[发明专利]基于单光子探测的多相伪随机序列快速生成及解码方法

说明书

本发明公开了一种基于单光子探测的多相伪随机序列快速生成及解码方法，该方法主要包括以下步骤：首先通过Mersenne Twister算法产生高质量的随机数，再根据产生的随机数与提前设定的阈值判断该位的值，从而获得调制位置；若该位为调制位置，则再根据预先设定的强度划分区间与产生的随机数联合确定该位的值，从而获得强度编码信息。当一个调制位置出现时，则需越过之后的若干位再重复上步骤，以保证激光器有充足的储能时间。将生成的伪随机序列与接收到的伪随机序列做相关，从而解算出目标距离。上述方法解决了单光子探测中的高速调制与激光器重复频率不匹配的问题，可以实现对任意码型的编码同时还具备自相关性好、噪声抑制能力强等优点。

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，特别是涉及到极弱光探测领域，具体地说是一种基于单光子探测的多相伪随机序列快速生成及解码方法。

背景技术

单光子探测可以在极低的能量(平均每个脉冲回波能量不足一个光子)条件下对远距离非合作目标探测，并获得高精度测距结果。极大的提升了激光雷达系统在有限资源下的性能，是激光雷达领域的前沿技术。

为了快速获取目标信息，系统设计者往往采用高重频激光器，然而高重频在远距离测距时不能判别回波信号与发射信号的对应关系，即不满足单值测距要求；而满足单值测距要求下只能在一个很短的范围内测距，从而导致了距离模糊问题。

伪随机编码序列是一种常见的增加系统探测带宽的方法，可以有效的解决光子计数技术要求的高重频所引起的距离模糊问题，通过伪随机编码对发射信号的调制，极大的扩大了单光子探测系统的测距距离，并具备了一定的抗噪能力，从而进一步提升了测距精度。张宇飞、贺岩等人在2016年发表的论文《Three-dimensional imaging lidar systembased on high speed pseudorandom modulation and photon counting》中详细阐述了用m序列对单光子探测系统调制从而获得目标三维信息的过程，该文采用连续激光器与调制器组合的方案，当采用调制器对连续激光器调制时，不存在储能时间，但单脉冲能量低，时间精度不高，而且调制器价格不菲，增加了系统成本；当采用脉冲激光器时，能够克服以上问题，但受到脉冲激光器最大脉冲重复频率限制。

为了降低调制器件要求，也为了获得更高的单脉冲能量，设计者往往采用脉冲激光器而非连续激光器。然而此时传统的伪随机序列难以解决单光子探测的高速调制与激光器重复频率之间矛盾；实际系统中为了获得更高的时间精度，伪随机序列的发生速率往往高达GHz级，而激光器重复频率难以匹配，传统的伪随机序列如m序列，其中“0”码元和“1”码元所占比例相当，即激光器的重复频率应达到伪随机序列调制速率的一半。故传统的伪随机序列无法在高速调制条件下使用。

传统的伪随机序列多为仅包含“0”、“1”两种码元的二相编码序列；虽然具有易于产生的优点，但由于二相编码不包含强度信息，编码序列自身的相关性还不够强，而且容易被噪声污染并对最终测量结果造成较大影响；传统的伪随机序列生成方法还有难以产生任意码长的编码、难以获得特定的码型的编码等缺点。(例如m序列只能产生长度为2ⁿ-1的编码序列，而且所产生的序列为固定序列，不能调整)

当伪随机序列产生后，通过伪随机序列对激光器调制并获得发射激光信号；回波光子携带调制信息与目标信息被接收系统接收，当接收系统接收到足够的稀疏光子信号后即可获得接收序列。对伪随机序列与获得的接收序列做相关即可解算出光子飞行时间，进而获得目标距离。然而相关操作计算量较大，尤其是序列长度较长时，相关操作将占用大量计算资源。

综上所述，目前单光子探测领域亟需一种能够解决上述问题且易于产生的伪随机序列，并且在距离解算模块亟需一种快速算法来降低该操作的计算量。

发明内容