CN115494512A - 一种基于伪随机编码的多重频单光子测距方法及系统 - Google Patents

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CN115494512A CN202211424835.0A CN202211424835A CN115494512A CN 115494512 A CN115494512 A CN 115494512A CN 202211424835 A CN202211424835 A CN 202211424835A CN 115494512 A CN115494512 A CN 115494512A
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Abstract

本发明属于测距领域，具体为一种基于伪随机编码的多重频单光子测距方法及系统，克服现有单光子测距方法无法兼顾短的信号数据获取时间、高系统灵活性以及高抗噪声能力的难题。本发明基于伪随机编码具有灵活性的特点，采用伪随机编码序列对多重频测距的基础信号进行编码，使得多重频测距也具有根据目标而变化的灵活性，提高系统的灵活性以及抗噪能力；而在远距离测距方面，本发明在时间数据累计方面上，运用了多重频测距方法，使得累计时间要比单一的伪随机编码减少许多。因此，本发明基于伪随机编码的多重频单光子测距方法可以兼顾短的信号数据获取时间、高系统灵活性以及高抗噪声能力，满足了单光子测距领域的需求。

Description

一种基于伪随机编码的多重频单光子测距方法及系统
技术领域
本发明属于测距领域，具体为一种基于伪随机编码的多重频单光子测距方法及系统。
背景技术
单光子测距具有探测极低能量（单脉冲能量平均不足一个光子）信号的能力，从而实现对远距离目标的探测，并获得高精度的探测结果。
为了快速获得回波信号的有效数据，系统设计者往往采用高重频激光器，但是在远距离测量中，信号的飞行时间超过了信号的周期时间，这就导致无法准确判定回波信号与发射信号的对应问题，从而导致了距离模糊。
处理距离模糊的方法主要有两种：伪随机编码方法和多重频测距方法。伪随机编码方法虽然可以有效的解决高重频引起的距离模糊，并且能够提升系统的抗噪能力和系统的测距精度，但是也会引起数据信号获取时间的增加。而多重频测距方法虽然可以缩减数据信号的获取时间，但是对信号频率限制较大，降低了系统设计的灵活性。
综上所述，目前单光子测距领域亟需一种能够解决上述问题的测距方法，既能够增强系统的抗噪声能力，又能够缩减信号数据的获取时间，同时增加系统设计的灵活性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于伪随机编码的多重频单光子测距方法及系统，以克服现有单光子测距方法无法兼顾短的信号数据获取时间、高系统灵活性以及高抗噪声能力的难题。
本发明的技术方案是：
一种基于伪随机编码的多重频单光子测距方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、获取编码长度为N和N+1的多相伪随机编码序列；其中N为大于1的整数；
步骤2、分别利用编码长度为N和N+1的多相伪随机编码序列对基础信号进行编码， 获得对应的编码信号e 1 (n 1 )与编码信号e 2(n 2)；通过单光子测距系统分别发射编码信号e 1 (n 1 )和编码信号e 2(n 2)，将获得的回波信号进行周期累计，获取对应的回波序列r 1(n 1 )和r 2 (n 2)；其中，
Figure 633013DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 851505DEST_PATH_IMAGE002
分别为对应序列中的元素；
步骤3、对编码信号e 1 (n 1 )和回波序列r 1(n 1 )做相关，解算第一飞行时间
Figure 117401DEST_PATH_IMAGE003
；对编码 信号e 2 (n 2 )和回波序列r 2(n 2 )做相关，解算第二飞行时间
Figure 319713DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤4、基于步骤3获得的第一飞行时间
Figure 962047DEST_PATH_IMAGE003
和第二飞行时间
Figure 566203DEST_PATH_IMAGE004
，判断编码信号e 1 (n 1 )和编码信号e 2(n 2)在经过相同飞行时间的前提下，二者的周期个数关系，进而基于多重 频测距方法，计算飞行时间
Figure 3001DEST_PATH_IMAGE005
，进而获得距离值。
进一步地，步骤4基于下述方法计算飞行时间
Figure 191143DEST_PATH_IMAGE005
：
步骤4.1、基于下式计算时间
Figure 371589DEST_PATH_IMAGE006
和时间
