一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法

本发明涉及激光测距技术领域，具体为一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法。

背景技术：

近年来，直接序列时间相关光子计数型深度成像系统的研究已经广泛展开。

其一，现有的系统多采用一路发射直接序列和另一路产生同步高电平的方法进行探测，这种技术存在的问题是高电平脉冲往往无法和码开始发送的时间完全同步，特别在发送高码流速率时，这种不同步性会带来码型重构的偏移，从而导致时间相关函数波形的展宽，深度确度下降等问题；而一些采用了外加锁相环来解决同步性问题的系统，硬件系统的复杂度提高。

其二，系统的确度也是关键性能参数之一，由于环境因素，如噪声和目标材质等不确定因素的存在，使得直接序列时间相关光子计数型深度成像方法必然存在测量误差，有报道指出，该误差的主要原因是由于光子探测器存在“时间行走误差”或称为“时间抖动”，即单位时间内探测到的光子数越多，所产生的时间到达点的超前越大，系统确度越低，在该类系统中，由于盖格模式雪崩二极管的“时间行走”效应，导致多个光子时间到达点的偏移，必然带来时间相关函数的整体位移，有必要给出该类系统的偏移补偿方法；而针对盖格模式雪崩二极管本身的偏移补偿阈值比较电路过于复杂，应用性较差；简单的函数拟合方法，(如：weijihe，boyusima，yunfeichen，huidongdai，qianchen，guohuagu.acorrectionmethodforrangewalkerrorinphotoncounting3dimaginglidar[j].opticscommunications，2013，308(1):211-217.shanshanshen，chenqian，heweiji，etal.boundaryevaluationanderrorcorrectiononpseudo-randomspreadspectrumphotoncountingsystem[j].chineseopticsletters，2017，15(9):090101-1-090101-6.)。虽然可以提高深度确度，但低信噪比和高信噪比的深度偏移方差具有明显的互异性，参数的最小二乘估计量的各分量的方差较大，导致估计值与真实值的波动增大，即模型中存在的异方差性使得其不再具有最小方差性，造成估计的精度降低，加上没有考虑光子计数率的矫正，因此该方法在实际成像时效果不佳。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有直接序列时间相关光子计数型深度成像系统中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是提供一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法，能够实时高精度的补偿深度误差，进一步提高系统确度。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法，具体步骤如下：

s1、通过面阵扫描，矫正第x行y列对应像素探测到的光子计数值rdetect(x,y)，根据式(1)计算矫正后的光子计数值ractual(x,y)；

ractual(x,y)＝rdetect(x,y)corr(x,y)-darkcounts(1)

其中，darkcounts为暗计数；corr(x,y)为光子计数率矫正系数，dt为死时间；

s2、调整a盖格模式雪崩二极管所对应的固定光衰减器，使得经a盖格模式雪崩二极管到达时间记录仪的矫正后的光子计数值ractual(x,y)等于直接序列中1的个数，作为参考路光子计数值，记为rbase；

s3、通过调整偏振片和可调光衰减器来逐次减小反射回波的光强，获得n组不同光强的反射回波，记录b盖格模式雪崩二极管探测到第i组反射回波的光子数，根据式(1)，计算矫正后的光子计数值记为rdet(i),其中，0＜i≤n；

s4、计算第i组矫正后的光子计数比例

s5、重构经到达a盖格模式雪崩二极管和b盖格模式雪崩二极管的两路光子时间到达点x(n)、y(n)，计算得到第n个时间单元对应的相关的光子计数值，也称为时间相关函数：

其中，表示傅里叶变换，为傅里叶逆变换；

s6、计算第1组实验光子计数比例下，时间相关函数峰值左右各取50点的质心拟合深度值其中，τ(n)为第n个时间单元的光子飞行时间值；

s7、重复步骤s3—s6，直到探测到的时间相关函数波严重失真，记下失真前一次，即第n次的光子计数比例值r(n)和其所对应的深度值d(n)，记为深度参考值dreference；

s8、将得到的n组深度值d(i)(1≤i≤n)与参考深度值dreference相减，得到相应光子计数比例r(i)下的深度误差值derror[r(i)]，即：

derror[r(i)]＝dreference-d[i]；

s9、计算补偿后的深度值dcorrect＝d(i)+derror[r(i)]；

s10、根据第x行y列对应像素获得原始深度矩阵d(x,y)，以及校正后的光子计数比例矩阵r(x,y)，代入步骤s9的公式中，

得到补偿后的深度像为dcorrect(x,y)＝d(x,y)+derror[r(x,y)]。

作为本发明所述的一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法的一种优选方案，其中，所述步骤s8中，derror[r(i)]＝dreference-d[i]的具体计算步骤为：

