞行时间；

将激光在中介面上的照明点固定，SPAD在中介面上的扫描点表示为(x_i,y_i,z_i)；

选取多个扫描点，确定视域外目标所在的位置区域；

由每个扫描点像素i收集数据计算得到的目标位置概率密度表示为狄拉克函数的形式：

P_i(t')∝δ(|R_2i|+|R_3i|-ct')

式中，R_2i和R_3i为每次探测的视域外光程。

通过对目标位置概率密度进行高斯拟合，则有其高斯函数的表达形式：

对应回波信号的时间信息，并且回波信号峰值与光子飞行时间成正比，σ是标准差，和发射激光脉冲的FWHM相关；

通过上式在非视域空间中投影得到目标物体在坐标系中各个位置的概率密度分布，多个椭圆交叉形成的截面即为非视域目标定位的联合概率密度分布最大位置，对应目标物体的实际坐标。

本发明与现有技术相比，其显著优势有：1)本发明设计了合理的针对非视域目标探测联合定位的光子计数激光雷达系统装置，具备实用性和集成性；2)本发明将背景检测和阈值筛选方法相结合，克服了在复杂的背景环境中强烈的背景噪声计数，有效提取了目标回波信号，提高定位的精确度；3)本发明通过高精度云台控制接收系统探测角度保证了探测角度调节的精准性，并与单光子计数模块同步工作，降低了数据采集系统的响应时间，满足系统多角度探测联合定位的实时性要求。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明光子计数激光雷达非视域目标多角度探测联合定位装置的结构示意图。

图2为本发明光子计数激光雷达非视域目标多角度联合定位方法的示意图。

图3为非视域目标定位的空间坐标系。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本发明。下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的创新构思。

如图1所示，本发明一方面提供了一种非视域目标多角度探测联合定位装置。另外一方面提供了一种非视域目标多角度探测联合定位方法。

在一实施例中，所述非视域目标多角度探测联合定位装置包括：

至少一云台；

至少一云台控制系统，用于控制云台转动；

至少一窄脉冲激光定向发射系统，用于向中介面发射脉冲激光；

至少一光学接收系统，用于接收光子信号；

至少一单光子计数模块，用于实现光子计数，并记录光子飞行时间；

至少一数据采集系统，用于保存目标信息数据；

至少一联合定位计算模块，用于根据目标光子信息确定目标位置；

至少一时序模块，用于产生云台控制系统、窄脉冲激光定向发射系统以及单光子计数模块的控制时序。

具体地，单光子计数模块以盖革模式APD(SPAD)作为探测组件。

具体地，所述窄脉冲激光定向发射系统包括窄脉冲激光器和定向光学发射系统，光源选用脉宽为400ps的520nm脉冲激光，极窄的脉宽保证了定位精度。所述时序模块与窄脉冲激光定向发射系统、云台控制系统和单光子计数模块一一对应相连；所述云台控制系统与高精度云台相连，控制高精度云台工作；所述高精度云台与光学接收系统相连，控制光学接收系统从不同的探测角度接收目标回波信号；所述单光子计数模块放置于光学接收系统焦点处，与数据采集系统相连，采集目标信息数据；所述联合定位计算模块与数据采集系统相连，根据采集的光子信息，最终得到目标的位置信息。

如图2所示，一种非视域目标多角度探测联合定位方法，包括：

采集环境光子信号信息；

根据环境信息设置初始参数；

采集视域外目标光子信号；

从视域外目标光子信号中去除环境光子信号信息，根据剩余的光子信号信息实现目标定位。

在一实施例中，采集环境光子信号信息的具体方法为：

时序模块控制窄脉冲激光定向发射系统向中介面发射脉冲激光，在无目标情况下背景环境产生的光子信号经过光学接收系统到达单光子计数模块，单光子计数模块记录环境光子信号信息，并将结果发送给数据采集系统，数据采集系统记录采集的环境光子信号信息并储存。

具体地，所述环境光子信号信息包括背景噪声光子计数直方图、中介面一次散射的回波光子计数直方图和光子飞行时间。

在一实施例中，时序模块根据中介面距离信息设置激光脉冲发射延时、距离门等待时间和距离门持续时间，根据背景噪声信号强度设置决策脉冲探测累计次数和探测周期等初始参数。

在一实施例中，采集视域外目标光子信号的具体方法为：

时序模块控制窄脉冲激光定向发射系统经过一定的时间延迟Δt后产生脉冲激光，脉冲激光经过准直以一定的角度照射到具有一定反射系数的中介面上某一点A，光程为R₁；与此同时，时序模块根据设定的距离门等待时间和距离门持续时间，在中介面回波光子飞行时间结束后驱动单光子计数模块工作，此时目标回波信号经过光学接收系统到达单光子计数模块，使得单光子计数模块仅记录了有效的目标回波光子信号，从时域上筛除掉中介面直接反射回光学接收系统的强烈光子信号。

