CN115935719A - 一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法和系统，属于探测技术领域，包括：计算空中目标所处的大气透过率，以确定所述空中目标的背景噪声；对所述空中目标进行小面元拆分，得到小面元集；对所述小面元集中每个小面元进行姿态变换；获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形；计算不同时刻的信号光子数和噪声光子数；对所述光子计数激光雷达中的单光子探测器的回波光子接收过程进行仿真，得到单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布。本发明的仿真过程更符合实际空中目标探测过程，仿真结果准确高，弥补了现有仿真方法未考虑空中目标复杂姿态变化的缺失。

Description

一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法和系统

技术领域

本发明属于探测技术领域，尤其涉及一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法和系统。

背景技术

远距离空中目标由于传输距离远和激光雷达散射截面小，导致激光雷达回波信号弱。光子计数激光雷达以高灵敏度、高探测精度和远探测距离的特点，被广泛应用于远距离目标的探测。光子计数激光雷达利用单光子探测器实现了单光子灵敏度，可有效地满足空中目标对高灵敏度的要求。

由于光子计数激光雷达中单光子探测器和时间相关光子计数技术的应用，使得光子计数激光雷达与传统的线性激光雷达存在探测机理上的差异，传统激光雷达的仿真方法已无法适用于光子计数激光雷达。空中目标的姿态样式具有多变性，与其他类型的目标探测存在较大差异，进而使得光子计数激光雷达对空中目标的探测难度增大。

发明内容

本发明的目的之一，在于提供一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法，该方法综合考虑了大气环境参数、系统参数和空中目标参数对空中目标探测的影响，仿真过程更符合实际空中目标探测过程，仿真结果准确高，弥补了现有仿真方法未考虑空中目标复杂姿态变化的缺失。

本发明的目的之二，在于提供一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的系统。

为了达到上述目的之一，本发明采用如下技术方案实现：

一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、计算空中目标所处的大气透过率，以确定所述空中目标的背景噪声；

步骤S2、对所述空中目标进行小面元拆分，得到小面元集；

步骤S3、对所述小面元集中每个小面元进行姿态变换；

步骤S4、根据姿态变换结果，获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形；

步骤S5、根据所述空中目标的背景噪声以及所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形，计算不同时刻的信号光子数和噪声光子数；

步骤S6、根据所述不同时刻的信号光子数和噪声光子数，对所述光子计数激光雷达中的单光子探测器的回波光子接收过程进行仿真，得到单光子探测器阵列中各个单元的光子回波概率分布。

进一步的，在步骤S1中，所述大气透过率为：

；

；

其中， T为大气透过率；λ为激光波长； λ ₀为常数； V为大气能见度，单位为 km；X为激光传输距离，单位为 km。

进一步的，在步骤S3中，按照如下公式进行姿态变换：

S（ x， y， z）= RS ₀（ x ₀， y ₀， z ₀）+ M（ x _m ， y _m ， z _m ）；

；

其中， S（ x， y， z）为姿态变换后的各个小面元坐标； S ₀（ x ₀， y ₀， z ₀）为姿态变换前的各个小面元坐标； M（ x _m ， y _m ， z _m ）为空中目标坐标的中心坐标； R为姿态变换矩阵； θ _pitch、 θ _roll和 θ _yaw分别为空中目标的俯仰角、翻滚角和偏航角。

进一步的，在所述步骤S4中，所述获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形的具体过程包括：

步骤S41、根据姿态变换结果，计算所述各个小面元到所述光子计数激光雷达中的激光器发射的激光中心轴的距离，以选取距离小于激光光斑半径的小面元并放入到新的小面元集中；

步骤S42、对所述激光器发射的激光进行分束；并从分束后得到的子激光中选取出与所述新的小面元集中小面元相交的子激光作为新子激光；

步骤S43、获取所述新的小面元集各个新的小面元与各个新子激光的交点，构成交点集；

步骤S44、从所述交点集中抽取出与同一个新子激光的交点，并选择距离激光器最近的交点所对应的小面元在不同时刻的波形作为对应新子激光不同时刻的脉冲波形；

步骤S45、对所有的新子激光不同时刻的脉冲波形进行求和，得到所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形。

