一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种可以实时进行的光子计数成像激光雷达噪
声滤除技术。
背景技术
光子计数成像激光雷达可以在光子匮乏的情况下(平均每个像素每个回波脉冲不足一个
光子)对目标进行探测，因此成为了激光雷达领域的研究热点。但是正是由于光子计数成像
激光雷达极高的响应灵敏度，使得光子计数成像激光雷达也极易被噪声触发，从而产生大量
的虚警，严重影响成像质量。
目前的光子计数成像激光雷达噪声滤除技术主要为多脉冲累计和图像后处理技术，这些
传统的技术都需要累积探测时间或是后处理时间，无法满足实时应用的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的光子技术成像激光雷达噪声滤除技术无法满足实时应用
的要求的问题，提出了一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达。
一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达，它包括激光器1、分束器2、
发射光学系统3、PIN探测器4、接收光学系统5、Gm-APD单光子探测器阵列6和相邻像元阈
值处理模块7；
激光器1用于产生脉冲激光信号，该脉冲激光信号入射至分束器2，经分束器2形成两
路脉冲激光信号，一路为经过分束器2反射的反射脉冲激光信号，另一路为经过分束器2透
射的透射脉冲激光信号；
反射脉冲激光信号入射至PIN探测器4，经PIN探测器4处理后输出起始信号，该起始
信号输出至相邻像元阈值处理模块7；
透射脉冲激光信号入射至发射光学系统3，经发射光学系统3准直后照射到目标；
目标对经发射光学系统3准直后的透射脉冲激光信号进行反射和往返传播后，目标输出
回波信号至接收光学系统5，经接收光学系统5收集后入射至Gm-APD单光子探测器阵列6，
经Gm-APD单光子探测器阵列6聚焦处理后，通过相邻像元阈值处理模块7记录具有时间相关
性的回波信号，滤除随机分布不具备时间相关性的噪声信号；
相邻像元阈值处理模块7将具有时间相关性的回波信号与起始信号做比较，得到Gm-APD
单光子探测器阵列6对应像素的往返时间差，通过该往返时间差经过计算得到该对应像素目
标的距离值，最终获得目标三维距离像。
一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达，它还包括图像显示及存储
模块8，图像显示及存储模块8用于显示及存储相邻像元阈值处理模块7处理后输出的目标
三维距离像。
激光器1为窄脉冲激光器。
Gm-APD单光子探测器阵列6具有m×n个Gm-APD单光子探测器，每个Gm-APD单光子探
测器为一个像元；m和n均为正整数。
经Gm-APD单光子探测器阵列6聚焦处理后，通过相邻像元阈值处理模块7记录具有时间
相关性的回波信号，滤除随机分布不具备时间相关性的噪声信号，其过程如下：
将Gm-APD单光子探测器阵列6中的m×n个Gm-APD单光子探测器划分为c个基本单元，
每个基本单元包括a×b个像元；a，b，c均为正整数；
每个基本单元内的a×b个像元的逻辑电平实时相加，当相加后的总和大于相邻像元阈值
处理模块7内的设定阈值时，判断回波信号为具有时间相关性的回波信号，当相加后的总和
小于相邻像元阈值处理模块7的设定阈值时，判断回波信号为随机分布不具备时间相关性的
噪声信号。
有益效果：本发明公开了一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达。
子计数成像激光雷达采用盖革模式雪崩光电二极管(即Gm-APD)作为探测器，Gm-APD单光
子探测器具有单光子响应的灵敏度，除此之外，Gm-APD单光子探测器还具有体积小，重量轻，
功耗小，极大的提升了光子计数成像激光雷达的性能。也正是由于Gm-APD单光子探测器极高
