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CN107085218B - 确定返回光脉冲的返回时间的方法以及spl扫描仪 - Google Patents

确定返回光脉冲的返回时间的方法以及spl扫描仪 Download PDF

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CN107085218B CN201710080179.XA CN201710080179A CN107085218B CN 107085218 B CN107085218 B CN 107085218B CN 201710080179 A CN201710080179 A CN 201710080179A CN 107085218 B CN107085218 B CN 107085218B
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Abstract

本发明涉及确定返回光脉冲的返回时间的方法以及SPL扫描仪。本发明涉及通过单光子LiDAR SPL扫描仪来确定返回光脉冲的返回时间的方法和装置，SPL扫描仪包括：低光子计数检测器，其将少量光子或单光子转换成电信号；以及控制与处理单元，其用于处理数据并确定返回光脉冲的返回时间。方法的特征在于，控制与处理单元识别潜在地表示返回脉冲事件的一组检测到的光子，并基于标准来创建返回脉冲信号，标准涉及检测到的光子的时间概率分布，特别是限定的最少量的连续检测到的少量光子或单光子；基于所识别的潜在地表示返回脉冲事件的一组检测到的光子来识别返回脉冲信号的上升沿和下降沿；以及基于返回脉冲信号的上升沿和下降沿来确定各个返回脉冲事件的返回时间。

Description

确定返回光脉冲的返回时间的方法以及SPL扫描仪
技术领域
本发明涉及单光子LiDAR扫描仪和用于确定返回光脉冲的返回时间的方法，特别是用于测量航空LiDAR表面扫描中的传出脉冲事件与返回脉冲事件之间的时间的方法。
背景技术
分别在光学或光电子测距领域中，已知用于确定至测量目标的距离的不同原理和方法。在一种方法中，朝向目标发射脉冲电磁辐射(例如，脉冲激光束)，并且通过在对与至该目标的距离成比例的脉冲飞行时间(ToF)进行计时的同时检测来自该目标的反向散射脉冲来测量距离。这种ToF装置已经被确立为许多测距应用中的标准解决方案。
距离LiDAR通常在两种模式之一下操作。在线性模式中，发射高能量脉冲，导致高到足以作为模拟信号来进行处理的脉冲返回信号，其中，该信号幅度与目标反射率成比例。在所谓的单(低计数)光子LiDAR模式(下面称作SPL模式)中，使用低能量脉冲，导致低返回脉冲信号，其中，每个返回光子包被处理为一事件，并且通常没有幅度信息可用。
针对线性模式操作，通常利用高速模数转换(ADC)捕获脉冲，并接着加以分析，以获得非常好的准确度(<1cm)的距离测量。因为模拟信号包含幅度和转换速率信息，所以可以将将因非线性而造成的距离偏置效应以及信号处理效应特征化并校正，并由此实现了针对宽范围的返回脉冲强度的高准确度。
针对单光子LiDAR模式，通常没有幅度或转换速率信息可用，并且无法容易地校正偏置、非线性以及噪声效应。为了减轻该信息的缺乏，通常使用非常短的脉冲(<1ns)来准确地确定距离。然而，这并未解决因检测器中的非线性计时行为而造成的任何问题。
SPL系统包含以下主要组件：
·发射器，其用于发射光脉冲；
·低光子计数检测器，其用于检测返回光脉冲，适于将少量光子或单光子转换成电信号；以及
·控制与处理单元，其用于处理数据并确定返回光脉冲的返回时间。
例如，一些系统使用可将接收到的光子包转换成一个事件的单光子雪崩检测器(SPAD)或Geiger模式雪崩光电二极管(gmAPD)。产生的信号不与包中的光子数量成比例。其它系统使用光电倍增管(PMT)、硅光电倍增管(SiPM)、微通道板检测器(MCP)或诸如强化光电检测器(IPD)的混合检测器将光子包转换成电信号。信号与在包中检测到的光子数量成比例，即，从信号观点来看，这些种类的检测器提供比SPAD或gmAPD检测器更多的信息。
