[发明专利]一种基于光子计数激光雷达的最优编码生成及解码方法

说明书

本发明公开了一种基于光子计数激光雷达的最优编码生成及解码方法，首先根据给定的编码长度与粒子个数以及强度范围随机化初始粒子群；再依据光子计数激光雷达对编码的要求设计适应度函数并计算每个粒子的适应度；再通过粒子群算法的迭代进化公式进化每个粒子，并记录适应度最高的粒子；重复进化步骤，直到满足提前设置的最大进化代数或停止准则。将获得的最优编码应用于发射激光的调制，再通过接收系统获取接收编码。采用快速傅立叶变换算法对发射编码和接收编码做相关即可获取目标距离信息。可以方便地产生满足光子计数激光雷达要求的伪随机序列并在该条件下是最优序列；同时还具有整数编码，收敛快，不易产生非法解等优点。

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光子计数激光雷达的最优编码生成及解码方法。

背景技术

光子计数激光雷达是极弱光探测的有效手段，能够响应回波信号中的每一个光子，有效解决激光雷达有限的系统资源和整体性能之间的矛盾；具有极高的灵敏度和皮秒级的时间分辨率，可以实现高速大容量、高精度、低功耗的距离和空间的三维信息获取。

然而由于光子计数技术一方面为了快速获取目标信息，另一方面为了获得合理的脉冲能量，故往往采用高重频激光器；但高重频激光器在满足单值测距的条件下有效测距范围很短，最大测距范围与激光器重复频率成反比；而不满足单值测距条件则无法分辨回波光子与发射脉冲的对应关系，即导致距离模糊问题。所以光子计数激光雷达不得不解决高重频导致的距离模糊问题。

通过伪随机编码对出射激光调制是一种有效的解决距离模糊问题的方法，伪随机编码的码长与系统最大有效探测距离呈线性正相关，故仅通过增大伪随机编码的码长的方法即可极大的扩大光子计数激光雷达的探测距离。此外，伪随机编码一般通过伪随机模式发生器高速产生，往往可达GHz级，故在提高探测距离的同时还提高了时间精度进而提高了测距精度。张宇飞、贺岩等人在2016年发表的论文《Three-dimensional imaging lidarsystem based on high speed pseudorandom modulation and photon counting》中详细阐述了用m序列对光子计数激光雷达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。

传统的伪随机编码，如m序列，具有易于获取，速度较快等优点；但往往只是二相编码，而不包含强度信息，故信号内部相关性不够强，且容易受到噪声干扰，进而影响测距精度；而且传统伪随机编码方法往往只能生成固定长度的编码序列而不能根据需求灵活调整，例如m序列只能产生长度为2ⁿ-1的伪随机编码序列。而且生成的编码往往是固定的序列，不能根据实际应用环境的要求进行调整优化，例如不能改变特定位的强度值、未能考虑到脉冲激光器的储能时间导致发射序列失真，从而限制了系统的性能的提升甚至使得光子计数激光雷达无法正常工作。

在反演目标距离时，首先应通过接收系统获取充足的光子信号从而重建出回波编码信号。为了确定光子信号的飞行时间，需要对发射的伪随机编码信号与接收编码信号做相关，通过相关峰来判定出射激光与回波之间的延迟。然而传统方法计算相关步骤效率很低，尤其是当编码长度较长的时候将占用大量计算资源而且解算速度将成为系统性能提升的瓶颈。

故探索一套适用于光子计数激光雷达的最优伪随机编码序列生成方法以及伪随机编码相关快速解算方法是提升系统性能的当务之急。

发明内容