[发明专利]一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法及系统

说明书

本发明公开了一种强背景噪声下Gm‑APD阵列激光雷达成像方法及系统，包括：获得强背景噪声下，两组不同距离门开启时间的Gm‑APD阵列激光雷达累积探测数据；分别对两组Gm‑APD阵列激光雷达所有像元累积探测数据进行统计，得到两组Gm‑APD阵列激光雷达累积探测结果直方图；根据两组探测结果直方图得到成像目标所处距离范围；在成像目标所处距离范围内，采用峰值判别法得到激光雷达成像。系统包括探测数据获取模块，探测结果直方图统计模块，成像目标距离范围获取模块，激光雷达成像模块。本发明所提供的强背景噪声下Gm‑APD阵列激光雷达成像方法，除去了其他距离范围内的强背景噪声干扰，提升了激光图像质量。

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法及系统。

背景技术

工作在盖革模式(Geiger-mode，Gm)下的面阵雪崩光电二极管(Avalanche PhotoDiode，APD)激光雷达自20世纪末被应用到激光雷达领域，就成为了该领域中的研究热点，得到飞速发展。Gm-APD作为激光雷达的探测器，具有探测灵敏度高，功耗低，体积小，集成度高的优点，在远距离、弱信号探测领域具有重大的研究及应用价值。

Gm-APD激光雷达工作原理是：脉冲激光器发射的激光脉冲经过光学发射系统照射目标，一小部分脉冲能量由触发雪崩光电二极管(Trigger APD)接收，由脉冲边沿检测器形成时间数字转换器(TDC)电路的计时开始信号，用来触发计时电路开始计时。其余激光脉冲从目标反射回来，由光学接收系统接收，进入Gm-APD探测器阵列。为了抑制大气后向散射，减少背景噪声，探测系统采用距离门(Range Gate)技术提高系统的探测性能。探测器只在距离门内响应，在距离门外，探测器不工作，从而拒绝了大气后向散射与背景噪声。在经过一段延迟时间后，距离门开启，探测器探测到激光回波信号的入射光子并触发雪崩，产生的雪崩信号被探测，即对时间数字转换器(TDC)电路输出一个计时停止信号，从而获得激光脉冲的飞行时间。Gm-APD激光雷达具有单光子灵敏度的特性，对噪声光电子极度敏感；并且Gm-APD激光雷达采用数字探测技术，无法根据输出信号的幅值辨别信号及噪声；再者，由于死时间的存在，在信号之前响应的噪声输出将会直接阻止Gm-APD对信号的响应。因此，如何有效抑制噪声，恢复成像目标距离信息，对提高Gm-APD激光雷达探测性能具有重要意义。

Gm-APD激光雷达采用累积探测方式，经过大量的重复测量，根据获取的光子计数统计直方图恢复目标信息，常见的距离信息恢复算法包括峰值判别法、质心算法、基于相关法自适应滤波算法、拟合算法，拟合算法又包括非线性最小二乘拟合、高斯拟合、双高斯拟合等。各算法都是通过累积探测获取多帧的激光距离像，再根据目标回波与噪声在统计特性上的不同，即在背景噪声较弱的情况下，如夜间或室内成像，噪声信号时间相关性差，而目标信号时间相关性好，在累积探测中其强度远大于噪声，以此区分目标回波信号及噪声，恢复探测器各像元距离信息，得到多帧累积生成的激光距离像。而面阵Gm-APD激光探测器无法直接获取强度像，一些研究将Gm-APD激光雷达的光子计数表征为目标的强度信息。

然而，以上算法均无法解决背景噪声较强的情况下的距离信息恢复问题，如白天获取的数据中，探测器会被太阳辐射频繁触发，此时会出现背景噪声强度大于目标回波信号的情况，使得生成的距离像中有大量噪声干扰，极大限制了面阵Gm-APD激光雷达系统的适用环境。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法及系统，其目的在于，提高强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达生成激光距离像、强度像的图像质量。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法，包括以下步骤：

(1)获得强背景噪声下，两组不同距离门开启时间的Gm-APD阵列激光雷达累积探测数据；