Figure 830252DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure 437951DEST_PATH_IMAGE008
Figure 614854DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 598991DEST_PATH_IMAGE010
为基础信号的重复频率；
步骤4.2、判断
Figure 177740DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 690761DEST_PATH_IMAGE007
和[0,
Figure 856425DEST_PATH_IMAGE011
）范围的关系，将落入[0,
Figure 644253DEST_PATH_IMAGE011
）范围内的时间
Figure 77508DEST_PATH_IMAGE006
或
Figure 27009DEST_PATH_IMAGE007
作为飞行时间
Figure 912926DEST_PATH_IMAGE005
。
进一步地，步骤1具体为：
步骤1.1、根据目标距离，确定多相伪随机编码序列的编码长度
Figure 238865DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤1.2、分别获取编码长度为N的多相伪随机编码序列和编码长度为N+1的多相伪随机编码序列；
步骤1.21、设置种子序列；
步骤1.22、根据Mersenne Twister算法生成随机数；
步骤1.23、判断随机数与预设的调制位置比例阈值大小，若随机数小于预设的调制位置比例阈值，则认为该随机数在多相伪随机编码序列中对应的位置为调制位置，将该调制位置赋值为该调制位置对应的强度值，并将该调制位置之后的缓冲位置的强度值设为零，更新种子序列；若随机数大于等于预设的调制位置比例阈值，则认为该随机数在多相伪随机编码序列中对应的位置为非调制位置，将该非调制位置赋值为零，更新种子序列；
步骤1.24、判断是否达到预设编码长度，若是，则结束更新，获得编码长度为N的多相伪随机编码序列和编码长度为N+1的多相伪随机编码序列；若否，则返回步骤1.22，直到获得编码长度为N的多相伪随机编码序列和编码长度为N+1的多相伪随机编码序列。
进一步地，步骤1.1中，所述确定多相伪随机编码序列的编码长度
Figure 526627DEST_PATH_IMAGE012
，基于下式计 算：
Figure 647030DEST_PATH_IMAGE013
Figure 790216DEST_PATH_IMAGE014
其中，D为目标距离，
Figure 654267DEST_PATH_IMAGE015
为基础信号的最大非模糊距离，ceil函数为对朝正无穷 大方向取整。
进一步地，步骤3具体为：
步骤3.1、使用快速傅里叶变换对编码信号e 1 (n 1 )进行离散傅里叶变换，获得变换 后的序列
Figure 796535DEST_PATH_IMAGE016
；使用快速傅里叶变换对回波序列r 1(n 1 )进行离散傅里叶变换，获得变 换后的序列
Figure 353418DEST_PATH_IMAGE017
；其中
Figure 213927DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 881669DEST_PATH_IMAGE019
分别为对应序列中的元素；
步骤3.2、求出
Figure 878443DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 606228DEST_PATH_IMAGE017
二者的相关函数序列
Figure 94978DEST_PATH_IMAGE020
； 其中
Figure 661351DEST_PATH_IMAGE021
为
Figure 919157DEST_PATH_IMAGE022
序列中的元素；
步骤3.3、对相关函数序列
Figure 942477DEST_PATH_IMAGE022
进行傅里叶逆变换，将变换后的序列，记 为
Figure 387364DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 521543DEST_PATH_IMAGE024
为序列
Figure 633855DEST_PATH_IMAGE023
中的元素；
步骤3.4、选取序列
Figure 562497DEST_PATH_IMAGE023
中最大值所对应的序列位置，并且将该位置记 为Bins；则第一飞行时间
Figure 760260DEST_PATH_IMAGE025
；其中
Figure 665506DEST_PATH_IMAGE026
为系统的最小时间 分辨率；
步骤3.5、对编码信号e 2(n 2)和回波序列r 2(n 2 )，采用与3.1-3.4相同的步骤，获得 第二飞行时间
