基於多門全波形響應的高精度Gm‑APD雷射雷達系統及其測距方法與流程
2023-04-23 13:48:36 4
本發明屬於雷射探測技術領域。
背景技術：
gm-apd雷射雷達以其探測靈敏度高，測距精度高等優點廣泛的應用於遠距離弱信號探測。但是由於gm-apd響應後需要一定時間抑制雪崩電流，這段時間就是gm-apd的死時間，這段時間無法響應後來的信號。這導致了gm-apd對回波信號響應不均衡，也就是說gm-apd對回波脈衝前部響應的概率高於後部的概率。這就造成了計數結果的峰值和回波信號的峰值的偏差，這種偏差影響隨回波脈衝寬度的增加而增大。
在很多應用環境下(例如：水下、戰場煙霧或是大霧沙塵等等)，回波信號脈衝的展寬效應很明顯，嚴重的影響了gm-apd雷射雷達的測距精度。
技術實現要素：
本發明是為了解決現有gm-apd響應後需要一定時間抑制雪崩電流，嚴重的影響了gm-apd雷射雷達的測距精度的問題，提出了一種基於多門全波形響應的高精度gm-apd雷射雷達系統及其測距方法。
本發明所述的基於多門全波形響應的高精度gm-apd雷射雷達系統，它包括雷射器1、分光器2、pin探測器3、光學發射系統4、光學接收系統5、濾光片6、gm-apd探測器7和門控處理模塊8；
雷射器1發射的雷射信號經分光器2後分別入射至光學發射系統4的入射端和pin探測器3的探測面上；光學發射系統4用於發射雷射脈衝信號；
pin探測器3的探測信號輸出端連接門控處理模塊8的一個雷射探測信號輸入端；
門控處理模塊8的另一個雷射探測信號輸入端連接gm-apd探測器7的探測信號輸出端，光學接收系統5接收的雷射脈衝信號經濾光片6濾波後入射至gm-apd探測器7的探測面。
基於多門全波形響應的高精度gm-apd雷射雷達系統的測距方法，該方法的具體步驟為：
步驟一、雷射器1發射雷射，經分光器2分光後，光學發射系統4向外發射雷射脈衝信號，pin探測器3接收雷射信號向門控處理模塊8發送觸發信號，門控處理模塊8接收到觸發信號後等待接收gm-apd探測器7探測的雷射脈衝信號；
步驟二、門控處理模塊8將接收pin探測器3發射的觸發信號時間作為起始時間進行計時，並令△t＝1ns為一個時間段，當gm-apd探測器7經光學接收系統5在一個時間段內累計接收到三個雷射脈衝信號時，設定累計接收三個雷射脈衝信號的時間段為n0；
步驟三、門控處理模塊8設定gm-apd探測器7的探測門為1ns，對n0時間段進行m次探測，記錄成功探測到雷射脈衝的數目m(n0)；
步驟四、將gm-apd探測器7的探測門右側移動一個時間段n0+nright，nright的初始值為1，對n0+nright時間段進行m次的探測，記錄成功探測到雷射脈衝的數目m(n0+nright)，判斷m(n0+nright)是否滿足若是，令nright＝nright+1，繼續執行步驟四，否則，執行步驟五；
步驟五、將gm-apd探測器7的探測門左側移動一個時間段n0-nleft，nleft的初始值為1，對n0-nleft時間段進行m次的探測，記錄成功探測到雷射脈衝的數目m(n0-nleft)，判斷m(n0-nleft)是否滿足若是，令nleft＝nleft+1，繼續執行步驟五，否則，執行步驟六；
步驟六、利用n0-nleft到n0+nright所有時間段的計數結果繪製回波信號波形，所述回波信號波形的峰值位置為探測目標位置，利用所述峰值位置對應的時間獲得雷射雷達系統與目標的距離。
本發明所述的系統及測距方法通過多門響應全波形的方法更加準確的獲得回波信號波形，從而更加準確的判斷回波信號峰值位置，從而提高gm-apd雷射雷達在脈衝展寬嚴重環境下的測距精度。
附圖說明
圖1為本發明所述的基於多門全波形響應的高精度gm-apd雷射雷達系統的原理框圖；
圖2有多門全波形響應的計數結果的回波信號波形圖；
圖3無多門全波形響應的計數結果的回波信號波形圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
具體實施方式一、結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的基於多門全波形響應的高精度gm-apd雷射雷達系統，它包括雷射器1、分光器2、pin探測器3、光學發射系統4、光學接收系統5、濾光片6、gm-apd探測器7和門控處理模塊8；