该控制与处理单元通常包括用于将电信号(脉冲)转换成时间信息的计时电子装置。通常来说，这利用时间数字转换器(TDC)来完成，其中，信号首先被转换成二进制电信号，其通常利用高速比较器完成。
针对强模拟信号，可以使用恒比定时器(CFD:Constant FractionDiscriminator)电路来准确地确定用于定时的位置。针对利用PMT、SiPM、MCP或IPD的低光子计数，CFD可能不会获得良好的结果。针对SPAD和gmAPD，CFD通常不被使用-技术上-它不带来特别的好处。
由于通常在检测到信号并使其成为二进制定时信号之后没有可用的幅度信息，因此用于区分所需信号与其它随机噪声事件(因太阳背景或检测器中的热效应而造成)的工作是将距离(range)与周围测量相比较。
典型地讲，TDC测量二进制定时信号的上升沿。在检测器中，存在光子将产生要被放大并转换成去往定时电路的电信号的光电子的可能性。正常情况下，用于检测该信号的阈值被设置成在幅度上仅对应于一个或几个光子。因为所发送的脉冲通常具有高斯形状，所以当反射脉冲变强时，前部和下降尾部的高于阈值的部分增加。因此，当对信号的上升沿进行计时时，存在幅度相关的计时偏置，在文献中通常称为“距离走动(range walk)”效应。为了校正“距离走动”效应，必须知道幅度信息。
3D LiDAR测绘可以被用于创建世界的准确3D表示。提高的分辨率和生产率推动该技术使用更强的激光器和更灵敏的检测器。然而，更强的激光器强加了功耗的问题和安全问题，而检测器的灵敏度受限于低水平(离散光子)的量子离散化。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种减轻高分辨率3D LiDAR测绘中的局限性的改进方法和改进系统。
具体地，本发明的目的是提供一种用于减轻和消除在处理弱返回脉冲信号时遇到的问题的改进方法和改进系统，特别是在对飞越的地带进行空中表面扫描的单光子LiDAR扫描仪中。
本发明的特定目的是进一步减轻单光子LiDAR扫描仪中的、通常称为“距离走动”效应的幅度相关的计时误差。
这些改进中的至少一个通过所述方法、所述LiDAR扫描仪来实现。
根据本发明，提出了一种用于特别在空中LiDAR表面扫描、地面监测扫描、移动测绘扫描或者建筑或(高清晰度)测量扫描中，通过单光子LiDAR扫描仪(在下面称作SPL扫描仪)来确定返回光脉冲的返回时间的方法，该方法特别用于测量传出脉冲事件与返回脉冲事件之间的时间，所述SPL扫描仪包括低光子计数检测器和控制与处理单元，该低光子计数检测器用于将少量光子或单光子转换成电信号，该控制与处理单元用于处理数据并且用于确定所述返回光脉冲的所述返回时间。该方法的特征在于，所述控制与处理单元
·识别潜在地表示返回脉冲事件的一组检测到的光子，并且基于标准来创建返回脉冲信号，所述标准涉及被检测到的光子的时间概率分布，特别是限定的最少量的连续检测到的少量光子或单光子；
·基于所识别的潜在表示返回脉冲事件的所述一组检测到的光子，识别所述返回脉冲信号的上升沿和下降沿；以及
·基于所述返回脉冲信号的上升沿和下降沿，确定各个返回脉冲事件的返回时间。
使用所述返回脉冲信号的上升沿和下降沿来确定所述返回脉冲事件的返回时间具有多个优点，特别是用于消除“距离走动”偏置效应的大部分。
由于前部和下降尾部将沿相反方向移动以改变幅度，因而，这两者的平均值将保持几乎恒定，因此所述返回脉冲事件的返回时间的确定更稳定，并且几乎独立于幅度(或增益)效应。
而且，通过上升信号与下降信号之间的平均化，时间数字转换的抖动噪声因两个自变量的平均化而降低。与所述检测器中的增益变化相关联的抖动因该上升时间事件与下降时间事件之间的负相关性而被大部分消除。
在本发明的具体实施方式中，所述SPL扫描仪的所述检测器适于将单光子或光子包转换成电信号，并且所述电信号与在所述光子包中检测到的光子的数量成比例，所述检测器是单部件检测器、多部件检测器或检测器阵列，特别是光电倍增管、硅光电倍增管、微通道板检测器，或诸如强化光电检测器的混合检测器。