Figure 897904DEST_PATH_IMAGE004
。
本发明还提供一种基于伪随机编码的多重频单光子测距系统，包括存储器及处理器，存储器内存储有计算机程序，其特殊之处在于：上述计算机程序在处理器中被执行时，实现上述基于伪随机编码的多重频单光子测距方法的步骤。
本发明的有益效果是：
1、本发明基于伪随机编码具有灵活性的特点，采用伪随机编码序列对多重频测距的基础信号进行编码，使得多重频测距也具有根据目标而变化的灵活性，提高了系统的灵活性以及抗噪能力；而在远距离测距方面，本发明在时间数据累计方面上，运用了多重频测距方法，使得累计时间要比单一的伪随机编码减少许多。因此，本发明基于伪随机编码的多重频单光子测距方法可以兼顾短的信号数据获取时间、高系统灵活性以及高抗噪声能力，满足单光子测距领域需求。
2、本发明通过使用伪随机编码多重频率信号，使得对不同频率信号的选择不再成为问题。
3、本发明采用伪随机编码序列对多重频测距的基础信号进行编码，增强了信号的相关性，与单纯的多重频信号相比，测距精度更高。
附图说明
图1为本发明实施例中伪随机编码生成的流程图；
图2为本发明实施例中第一飞行时间
Figure 731868DEST_PATH_IMAGE027
的解算流程图；
图3为本发明实施例中所选不同频率信号所对应的经过周期个数的关系图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明做进一步地描述。
结合图1至图3，本发明基于伪随机编码的多重频单光子测距方法通过下述步骤实现：
步骤一、预设相关参数。
此处的相关参数包括多相伪随机编码序列生成的算法参数以及MersenneTwister算法（马特赛特旋转演算法）的相关参数；其中多相伪随机编码序列生成的算法参数包括调制位置比例阈值、调制位置对应的强度值和缓冲位数buff。多相伪随机编码序列生成的算法参数还包括编码长度，本实施例需要基于两条多相伪随机编码序列，将两条多相伪随机编码序列的编码长度分别定义为N和N+1，其中N为大于1的整数；根据目标距离计算得出合适的编码长度N和编码长度N+1，具体步骤如下：
1.1）计算基础信号的最大非模糊距离。
选取自身激光器所能提供的稳定的高频率信号（基础信号），获取该频率信号能稳定探测出的最大距离：
Figure 541561DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 892908DEST_PATH_IMAGE029
为真空中的光速，
Figure 838867DEST_PATH_IMAGE010
是基础信号的重复频率，
Figure 515836DEST_PATH_IMAGE030
为基础信号的重复频 率所对应的飞行时间。
1.2）根据目标距离要求，计算出完成目标距离探测需要提升的理论模糊距离提升倍数：
Figure 422612DEST_PATH_IMAGE014
其中，D为目标距离。
1.3）根据多重频的测距方法，计算出能够探测目标距离的最小编码数，即为编码长度N。
根据编码长度N和N+1，确定对应的模糊距离提升倍数，对应的模糊距离的提升倍数即为二者所对应的最小公倍数N（N+1）。
只要N 2
Figure 938169DEST_PATH_IMAGE031
，即可使得N（N+1）
Figure 879580DEST_PATH_IMAGE031
，保证编码后的信号 可以探测到目标；因此，可通过下式计算编码长度N：
Figure 55347DEST_PATH_IMAGE032
其中，ceil函数指的是对朝正无穷大方向取整。
步骤二、如图1所示，分别获取编码长度为N和N+1的多相伪随机编码序列；
2.1）设置种子序列；
2.2）根据Mersenne Twister算法生成随机数；
2.3）根据随机数预设的调制位置比例阈值，判断该随机数在多相伪随机编码序列中对应的位置是否为调制位置，若随机数小于预设的调制位置比例阈值，则认为该随机数在多相伪随机编码序列中对应的位置为调制位置，将该调制位置赋值为该调制位置对应的强度值，并将该调制位置之后的缓冲位置的强度值设为零，更新种子序列；若随机数大于等于预设的调制位置比例阈值，则认为该随机数在多相伪随机编码序列中对应的位置为非调制位置，将该非调制位置赋值为零，更新种子序列；
2.4）判断是否达到预设编码长度，若是，则结束更新，否则返回步骤2.2），直到获得编码长度为N和N+1的完整的多相伪随机编码序列。
步骤三、如图2所示，利用编码长度为N和N+1的多相伪随机编码序列对基础信号进 行编码，获得对应的编码信号e 1 (n 1 )与编码信号e 2(n 2)；通过单光子测距系统分别发射编码 信号e 1 (n 1 )和编码信号e 2(n 2)，将获得的回波信号进行周期累计处理，获取对应的回波序列r 1(n 1 )和r 2(n 2)；其中，
Figure 574053DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 267202DEST_PATH_IMAGE002