雷射器1發射的雷射信號經分光器2後分別入射至光學發射系統4的入射端和pin探測器3的探測面上；光學發射系統4用於發射雷射脈衝信號；
pin探測器3的探測信號輸出端連接門控處理模塊8的一個雷射探測信號輸入端；
門控處理模塊8的另一個雷射探測信號輸入端連接gm-apd探測器7的探測信號輸出端，光學接收系統5接收的雷射脈衝信號經濾光片6濾波後入射至gm-apd探測器7的探測面。
具體實施方式二、本實施方式是對具體實施方式一所述的基於多門全波形響應的高精度gm-apd雷射雷達系統的進一步說明，分光器2的分光比例為1：99。
分光器將99％的光信號發射至光學發射系統，將1％的光信號發射至pin探測器。
具體實施方式三、本實施方式所述基於多門全波形響應的高精度gm-apd雷射雷達系統的測距方法，該方法的具體步驟為：
步驟一、雷射器1發射雷射，經分光器2分光後，光學發射系統4向外發射雷射脈衝信號，pin探測器3接收雷射信號向門控處理模塊8發送觸發信號，門控處理模塊8接收到觸發信號後等待接收gm-apd探測器7探測的雷射脈衝信號；
步驟二、門控處理模塊8將接收pin探測器3發射的觸發信號時間作為起始時間進行計時，並令△t＝1ns為一個時間段，當gm-apd探測器7經光學接收系統5在一個時間段內累計接收到三個雷射脈衝信號時，設定累計接收三個雷射脈衝信號的時間段為n0；
步驟三、門控處理模塊8設定gm-apd探測器7的探測門為1ns，對n0時間段進行m次探測，記錄成功探測到雷射脈衝的數目m(n0)；
步驟四、將gm-apd探測器7的探測門右側移動一個時間段n0+nright，nright的初始值為1，對n0+nright時間段進行m次的探測，記錄成功探測到雷射脈衝的數目m(n0+nright)，判斷m(n0+nright)是否滿足若是，令nright＝nright+1，繼續執行步驟四，否則，執行步驟五；
步驟五、將gm-apd探測器7的探測門左側移動一個時間段n0-nleft，nleft的初始值為1，對n0-nleft時間段進行m次的探測，記錄成功探測到雷射脈衝的數目m(n0-nleft)，判斷m(n0-nleft)是否滿足若是，令nleft＝nleft+1，繼續執行步驟五，否則，執行步驟六；
步驟六、利用n0-nleft到n0+nright所有時間段的計數結果繪製回波信號波形，所述回波信號波形的峰值位置為探測目標位置，利用所述峰值位置對應的時間獲得雷射雷達系統與目標的距離。
本實施方式首先根據三脈衝方法發現目標。我們選取△t＝1ns為一個小時間段，在雷射發射脈衝信號觸發pin探測器作為起始信號時間，然後每△t＝1ns叫做一個時間段。此時不設定探測門，gm-apd從雷射信號發射就被激活，等待的回波信號，首先我們發射多次雷射信號脈衝，其中接收機在某個時間段最先累計到三個脈衝，就先確定目標的大概位置，對應的時間段為n0。
然後將探測門設定為1ns，對n0的時間段進行m次的探測，記錄下成功接收到脈衝的數目m(n0)。再然後將探測門向右側移動一個，測量n0+1時間段，同樣也進行m次的探測，記錄下成功接收到脈衝的數目m(n0+1)，判斷m(n0+1)是否滿足若滿足，測量n0+nright時間段，令nright＝nright+1不斷的進行循環，循環過程中不斷的判定，計數的結果必須滿足大於第n0段的計數結果m(n0)的倍，也就是滿足循環才繼續進行，否則停止向右的循環。
當停止向右的循環，同理向左循環。測量n0-nleft時間段，nleft＝nleft+1不斷的進行循環，分別記錄下第n0-nleft時間段的計數結果m(n0-nleft)。當測量計數結果不滿足時，停止循環。
這樣我們就獲得了從n0-nleft到n0+nright內所有時間段的計數結果，這些計數結果描繪出來的是沒有受到之前信號響應影響的回波信號波形，然後進行峰值的查找，就可以獲得更精確的回波信號位置，從而得到更高精度的測距信息。
由圖2和圖3可以看出傳統的gm-apd沒有採用本發明多門全波形響應的計數結果如圖2所示，計數結果趨向於響應脈衝的前部，這是由於gm-apd一旦被觸發，在死時間之內就不會再響應後來的信號。圖3就是本發明的門控多門全波形響應的計數結果，它通過一個窄的時間門可以有效的去除其他部分信號的影響，因此本發明的門控多門全波形響應的計數結果更加接近回波信號，從而可以有效的保證測距精度。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。