在另一实施方式中，所述SPL扫描仪的所述检测器适于将单光子或光子包转换成表示一个事件的电信号，所述检测器是单部件检测器、多部件检测器或检测器阵列。因此，在该实施方式中，所述幅度信息丢失，但如果用于检测连续事件的时间分辨率足够高以解析脉冲持续时间(即，光子检测之间的检测器占空比足够短)并且考虑到下降沿与上升沿之间的时间差(或下降沿与上升沿之间的信号宽度)与所述返回信号的幅度有关，则可以间接导出所述幅度信息。
在本发明的另一实施方式中，所述SPL扫描仪适于基于针对产生要转换成电信号的光电子的光子的多个不同概率阈值来产生多个返回脉冲信号，所述阈值分别被定义成幅度上不同的少量光子。具体来说，所述控制与处理单元还适于基于通过应用所述不同概率阈值而产生的返回脉冲信号之间的返回脉冲信号变化来确定所述返回脉冲事件的幅度信息，特别是其中，所述幅度信息被用于校正幅度相关的计时效应和/或用于区别因被扫描的表面区域的反射率变化导致的幅度变化与因所述被扫描的表面区域的诸如斜坡的几何效应导致的幅度变化。例如，强反射脉冲宽且高，而来自斜坡的返回宽但不高。
而且，下降沿与上升沿之间的时间差(或者下降沿与上升沿之间的信号宽度)与返回信号的幅度有关。由此，该信息可以被用于针对所述信号中的非线性和不对称进一步校正计时。
因此，根据本发明的另一具体实施方式，所述控制与处理单元适于基于所述返回脉冲信号的下降沿与上升沿之间的时间差来确定所述返回脉冲事件的幅度信息，特别是其中，所述幅度信息被用于校正幅度相关的计时效应和/或噪声效应。
具体来说，已经可以使用粗略的幅度信息来区分太阳或热噪声与真实信号，因为在时间上接近的多个噪声光子的概率比在时间上接近的多个信号光子的概率低得多。由此，可以非常大地改善所生成的3D点云的过滤，从而导致更清晰的3D点数据集。
一方面，特别是对于空中LiDAR表面扫描来说，可以通过检测和处理多光子返回的单部件(单像素)检测器来检测返回脉冲的光，其中，所述扫描仪的发射器通常包括根据指定扫描图案朝向目标(例如，地面)引导激光脉冲的移动部件，如扫掠或旋转镜(或棱镜或折射光学器件)。
另一方面，具体在使用诸如SPL应用中的非常光敏的检测器时，使用多部件(多像素)检测器装置，多部件(多像素)检测器装置能够检测入射光通量(下至单光子)的，来提供针对每个像素的有关光子数量及所述光子的抵达时间的信息。通常来说，由单个发射的激光脉冲产生(例如，通过利用衍射光学部件)多个激光雷达光束，多个激光雷达光束接着利用取决于到目标的距离(例如，飞行高度)和激光孔径的尺寸同时照射目标(地面)表面区域。具体来说，这些类型的空中LiDAR系统具有以下优点：由于高的检测器灵敏度，因而，可以使用低能量激光束并且可以从高空(high altitude)执行扫描。而且，因为从许多不同视角扫描每个表面点，所以阴影效应被极大地最小化。然而，与单部件扫描系统相比，这些类型的系统更复杂，而且还需要更复杂且计算密集的图像相关方法。
本发明的主题不依赖于LiDAR系统的类型，即，单部件或多部件LiDAR。
因此，在本发明的另一些实施方式中，所述SPL扫描仪适于利用单个激光雷达光束进行扫描或者适于利用多个激光雷达光束同时扫描。具体来说，扫描可以借助于所述SPL扫描仪的发射器光学器件的扫掠或旋转部件(例如，镜子、棱镜、折射部件等)来调节，并且如果适用，所述多个激光雷达光束从单个发射的激光脉冲产生，特别是通过利用衍射光学部件从单个发射的激光脉冲产生。
本发明还描述了一种单光子LiDAR扫描仪，该单光子LiDAR扫描仪在下面称作SPL扫描仪，特别是用于对飞越的地带进行空中表面扫描的空中SPL扫描仪、地面监测扫描仪、移动测绘扫描仪或者建筑或测量扫描仪，所述SPL扫描仪包括：用于发射光脉冲的发射器；用于检测返回光脉冲的低光子计数检测器，所述低光子计数检测器适于将少量光子或单光子转换成电信号；以及控制与处理单元，该控制与处理单元用于处理数据并且用于确定所述返回光脉冲的返回时间。所述SPL扫描仪的特征在于，所述控制与处理单元
·识别潜在地表示返回脉冲事件的一组检测到的光子，并且基于标准来创建返回脉冲信号，该标准涉及所述被检测到的光子的时间概率分布，特别是限定的最少量的连续检测到的少量光子或单光子；
·基于所识别的潜在地表示返回脉冲事件的所述一组检测到的光子，识别所述返回脉冲信号的上升沿和下降沿；以及