分别为对应序列中的元素；
对编码信号e 1 (n 1 )和回波序列r 1(n 1 )做相关，解算第一飞行时间
Figure 235026DEST_PATH_IMAGE003
；对编码信号e 2 (n 2)和回波序列r 2(n 2)做相关，解算第二飞行时间
Figure 112852DEST_PATH_IMAGE004
；
3.1）利用步骤二获取编码长度为N的多相伪随机编码序列对基础信号进行编码，获得对应的编码信号e 1 (n 1 )，通过单光子测距系统发射编码信号e 1 (n 1 )并且将获得的信号累计处理获得回波序列r 1(n 1 )；
3.2）使用快速傅里叶变换对编码信号e 1 (n 1 )进行离散傅里叶变换，获得变换后的 序列
Figure 994220DEST_PATH_IMAGE016
；
Figure 350115DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure 539DEST_PATH_IMAGE018
表示序列
Figure 49267DEST_PATH_IMAGE016
的元素；
Figure 417931DEST_PATH_IMAGE034
表示离散傅里叶变换函数，
Figure 78982DEST_PATH_IMAGE035
表示对编码信号e 1 (n 1 )进行离散傅里叶变换的旋转因子。
3.3）使用快速傅里叶变换对回波序列r 1(n 1 )进行离散傅里叶变换，获得变换后的 序列
Figure 583913DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 944487DEST_PATH_IMAGE036
其中，
Figure 659502DEST_PATH_IMAGE019
表示序列
Figure 498145DEST_PATH_IMAGE017
的元素，
Figure 982216DEST_PATH_IMAGE037
表示对回波序列r 1(n 1 )进行离散傅 里叶变换的旋转因子。
3.4）求出
Figure 513691DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 716003DEST_PATH_IMAGE017
二者的相关函数序列
Figure 358336DEST_PATH_IMAGE020
；其中，
Figure 195449DEST_PATH_IMAGE021
为
Figure 897826DEST_PATH_IMAGE022
序列中的元素；
Figure 321854DEST_PATH_IMAGE038
表 示
Figure 361354DEST_PATH_IMAGE017
的共轭序列；
3.5）对相关函数序列
Figure 226542DEST_PATH_IMAGE022
进行傅里叶逆变换（IFFT），获得序列
Figure 834241DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 11144DEST_PATH_IMAGE024
为序列
Figure 729702DEST_PATH_IMAGE023
中的元素；
Figure 809915DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 588515DEST_PATH_IMAGE040
为傅里叶逆变换中的旋转因子。
3.6）选取序列
Figure 252715DEST_PATH_IMAGE023
中最大值所对应的序列位置，并且将该位置记为 Bins，则第一飞行时间
Figure 774963DEST_PATH_IMAGE041
，其中
Figure 208219DEST_PATH_IMAGE042
为单光子测距系统的最 小时间分辨率；
3.7）对编码长度为N+1的多相伪随机编码序列，采用与3.1）-3.6）相同的步骤，获 得第二飞行时间
Figure 157720DEST_PATH_IMAGE043
；
步骤四、使用步骤三获得的第一飞行时间
Figure 43636DEST_PATH_IMAGE044
和第二飞行时间
Figure 635155DEST_PATH_IMAGE043
，判断编码信号e 1 (n 1 )和编码信号e 2(n 2)经过相同飞行时间的周期个数关系
Figure 427311DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure 547714DEST_PATH_IMAGE046
，并进一步计算出飞行 时间，其中
Figure 186506DEST_PATH_IMAGE045
为编码信号e 1 (n 1 )的周期个数，
Figure 316136DEST_PATH_IMAGE046
为编码信号e 2(n 2)的周期个数。
4.1）判断
