本发明属于星载激光雷达光学遥感信号探测领域，涉及一种基于数字恒虚警的探测及在轨反馈方法和系统，提高卫星平台高速运行产生太阳高度角的变化适应性；提高激光测距仪对粗糙度起伏大、反射率较大的复杂地形的适应性，并且提高识别云层散射虚假回波的能力，满足虚警率和探测概率的要求。
背景技术：
星载激光测距仪通常选用雪崩二极管(apd)作为接收机焦面探测器。apd对背景噪声极为敏感，输出的信号和噪声随apd倍增因子的变化而变化，倍增因子存在着一个最佳值。在此最佳倍增下，系统获得最佳信噪比。由此控制apd偏压进而影响输出的噪声大小，使其工作在最佳倍增因子状态。
星载激光测距仪系统虚警概率随apd输出噪声增大而降低，为降低虚警率，同时保证较高的探测概率，传统方法是星载激光测距仪采用模拟探测体制，一方面是运用回波信号送入比较器，只针对回波阈值进行动态调整，根据噪声事件计数来动态调整回波鉴别阈值，但是随着鉴别阈值的调整，会滤除激光回波携带的地表信息；另一方面是针对该种缺陷，在调整鉴别阈值的同时，还可通过动态调整apd的偏置高压，探测器的倍增因子随之降低，这样会对探测器灵敏度产生影响，在降低背景噪声灵敏度的同时，对实际目标的探测能力也随之下降。模拟电路调整方式，根据统计apd探测器噪声事件个数进行动态实时调整apd偏压，但是在实际工作中，星载平台由于速度相对较大，导致地面激光足印间的间距较大，这样出现一个噪声奇异点就会影响到下一次的apd偏压设定，进而影响测距性能。
星载激光测距仪随卫星平台运行过程中，太阳高度角的变化会引起apd探测器输出散粒噪声电流的变化，如果噪声过大将大量的地形信息湮没，地面也无法提取。另一方面，云层散射太阳光造成虚假回波的出现，需有效识别噪声并进行滤除。此外，对于陆地、森林等粗糙度较大的地形，会出现多个回波现象；对于地表反射率不同的地形，根据当时的信噪比精准的对虚警率进行调整，亟待提出一种方法以满足在轨从噪声中提取出真实回波信号，降低在轨虚警率的需求。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于数字恒虚警的探测及在轨反馈方法及系统，解决了星载测距仪易受卫星平台速度大、抖动大的影响，造成回波信号不易提取，云层散射造成虚假回波，对粗糙度起伏大、反射率较大的复杂地形虚警率较高等问题。
本发明的技术方案是：一种基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈方法，步骤如下：
(1)读取并执行控制算法函数；
(2)根据星载激光测距仪系统要求的虚警率与探测概率计算地面回波信号最小阈噪比和最小信噪比；
(3)读取该次测量的噪声统计区域偏移量与噪声采样宽度，对噪声统计区域进行采样；
(4)计算得到步骤(3)中统计后的噪声平均值与均方根值；
(5)对噪声区域采样波形数据与云判区间获得的数据进行统计对比，若两者在均值、均方根值相近，且均值均较大则可认为存在云层反射，忽略该次噪声统计；否则，进入步骤(6)；
(6)判断步骤(4)中的获得的噪声平均值是否超过存储器中对应地形的噪声均值初始值，噪声均方根值是否超过存储器中噪声均值初始值；若噪声平均值或均方根值不超过初始值则进入步骤(7)，若噪声平均值或均方根值超过初始值则进入步骤(8)；
(7)记录并保存此次测量的噪声值平均值与均方根值，将此次测量噪声结果分别与前若干次累加计算，获取的数值作为下次测量的噪声均值初始值与均方根初始值；
(8)读取设置apd偏压与调整adc采集回波的波形识别阈值子程序；
(9)读取当前回波幅度峰值，根据系统最小信噪比与相关函数关系，计算出满足信噪比要求所需apd高压值；
(10)根据系统最小阈噪比与相关函数关系，计算得到满足阈噪比要求所需波形识别阈值。
所述步骤(1)的具体过程为：