·基于所述返回脉冲信号的上升沿和所述下降沿，确定各个返回脉冲事件的返回时间。
在所述SPL扫描仪的具体实施方式中，所述检测器适于将单光子或光子包转换成电信号，并且所述电信号与在所述光子包中检测到的光子的数量成比例，所述检测器是单部件检测器、多部件检测器或检测器阵列，特别是光电倍增管、硅光电倍增管、微通道板检测器，或诸如强化光电检测器的混合检测器。
在另一实施方式中，所述SPL扫描仪的所述检测器适于将单光子或光子包转换成表示一个事件的电信号，所述检测器是单部件检测器、多部件检测器或检测器阵列。
所述SPL扫描仪的另一实施方式包括具有高速比较器的时间数字转换器，该时间数字转换器在下面称作TDC。
在特定实施方式中，所述SPL扫描仪适于基于用于产生要转换成电信号的光电子的光子的多个不同概率阈值，特别是通过分别针对具有不同检测阈值的不同检测器像素使用多个不同比较器，来产生多个返回脉冲信号，所述阈值分别被定义为幅度上不同的少量光子，特别是其中，所述控制与处理单元适于基于通过应用所述不同概率阈值而产生的返回脉冲信号之间的返回脉冲信号变化来确定所述返回脉冲事件的幅度信息，特别是其中，所述幅度信息被用于校正幅度相关的计时效应和/或用于区别因被扫描的表面区域的反射率变化而造成的幅度变化与因被扫描的表面区域的诸如斜坡的几何效应而造成的幅度变化。
所述SPL扫描仪的一个具体实施方式公开了所述控制与处理单元适于基于所述返回脉冲信号的下降沿与上升沿之间的时间差，特别是利用单一比较器通道或多个比较器通道的上升沿与下降沿的差异，来确定所述返回脉冲事件的幅度信息，特别是其中，所述幅度信息被用于校正幅度相关的计时效应和/或噪声效应。
在根据本发明的扫描仪的具体实施方式中，所述SPL扫描仪适于利用单个激光雷达光束进行扫描或者适于利用多个激光雷达光束同时扫描。具体来说，扫描可以借助于所述SPL扫描仪的发射器光学器件的扫掠或旋转部件来调节，并且如果适用，所述多个激光雷达光束从单个发射激光脉冲产生，特别是通过利用衍射光学部件从单个发射激光脉冲产生。
本发明的另一实施方式通过TDC提供，所述TDC利用现场可编程门阵列实现为高分辨率计时装置，特别是其中，多个门延迟被并行或串行地使用，特别是用于实现比由现场可编程门阵列的时钟频率指定的分辨率高的分辨率。
本发明还包括将在根据本发明的方法内使用的计算机程序产品，所述计算机程序产品存储在控制与处理单元上，控制与处理单元特别是作为根据本发明的单光子LiDAR扫描仪的一部分，所述计算机程序产品包括程序代码，所述程序代码被配置用于
·识别潜在地表示返回脉冲事件的一组检测到的光子，并且基于标准来创建返回脉冲信号，该标准涉及被检测到的光子的时间概率分布，特别是限定的最少量的连续检测到的少量光子或单光子；
·基于所识别的潜在地表示返回脉冲事件的所述一组检测到的光子，识别所述返回脉冲信号的上升沿和下降沿；以及
·基于所述返回脉冲信号的上升沿和下降沿，确定各个返回脉冲事件的所述返回时间。
附图说明
下面，通过参照伴随附图的示例性实施方式，对本发明进行详细描述，其中：
图1a是现有技术的光电子测距仪的示意性例示图；
图1b是现有技术的脉冲飞行时间测距方法的示意性例示图；
图2a是使用扫掠镜以单一激光雷达光束进行扫描的空中LiDAR扫描仪的示例性测量任务；
图2b是利用多个激光雷达光束同时进行扫描的空中LiDAR扫描仪的示例性测量任务；
图2c是按圆形扫描图案利用多个激光雷达光束进行扫描的空中LiDAR扫描仪的示例性测量任务；
图2d是用于进行建筑监测的地面LiDAR扫描仪的示例性测量任务；
图2e是用于进行斜坡监测的地面LiDAR扫描仪的示例性测量任务；
图3是由利用检测器的SPL LiDAR扫描仪确定的示例性信号波形，其中，电检测信号与在包中检测到的光子的数量成比例；
图4是用于例示“距离走动”效应的具有弱和强返回脉冲的SPL LiDAR扫描仪的示例性信号波形；
图5由根据本发明的SPL LiDAR扫描仪利用检测器的示例性脉冲检测，其中，单光子或光子包转换成表示一个事件的电信号。
具体实施方式
图1a和图1b例示了普通光电子测距仪装置的原理，其中，图1a示出了这种光电子测距仪的主要组件的示意性例示图，而图1b示出了脉冲飞行时间测距方法的示意性例示图。