进一步的，在所述步骤S6中，所述回波光子仿真的具体过程包括：

步骤S61、设置产生光子事件的时间t=1；

步骤S62、根据t时刻的信号光子数和噪声光子数，产生一个t时刻的泊松分布的随机数；

步骤S63、根据所述随机数，判断光子事件是否产生，如是，则将所述光子事件对应的时间进行存储，并令，进入步骤S64；如否，则令t=t+1，返回步骤S62；

步骤S64、判断t是否大于脉冲周期，如是，则进入步骤S65；如否，则令t=t+1，返回步骤S62；

其中，为所述单光子探测器的死时间；

步骤S65、判断t是否大于总探测时间，如是，则输出存储的所述光子事件对应的时间，以获取所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，结束；如否，则t=t+1，返回步骤S62。

进一步的，所述方法还包括：

步骤S7、根据所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，计算所述单光子探测器阵列各个单元获得的目标距离值，以获得所述空中目标的三维光子点云分布。

为了达到上述目的之二，本发明采用如下技术方案实现：

一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的系统，所述系统包括：

第一计算模块，用于计算空中目标所处的大气透过率，以确定所述空中目标的背景噪声；

拆分模块，用于对所述空中目标进行小面元拆分，得到小面元集；

姿态变换模块，用于对所述小面元集中每个小面元进行姿态变换；

获取模块，用于根据姿态变换结果，获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形；

第二计算模块，用于根据所述空中目标的背景噪声以及所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形，计算不同时刻的信号光子数和噪声光子数；

仿真模块，用于根据所述不同时刻的信号光子数和噪声光子数，对所述光子计数激光雷达中的单光子探测器的回波光子接收过程进行仿真，得到所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布。

进一步的，所述获取模块包括：

第一计算子模块，用于根据姿态变换结果，计算所述各个小面元到所述光子计数激光雷达中的激光器发射的激光中心轴的距离，以选取距离小于激光光斑半径的小面元并放入到新的小面元集中；

选取子模块，用于对所述激光器发射的激光进行分束；并从分束后得到的子激光中选取出与所述新的小面元集中小面元相交的子激光作为新子激光；

构成子模块，用于获取所述新的小面元集各个新的小面元与各个新子激光的交点，构成交点集；

抽取子模块，用于从所述交点集中抽取出与同一个新子激光的交点，并选择距离激光器最近的交点所对应的小面元在不同时刻的波形作为对应新子激光不同时刻的脉冲波形；

求和子模块，用于对所有的新子激光不同时刻的脉冲波形进行求和，得到所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形。

进一步的，所述仿真模块包括：

设置子模块，用于设置产生光子事件的时间t=1；

产生子模块，用于根据t时刻的信号光子数和噪声光子数，产生一个t时刻的泊松分布的随机数；

第一判断子模块，用于根据所述随机数，判断光子事件是否产生，如是，则将所述光子事件对应的时间进行存储，并令后传输给第二判断子模块；如否，则令t=t+1后传输给产生子模块；

第二判断子模块，用于判断t是否大于脉冲周期，如是，则将t传输给第三判断子模块；如否，则令t=t+1后传输给产生子模块；

其中，为所述单光子探测器的死时间；

第三判断子模块，用于判断t是否大于总探测时间，如是，则输出存储的所述光子事件对应的时间，以获取所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，结束；如否，则t=t+1后传输给产生子模块。

进一步的，所述系统还包括：

第二计算模块，用于根据所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，计算所述单光子探测器阵列各个单元获得的目标距离值，以获得所述空中目标的三维光子点云分布。