的响应灵敏度，不可避免的噪声(这包括背景噪声，暗计数噪声等等)极易被其响应，从而
产生大量虚警严重影响成像质量，甚至晴朗白天太阳背景噪声成为了光子计数成像激光雷达
获取一个清晰3D距离像的最大挑战。本发明提出了一个巧妙的方案设计，利用回波信号具有
相关性而噪声不具有相关性的差异，采用相邻像元阈值法直接在信号探测阶段滤除噪声产生
的虚警，从而无需后续处理实时的获得一个清晰的目标三维距离像，解决了现有的光子技术
成像激光雷达噪声滤除技术无法满足实时应用的要求。
本发明适用于激光成像中的噪声滤除。
附图说明
图1为一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达的原理框图；
图2、图3和图4为一个基本单元的工作原理图；其中，图2为m×n个像元被划分为多
个3×3像元的基本单元；图3为一个基本像元的计时电路图，每个像元都有自己的计时电
路，一个基本单元有一个总的计时电路；图4为基本单元内的信号处理流程示意图；
图5为实施例中的当基本单元像元数N＝9时，不同信号噪声强度下阈值Y的结果；
图6至图9为成像结果的比较，其中，图6为没有采用相邻像元阈值法去噪的直接探测
结果示意图；图7为阈值Y＝6时获得的探测结果；图8为阈值Y＝7时获得的探测结果；图9
为阈值Y＝8时获得的探测结果。
具体实施方式
具体实施方式一、参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种采用相邻像元
阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达，它包括激光器1、分束器2、发射光学系统3、PIN
探测器4、接收光学系统5、Gm-APD单光子探测器阵列6和相邻像元阈值处理模块7；
激光器1用于产生脉冲激光信号，该脉冲激光信号入射至分束器2，经分束器2形成两
路脉冲激光信号，一路为经过分束器2反射的反射脉冲激光信号，另一路为经过分束器2透
射的透射脉冲激光信号；
反射脉冲激光信号入射至PIN探测器4，经PIN探测器4处理后输出起始信号，该起始
信号输出至相邻像元阈值处理模块7；
透射脉冲激光信号入射至发射光学系统3，经发射光学系统3准直后照射到目标；
目标对经发射光学系统3准直后的透射脉冲激光信号进行反射和往返传播后，目标输出
回波信号至接收光学系统5，经接收光学系统5收集后入射至Gm-APD单光子探测器阵列6，
经Gm-APD单光子探测器阵列6聚焦处理后，通过相邻像元阈值处理模块7记录具有时间相关
性的回波信号，滤除随机分布不具备时间相关性的噪声信号；
相邻像元阈值处理模块7将具有时间相关性的回波信号与起始信号做比较，得到Gm-APD
单光子探测器阵列6对应像素的往返时间差，通过该往返时间差经过计算得到该对应像素目
标的距离值，最终获得目标三维距离像。
具体实施方式二、本实施方式是对实施方式一所述的一种采用相邻像元阈值法实时滤噪
的光子计数成像激光雷达的进一步说明，本实施方式中，它还包括图像显示及存储模块8，
图像显示及存储模块8用于显示及存储相邻像元阈值处理模块7处理后输出的目标三维距离
像。
具体实施方式三、本实施方式是对实施方式一所述的一种采用相邻像元阈值法实时滤噪
的光子计数成像激光雷达的进一步说明，本实施方式中，激光器1为窄脉冲激光器。
本实施方式中，激光器为窄脉冲激光器，脉冲可以提高信号脉冲的时间相关性，而且窄
脉冲的使用还有助于成像精度的提高。
具体实施方式四、本实施方式是对实施方式一所述的一种采用相邻像元阈值法实时滤噪
的光子计数成像激光雷达的进一步说明，本实施方式中，Gm-APD单光子探测器6具有m×n
个Gm-APD单光子探测器，每个Gm-APD单光子探测器为一个像元；m和n均为正整数。
本实施方式中，m×n个Gm-APD单光子探测器构成本实施方式中所述的Gm-APD单光子探
测器6。Gm-APD的中文含义为盖革模式雪崩光电二极管。