s8.1采用步骤s6所述质心拟合算法计算深度值，结合对应光子计数比例值构成具有先验信息的原始数据；

s8.2设有n组距离误差值derror(i)(1≤i≤n)，有n组光子计数比例r(i)(1≤i≤n)且两者满足系数为a的函数式：其中a为未知参数，长度为k，即a＝[a1,…,ak]，且观测值derror与模型参数a成非线性关系；模型转化为计算公式的最小值；

s8.3采用线性最小二乘方法估计数据并计算残差

s8.4计算杠杆值表示深度误差的平均值，hii表示第i次观测值与平均值之间距离的远近，因为大杠杆值的观测点远离样本中心，较大的杠杆值的残差偏小，通过其调整权重，降低异方差性对估计精度的影响；

s8.5给出调整后的残差表达式：

s8.6计算权重wi＝1/e(i)²；

s8.7引入调整后的权重wi，计算合适的系数a，使最小。

作为本发明所述的一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法的一种优选方案，其中，所述步骤s1中，面阵扫描具体步骤如下：准直器固定在二维导轨平台上，基于labview实时电控二维导轨工作，控制二维导轨上下运动，通过控制导轨最大行程和最小步长，带动准直器，逐点扫描，收集光脉冲信号，逐点计算时间相关函数波形，获得二维深度图像。

作为本发明所述的一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法的一种优选方案，其中，所述步骤s5中，两路光子到达a盖格模式雪崩二极管和b盖格模式雪崩二极管的具体步骤如下：

基于可编程逻辑器件的直接序列发生器选择发送2.5ghz的直接序列，以驱动垂直表面激光器发射光信号；

光信号通过1分2光分路器分为两路，其中一路作为参考信号经固定光衰减器耦合入a盖格模式雪崩二极管，另一路作为发射脉冲经多模光纤导入光环行器的a端口，然后从光环行器的b端口导出并通过准直器将发射脉冲发射至目标，经目标形成反射回波通过准直器重新导入光环行器的b端口，然后从光环行器的c端口导出并经可调光衰减器导入b盖格模式雪崩二极管。

作为本发明所述的一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法的一种优选方案，其中，所述直接序列为采用matlab生成。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：该种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法通过实时矫正探测到的光子数，并基于线性回归模型，采用采用加权的最小二乘拟合法，得到深度偏移函数，实时高精度的补偿深度误差，得到更加精确的深度图像，相对于传统最小二乘法补偿的深度图像，进一步提高了系统精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法的系统原理图；

图2为本发明一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法的流程图；

图3为本发明一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法的深度补偿曲线；

图4为本发明一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法的目标实物图；

图5为本发明一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法补偿前的成像图；

图6为本发明一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法补偿后的成像图。

图7为本发明现有方法补偿后的成像图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法，能够实时高精度的补偿深度误差，进一步提高系统确度。

图1示出的是本发明一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法对应的系统图，请参阅图1，该系统包括直接序列发生器、激光器、分路器、光环行器、准直器、二维导轨、固定衰减器、可调衰减器、a盖格模式雪崩二极管、b盖格模式雪崩二极管和时间记录仪。

下面结合图1对该本发明一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法的具体步骤详细说明。

一种直接序列时间相关光子计数误差补偿方法，具体步骤如下：

s1、通过面阵扫描，矫正第x行y列对应像素的探测到的光子计数值rdetect(x,y)，根据公式计算得到矫正后的光子计数值

ractual(x,y)＝rdetect(x,y)corr(x,y)-darkcounts，其中，darkcounts为暗计数；corr(x,y)为光子计数率矫正系数，dt为死时间；作为优选，在本实施方式中，面阵扫描具体步骤如下：准直器固定在二维导轨平台上，基于labview实时电控二维导轨工作，控制二维导轨上下运动，通过控制导轨最大行程和最小步长，带动准直器，逐点扫描，收集光脉冲信号，逐点计算时间相关函数波形，获得二维深度图像。

s2、调整a盖格模式雪崩二极管所对应的固定光衰减器，使得经a盖格模式雪崩二极管到达时间记录仪的矫正后的光子计数值ractual(x,y)等于直接序列中码为1的个数，作为参考路光子计数值，记为rbase；

s3、通过调整偏振片和可调光衰减器来逐次减小反射回波的光强，获得n组不同光强的反射回波，设b盖格模式雪崩二极管探测到第i组反射回波的光子数记为rdet(i),其中，0＜i≤n；

s4、计算第i组矫正后的光子计数比例

s5、重构经到达a盖格模式雪崩二极管和b盖格模式雪崩二极管的两路光子时间到达点x(n)、y(n)，计算得到第n个深度单元对应的相关的光子计数值

c(n)＝f^-1{f[x(n)]^*×f[y(n)]}，其中，其中，f表示傅里叶变换，f^-1为傅里叶逆变换；

作为优选，在本实施方式中，两路光子到达a盖格模式雪崩二极管和b盖格模式雪崩二极管的具体步骤如下：

基于可编程逻辑器件的直接序列发生器选择发送2.5ghz的直接序列，以驱动垂直表面激光器发射光信号；

光信号通过1分2光分路器分为两路，其中一路作为参考信号经固定光衰减器耦合入a盖格模式雪崩二极管，另一路作为发射脉冲经多模光纤导入光环行器的a端口，然后从光环行器的b端口导出并通过准直器将发射脉冲发射至目标，经目标形成反射回波通过准直器重新导入光环行器的b端口，然后从光环行器的c端口导出并经可调光衰减器导入b盖格模式雪崩二极管。直接序列为采用matlab生成。