综上，本发明的技术方案的有益效果：

本发明通过大气环境参数，计算大气透过率和空中目标的背景噪声；通过将空中目标拆分成多个小面元，根据空中目标的姿态角，进行姿态变换，并根据姿态变换结果，获取空中目标不同时刻的激光脉冲回波；通过背景噪声和激光脉冲波形，计算不同时刻的信号光子数和噪声光子数；根据所述不同时刻的信号光子数和噪声光子数，对光子计数激光雷达中的单光子探测器的回波光子接收过程进行仿真，得到单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，在整个仿真过程中，同时考虑大气衰减、系统参数、目标姿态等参数，为光子探测系统设计或实际空中目标探测提供指导；本发明同时考虑了空中目标的姿态复杂性、激光传输收到的衰减、背景噪声和系统探测器多样性等对空中目标探测的影响，相较于传统和现有仿真方法，更符合实际空中目标探测过程，因此，具有较高的准确性；本发明从单光子探测的本质出发，对回波光子和噪声到达探测器的物理过程进行仿真，较好的还原了回波光子的特性和分布，对未来光子计数激光雷达的应用有一定的指导作用；本发明通过仿真空中目标的光子探测过程，可依据需求输出回波光子的统计概率分布，或经处理后的距离空间分布，极大地拓宽了仿真的使用范围，具有良好的实际指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法流程示意图；

图2为根据本发明实施例的激光脉冲回波仿真流程示意图；

图3为根据本发明实施例的回波光子仿真流程示意图；

图4为具体实施例的光子计数激光雷达与飞机的相对位置示意图；

图5为具体实施例的激光脉冲回波示意图；

图6为具体实施例的单个单元探测器的回波光子分布示意图；

图7为具体实施例的单元探测器探测的回波光子统计直方图；

图8为具体实施例的32×32的单光子探测器的探测结果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例只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。

本实施例给出了一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法，参考图1，该方法包括如下步骤：

S1、计算空中目标所处的大气透过率，以确定所述空中目标的背景噪声。

本实施例根据大气环境参数中的大气能见度以及激光传输距离，计算大气透过率。本实施例的大气透过率为：

；

；

其中， T为大气透过率；λ为激光波长； λ ₀为常数，一般取0.61 μm或0.55 μm； V为大气能见度，单位为 km；X为激光传输距离，单位为 km。

当大气能见度 V大于80 km时， q为1.6；当大气能见度 V大于6 km，小于80 km时， q为1.3；当大气能见度 V小于6 km时， q为。

由于背景噪声主要来源于太阳辐射噪声，本实施例根据大气透过率和系统参数，计算太阳辐射噪声，以确定空中目标的背景噪声。本实施例的系统参数包括发射激光参数、单光子探测器参数、光学系统接收口径、探测时间以及空中目标与到单光子探测系统的相对位置。发射激光参数包括功率、脉宽、发散角和重频。空中目标与到单光子探测系统的相对位置包括探测俯仰角、探测方位角和探测距离。

本实施例中，空中目标的背景噪声为：

；

其中， N _b 为空中目标的背景噪声； T为大气透过率； ρ为空中目标的反射率； η _q 为单光子探测器的量子探测效率； η _r 为接收光学系统的系统效率； A _r 为单光子探测器的接收面积； θ _fov为接收视场角；Δ λ为滤光片带宽； θ _sun为太阳照射方向与目标法向夹角； E _b为激光波长的地球海平面的太阳照度；“”为点乘。

S2、对所述空中目标进行小面元拆分，得到小面元集。

本实施根据空中目标特征参数中的空中目标形状和空中目标大小，利用3DMAX软件进行空中目标建模将空中目标拆分成多个小面元，本实施例中的小面元一般为三角形小面元。

S3、对所述小面元集中每个小面元进行姿态变换。

本实施例根据空中目标姿态角和空中目标的坐标中心 M（ x _m ， y _m ， z _m ），利用姿态变换公式，求得空中目标任意姿态的空间坐标 S（ x， y， z）（即姿态变换后的三角形面元坐标）。空中目标姿态角包括俯仰角、翻滚角和偏航角。

本实施例的姿态变换公式为：

S（ x， y， z）= RS ₀（ x ₀， y ₀， z ₀）+ M（ x _m ， y _m ， z _m ）；

；

其中， S（ x， y， z）为姿态变换后的各个小面元坐标； S ₀（ x ₀， y ₀， z ₀）为姿态变换前的各个小面元坐标； M（ x _m ， y _m ， z _m ）为空中目标的中心坐标； R为姿态变换矩阵； θ _pitch、 θ _roll和 θ _yaw分别为空中目标的俯仰角、翻滚角和偏航角。

