一種采用相鄰像元閾值法實時濾噪的光子計數成像激光雷達制造技術

一種采用相鄰像元閾值法實時濾噪的光子計數成像激光雷達，涉及激光雷達技術領域。解決了現有的光子技術成像激光雷達噪聲濾除技術無法滿足實時應用的要求的問題。脈沖激光信號入射至分束器后形成兩路信號；一路信號經PIN探測器處理后輸出至相鄰像元閾值處理模塊；另一路信號經發射光學系統準直后照射到目標；目標對另一路信號進行傳播后輸出回波信號經接收光學系統和Gm-APD單光子探測器陣列后，通過相鄰像元閾值處理模塊記錄具有時間相關性的回波信號并將該信號與起始信號做比較，得到Gm-APD單光子探測器陣列對應像素的往返時間差，通過該往返時間差經過計算得到該對應像素目標的距離值，最終獲得目標三維距離像。它適用于激光成像中的噪聲濾除。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及激光雷達
，特別涉及一種可以實時進行的光子計數成像激光雷達噪聲濾除技術。
技術介紹
光子計數成像激光雷達可以在光子匱乏的情況下(平均每個像素每個回波脈沖不足一個光子)對目標進行探測，因此成為了激光雷達領域的研究熱點。但是正是由于光子計數成像激光雷達極高的響應靈敏度，使得光子計數成像激光雷達也極易被噪聲觸發，從而產生大量的虛警，嚴重影響成像質量。目前的光子計數成像激光雷達噪聲濾除技術主要為多脈沖累計和圖像后處理技術，這些傳統的技術都需要累積探測時間或是后處理時間，無法滿足實時應用的要求。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決現有的光子技術成像激光雷達噪聲濾除技術無法滿足實時應用的要求的問題，提出了一種采用相鄰像元閾值法實時濾噪的光子計數成像激光雷達。一種采用相鄰像元閾值法實時濾噪的光子計數成像激光雷達，它包括激光器1、分束器2、發射光學系統3、PIN探測器4、接收光學系統5、Gm-APD單光子探測器陣列6和相鄰像元閾值處理模塊7；激光器1用于產生脈沖激光信號，該脈沖激光信號入射至分束器2，經分束器2形成兩路脈沖激光信號，一路為經過分束器2反射的反射脈沖激光信號，另一路為經過分束器2透射的透射脈沖激光信號；反射脈沖激光信號入射至PIN探測器4，經PIN探測器4處理后輸出起始信號，該起始信號輸出至相鄰像元閾值處理模塊7；透射脈沖激光信號入射至發射光學系統3，經發射光學系統3準直后照射到目標；目標對經發射光學系統3準直后的透射脈沖激光信號進行反射和往返傳播后，目標輸出回波信號至接收光學系統5，經接收光學系統5收集后入射至Gm-APD單光子探測器陣列6，經Gm-APD單光子探測器陣列6聚焦處理后，通過相鄰像元閾值處理模塊7記錄具有時間相關性的回波信號，濾除隨機分布不具備時間相關性的噪聲信號；相鄰像元閾值處理模塊7將具有時間相關性的回波信號與起始信號做比較，得到Gm-APD單光子探測器陣列6對應像素的往返時間差，通過該往返時間差經過計算得到該對應像素目標的距離值，最終獲得目標三維距離像。一種采用相鄰像元閾值法實時濾噪的光子計數成像激光雷達，它還包括圖像顯示及存儲模塊8，圖像顯示及存儲模塊8用于顯示及存儲相鄰像元閾值處理模塊7處理后輸出的目標三維距離像。激光器1為窄脈沖激光器。Gm-APD單光子探測器陣列6具有m×n個Gm-APD單光子探測器，每個Gm-APD單光子探測器為一個像元；m和n均為正整數。