[发明专利]一种Gm-APD激光雷达最远探测距离的计算方法

权利要求书

1.一种Gm-APD激光雷达最远探测距离的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤，

步骤1：利用激光雷达方程获取回波强度，设定好激光单脉冲能量I、探测距离R和接收光学口径，根据激光雷达获得回波光子数及噪声光子数；

步骤2：获取Gm-APD激光雷达各时间间隔的触发概率，根据Poisson触发模型获得选通门内的触发概率曲线；

步骤3：利用Monte Carlo方法获取不同统计帧数条件下的仿真数据，设定不同的统计帧数F，根据Gm-APD触发概率模型进行1000*F次Monte Carlo仿真；

步骤4：根据步骤2的Gm-APD触发概率曲线以及步骤3的仿真数据利用信号检测方法获得回波参数，判断|t_s-t_s’|≤3τ，式中，τ为激光脉宽，回波位置为t_s’，t_s为回波实际在选通门的位置，若为是，则记为有效检测，若为否，则记为无效检测；

步骤5：计算回波检测概率并确认最优参数，统计有效加测次数V，检测概率为V/1000；判断是否在检测概率大于α时探测距离R为最大值，若是，则判定在所设系数参数的情况下探测距离R为最优参数；若否，则改变激光单脉冲能量I或探测距离R或接收光学口径后回到步骤1重新进行论证；

所述步骤1具体为，激光雷达接收的回波能量受到目标散射特性、大气衰减系数、光学常数和探测距离的因素调制，面阵探测激光雷达每个像元的回波能量可由激光雷达距离方程获得，如下式，

式中激光雷达的分辨率为M×M，处于行位置j，列位置k的像素对应激光发射能量是I_jk；N_jk为接收到的回波光子数；Φ为单位像元对应的激光发散角；R为探测距离；ρ为目标反射率；φ为激光反射角；T为大气单程透过率；A_r为有效接收面积；η₁和η₂分别为收发的透过率；h为普朗克常数，c为光速，λ为波长，Q为探测器量子效率，η为探测器占空比，各像元对应的发射能量相同；

若目标为平面，且不考虑大气湍流造成的波形畸变，则回波激光脉冲时间波形是一维高斯型，像素(i,j)接收到的回波强度见下式，

式中，t为时间，t_d为脉冲波延时，τ为激光脉宽，脉冲发射时间零点设定在-3τ，激光能量主要集中在峰值-3τ～3τ范围内，占总光强99.73％；

将设定的激光能量I、探测距离R及接收口径的参数代入公式(1)～(2)可获得选通门内的回波脉冲波形；

所述步骤2具体为，Gm-APD在时间序列上将整个选通范围分为若干等时长的间隔进行回波探测，像素(j,k)在各时间间隔接收的光子数由下式给出，

式中，Δt为时间间隔长度，i为第i个时间时间间隔，t_s为回波在选通门的位置，MIN·为求最小，MAX·为求最大，f_noise为噪声强度，由下式表示：

式中，SNR为选通门内的信噪比，T为选通门宽，

Gm-APD的触发特性符合Poisson概率分布，对于距离选通激光雷达，距离范围内噪声及回波在各时间间隔的触发概率，由下式表示：

式中，第一项为探测器在前i-1个tag中不触发的概率，即产生0个初始电子的概率，N_0,jk＝0，i代表的是时间tag，j与k分别代表像素的横向与纵向坐标，J为选通门的时间间隔总数，

根据公式(3)～(5)得到选通门内触发概率曲线。