S4、根据姿态变换结果，获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形。

本实施例利用任意姿态空中目标坐标（即姿态变换后的各个三角形面元坐标）和系统参数，采用激光分束方法，利用激光雷达方程，求得空中目标调制后的激光脉冲回波。

本实施例的激光雷达方程为：

；

；

；

；

；

其中， η _t和 η _r分别为发射系统和接收光学系统的系统效率； A _r为单光子探测器的接收面积； f _r（ x， y， z）为空中目标的双向反射分布函数；为空中目标所在位置的激光横截面的强度系数； F（ x， y， z）为旋转后的激光脉冲波形； ω为三角面元处激光光斑半径； ω _t 为 t时刻的小面元距离激光束中心的距离； g( t)为 t时刻的发射激光； FWHM为发射激光的半高全宽；为小面元法线与激光光束传输方向的夹角。

结合二重积分的换元定理，旋转后的激光脉冲回波分布可用垂直入射得到回波进行转换：

；

；

其中， F（ x， y， z）为旋转后的激光脉冲波形； F（ x ₀， y ₀， z ₀）分别为旋转前的激光脉冲波形；为雅克比行列式， A ₁为旋转后的小面元积分面积； A ₂为旋转前的小面元积分面积。由此可获得不同姿态角的小面元的激光波形。

如图2所示，根据系统参数，进行激光分束，使得单个激光发射脉冲变为众多发散角更小的子激光束。根据姿态变换后的小面元坐标，求每个小面元与单个发射激光中心轴的距离。根据光斑半径，对小面元进行筛选，即保留距离小于光斑半径的小面元。判断每个子激光束与保留后的小面元是否相交，若相交，则进行下一步；否则，继续判断下一个子激光束是否存在相交的小面元。若小面元与各个子激光束相交，利用交点，选择与激光器最近的小面元。基于系统参数，计算各个子激光束的回波系数。利用上述子激光束、小面元和回波系数，结合激光雷达方程，即可求得该每个子激光束对应的激光波形。最后，对所有子激光束的激光波形进行求和，得到空中目标调制后的单个激光脉冲波形。空中目标不同时刻的激光脉冲波形的具体过程包括：

步骤S41、根据姿态变换结果，计算所述各个小面元到所述光子计数激光雷达中的激光器发射的激光中心轴的距离，以选取距离小于激光光斑半径的小面元并放入到新的小面元集中；

步骤S42、对所述激光器发射的激光进行分束；并从分束后得到的子激光中选取出与所述新的小面元集中小面元相交的子激光作为新子激光；

步骤S43、获取所述新的小面元集各个新的小面元与各个新子激光的交点，构成交点集；

步骤S44、从所述交点集中抽取出与同一个新子激光的交点，并选择距离激光器最近的交点所对应的小面元在不同时刻的波形作为对应新子激光不同时刻的脉冲波形；

步骤S45、对所有的新子激光不同时刻的脉冲波形进行求和，得到所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形。

S5、根据所述空中目标的背景噪声以及所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形，计算不同时刻的信号光子数和噪声光子数。

本实施例中，不同时刻的信号光子数和噪声光子数分别为：

；

其中， N _s ( i)和 N _n ( i)分别为第 i个时间栅格 t _i 的信号光子数和噪声光子数； η _q 为单光子探测器的量子探测效率； L（ t）为空中目标在 t时刻的激光脉冲波形； hv为单光子能量； N _b 为空中目标的背景噪声； N _d 为单光子探测器的暗计数； t _i 为第 i个时间栅格对应的时间范围； τ _bin为时间栅格宽度。

S6、根据所述不同时刻的信号光子数和噪声光子数，对所述光子计数激光雷达中的单光子探测器的回波光子接收过程进行仿真，得到单光子探测器阵列中各个单元的光子回波概率分布。