步骤11：处理器读取该次测量恒虚警反馈控制算法函数，当前处于测量模式下，加载存储器中的初始设定参数，包括星载激光测距仪系统要求的探测虚警率、探测概率，当前所测量地形类型编号，当前地形相应的噪声均值初始值、噪声均方根初始值；
步骤12：加载存储器中该次测量的设定参数，包括噪声统计区域偏移量、噪声采样宽度、噪声采样系数，云判区间波形数据均值、均方根值，adc采集的全波形数据回波峰值幅度、当前太阳高度角、地形反射率，apd温度值及高压调整系数、阈值调整系数。
所述步骤(2)的具体过程为：根据系统要求的虚警率与探测概率，计算信道的阈噪比最小值、信噪比最小值，计算方法为：
其中，pfa0为虚警率，pd0为探测概率，tnrmin为阈噪比，snrmin为信噪比。
所述步骤(3)的具体过程为：
步骤31：读取该次测量的噪声统计区域偏移量即adc采集噪声信号数据的起始位置，噪声统计起始位置位于回波门关闭之后，然后读取噪声采集宽度，计算出adc采样噪声信号点数量nk，计算方法如下：
其中，wn为噪声采样宽度，c为光速，fs为adc采样频率；
步骤32：adc对噪声统计区域进行全波形采样并存于存储器中。
所述步骤(4)的具体过程为：
步骤41：计算噪声统计的平均值，计算方法为：
其中，yi,k是指第k次测距高速adc采集的第i个波形幅度；
步骤42：计算噪声统计的均方根值，计算方法为：
所述步骤(5)的具体过程为：
步骤51：读取云判区间获得的数据统计值包括均值、均方根值；
步骤52：读取该次测量adc采集的回波峰值幅度；
步骤53：将该次噪声统计的均值与均方根值分别与云判区间获得的均值、均方根进行比较，若满足如下准则，则认为存在云层反射，且不保存该次噪声统计；否则，进入步骤(6)；判断云层反射存在准则如下：
|μk-μc|≤0.1μk，
|σk-σc|≤0.1σk，
μk≥0.5ar，
其中，ar为adc采集的全波形数据中回波峰值幅度。
所述步骤(6)的具体过程为：
步骤61：根据当前地形类型编号读取对应地形的噪声均值初始值，噪声均值初始值；
步骤62：比较步骤(4)中的此次测量的噪声平均值与存储器中对应地形的噪声均值初始值的大小，比较噪声均方根值与存储器中噪声均值初始值的大小，若噪声平均值与均方根值均不超过初始值则进入步骤(7)，若噪声平均值或均方根值超过初始值则进入步骤(8)。
所述步骤(7)的具体过程为：
步骤71：记录并保存此次测量的噪声值平均值与均方根值；
步骤72：将此次测量噪声均值、均方根值分别与前若干次累加计算，所得数值作为下次测量的噪声均值初始值与均方根初始值。
所述步骤(8)的具体过程为：
步骤81：根据系统最小信噪比、当前噪声统计均值与步骤(5)中的回波峰值幅度计算出最小噪声均方根值：
其中，snrmin为系统最小信噪比，ar为adc采集的回波全波形数据中幅度值，μk为该次测量噪声统计均值，σn为最小噪声均方根值；
步骤82：读取当前测量太阳高度角，地表反射率，计算出apd所接收的背景光功率，计算方法为：
其中，已知常数包括：es为太阳在1064nm处光谱辐照度，δλ为窄带滤光片带宽，τa为大气透过率，ηr为接收光学效率，θr为接收视场；设置参数包括：θi为太阳高度角，ρt为对应地形的反射率；
步骤83：根据步骤81中得出的最小噪声均方根值、步骤82得出的apd接收到背景光功率与当前apd温度值的函数关系，计算出apd的倍增系数：
σn≈α0in2
其中，m为apd倍增系数，in为apd输出噪声电流，f为apd噪声系数，已知常数包括：α0为噪声采样系数，ids为apd的表面暗电流，idb为apd的体暗电流，ri为apd电流响应度，b为噪声带宽，e为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，rl为apd负载，keff为电子-空穴电离率；设置参数：t为apd当前温度；
