光子数分辨的单光子激光雷达及对目标航迹实时获取方法技术

本发明专利技术涉及一种光子数分辨的单光子激光雷达，脉冲激光器产生脉冲光，通过发射光路准直后向目标发射，目标散射后的回波光经多模光纤耦合至光子数分辨单元，经光电变换后被信号采集单元采集，同时脉冲激光器发射激光时产生的同步信号被传输至信号采集单元，该同步信号作为触发信号以通过光子飞行时间差来计算每次光子响应对应的距离，数据处理单元通过实时处理算法，实时获取运动目标的航迹信息。本发明专利技术还提供了一种基于该单光子激光雷达对运动目标航迹的实时获取方法。本发明专利技术的激光雷达可为目标探测提供光子数信息，本发明专利技术的对运动目标航迹的实时获取方法可在强杂散条件下抑制虚假航迹的产生，实时获取目标的真实运动航迹。迹。迹。

【技术实现步骤摘要】
光子数分辨的单光子激光雷达及对目标航迹实时获取方法


[0001]本专利技术涉及激光雷达领域，尤其涉及一种光子数分辨的单光子激光雷达及对目标航迹实时获取方法。

技术介绍

[0002]单光子激光雷达利用单光子探测器接收单光子量级的回波信号，这种对最小能量单元的探测灵敏度使得单光子激光雷达的信号探测性能达到极限，可极大的提高激光雷达的作用距离。虽然单光子激光雷达具有很高的探测灵敏度，但常规的时间相关单光子计数技术需要多次累积才能提取目标的距离信息，对于运动目标由于多次累积会造成目标回波分布于不同的距离单元使得无法获得有效积累得益，因此该方法无法适用于对运动目标的探测应用。而基于动力学特征的目标跟踪方法，由于单光子激光雷达超高灵敏度带来的杂散光子过多，特别是在白天强环境杂散条件下，会造成虚假航迹过多，难以区分真实目标。