本实施例根据不同时刻的信号光子数和噪声光子数，对空中目标的回波光子随机到达探测器被系统探测的整个物理过程进行模拟仿真，以获取光子回波概率分布。

本实施例利用信号光子数和噪声光子数，得到回波光子。然后利用回波光子，产生一个泊松分布的随机数；根据随机数，判断是否产生光子事件（当随机数大于0时，则产生光子事件，反之，则没产生光子事件）；若没产生光子事件，则将时间后移至下一个时间栅格，继续进行判断；若产生光子事件，一方面将该光子事件对应的时间进行存储，另一方面，探测时间后移死时间的长度（死时间为单光子探测器发生雪崩后无法响应的时间，属于单光子探测器的固有参数），再判断时间（探测时间后移死时间的长度对应的事件）是否超过脉冲周期（脉冲周期为发射激光脉冲周期，重频的倒数）；若未超过，则将时间后移至下一个时间栅格，然后继续进行判断；若超过脉冲周期，则进一步判断，探测时间是否超过整个探测周期（探测周期是指光子探测的整个时长），若未超过，则继续重复回波光子是否产生光子事件的判断，若超过整个探测周期，则仿真结束。光子回波概率分布在“数据存储”中。如图3所示，仿真的具体过程包括：

步骤S61、设置产生光子事件的时间t=1；

步骤S62、根据t时刻的信号光子数和噪声光子数，产生一个t时刻的泊松分布的随机数；

步骤S63、根据所述随机数，判断光子事件是否产生，如是，则将所述光子事件对应的时间进行存储，并令，进入步骤S64；如否，则令t=t+1，返回步骤S62；

步骤S64、判断t是否大于脉冲周期，如是，则进入步骤S65；如否，则令t=t+1，返回步骤S62；

其中，为所述单光子探测器的死时间；

步骤S65、判断t是否大于总探测时间，如是，则输出存储的所述光子事件对应的时间，以获取所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，结束；如否，则t=t+1，返回步骤S62。

当单光子探测器为单元探测器时，直接输出光子回波概率分布；当单光子探测器为多元时，利用质心方法，求得每个单光子探测器获得的目标距离值，进而得到空中目标的三维光子点云分布。因此，本实施例还包括：

步骤S7、根据所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，计算所述单光子探测器阵列各个单元获得的目标距离值，以获得所述空中目标的三维光子点云分布。

本实施例的质心距离公式为：

；

其中， R为质心距离； c为光速； P( i)为第 i个回波光子概率分布； T _p 为探测距离门； t _i 为第 i个时间栅格对应的时间范围。

下面以F22作为空中目标，飞机大小为19.62×4.50×14.30m。系统和空中目标的其他参数设置如表1：

表1 系统和空中目标的其他参数

1、大气透过率 T=44.9%，背景噪声。

2、根据探测俯仰角和方位角，得到光子计数激光雷达与飞机的相对位置，参考图4。激光脉冲回波参考图5。单个单元探测器的回波光子分布如图6。当单光子探测器为单元探测器时，探测的回波光子统计直方图，如图7所示。当单光子探测器为32×32时，探测结果如下图8所示。

3、图7显示的是噪声作用下空中目标的光子探测回波光子统计直方图，与图5相似度较高，但由于噪声的存在，使得探测的前端光子事件数较多，但整体是一致的。图8与图4的形态基本一致，说明在多元探测时，探测结果与仿真目标基本一致。

本实施例通过大气环境参数，计算大气透过率和空中目标的背景噪声；通过将空中目标拆分成多个小面元，根据空中目标的姿态角，进行姿态变换，并根据姿态变换结果，获取空中目标不同时刻的激光脉冲波形；通过背景噪声和激光脉冲波形，计算不同时刻的信号光子数和噪声光子数；根据所述不同时刻的信号光子数和噪声光子数，对所述光子计数激光雷达中的单光子探测器的回波光子接收过程进行仿真，得到单光子探测器阵列中各个单元的光子回波概率分布，在整个仿真过程中，同时考虑大气衰减、系统参数、目标姿态等参数，为光子探测系统设计或实际空中目标探测提供指导；本实施例同时考虑了空中目标的姿态复杂性、激光传输收到的衰减、背景噪声和系统探测器多样性等对空中目标探测的影响，相较于传统和现有仿真方法，更符合实际空中目标探测过程，具有较高的准确性；本实施例从单光子探测的本质出发，对回波光子和噪声到达探测器的物理过程进行仿真，较好的还原了回波光子的特性和分布，对未来光子计数激光雷达的应用有一定的指导作用；本实施例通过仿真空中目标的光子探测过程，可依据需求输出回波光子的统计概率分布，或经处理后的距离空间分布，极大地拓宽了仿真的使用范围，具有良好的实际指导意义。