如图1a所示，测距仪1包括用于发射光脉冲4的发射器单元2和用于检测从目标5反向散射的返回脉冲4'的接收器单元3。代替单一光脉冲，通常使用模拟或数字编码脉冲图案或连续调制的发送信号。
如图1b中的示意性例示图所示，接着根据光脉冲的飞行时间Tf，即，光脉冲4的发射时间与反向散射的返回脉冲4'的检测时间之间的时间差，来确定至目标的距离。为了确定返回脉冲4'的返回时间，通常使用阈值标准，例如，一旦信号强度超过限定阈值就检测到该脉冲。
图2a示出了随着飞行物体11携带的根据本发明的单光子LiDAR系统10的典型实施方式。该图指示由扫掠扫描仪运动(例如，通过扫掠镜)和向前飞行运动所造成的典型Z字形扫描图案13，其中，指示了实际的扫描仪指向方向12。通常来说，使用几个附加或补充的数据源和测量装置来改进或校准激光雷达测量，特别是用于确定空中载体11的位置和取向的附加装置，例如，包括高度计、用于确定飞行姿态的装置(例如，给出飞机11的偏航角、纵向角和/或横向倾斜角)，以及随着飞机11携带的卫星导航系统的测量数据。而且，所飞越的地带的已知数字3D模型可以存储在飞机11的中央控制装置上或存储在空中LiDAR系统10的控制与处理单元上。
图2b示出了用于利用多个激光雷达光束进行扫描的空中LiDAR测量系统10'的示例性测量任务，例如，这里以固定观察方向12'使用“凝视”2D扫描仪。当诸如在SPL应用中使用非常光敏的检测器时，这种测量方法特别有用。多部件(多像素)检测器装置能够检测入射光通量(下至单光子)，来提供每个像素的有关光子数量及其抵达时间的信息。通常来说，多个激光雷达光束从单个发射的激光脉冲产生，其接着照射具有取决于飞行高度和激光孔径的尺寸的地面区域14。这些类型的空中LiDAR系统具有以下优点：由于高的检测器灵敏度，因而可以使用低能量激光束并且可以从高空执行扫描。因为从许多不同视角扫描每个表面点，所以阴影效应被极大地最小化。
在图2c中，示出了用于空中LiDAR系统10"的另一示例性扫描图案，其适于以圆形扫描图案(例如，利用旋转倾斜偏转镜)来进行扫描。作为示例，这里指示利用多个激光雷达光束进行扫描，照射针对实际扫描仪指向方向12"指示的地面区域14'，地面区域14'具有取决于飞行高度和激光孔径的尺寸。由于LiDAR系统10"的圆形扫描和载体11的向前飞行移动，因而表面区域14'在地面上绘制螺旋扫描图案13'。由于螺旋扫描图案13'和利用2D检测器进行扫描，因而从不同的视角扫描每个表面点，并由此将阴影效应极大地最小化，其中，可以利用比图2b所示的凝视扫描仪能量更少的低能量激光脉冲来扫描大区域。
图2d示出了根据本发明的基于地面的LiDAR系统10"的示例，这里是在建筑监测领域中，例如，用于通过测量因变化的水压而造成大坝15的小规模移动来监测大坝15的完整性。例如，LiDAR系统10"适于以高准确度扫描大坝的小区域14"，例如，其中，系统10"安装在用于横向移动的固定轨道上并且利用可倾斜的镜子来调节观察方向12"'的高度。
图2e中示出了另一个示例性的基于地面的应用，其中，根据本发明的LiDAR系统被用于斜坡监测，例如，这里适于具有朝向不稳定斜坡的固定观察方向12""的凝视配置。例如，通过利用位于距目标的距离较大处的非常光敏的多部件(多像素)LiDAR系统10""，可以同时扫描大的斜坡区域14"'，其在用作报警系统的一部分时特别有用。
图3示出了由SPL扫描仪确定的低光子计数返回脉冲20、20'、20"的示例性波形s(t)。这里，该实施方式涉及利用检测器的SPL扫描仪，其中，电检测信号与在光子包中检测到的光子的数量成比例(如为本领域技术人员所已知的，根据低光子计数检测器的类型，该曲线可能看起来稍微不同)。示出了许多脉冲：
·具有大约1光子的幅度的太阳光子脉冲21，
·弱脉冲20，例如，这里由来自反射的4个返回光子所产生，
·加宽脉冲20'，例如，这里由来自倾斜目标上的反射的4个返回光子所产生，以及
·更强的脉冲20"，例如，这里由来自反射的8个返回光子所产生。
典型地讲，用于SPL应用的返回脉冲信号处于检测和背景噪声的量级或者仅略高于检测和背景噪声的量级。而且，用于检测连续事件的时间分辨率(即，连续光子检测(例如，电路击穿-放大-断开-复位)之间的检测器占空比)需要足够短以解析脉冲持续时间。