步骤84：读取apd当前温度遥测值，根据步骤83计算获得的apd倍增系数，通过温度与apd偏压函数关系，计算出适应当前温度的偏压值：
vb＝vb0+c(t-t0)
其中，vh为apd适应当前温度的偏压，vb为apd工作电压，已知常数包括：vb0是环境温度为t0时的工作电压，c为apd工作电压温度系数，n取值为1～3整数；
步骤85：读取高压调整系数根据步骤84得出的apd偏压值对其线性修正，计算出满足信噪比要求所需apd高压最佳值，修正原则：
vh0＝α1vh+α2
其中，α1、α2是高压调整系数。
所述步骤(9)的具体过程为：
步骤91：根据系统最小阈噪比、此次测量噪声统计值，计算出满足阈噪比要求所需波形识别阈值：
因此需根据噪声统计值与阈噪比合理设置回波的预鉴别阈值。因需满足系统最小阈噪比tnrmin的要求，则阈值函数如下：
vthmin＝tnrmin*σ0
vth0＝max(αk*σk，vthmin)+μk
其中，vth0回波的预鉴别阈值，tnrmin为系统最小信噪比，σ0为存储器中多次统计后的噪声均方根值，若首次测量时，σ0为当前地形噪声均方根初始值，αk是阈值调整系数，为常数，σ0、μk为此次测量噪声值均方根值与平均值。
一种基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈系统，包括apd探测器、放大及信号调理电路、高速数模转换电路、fpga采集控制电路、模数转换电路、高压模块；
所述apd探测器用于接收机焦面回波探测，将接收到的回波光信号转换为电流信号；
所述放大及信号调理电路用于对apd输出信号进行放大，并将电平转换为模拟差分信号送入高速adc；
所述高速数模转换电路用于对回波及噪声模拟差分信号进行模数转换，进行全波形采集；
所述fpga采集控制电路用于对采集的噪声值统计，设置apd偏压与回波波形识别算法中预鉴别阈值；
所述模数转换电路用于根据fpga设置的apd偏压进行数模转换，获得apd偏压控制电压；
所述高压模块用于apd偏压输入，受dac控制输出电压大小。
本发明与现有技术相比的优点在于：采用高速adc芯片对激光回波区间的信号进行高速采集，并对回波距离门外区域噪声多次统计，根据统计结果利用dac动态调整apd偏压。若噪声均方根值过高，在轨调节apd高压，apd的增益因子的变化，使得噪声统计值处于合理范围内，同时，结合用高速adc对回波脉冲进行全波形采集，调整波形预鉴别阈值，有效识别真实回波波形，滤除虚假回波。
本发明采用根据高速adc采集的特定区域噪声统计值来调整apd的偏压，并调整回波波形预鉴别阈值，避免了卫星平台速度较大，地形变化造成回波出现奇异点造成下一次测距失效的情况；其次，提高了由于卫星平台抖动过大造成探测器输出信号的信噪比，便于测距信号提取，提高卫星平台高速运行产生太阳高度角的变化适应性；对于云层散射造成的虚假回波，通过云判区间的识别，提高了识别云层散射虚假回波的能力；实现慢虚警恒定控制，使其随环境、温度等的变化而变化；提高激光测距仪对粗糙度起伏大、反射率较大的复杂地形的适应性，满足低虚警率和高探测概率要求的同时快速精确的获取测距值。
附图说明
图1为数字恒虚警控制apd偏压电路；
图2为控制方法流程图；
图3为全波形采样时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的恒虚警探测及反馈方法作进一步详细说明。
如图1所示，从探测器输出的信号经放大后，由高速adc数字化全波形采集，进入fpga并运行反馈控制算法，具体步骤如下：
处理器读取该次测量恒虚警反馈控制算法函数，当前处于测量模式下，加载存储器中的初始设定参数。初始设定参数为：星载激光测距仪系统要求的探测虚警率、探测概率，当前所测量地形类型编号，当前地形相应的噪声均值初始值、噪声均方根初始值。加载存储器中该次测量的设定参数如：噪声统计区域偏移量、噪声采集宽度，噪声采样系数、云判区间波形数据均值、均方根值，adc采集的全波形数据中回波幅度峰值、当前太阳高度角、地形反射率，apd温度值及高压调整系数、阈值调整系数。