上述实施例可采用如下实施例给出的技术方案实现：

另一实施例给出了一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的系统，该系统包括：

第一计算模块，用于计算空中目标所处的大气透过率，以确定所述空中目标的背景噪声；

拆分模块，用于对所述空中目标进行小面元拆分，得到小面元集；

姿态变换模块，用于对所述小面元集中每个小面元进行姿态变换；

获取模块，用于根据姿态变换结果，获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形；

第二计算模块，用于根据所述空中目标的背景噪声以及所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形，计算不同时刻的信号光子数和噪声光子数；

仿真模块，用于根据所述不同时刻的信号光子数和噪声光子数，对所述光子计数激光雷达中的单光子探测器的回波光子接收过程进行仿真，得到单光子探测器阵列中各个单元的光子回波概率分布。

进一步的，所述获取模块包括：

第一计算子模块，用于根据姿态变换结果，计算所述各个小面元到所述光子计数激光雷达中的激光器发射的激光中心轴的距离，以选取距离小于激光光斑半径的小面元并放入到新的小面元集中；

选取子模块，用于对所述激光器发射的激光进行分束；并从分束后得到的子激光中选取出与所述新的小面元集中小面元相交的子激光作为新子激光；

构成子模块，用于获取所述新的小面元集各个新的小面元与各个新子激光的交点，构成交点集；

抽取子模块，用于从所述交点集中抽取出与同一个新子激光的交点，并选择距离激光器最近的交点所对应的小面元在不同时刻的波形作为对应新子激光不同时刻的脉冲波形；

求和子模块，用于对所有的新子激光不同时刻的脉冲波形进行求和，得到所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形。

进一步的，所述仿真模块包括：

设置子模块，用于设置产生光子事件的时间t=1；

产生子模块，用于根据t时刻的信号光子数和噪声光子数，产生一个t时刻的泊松分布的随机数；

第一判断子模块，用于根据所述随机数，判断光子事件是否产生，如是，则将所述光子事件对应的时间进行存储，并令后传输给第二判断子模块；如否，则令t=t+1后传输给产生子模块；

第二判断子模块，用于判断t是否大于脉冲周期，如是，则将t传输给第三判断子模块；如否，则令t=t+1后传输给产生子模块；

其中，为所述单光子探测器的死时间；

第三判断子模块，用于判断t是否大于总探测时间，如是，则输出存储的所述光子事件对应的时间，以获取所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，结束；如否，则t=t+1后传输给产生子模块。

进一步的，所述系统还包括：

第二计算模块，用于根据所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，计算所述单光子探测器阵列各个单元获得的目标距离值，以获得所述空中目标的三维光子点云分布。

上述实施例所涉及的原理、公式及其参数定义均可适用，这里不再一一赘述。

请注意，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、计算空中目标所处的大气透过率，以确定所述空中目标的背景噪声；

步骤S2、对所述空中目标进行小面元拆分，得到小面元集；

步骤S3、对所述小面元集中每个小面元进行姿态变换；

步骤S4、根据姿态变换结果，获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形；

步骤S5、根据所述空中目标的背景噪声以及所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形，计算不同时刻的信号光子数和噪声光子数；

步骤S6、根据所述不同时刻的信号光子数和噪声光子数，对所述光子计数激光雷达中的单光子探测器的回波光子接收过程进行仿真，得到单光子探测器阵列中各个单元的光子回波概率分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述大气透过率为：

；

；

其中，T为大气透过率；λ为激光波长；λ₀为常数；V为大气能见度，单位为km；X为激光传输距离，单位为km。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，按照如下公式进行姿态变换：

S（x，y，z）=RS₀（x₀，y₀，z₀）+M（x_m，y_m，z_m）；

；

其中，S（x，y，z）为姿态变换后的各个小面元坐标；S₀（x₀，y₀，z₀）为姿态变换前的各个小面元坐标；M（x_m，y_m，z_m）为空中目标的中心坐标；R为姿态变换矩阵；θ_pitch、θ_roll和θ_yaw分别为空中目标的俯仰角、翻滚角和偏航角。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形的具体过程包括：