在该图中，三个不同(检测)阈值22、22'、22"由水平线指示。根据本发明，通过利用不同的阈值，例如，通过分别确定按不同阈值的信号宽度，可以将具有低幅度20、20'的宽脉冲与具有高幅度20"的宽脉冲区分开来。而且，因为在时间上接近的多个噪声光子的概率比在时间上接近的多个信号光子的概率低得多，所以可以通过测量脉冲的宽度，来区分太阳能噪声21与在返回时具有超过一个光子的返回脉冲20、20'、20"。
当利用现有技术的阈值方法时，即，当仅计时脉冲信号20、20'、20"、21的上升沿(例如在阈值处)时，特别是对于非常小的阈值，针对强背景信号确定的时间戳与针对实际脉冲信号确定的时间戳混淆。而且，存在阈值相关(即，强度或增益相关)种类的“距离走动”效应，如图4进一步所示的。
图4示出了弱返回脉冲20"'(这里是4个光子)和强返回脉冲20""(这里是20个光子，即，是弱返回脉冲的5倍强)的信号波形s(t)。还示出了单独的返回光子23。脉冲变得越强，阈值22"'处的上升时间戳201、201'的位置就移动得更远离脉冲返回200、200'的中心。因此，当仅对脉冲信号的上升沿进行计时时(例如，通过普通的阈值测量方法)，存在幅度相关的计时偏置，在文献中通常称为“距离走动”效应。而且，被扫描的表面区域的几何和反射特性(如倾斜的地面和植被)分别改变返回脉冲信号的幅度和形状。例如，强反射脉冲宽且高，而来自斜坡的返回宽但不高。
因此，为了改进对返回脉冲事件的返回时间的确定，并由此为了改进SPL距离测量的准确度，重要的是改进对返回脉冲的返回时间的确定的准确度。根据本发明，确定关于返回脉冲信号的形状的信息(例如，至少确定返回脉冲的信号宽度)，以获得关于散射过程的更多信息和用于区分返回脉冲与背景噪声。这通过确定返回脉冲信号的上升沿和下降沿两者来实现，基于上升沿和下降沿，确定返回脉冲事件的返回时间，例如，通过平均化上升沿时间戳和下降沿时间戳。这具有几个优点并减轻了大部分的幅度相关效应，特别地，与“距离走动”偏置效应相关的大部分因返回脉冲的一阶对称性而被消除。具体来说，通过使用并组合针对不同阈值的上升沿和下降沿的检测，获得关于返回脉冲信号的幅度的更多信息。
根据本发明，通过识别被用于确定返回脉冲信号的被检测脉冲信号的上升沿和下降沿，识别潜在地表示返回脉冲事件的一组被检测的光子而减轻幅度相关效应，特别是所述确定还基于这样的标准，即，该标准涉及被检测的光子的时间概率分布，特别是限定的最少量的连续检测到的少量光子或单光子。接着，基于该返回脉冲信号的上升沿和下降沿确定各个返回脉冲事件的返回时间。
图5涉及图4中所示的同一弱返回脉冲信号20"'，但这次利用使用检测器的SPL扫描仪来检测返回脉冲20"'，其中，单光子或光子包转换成表示一个事件的电信号。由这种检测器生成的步进信号24仅由两个值构成，例如，1是检测，而0是不检测，如果光子的数量超过限定的增益值(检测阈值)，则检测整数量的事件(s(t)＝1))。指示了原始返回脉冲信号20"'和对应的检测器步进信号24两者，步进信号24偏移至返回脉冲信号20"'。
在这种实施方式中，没有直接幅度信息可用。然而，在时间上接近的多个噪声光子的概率比在时间上接近的多个信号光子的概率低得多。而且，下降沿与上升沿之间的时间差(即，脉冲宽度)与返回信号的幅度有关。因此，利用抵达光子的时间概率标准，可以确定脉冲和对应脉冲宽度(即，粗略的幅度信息)，以识别与返回事件相对应的返回脉冲信号。例如，这样的标准可以是限定的最少量的在短时间间隔内连续检测到的少量光子或单光子。
然而，连续光子检测(例如，电路击穿-放大-断开-复位)之间的检测器占空比需要足够短以解析脉冲持续时间。这通过另一个检测器阶跃函数24'来说明，其中，检测器占空比没有快到足以解析连续的光子事件，而是仅检测到第一和第三光子。这再次引入类似于距离走动效应的效应。此外，其引入数字化脉冲信号中的不对称性。对于非常长的检测器占空比，仅检测第一光子，并因此仅确定上升沿，从而无法应用根据本发明的方法。

Claims (25)