一种基于数字恒虚警的星载激光测距仪探测及反馈方法，其特征在于步骤如下：
(1)读取并执行控制算法函数；
(2)根据星载激光测距仪系统要求的虚警率与探测概率计算地面回波信号最小阈噪比和最小信噪比；
(3)读取该次测量的噪声统计区域偏移量与噪声采样宽度，对噪声统计区域进行采样；
(4)计算得到步骤(3)中统计后的噪声平均值与均方根值；
(5)对噪声区域采样波形数据与云判区间获得的数据进行统计对比，若两者在均值、均方根值相近，且均值均较大则可认为存在云层反射，忽略该次噪声统计；否则，进入步骤(6)；
(6)判断步骤(4)中的获得的噪声平均值是否超过存储器中对应地形的噪声均值初始值，噪声均方根值是否超过存储器中噪声均值初始值；若噪声平均值或均方根值不超过初始值则进入步骤(7)，若噪声平均值或均方根值超过初始值则进入步骤(8)；
(7)记录并保存此次测量的噪声值平均值与均方根值，将此次测量噪声结果分别与前若干次累加计算，获取的数值作为下次测量的噪声均值初始值与均方根初始值；
(8)读取设置apd偏压与调整adc采集回波的波形识别阈值子程序；
(9)读取当前回波幅度峰值，根据系统最小信噪比与相关函数关系，计算出满足信噪比要求所需apd高压值；
(10)根据系统最小阈噪比与相关函数关系，计算得到满足阈噪比要求所需波形识别阈值。
如图2所示，所述步骤(1)的具体过程为：
步骤11：处理器读取该次测量恒虚警反馈控制算法函数，当前处于测量模式下，加载存储器中的初始设定参数，包括星载激光测距仪系统要求的探测虚警率、探测概率，当前所测量地形类型编号，当前地形相应的噪声均值初始值、噪声均方根初始值；
步骤12：加载存储器中该次测量的设定参数，包括噪声统计区域偏移量、噪声采样宽度、噪声采样系数，云判区间波形数据均值、均方根值，adc采集的全波形数据回波峰值幅度、当前太阳高度角、地形反射率，apd温度值及高压调整系数、阈值调整系数。
所述步骤(2)的具体过程为：根据系统要求的虚警率与探测概率，计算信道的阈噪比最小值、信噪比最小值，计算方法为：
其中，pfa0为虚警率，pd0为探测概率，tnrmin为阈噪比，snrmin为信噪比。所述步骤(3)的具体过程为：
步骤31：读取该次测量的噪声统计区域偏移量即adc采集噪声信号数据的起始位置，噪声统计起始位置位于回波门关闭之后，然后读取噪声采集宽度，计算出adc采样噪声信号点数量nk，计算方法如下：
其中，wn为噪声采样宽度，c为光速，fs为adc采样频率；
步骤32：adc对噪声统计区域进行全波形采样并存于存储器中。
所述步骤(4)的具体过程为：
步骤41：计算噪声统计的平均值，计算方法为：
其中，yi,k是指第k次测距高速adc采集的第i个波形幅度；
步骤42：计算噪声统计的均方根值，计算方法为：
所述步骤(5)的具体过程为：
步骤51：读取云判区间获得的数据统计值包括均值、均方根值；
步骤52：读取该次测量adc采集的回波峰值幅度；
步骤53：将该次噪声统计的均值与均方根值分别与云判区间获得的均值、均方根进行比较，若满足如下准则，则认为存在云层反射，且不保存该次噪声统计；否则，进入步骤(6)；判断云层反射存在准则如下：
|μk-μc|≤0.1μk，
|σk-σc|≤0.1σk，
μk≥0.5ar，
其中，ar为adc采集的全波形数据中回波峰值幅度。
所述步骤(6)的具体过程为：
步骤61：根据当前地形类型编号读取对应地形的噪声均值初始值，噪声均值初始值；
步骤62：比较步骤(4)中的此次测量的噪声平均值与存储器中对应地形的噪声均值初始值的大小，比较噪声均方根值与存储器中噪声均值初始值的大小，若噪声平均值与均方根值均不超过初始值则进入步骤(7)，若噪声平均值或均方根值超过初始值则进入步骤(8)。