經Gm-APD單光子探測器陣列6聚焦處理后，通過相鄰像元閾值處理模塊7記錄具有時間相關性的回波信號，濾除隨機分布不具備時間相關性的噪聲信號，其過程如下：將Gm-APD單光子探測器陣列6中的m×n個Gm-APD單光子探測器劃分為c個基本單元，每個基本單元包括a×b個像元；a，b，c均為正整數；每個基本單元內的a×b個像元的邏輯電平實時相加，當相加后的總和大于相鄰像元閾值處理模塊7內的設定閾值時，判斷回波信號為具有時間相關性的回波信號，當相加后的總和小于相鄰像元閾值處理模塊7的設定閾值時，判斷回波信號為隨機分布不具備時間相關性的噪聲信號。有益效果：本專利技術公開了一種采用相鄰像元閾值法實時濾噪的光子計數成像激光雷達。子計數成像激光雷達采用蓋革模式雪崩光電二極管(即Gm-APD)作為探測器，Gm-APD單光子探測器具有單光子響應的靈敏度，除此之外，Gm-APD單光子探測器還具有體積小，重量輕，功耗小，極大的提升了光子計數成像激光雷達的性能。也正是由于Gm-APD單光子探測器極高的響應靈敏度，不可避免的噪聲(這包括背景噪聲，暗計數噪聲等等)極易被其響應，從而產生大量虛警嚴重影響成像質量，甚至晴朗白天太陽背景噪聲成為了光子計數成像激光雷達獲取一個清晰3D距離像的最大挑戰。本專利技術提出了一個巧妙的方案設計，利用回波信號具有相關性而噪聲不具有相關性的差異，采用相鄰像元閾值法直接在信號探測階段濾除噪聲產生的虛警，從而無需后續處理實時的獲得一個清晰的目標三維距離像，解決了現有的光子技術成像激光雷達噪聲濾除技術無法滿足實時應用的要求。本專利技術適用于激光成像中的噪聲濾除。附圖說明圖1為一種采用相鄰像元閾值法實時濾噪的光子計數成像激光雷達的原理框圖；圖2、圖3和圖4為一個基本單元的工作原理圖；其中，圖2為m×n個像元被劃分為多個3×3像元的基本單元；圖3為一個基本像元的計時電路圖，每個像元都有自己的計時電路，一個基本單元有一個總的計時電路；圖4為基本單元內的信號處理流程示意圖；圖5為實施例中的當基本單元像元數N＝9時，不同信號噪聲強度下閾值Y的結果；圖6至圖9為成像結果的比較，其中，圖6為沒有采用相鄰像元閾值法去噪的直接探測結果示意圖；圖7為閾值Y＝6時獲得的探測結果；圖8為閾值Y＝7時獲得的探測結果；圖9為閾值Y＝8時獲得的探測結果。具體實施方式具體實施方式一、參照圖1具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種采用相鄰像元閾值法實時濾噪的光子計數成像激光雷達，它包括激光器1、分束器2、發射光學系統3、PIN探測器4、接收光學系統5、Gm-APD單光子探測器陣列6和相鄰像元閾值處理模塊7；激光器1用于產生脈沖激光信號，該脈沖激光信號入射至分束器2，經分束器2形成兩路脈沖激光信號，一路為經過分束器2反射的反射脈沖激光信號，另一路為經過分束器2透射的透射脈沖激光信號；反射脈沖激光信號入射至PIN探測器4，經PIN探測器4處理后輸出起始信號，該起始信號輸出至相鄰像元閾值處理模塊7；透射脈沖激光信號入射至發射光學系統3，經發射光學系統3準直后照射到目標；目標對經發射光學系統3準直后的透射脈沖激光信號進行反射和往返傳播后，目標輸出回波信號至接收光學系統5，經接收光學系統5收集后入射至Gm-APD單光子探測器陣列6，經Gm-APD單光子探測器陣列6聚焦處理后，通過相鄰像元閾值處理模塊7記錄具有時間相關性的回波信號，濾除隨機分布不具備時間相關性的噪聲信號；相鄰像元閾值處理模塊7將具有時間相關性的回波信號與起始信號做比較，得到Gm-APD單光子探測器陣列6對應像素的往返時間差，通過該往返時間差經過計算得到該對應像素目標的距離值，最終獲得目標三維距離像。具體實施方式二、本實施方式是對實施方式一所述的一種采用相鄰像元閾值法實時濾噪的光子計數成像激光雷達的進一步說明，本實施方式中，它還包括圖像顯示及存儲模塊8，圖像顯示及存儲模塊8用于顯示及存儲相鄰像元閾值處理模塊7處理后輸出的目標三維距離...