1.一种在空中LiDAR表面扫描、地面监测扫描、移动测绘扫描或者建筑或测量扫描中通过单光子LiDAR SPL扫描仪来确定返回光脉冲的返回时间的方法，所述返回时间是传出脉冲事件与返回脉冲事件之间的时间，该SPL扫描仪包括：
·低光子计数检测器，其用于将少量光子或单光子转换成电信号；以及
·控制与处理单元，其用于处理数据并且用于确定所述返回光脉冲的所述返回时间，
其特征在于，
所述控制与处理单元
·识别潜在地表示返回脉冲事件的一组检测到的光子，并且基于标准来创建返回脉冲信号，所述标准涉及限定的最少量的连续检测到的少量光子或单光子的时间概率分布；
·基于所识别的潜在地表示返回脉冲事件的所述一组检测到的光子，识别所述返回脉冲信号的上升沿和下降沿；
·对所述返回脉冲信号的所识别的上升沿的时间戳和所识别的下降沿的时间戳进行平均化；以及
·基于所述返回脉冲信号的上升沿和下降沿的平均化的时间戳，确定所述返回脉冲事件的所述返回时间。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述SPL扫描仪的所述低光子计数检测器适于将单光子或光子包转换成电信号，并且所述电信号与在所述光子包中检测到的光子的数量成比例，所述低光子计数检测器是单部件检测器、多部件检测器或检测器阵列。
3.根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，
所述低光子计数检测器是光电倍增管、硅光电倍增管、微通道板检测器、或混合检测器。
4.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，
所述混合检测器是强化光电检测器。
5.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述SPL扫描仪的所述低光子计数检测器适于将单光子或光子包转换成表示一个事件的电信号，所述低光子计数检测器是单部件检测器、多部件检测器或检测器阵列。
6.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述SPL扫描仪适于基于针对产生要转换成电信号的光电子的光子的多个不同概率阈值来产生多个返回脉冲信号，所述阈值分别被定义为幅度上不同的少量光子，其中，所述控制与处理单元适于基于通过应用所述不同概率阈值而产生的返回脉冲信号之间的返回脉冲信号变化来确定所述返回脉冲事件的幅度信息，其中，所述幅度信息被用于校正幅度相关的计时效应和/或用于区别由于被扫描的表面区域的反射率变化而造成的幅度变化与由于被扫描的表面区域的几何效应而造成的幅度变化。
7.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，
所述几何效应是斜坡。
8.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述控制与处理单元适于基于所述返回脉冲信号的下降沿与上升沿之间的时间差来确定所述返回脉冲事件的幅度信息，其中，所述幅度信息被用于校正幅度相关的计时效应和/或噪声效应。
9.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述SPL扫描仪适于利用单个激光雷达光束进行扫描或者适于利用多个激光雷达光束同时扫描，其中，所述扫描借助于所述SPL扫描仪的发射器光学器件的扫掠或旋转部件来调节，并且如果适用，所述多个激光雷达光束从单个发射的激光脉冲产生。
10.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于，
所述SPL扫描仪的发射器光学器件的扫掠或旋转部件是镜子、棱镜或折射部件。
11.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于，
所述多个激光雷达光束通过利用衍射光学部件从单个发射的激光脉冲产生。
12.一种单光子LiDAR SPL扫描仪，该SPL扫描仪是用于对飞越的地带进行空中表面扫描的空中SPL扫描仪、地面监测扫描仪、移动测绘扫描仪或者建筑或测量扫描仪，该SPL扫描仪包括
·发射器，其用于发射光脉冲；