具体地，激光在中介面的A点经过漫反射传播到视域外目标处，光程为R₂，激光在目标表面漫反射后传播至中介面上的某一点B，光程为R₃，最后微弱的光子信号从B点处返回光学接收系统，光程为R₄。

时序模块驱动云台控制系统经过一定的时延Δt+δ后开始工作，控制高精度云台使得光学接收系统以不同的探测角度接收目标回波信号，发送到单光子计数模块，形成多组含有视域外目标信息的回波光子计数直方图，同时构成多个以激光在中介面上的照明点和光学接收系统在中介面上的扫描点为焦点的椭圆面。

具体地，每次的探测过程中，单光子计数模块在一个时隙bin中接收到的全部光子计数记为P(t)；每个时隙bin中对应的环境光子计数为B(t)，如果符合：P(t)-B(t)＞Threshold则判定为有效的目标回波光子信号，发送到数据采集系统储存，Threshold表示阈值，阈值的设定可根据步骤1中实际的背景噪声强度确定。

在一实施例中，从视域外目标光子信号中去除环境光子信号信息，根据剩余的光子信号信息实现目标定位的具体方法为：

数据采集系统将数据发送到联合定位计算模块，减去步骤1中记录的背景信号后可以消除大部分背景噪声，形成高信噪比环境下的目标光子计数直方图，得到每次目标回波光子的飞行时间，最终根据定位方法求得目标位置。

具体地，本实施例的非视域目标多角度探测联合定位方法根据以下原理定位视域外目标：

在如图3所示的视域外空间坐标系中，对于任意一次的探测过程有等式：

ct＝R₁+R₂+R₃+R₄

其中t表示测量得到的光子飞行总时间，c是光速。中介面与SPAD探测器之间的视域内光程R₁和R₄精确测量得到，在总光程中减去SPAD视域内的光程就得到了目标位置的等式：

|R₂|+|R₃|＝ct'

t'是R₂和R₃对应的光子飞行时间。根据图2所示将激光在中介面上的照明点O(原点)固定，SPAD在中介面上的扫描点表示为(x_i,y_i,z_i)，于是一组以照明点和扫描点为焦点的椭圆，一定与视域外目标位置存在交集，即目标位置在椭球面上。选取多个扫描点以后，即可大致确定视域外目标所在的位置区域。在回波信号没有其它不确定性的情况下，由每个扫描点像素i收集数据而计算得到的目标位置概率密度可表示为狄拉克函数的形式：

P_i(t')∝δ(|R_2i|+|R_3i|-ct')

通过对目标位置概率密度进行高斯拟合，则有其高斯函数的表达形式：

对应回波信号的时间信息，并且回波信号峰值与光子飞行时间成正比。于是通过上式可以在非视域空间中投影得到目标物体在图3坐标系中各个位置的概率密度分布，多个椭圆交叉形成的截面即为非视域目标定位的联合概率密度分布最大位置，对应目标物体的实际坐标。

本发明可以快速实时地在背景环境中提取出非视域目标的微弱回波信号，提升数据运算速度和视域外目标的定位精确度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

应当理解，为了精简本发明并帮助本领域的技术人员理解本发明的各个方面，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例中进行描述，或者参照单个图进行描述。但是，不应将本发明解释成示例性实施例中包括的特征均为本专利权利要求的必要技术特征。

应当理解，可以对本发明的一个实施例的设备中包括的模块、单元、组件等进行自适应性地改变以把它们设置在与该实施例不同的设备中。可以把实施例的设备包括的不同模块、单元或组件组合成一个模块、单元或组件，也可以把它们分成多个子模块、子单元或子组件。

Claims (10)