步骤S41、根据姿态变换结果，计算所述各个小面元到所述光子计数激光雷达中的激光器发射的激光中心轴的距离，以选取距离小于激光光斑半径的小面元并放入到新的小面元集中；

步骤S42、对所述激光器发射的激光进行分束；并从分束后得到的子激光中选取出与所述新的小面元集中小面元相交的子激光作为新子激光；

步骤S43、获取所述新的小面元集各个新的小面元与各个新子激光的交点，构成交点集；

步骤S44、从所述交点集中抽取出与同一个新子激光的交点，并选择距离激光器最近的交点所对应的小面元在不同时刻的波形作为对应新子激光不同时刻的脉冲波形；

步骤S45、对所有的新子激光不同时刻的脉冲波形进行求和，得到所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤S6中，所述仿真的具体过程包括：

步骤S61、设置产生光子事件的时间t=1；

步骤S62、根据t时刻的信号光子数和噪声光子数，产生一个t时刻的泊松分布的随机数；

步骤S63、根据所述随机数，判断光子事件是否产生，如是，则将所述光子事件对应的时间进行存储，并令，进入步骤S64；如否，则令t=t+1，返回步骤S62；

步骤S64、判断t是否大于脉冲周期，如是，则进入步骤S65；如否，则令t=t+1，返回步骤S62；

其中，为所述单光子探测器的死时间；

步骤S65、判断t是否大于总探测时间，如是，则输出存储的所述光子事件对应的时间，以获取所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，结束；如否，则t=t+1，返回步骤S62。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤S7、根据所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，计算所述单光子探测器阵列各个单元获得的目标距离值，以获得所述空中目标的三维光子点云分布。

7.一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的系统，其特征在于，所述系统包括：

第一计算模块，用于计算空中目标所处的大气透过率，以确定所述空中目标的背景噪声；

拆分模块，用于对所述空中目标进行小面元拆分，得到小面元集；

姿态变换模块，用于对所述小面元集中每个小面元进行姿态变换；

获取模块，用于根据姿态变换结果，获取所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形；

第二计算模块，用于根据所述空中目标的背景噪声以及所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形，计算不同时刻的信号光子数和噪声光子数；

仿真模块，用于根据所述不同时刻的信号光子数和噪声光子数，对所述光子计数激光雷达中的单光子探测器的回波光子接收过程进行仿真，得到所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述获取模块包括：

第一计算子模块，用于根据姿态变换结果，计算所述各个小面元到所述光子计数激光雷达中的激光器发射的激光中心轴的距离，以选取距离小于激光光斑半径的小面元并放入到新的小面元集中；

选取子模块，用于对所述激光器发射的激光进行分束；并从分束后得到的子激光中选取出与所述新的小面元集中小面元相交的子激光作为新子激光；

构成子模块，用于获取所述新的小面元集各个新的小面元与各个新子激光的交点，构成交点集；

抽取子模块，用于从所述交点集中抽取出与同一个新子激光的交点，并选择距离激光器最近的交点所对应的小面元在不同时刻的波形作为对应新子激光不同时刻的脉冲波形；

求和子模块，用于对所有的新子激光不同时刻的脉冲波形进行求和，得到所述空中目标不同时刻的激光脉冲波形。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述仿真模块包括：

设置子模块，用于设置产生光子事件的时间t=1；

产生子模块，用于根据t时刻的信号光子数和噪声光子数，产生一个t时刻的泊松分布的随机数；

第一判断子模块，用于根据所述随机数，判断光子事件是否产生，如是，则将所述光子事件对应的时间进行存储，并令后传输给第二判断子模块；如否，则令t=t+1后传输给产生子模块；

第二判断子模块，用于判断t是否大于脉冲周期，如是，则将t传输给第三判断子模块；如否，则令t=t+1后传输给产生子模块；

其中，为所述单光子探测器的死时间；

第三判断子模块，用于判断t是否大于总探测时间，如是，则输出存储的所述光子事件对应的时间，以获取所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，结束；如否，则t=t+1后传输给产生子模块。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

第二计算模块，用于根据所述单光子探测器阵列各个单元的光子回波概率分布，计算所述单光子探测器阵列各个单元获得的目标距离值，以获得所述空中目标的三维光子点云分布。

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