Figure 192825DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure 15287DEST_PATH_IMAGE046
的关系；
如图3所示，编码信号e 1 (n 1 )和编码信号e 2(n 2)的周期比值为N：（N+1），其周期的最小公倍数为T：
Figure 751162DEST_PATH_IMAGE047
在经过相同飞行时间的前提下，编码信号e 1 (n 1 )和编码信号e 2(n 2)所经过的周期 个数
Figure 277958DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure 415679DEST_PATH_IMAGE046
的关系有以下两种可能：
当飞行时间对应的回波信号位置在位置1处，该位置下的周期个数关系为：
Figure 769562DEST_PATH_IMAGE048
。
当飞行时间对应的回波信号位置在位置2处，该位置下的周期个数关系为：
Figure 727154DEST_PATH_IMAGE050
。
4.2）计算实际飞行时间t。
分别将4.1）中两种周期个数关系带入多重频测距公式中：
Figure 323220DEST_PATH_IMAGE051
计算出两组解
Figure 315447DEST_PATH_IMAGE052
或者
Figure 338766DEST_PATH_IMAGE053
， 之后根据时间t的取值范围[0,
Figure 49233DEST_PATH_IMAGE054
）具体确定出符合要求的实际飞行时间 t。

Claims (6)

1.一种基于伪随机编码的多重频单光子测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取编码长度为N和N+1的多相伪随机编码序列；其中N为大于1的整数；
步骤2、分别利用编码长度为N和N+1的多相伪随机编码序列对基础信号进行编码，获得 对应的编码信号e 1 (n 1 )与编码信号e 2(n 2)；通过单光子测距系统分别发射编码信号e 1 (n 1 )和 编码信号e 2(n 2)，将获得的回波信号进行周期累计，获取对应的回波序列r 1(n 1 )和r 2(n 2)；其 中，
Figure 384350DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure DEST_PATH_IMAGE002
分别为编码信号e 1 (n 1 )与编码信号e 2(n 2)中的元素；
步骤3、对编码信号e 1 (n 1 )和回波序列r 1(n 1 )做相关，解算第一飞行时间
Figure 114540DEST_PATH_IMAGE003
；对编码信号e 2 (n 2 )和回波序列r 2(n 2 )做相关，解算第二飞行时间
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤4、基于步骤3获得的第一飞行时间
Figure 956594DEST_PATH_IMAGE003
和第二飞行时间
Figure 820645DEST_PATH_IMAGE004
，判断编码信号e 1 (n 1 )和 编码信号e 2(n 2)在经过相同飞行时间的前提下，二者的周期个数关系，进而基于多重频测距 方法，计算飞行时间
Figure 495338DEST_PATH_IMAGE005
，进而获得距离值。
2.根据权利要求1所述的基于伪随机编码的多重频单光子测距方法，其特征在于，步骤 4基于下述方法计算飞行时间
Figure 786642DEST_PATH_IMAGE005
：
步骤4.1、基于下式计算时间
Figure DEST_PATH_IMAGE006
和时间
Figure 381571DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
Figure 393521DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为基础信号的重复频率；
步骤4.2、判断
Figure 124716DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 960823DEST_PATH_IMAGE007
和[0,
Figure 183994DEST_PATH_IMAGE011
）范围的关系，将落入[0,
Figure 655427DEST_PATH_IMAGE011
）范围内的时间
Figure 506708DEST_PATH_IMAGE006
或
Figure 670973DEST_PATH_IMAGE007
作为飞行时间
Figure 256806DEST_PATH_IMAGE005
。
3.根据权利要求1或2所述的基于伪随机编码的多重频单光子测距方法，其特征在于，步骤1具体为：
步骤1.1、根据目标距离，确定多相伪随机编码序列的编码长度