具体实施方式五、本实施方式是对实施方式一所述的一种采用相邻像元阈值法实时滤噪
的光子计数成像激光雷达的进一步说明，本实施方式中，经Gm-APD单光子探测器阵列6聚焦
处理后，通过相邻像元阈值处理模块7记录具有时间相关性的回波信号，滤除随机分布不具
备时间相关性的噪声信号，其过程如下：
将Gm-APD单光子探测器阵列6中的m×n个Gm-APD单光子探测器划分为c个基本单元，
每个基本单元包括a×b个像元；a，b，c均为正整数；
每个基本单元内的a×b个像元的逻辑电平实时相加，当相加后的总和大于相邻像元阈值
处理模块7内的设定阈值时，判断回波信号为具有时间相关性的回波信号，当相加后的总和
小于相邻像元阈值处理模块7的设定阈值时，判断回波信号为随机分布不具备时间相关性的
噪声信号。
本实施方式中，每个基本单元内a×b个像元的逻辑电平实时的相加，相加后的总和与设
定阈值进行比较，用来判断回波信号为具有时间相关性的回波信号还是随机分布不具备时间
相关性的噪声信号。
具体实施方式六、本实施方式为一个实施例，选择一个基本单元像元数为9，不同回波信
号和噪声强度情况下的最佳阈值，如图5所示。
本发明提供了一种采用相邻像元阈值法实时滤噪的光子计数成像激光雷达。它将Gm-APD
单光子探测器分成若干个基本单元，通过一个恰当的阈值判断是否存在回波信号，它能实时
的有效的减小噪声产生的虚警，伴随着无需信号后处理直接获取清晰的目标3D距离像。
如图2所示，Gm-APD单光子探测器被分成了许多基本单元，每个基本单元都由n＝9个像元
组成。图3是一个基本单元的计时电路，它的工作原理如图4所示。脉冲信号在0时刻发
射，这时基本单元的主计时器开始从0计时，Gm-APD单光子探测器中每个像元都开启等待
回波信号，每个像元自己的计时电路没有开始工作。当某个像元被触发，无论是信号还是噪
声，这个像元的计时器开始从0计时，同时输出一个△t时间的逻辑高电平脉冲。如果这时没
有停止信号出现，Gm-APD单光子探测器经过死时间后重置再一次等待回波信号，再次雪崩事
件将继续重置该像元的计时器并且输出△t时间的逻辑高电平脉冲，如此重复下去一直到停
止信号出现。
每个基本单元内a×b个像元的逻辑电平被实时的相加，当他们的总和大于一定阈值时，
一个停止信号将停止所有的时钟，这是每个像元的信号往返时间可以通过总计时器减去每个
像元自己的计时器得到，例如图4中第ith像元的往返时间为Ti＝△τ-τi。这样噪声很好的被滤
除，因为他们随机分布导致没有超过阈值。此外这种方法还很好的保留了各个像元的计时时
间，没有牺牲横向分辨率。
采用单元阈值法实时探测去噪声方法的验证试验如下：
采用LASERCOMPONENTS公司生产的COUNT-50CGm-APD，它在532nm的量子效率为60％，
死时间为50ns，这是一个性能比较好的短死时间器件，即一次雪崩后经过短暂的50ns死时
间就可以进行下一次探测。试验中我们采用了可调强度的日光灯照射目标，模拟出了强度为
每纳秒0.01个噪声光电子(Nn＝0.01ns-1)的背景环境，这是晴朗白天的太阳背景噪声强度。
通过可调孔径光阑将平均每个像元每个脉冲回波的信号光子数控制为5个光电子
(Ns＝5ns-1)。
实验的结果如图6至图9所示，图6为没有采用相邻像元阈值法去噪的直接探测结果，可
以看出噪声点和目标的回波信号点混杂在一起，很难分辨。图7、图8和图9是采用了相邻
像元阈值法去噪的成像结果，这很好的验证了单元阈值法能有效的去除太阳背景噪声的影
响。其中从图5中我们可以得到噪声强度Nn＝0.01ns-1和信号强度Ns＝5ns-1的情况，9像元单
元阈值去噪的最佳阈值为Y＝7。比较图7至图9，图8中阈值为7的时候成像质量最好。相比
之下阈值为6和8时，阈值偏小时，噪声超过阈值的概率变大，噪声点明显多于图8最佳阈
值的成像结果；阈值偏大时，信号低于阈值而造成漏警的概率变大，所以目标回波信息没有
图8最佳阈值的成像结果的丰富。