【技術保護點】
一種采用相鄰像元閾值法實時濾噪的光子計數成像激光雷達，其特征在于，它包括激光器(1)、分束器(2)、發射光學系統(3)、PIN探測器(4)、接收光學系統(5)、Gm?APD單光子探測器陣列(6)和相鄰像元閾值處理模塊(7)；激光器(1)用于產生脈沖激光信號，該脈沖激光信號入射至分束器(2)，經分束器(2)形成兩路脈沖激光信號，一路為經過分束器(2)反射的反射脈沖激光信號，另一路為經過分束器(2)透射的透射脈沖激光信號；反射脈沖激光信號入射至PIN探測器(4)，經PIN探測器(4)處理后輸出起始信號，該起始信號輸出至相鄰像元閾值處理模塊(7)；透射脈沖激光信號入射至發射光學系統(3)，經發射光學系統(3)準直后照射到目標；目標對經發射光學系統(3)準直后的透射脈沖激光信號進行反射和往返傳播后，目標輸出回波信號至接收光學系統(5)，經接收光學系統(5)收集后入射至Gm?APD單光子探測器陣列(6)，經Gm?APD單光子探測器陣列(6)聚焦處理后，通過相鄰像元閾值處理模塊(7)記錄具有時間相關性的回波信號，濾除隨機分布不具備時間相關性的噪聲信號；相鄰像元閾值處理模塊(7)將具有時間相關性的回波信號與起始信號做比較，得到Gm?APD單光子探測器陣列(6)對應像素的往返時間差，通過該往返時間差經過計算得到該對應像素目標的距離值，最終獲得目標三維距離像。...

【技術特征摘要】
1.一種采用相鄰像元閾值法實時濾噪的光子計數成像激光雷達，其特征在于，它包括激
光器(1)、分束器(2)、發射光學系統(3)、PIN探測器(4)、接收光學系統(5)、Gm-APD
單光子探測器陣列(6)和相鄰像元閾值處理模塊(7)；
激光器(1)用于產生脈沖激光信號，該脈沖激光信號入射至分束器(2)，經分束器(2)
形成兩路脈沖激光信號，一路為經過分束器(2)反射的反射脈沖激光信號，另一路為經過分
束器(2)透射的透射脈沖激光信號；
反射脈沖激光信號入射至PIN探測器(4)，經PIN探測器(4)處理后輸出起始信號，該
起始信號輸出至相鄰像元閾值處理模塊(7)；
透射脈沖激光信號入射至發射光學系統(3)，經發射光學系統(3)準直后照射到目標；
目標對經發射光學系統(3)準直后的透射脈沖激光信號進行反射和往返傳播后，目標輸
出回波信號至接收光學系統(5)，經接收光學系統(5)收集后入射至Gm-APD單光子探測器
陣列(6)，經Gm-APD單光子探測器陣列(6)聚焦處理后，通過相鄰像元閾值處理模塊(7)
記錄具有時間相關性的回波信號，濾除隨機分布不具備時間相關性的噪聲信號；
相鄰像元閾值處理模塊(7)將具有時間相關性的回波信號與起始信號做比較，得到Gm-APD
單光子探測器陣列(6)對應像素的往返時間差，通過該往返時間差經過計算得到該對應像素
目標的距離值，最終獲得目標三維距離像。
2.根據權利要求1所述的一種采...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張子靜，趙遠，靳辰飛，張勇，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江;23