所述步骤(7)的具体过程为：
步骤71：记录并保存此次测量的噪声值平均值与均方根值；
步骤72：将此次测量噪声均值、均方根值分别与前若干次累加计算，所得数值作为下次测量的噪声均值初始值与均方根初始值。
所述步骤(8)的具体过程为：
步骤81：根据系统最小信噪比、当前噪声统计均值与步骤(5)中的回波峰值幅度计算出最小噪声均方根值：
其中，snrmin为系统最小信噪比，ar为adc采集的回波全波形数据中幅度值，μk为该次测量噪声统计均值，σn为最小噪声均方根值；
步骤82：读取当前测量太阳高度角，地表反射率，计算出apd所接收的背景光功率，计算方法为：
其中，已知常数包括：es为太阳在1064nm处光谱辐照度，δλ为窄带滤光片带宽，τa为大气透过率，ηr为接收光学效率，θr为接收视场；设置参数包括：θi为太阳高度角，ρt为对应地形的反射率；
步骤83：根据步骤81中得出的最小噪声均方根值、步骤82得出的apd接收到背景光功率与当前apd温度值的函数关系，计算出apd的倍增系数：
σn≈α0in2
其中，m为apd倍增系数，in为apd输出噪声电流，f为apd噪声系数，已知常数包括：α0为噪声采样系数，ids为apd的表面暗电流，idb为apd的体暗电流，ri为apd电流响应度，b为噪声带宽，e为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，rl为apd负载，keff为电子-空穴电离率；设置参数：t为apd当前温度；
步骤84：读取apd当前温度遥测值，根据步骤83计算获得的apd倍增系数，通过温度与apd偏压函数关系，计算出适应当前温度的偏压值：
vb＝vb0+c(t-t0)
其中，vh为apd适应当前温度的偏压，vb为apd工作电压，已知常数包括：vb0是环境温度为t0时的工作电压，c为apd工作电压温度系数，n取值为1～3整数；
步骤85：读取高压调整系数根据步骤84得出的apd偏压值对其线性修正，计算出满足信噪比要求所需apd高压最佳值，修正原则：
vh0＝α1vh+α2
其中，α1、α2是高压调整系数。
所述步骤(9)的具体过程为：
步骤91：根据系统最小阈噪比、此次测量噪声统计值，计算出满足阈噪比要求所需波形识别阈值：
因此需根据噪声统计值与阈噪比合理设置回波的预鉴别阈值。因需满足系统最小阈噪比tnrmin的要求，则阈值函数如下：
vthmin＝tnrmin*σ0
vth0＝max(αk*σk，vthmin)+μk
其中，vth0回波的预鉴别阈值，tnrmin为系统最小信噪比，σ0为存储器中多次统计后的噪声均方根值，若首次测量时，σ0为当前地形噪声均方根初始值，αk是阈值调整系数，为常数，σ0、μk为此次测量噪声值均方根值与平均值。
步骤87后apd偏压值设定完成，作为下次测量的apd偏压加载值。步骤91后回波波形识别算法中预鉴别阈值的设定实现下次测量的回波波形识别。
一种基于数字恒虚警的探测及在轨反馈系统，包括apd探测器、放大及信号调理电路、高速数模转换电路、fpga采集控制电路、模数转换电路、高压模块；
所述apd探测器用于接收机焦面回波探测，将接收到的回波光信号转换为电流信号；
所述放大及信号调理电路用于对apd输出信号进行放大，并将电平转换为模拟差分信号送入高速adc；
所述高速数模转换电路用于对回波及噪声模拟差分信号进行模数转换，进行全波形采集；
所述fpga采集控制电路用于对采集的噪声值统计，进行设置apd偏压与回波波形识别算法中预鉴别阈值；
所述模数转换电路用于根据fpga设置的apd偏压进行数模转换，获得apd偏压控制电压；
所述高压模块用于apd偏压输入，受dac控制输出电压大小。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领于技术人员的公知技术。