s6、计算第1组实验光子计数比例下，时间相关函数峰值左右各取50点的质心拟合深度值其中，τ(n)为第n个深度单元的光子飞行时间值；

s7、重复步骤s3—s6，直到探测到的时间相关函数波形严重失真，记下失真前一次，即第n次的光子计数比例值r(n)和其所对应的深度值d(n)，记为深度参考值dreference；在本实施方式中，记下失真前一次，即第36次实验的光子计数比例值r(36)和其所对应的深度数值d(36)，第36次实验的光子计数比例为3×10⁴/1.3×10⁶。

s8、将得到的n组深度值d(i)(1≤i≤n)与参考深度值dreference相减，得到相应光子计数比例r(i)下的深度误差值derror[r(i)]，即：

derror[r(i)]＝dreference-d[i]；

在本实施方式中，将实验得到的36组深度值d(i)与参考深度值dreference相减，得到的图3的圆形数据点

作为优选，在本实施方式中，derror[r(i)]＝dreference-d[i]的具体计算步骤为：

采用质心拟合算法实时得到深度值，结合对应光子计数比例值构成具有先验信息的原始数据；

设有36组距离误差值derror(i)(1≤i≤36)，有36组光子计数比例r(i)(1≤i≤36)且两者满足系数为a的函数式：

其中a为未知参数，长度为4，即a＝[a1,…,a4]，且观测值derror与模型参数a成非线性关系。

模型转化为计算公式的最小值。

采用线性最小二乘方法估计的数据并计算残差

采用最小二乘法估计原有模型，得到随机误差项的近似估计量e(i)；

计算杠杆值表示距离误差的平均值，hii表示第i次观测值与自变量平均值之间距离的远近，因为大杠杆值的观测点远离样本中心，较大的杠杆值的残差偏小。通过其调整权重，降低异方差性对估计精度的影响。

给出调整后的残差表达式：

计算权重wi＝1/e(i)²；

引入调整后的权重wi，计算合适的系数a，使最小。采用最小二乘估计法，估计得到三阶多项式函数

derror[r(i)]＝1.1×10^-5r(i)³-5.1×10^-4r(i)²+0.0107r(i)+0.0034

s9、计算补偿后的深度值dcorrect＝d(i)+derror[r(i)]；

s10、根据第x行y列对应像素获得原始深度矩阵d(x,y)，以及校正后的光子计数比例矩阵r(x,y)，代入步骤s9的公式中，

得到补偿后的深度图像为dcorrect(x,y)＝d(x,y)+derror[r(x,y)]。

本标定实验对距离系统7米左右的平面目标成像，该目标由黑白两部分组成，如图4。粗糙的黑色的纸和光滑的亮白的平板构成成像，两个区域光滑的亮白平面返回的光子计数率高，粗糙的黑色平面返回的光子计数率低。图5为积分时间0.05秒下测量的深度图像，黑白两个区域的成像差异体现为：深度浮动程度不同和深度数值行走误差不同。矫正光子计数值后，实验测量得到黑色目标的时间相关函数波形的光子计数比例为0.12，白色目标的时间相关函数波形的光子计数比例为0.89。根据图2所示补偿算法流程，通过二维逐点扫描，获计算得原始深度矩阵d(x,y)以及像素点的光子计数比例矩阵r(x,y)，将光子计数比例r(x,y)计算得到深度误差值，将深度误差值计算得到补偿后的深度图像如图6所示,黑白两侧的相对深度误差减小；图7是采用传统最小二乘法补偿的深度图像，深度误差比本文提出的方法大。0.05秒积分时间下，改进前的深度均方误差为0.11米，改进后的深度均方误差下降为0.02米；而采用传统最小二乘法补偿的深度图像，改进后的深度均方误差下降为0.04米。本方法深度误差降低了4.5倍，而传统的方法深度误差降低了1.8倍。本方法优于传统的方法。

需要补充说明的是：本实施方式中假设a参考路时间到达点近似为原有码型，其光子计数率是固定的。如果参考码型的光子计数率变化，则在同等情况下会引入新的深度偏移，本实施例以a盖格模式雪崩二极管的光子计数值1.4×10⁶个/秒为准，以接收路b盖格模式雪崩二极管的光子计数比例作为可控变量，表征目标反射回波的能量变化，构建因目标材质变化导致的返回回波的能量改变而带来的深度偏移的补偿装置。

虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。