·低光子计数检测器，其用于检测返回光脉冲，所述低光子计数检测器适于将少量光子或单光子转换成电信号；以及
·控制与处理单元，其用于处理数据并且用于确定所述返回光脉冲的返回时间，
其特征在于，
所述控制与处理单元
·识别潜在地表示返回脉冲事件的一组检测到的光子，并且基于标准来创建返回脉冲信号，该标准涉及限定的最少量的连续检测到的少量光子或单光子的时间概率分布；
·基于所识别的潜在地表示返回脉冲事件的所述一组检测到的光子，识别所述返回脉冲信号的上升沿和下降沿；
·对所述返回脉冲信号的所识别的上升沿的时间戳和所识别的下降沿的时间戳进行平均化；以及
·基于所述返回脉冲信号的上升沿和下降沿的平均化的时间戳，确定所述返回脉冲事件的所述返回时间。
13.根据权利要求12所述的SPL扫描仪，
其特征在于，
所述SPL扫描仪的所述低光子计数检测器适于将单光子或光子包转换成电信号，并且所述电信号与在所述光子包中检测到的光子的数量成比例，所述低光子计数检测器是单部件检测器、多部件检测器或检测器阵列。
14.根据权利要求13所述的SPL扫描仪，
其特征在于，
所述低光子计数检测器是光电倍增管、硅光电倍增管、微通道板检测器或混合检测器。
15.根据权利要求14所述的SPL扫描仪，
其特征在于，
所述混合检测器是强化光电检测器。
16.根据权利要求12所述的SPL扫描仪，
其特征在于，
所述SPL扫描仪的所述低光子计数检测器适于将单光子或光子包转换成表示一个事件的电信号，所述低光子计数检测器是单部件检测器、多部件检测器或检测器阵列。
17.根据权利要求12所述的SPL扫描仪，
其特征在于，
所述SPL扫描仪包括具有高速比较器的时间数字转换器TDC。
18.根据权利要求12所述的SPL扫描仪，
其特征在于，
所述SPL扫描仪适于基于针对产生要转换成电信号的光电子的光子的多个不同概率阈值，通过分别针对具有不同检测阈值的不同检测器像素使用多个不同比较器，来产生多个返回脉冲信号，所述阈值分别被定义为幅度上不同的少量光子，其中，所述控制与处理单元适于基于通过应用所述不同概率阈值而产生的返回脉冲信号之间的返回脉冲信号变化来确定所述返回脉冲事件的幅度信息，其中，所述幅度信息被用于校正幅度相关的计时效应和/或用于区别由于被扫描的表面区域的反射率变化而造成的幅度变化与由于被扫描的表面区域的几何效应而造成的幅度变化。
19.根据权利要求18所述的SPL扫描仪，
其特征在于，
所述几何效应是斜坡。
20.根据权利要求12所述的SPL扫描仪，
其特征在于，
所述控制与处理单元适于基于所述返回脉冲信号的下降沿与上升沿之间的时间差，利用单个比较器通道或多个比较器通道的上升沿与下降沿的差异，来确定所述返回脉冲事件的幅度信息，其中，所述幅度信息被用于校正幅度相关的计时效应和/或噪声效应。
21.根据权利要求12所述的SPL扫描仪，
其特征在于，
所述SPL扫描仪适于利用单个激光雷达光束进行扫描或者适于利用多个激光雷达光束同时扫描，其中，所述扫描借助于所述SPL扫描仪的发射器光学器件的扫掠或旋转部件来调节，并且如果适用，所述多个激光雷达光束从单个发射的激光脉冲产生。
22.根据权利要求21所述的SPL扫描仪，
其特征在于，
所述SPL扫描仪的发射器光学器件的扫掠或旋转部件是镜子、棱镜或折射部件。
23.根据权利要求21所述的SPL扫描仪，
其特征在于，
所述多个激光雷达光束通过利用衍射光学部件从单个发射的激光脉冲产生。
24.根据权利要求17所述的SPL扫描仪，
其特征在于，
利用现场可编程门阵列将所述TDC实现为高分辨率计时装置，其中，多个门延迟并行或串行地使用，用于实现比由所述现场可编程门阵列的时钟频率指定的分辨率高的分辨率。
25.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码在由根据权利要求12至24中任一项所述的单光子LiDAR SPL扫描仪的处理器执行时使所述处理器执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
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