1.一种非视域目标多角度探测联合定位装置，其特征在于，包括：

至少一云台；

至少一云台控制系统，用于控制云台转动；

至少一窄脉冲激光定向发射系统，用于向中介面发射脉冲激光；

至少一光学接收系统，用于接收光子信号；

至少一单光子计数模块，用于实现光子计数，并记录光子飞行时间；

至少一数据采集系统，用于保存目标信息数据；

至少一联合定位计算模块，用于根据目标光子信息确定目标位置；

至少一时序模块，用于产生云台控制系统、窄脉冲激光定向发射系统以及单光子计数模块的控制时序。

2.根据权利要求1所述的非视域目标多角度探测联合定位装置，其特征在于，单光子计数模块以盖革模式APD作为探测组件。

3.根据权利要求1所述的非视域目标多角度探测联合定位装置，其特征在于，所述窄脉冲激光定向发射系统的光源选用脉宽为400ps的520nm脉冲激光。

4.一种非视域目标多角度探测联合定位方法，其特征在于，包括：

采集环境光子信号信息；

根据环境信息设置初始参数；

采集视域外目标光子信号；

从视域外目标光子信号中去除环境光子信号信息，根据剩余的光子信号信息实现目标定位。

5.根据权利要求4所述的非视域目标多角度探测联合定位方法，其特征在于，采集环境光子信号信息的具体方法为：

时序模块控制窄脉冲激光定向发射系统向中介面发射脉冲激光，在无目标情况下背景环境产生的光子信号经过光学接收系统到达单光子计数模块，单光子计数模块记录环境光子信号信息，并将结果发送给数据采集系统，数据采集系统记录采集的环境光子信号信息并储存。

6.根据权利要求4或5所述的非视域目标多角度探测联合定位方法，其特征在于，所述环境光子信号信息包括背景噪声光子计数直方图、中介面一次散射的回波光子计数直方图和光子飞行时间。

7.根据权利要求4所述的非视域目标多角度探测联合定位方法，其特征在于，采集视域外目标光子信号的具体方法为：

时序模块控制窄脉冲激光定向发射系统经过一定的时间延迟后产生脉冲激光，脉冲激光经过准直以一定的角度照射到具有一定反射系数的中介面上；时序模块根据设定的距离门等待时间和距离门持续时间，在中介面回波光子飞行时间结束后驱动单光子计数模块工作，通过光学接收系统采集目标回波光子信号。

8.根据权利要求4所述的非视域目标多角度探测联合定位方法，其特征在于，时序模块驱动云台控制系统经过一定的时延Δt+δ后开始工作，控制云台使得光学接收系统以不同的探测角度接收目标回波信号，发送到单光子计数模块，形成多组含有视域外目标信息的回波光子计数直方图，同时构成多个以激光在中介面上的照明点和光学接收系统在中介面上的扫描点为焦点的椭圆面。

9.根据权利要求4所述的非视域目标多角度探测联合定位方法，其特征在于，每次的探测过程中，单光子计数模块在一个时隙bin中接收到的全部光子计数记为P(t)；每个时隙bin中对应的环境光子计数为B(t)，如果符合：P(t)-B(t)＞Threshold则判定为有效的目标回波光子信号，发送到数据采集系统储存，Threshold表示阈值。

10.根据权利要求4所述的非视域目标多角度探测联合定位方法，其特征在于，根据剩余的光子信号信息实现目标定位的具体原理为：

在视域外空间坐标系中，对于任意一次的探测过程有等式：

ct＝R₁+R₂+R₃+R₄

其中t表示测量得到的光子飞行总时间，c是光速，R₁为脉冲激光发射点到照射到中介面上的点的距离，R₂为脉冲激光照射到中介面上的点到漫反射到视域外目标处的距离，R₃为激光在目标表面漫反射后传播至中介面上的距离，R₄为种睫毛上的点到光学接收系统的距离；

在总光程中减去SPAD视域内的光程就得到目标位置的等式：

|R₂|+|R₃|＝ct'

t'是R₂和R₃对应的光子飞行时间；

将激光在中介面上的照明点固定，SPAD在中介面上的扫描点表示为(x_i,y_i,z_i)；

选取多个扫描点，确定视域外目标所在的位置区域；

由每个扫描点像素i收集数据计算得到的目标位置概率密度表示为狄拉克函数的形式：

P_i(t')∝δ(|R_2i|+|R_3i|-ct')

式中，R_2i和R_3i为每次探测的视域外光程；

通过对目标位置概率密度进行高斯拟合，则有其高斯函数的表达形式：

对应回波信号的时间信息，并且回波信号峰值与光子飞行时间成正比，σ是标准差，和发射激光脉冲的FWHM相关；

通过上式在非视域空间中投影得到目标物体在坐标系中各个位置的概率密度分布，多个椭圆交叉形成的截面即为非视域目标定位的联合概率密度分布最大位置，对应目标物体的实际坐标。

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