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤1.2、分别获取编码长度为N的多相伪随机编码序列和编码长度为N+1的多相伪随机编码序列；
步骤1.21、设置种子序列；
步骤1.22、根据Mersenne Twister算法生成随机数；
步骤1.23、判断随机数与预设的调制位置比例阈值大小，若随机数小于预设的调制位置比例阈值，则认为该随机数在多相伪随机编码序列中对应的位置为调制位置，将该调制位置赋值为该调制位置对应的强度值，并将该调制位置之后的缓冲位置的强度值设为零，更新种子序列；若随机数大于等于预设的调制位置比例阈值，则认为该随机数在多相伪随机编码序列中对应的位置为非调制位置，将该非调制位置赋值为零，更新种子序列；
步骤1.24、判断是否达到预设编码长度，若是，则结束更新，获得编码长度为N的多相伪随机编码序列和编码长度为N+1的多相伪随机编码序列；若否，则返回步骤1.22，直到获得编码长度为N的多相伪随机编码序列和编码长度为N+1的多相伪随机编码序列。
4.根据权利要求3所述的基于伪随机编码的多重频单光子测距方法，其特征在于，步骤 1.1中，所述确定多相伪随机编码序列的编码长度
Figure 859826DEST_PATH_IMAGE012
，基于下式计算：
Figure 972139DEST_PATH_IMAGE013
Figure DEST_PATH_IMAGE014
其中，D为目标距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为基础信号的最大非模糊距离，ceil函数为对朝正无穷大方向 取整，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为理论模糊距离提升倍数。
5.根据权利要求3所述的基于伪随机编码的多重频单光子测距方法，其特征在于，步骤3具体为：
步骤3.1、使用快速傅里叶变换对编码信号e 1 (n 1 )进行离散傅里叶变换，获得变换后的 序列
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；使用快速傅里叶变换对回波序列r 1(n 1 )进行离散傅里叶变换，获得变换后 的序列
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；其中
Figure 25414DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure DEST_PATH_IMAGE020
分别为序列
Figure 816653DEST_PATH_IMAGE017
和序列
Figure 364309DEST_PATH_IMAGE018
中的元素；
步骤3.2、求出
Figure 705029DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 945517DEST_PATH_IMAGE018
二者的相关函数序列
Figure 630577DEST_PATH_IMAGE021
； 其中
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为
Figure 575399DEST_PATH_IMAGE023
序列中的元素；
Figure DEST_PATH_IMAGE024
表示
Figure 6511DEST_PATH_IMAGE018
的共轭序列；
步骤3.3、对相关函数序列
Figure 542535DEST_PATH_IMAGE023
进行傅里叶逆变换，将变换后的序列，记为
Figure 449311DEST_PATH_IMAGE025
；
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为序列
Figure 452951DEST_PATH_IMAGE025
中的元素；
步骤3.4、选取序列
Figure 394362DEST_PATH_IMAGE025
中最大值所对应的序列位置，并且将该位置记为 Bins；则第一飞行时间
Figure 101287DEST_PATH_IMAGE027
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为系统的最 小时间分辨率；
步骤3.5、对编码信号e 2(n 2)和回波序列r 2(n 2 )，采用与3.1-3.4相同的步骤，获得第二飞 行时间
Figure 105146DEST_PATH_IMAGE004
。
6.一种基于伪随机编码的多重频单光子测距系统，包括存储器及处理器，存储器内存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序在处理器中被执行时，实现权利要求1-5任一所述基于伪随机编码的多重频单光子测距方法的步骤。
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