技术实现思路

[0003]为解决现有的技术问题，本专利技术提供了光子数分辨的单光子激光雷达及对目标航迹实时获取方法。
[0004]本专利技术的具体内容如下：一种光子数分辨的单光子激光雷达，包括脉冲激光器、发射光路、接收光路、光子数分辨单元、信号采集单元、数据处理单元和控制单元；
[0005]脉冲激光器产生脉冲光，通过发射光路准直后向目标发射，
[0006]目标散射后的回波光经多模光纤耦合至光子数分辨单元，经光电变换后被信号采集单元采集，同时脉冲激光器发射激光时产生的同步信号被传输至信号采集单元，该同步信号作为触发信号以通过光子飞行时间差来计算每次光子响应对应的距离，r/>[0007]数据处理单元通过实时处理算法，实时获取运动目标的航迹信息，控制单元控制脉冲激光器产生脉冲光，控制单元控制脉冲激光器、信号采集单元并与数据处理单元进行数据交互。
[0008]进一步的，光子数分辨单元包括光纤分光器、分立的多个单光子探测器和功率合成器，按照信号传输方向，光纤分光器将回波光信号能量均分，然后输出至分立的相同数量的单光子探测器，各个单光子探测器的光信号经光电变换转换成电脉冲信号后通过功率合成器合成一路电脉冲信号，合成的电脉冲信号作为光子数分辨单元的输出端。
[0009]进一步的，基于上述任一光子数分辨的单光子激光雷达，包括如下步骤：
[0010]S1，控制单元控制脉冲激光器产生脉冲激光由发射光路发射至目标，同时，激光器产生同步信号至数据采集处理单元作为触发信号，接收光路将回波光接收后通光子数分辨单元转变为合成电脉冲信号；
[0011]S2，获取当前帧所有的回波光子数和相应的距离信息；
[0012]S3，基于杂散光子计数率判据对所有回波光子进行阈值滤波；
[0013]S4，基于帧间目标运动关联性特点，进行航迹起始，形成确定航迹；
[0014]S5，对确定航迹进行跟踪预测，并控制采集波门；
[0015]S6，将当前帧的回波与确定航迹进行关联更新，并输出运动目标的航迹。
[0016]进一步的，S2中，回波光子数的判断依据信号采集单元对合成电脉冲信号的采样结果，通过合成电脉冲信号面积分布判断每个电脉冲信号对应的光子数。
[0017]进一步的，S2中，距离通过ct/2计算，c为光速，t为脉冲对应的时间。
[0018]进一步的，S3中，杂散光子计数率不超过目标跟踪算法中适用的杂散光子计数率，在对回波光子进行滤波时将高于阈值的光子进行保留，低于阈值的进行删除，阈值的选取依据通过对杂散光子计数率的判断。
[0019]进一步的，杂散光子计数率为
[0020][0021]其中，N为当前帧的光子总数，m为电脉冲个数，n
i
为每个电脉冲对应的光子数，R1为回波光子对应的距离最小值，R2为距离最大值；
[0022]若杂散光子计数率高于目标跟踪算法中适用的杂散光子计数率CR0，则需要对n
i
进行阈值处理，即
[0023][0024]n
th
的取值准则为
[0025]进一步的，S4包括：建立起始航迹，将初始帧的回波作为起始点迹，以估计的目标最大和最小速度建立环形波门，将下一帧回波信号中落入波门内的点迹作为可能航迹，继续直线外推，若在4次测量中，有3次出现了回波点迹落入跟踪波门，则认为航迹起始成功，该航迹称为确定航迹，否则称为临时航迹；对此3次量测使用最小二乘法进行二阶多项式拟合，拟合系数可作为确定航迹的速度和加速度。
[0026]进一步的，S5中，基于每一帧确定航迹滤波后的值进行预测，将所述下一帧的目标预测位置通过控制指令发送至信号采集单元，在预测位置附近设置一定宽度的采集波门，只采集处理此波门内的回波信号，以降低对处理无用信息的资源浪费。
[0027]进一步的，S6中，根据状态协方差建立跟踪波门，落入跟踪波门范围内的量测进行卡尔曼滤波更新当前状态值，以实现对目标的稳定跟踪并实时获取运动目标的航迹，未落入跟踪波门的量测，继续用于起始航迹的建立。
[0028]本专利技术的基于光子数分辨的单光子激光雷达具有光子数分辨能力，可为目标探测提供光子数信息，可提供强度维度信息，提高对杂散的抑制性能，本专利技术的基于该单光子激光雷达对运动目标航迹的实时获取方法可在强杂散条件下抑制虚假航迹的产生，实时获取目标的真实运动航迹。
附图说明
[0029]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步阐明。
[0030]图1为本专利技术光子数分辨的单光子激光雷达的系统组成示意图；
[0031]图2为电脉冲合成方式示意图；
[0032]图3为合成电脉冲面积统计分布图；
[0033]图4为白天对空间站的原始回波信号；
[0034]图5为阈值处理后的结果；
[0035]图6为使用目标跟踪算法后的空间站航迹。
具体实施方式
[0036]如图1所示，本专利技术的一种光子数分辨的单光子激光雷达系统，包括脉冲激光器、发射光路、接收光路、光子数分辨单元、信号采集单元、数据处理单元和控制单元。工作时，脉冲激光器产生脉冲光由发射光路准直后向目标发射，目标散射后的回波光经多模光纤耦合至光子数分辨单元，经光电变换后被信号采集单元采集，同时脉冲激光器发射激光时产生的同步信号被传输至信号采集单元作为触发信号以通过光子飞行时间差来计算每次光子响应对应的距离。数据处理单元通过实时处理算法，实时获取运动目标的航迹信息。控制单元控制脉冲激光器、信号采集单元并与数据处理单元进行数据交互。系统通过多个单光子探测器来实现光子数分辨，基于对远距离运动目标的探测，优选的可以采用4
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16个单光子探测器来实现。
[0037]本实施例以能分辨4个光子的光子数分辨单元进行描述，通过多模光纤可将回波光耦合至1分4光纤分光器，光纤分光器将回波光等光强均分输出至4个对应的单光子探测器，每个分立的单光子探测器都能对单光子响应形成电脉冲，通过功率合成器将各个单光子探测器的电脉冲信号合成一路电脉冲信号输出至光子数分辨单元的输出，如图2所示。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光子数分辨的单光子激光雷达，其特征在于：包括脉冲激光器、发射光路、接收光路、光子数分辨单元、信号采集单元、数据处理单元和控制单元；脉冲激光器产生脉冲光，通过发射光路准直后向目标发射，目标散射后的回波光经多模光纤耦合至光子数分辨单元，经光电变换后被信号采集单元采集，同时脉冲激光器发射激光时产生的同步信号被传输至信号采集单元，该同步信号作为触发信号以通过光子飞行时间差来计算每次光子响应对应的距离，数据处理单元通过实时处理算法，实时获取运动目标的航迹信息，控制单元控制脉冲激光器、信号采集单元并与数据处理单元进行数据交互。2.根据权利要求1所述的光子数分辨的单光子激光雷达，其特征在于：光子数分辨单元包括光纤分光器、分立的多个单光子探测器和功率合成器，按照信号传输方向，光纤分光器将回波光信号能量均分，然后输出至分立的相同数量的单光子探测器，各个单光子探测器的光信号经光电变换转换成电脉冲信号后通过功率合成器合成一路电脉冲信号，合成的电脉冲信号作为光子数分辨单元的输出端。3.一种对目标航迹实时获取方法，其特征在于：基于权利要求1至2任一光子数分辨的单光子激光雷达，包括如下步骤：S1，控制单元控制脉冲激光器产生脉冲激光由发射光路发射至目标，同时，激光器产生同步信号至数据采集处理单元作为触发信号，接收光路将回波光接收后通光子数分辨单元转变为合成电脉冲信号；S2，获取当前帧所有的回波光子数和相应的距离信息；S3，基于杂散光子计数率判据对所有回波光子进行阈值滤波；S4，基于帧间目标运动关联性特点，进行航迹起始，形成确定航迹；S5，对确定航迹进行跟踪预测，并控制采集波门；S6，将当前帧的回波与确定航迹进行关联更新，并输出运动目标的航迹。4.根据权利要求3所述的对目标航迹实时获取方法，其特征在于：S2中，回波光子数的判断依据信号采集单元对合成电脉冲信号的采样结果，通过合成电脉冲信号面积分布判断每个电脉冲信号对应的光子数。5.根据权利要求3所述的对目标...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴诚，杨予昊，李大圣，张芳沛，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十四研究所，
类型：发明
国别省市：