一种降低激光测距虚警率的自适应空间滤波方法

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种降低激光测距虚警率的自适应空间滤波方法。

背景技术

激光测距(Laser ranging,LR)技术是以激光作为探测媒质实现距离测量的一种综合性技术，具有测量范围广、精度高、可实现非接触测量、对电磁干扰不敏感等一系列优点，被广泛应用于航空航天、地球物理、机器人视觉、遥感测绘、精密测量以及智能控制等领域。常见的激光测距系统主要由激光发射和接收光学机械系统、控制系统、光电探测器、激光脉冲飞行时间记录和处理等部分组成。根据观测目标的不同，激光测距系统分为卫星激光测距系统(Satellite Laser Ranging,SLR)、空间碎片激光测距系统(Debris LaserRanging,DLR)以及月球激光测距系统(Lunar Laser Ranging,LLR)等。

作为一种微弱信号检测技术，激光测距数据夹杂大量异常值。特别对于白天测距或夜间天空背景较亮的情况下，由天空背景光引起的噪声数据量远大于有效的测距数据，最高可达1010个光电子。当观测目标运动轨迹在天球上的投影接近或穿过太阳所在位置时，强烈的天空背景噪声将淹没卫星回波信号，甚至损坏接收系统的核心器件。随着激光测距系统最大探测距离的进一步增加，回波信号变弱，系统虚警概率增加，天空背景噪声对激光测距系统探测结果的影响愈发明显。为此，许多激光测距站采用夜间观测白天停机的方法，造成了观测数据的不连续，严重限制了该类技术的应用与发展。

目前激光测距系统常采用盖革模式下的雪崩光电二极管(Geiger Mode SinglePhoton Avalanche Diode,G-SPAD)作为回波接收器件，其光电转换过程是一种均匀的泊松过程。当探测器工作时，无论噪声和信号的光子都能触发探测器产生0/1的数字输出，只要被触发了就是饱和的雪崩输出，无法区分信号和噪声，所以激光测距系统极易受噪声影响，产生较高的虚警概率(false probability)；具有现有技术方案：

现有技术方案一：对于激光测距系统，天空背景噪声主要指的是由气溶胶和大气分子对太阳光的散射光产生的噪声光子。太阳的光谱辐照度是波长的函数，其主要部分落在可见光范围内。为减小背景光的影响，通常在激光测距系统中放置与之相匹配的窄带滤光片，消除大部分其他波长的背景噪声，进而降低激光测距系统的虚警率。

下图为激光接收望远镜光路图。主光路采用卡塞格林型R-C(Ritchey-Chretien)系统的反射望远镜。采用弯月镜分光，使系统兼有接收激光回波和目视跟踪的能力。弯月型分光镜的第一面镀有窄带的激光全反膜，主光路接收从卫星返回的激光光子经主镜反射到副镜，再经弯月镜的第一面反射会聚于接收系统焦面上，经过视场可变光阑和准直目镜(collimating lens)后变成平行光。为了减小系统虚警概率，通常在平行光路中插入超窄带干涉滤光片(filter)消除大部分背景噪声。之后，回波信号再经SPAD的聚焦镜头汇聚到SPAD的灵敏面完成探测。

现有技术方案一存在的缺点：激光测距系统中采用的滤光片的中心波长会随温度变化，超窄滤光片具有温度漂移等问题。另外，由于天空背景噪声实时变化，具有固定带宽的滤光片无法满足激光测距系统的应用需求。

现有技术方案二：距离门控技术是一种时间滤波的技术。其基本原理是根据预报参数，精确地计算出激光回波反射回来的预期时刻，采取稍微提前于预期的回波时刻开启回波接收系统的措施，最大程度避免背景噪声的干扰。典型的SPAD在门控模式的示意图如图1所示，图中T g表示距离门的持续时间(距离门宽度)，在距离门信号的控制下，SPAD探测器仅对距离门(探测循环)时间内的入射光信号产生响应，计时电路记录对应的光子信号时间戳。距离门控制子系统根据主波锁存时刻和空间目标预报计算距离门的产生时刻，通过与系统时间比较来产生探测器的门控信号。控制软件根据观测预报计算激光测距系统中主波时刻对应的距离门控制信号的产生时间，并将该该时间送入FIFO数组中，此数组中的数值根据当前时间依次被送入门控信号比较器中，当系统时间与门控信号比较器中的值相等时，则产生门控信号。图2为高重频激光测距系统距离门控框图。距离门控电路的大部分功能使用单片FPGA完成，如系统结构图中的虚框所指，外围电路仅提供并口、串口以及一些信号电平转换电路。控制卡首先将GPS时钟产生的高精度的秒脉冲和10MHz频率信号引入到FPGA,利用FPGA内部PLL(锁相环)将稳定的10MHz外频锁相倍频至200MHz。利用FPGA内部门电路资源构建两个32位计数器，一个对输入的秒信号计数，另一个对100MHz计数到1*108后清零，将两个值存入缓冲器中，及构成一个分辨率为10ns的内部时间系统，FPGA只记录秒以内的累计数，在每个整秒都将与GPS秒进行严格同步并将秒内计数器清零。所有信号均在该时间系统的同一协调下工作。当计算机发出出光指令后，向激光器发送触发脉冲。同时接收计算机发来的实时距离门时刻，存入FIFO存储器。然后FPGA按照对应距离门时刻控制门控信号，控制探测器开启探测。

现有技术方案二存在的缺点：一、距离门控精度问题。在高重复率SLR中，噪声数远比低重复率SLR多，高精度距离门控有利于抑制噪声，提高测距成功率。而传统的设计多采用分立元器件，距离门控精度有限，难于适应越来越高频率的SLR系统。二、系统的实时性问题。传统距离门控设计中距离门控的计算在计算机中进行，然后通过相应的接口传送到距离门控电路。随着测距频率的提高，控制软件的单次测距时间被缩短，大量的数据运算及传送将占用原本就紧张的CPU资源，造成系统资源和时间的浪费。

现有技术方案三：对于激光测距系统，较大的接收视场有利于捕获目标，节省观测时间。然而，接收视场角的增加也增加了接收到的背景光噪声。在白天测距过程中，天空背景噪声光子数是夜间的107倍左右。为了实现对被测距目标背景杂散光的有效抑制，常采用空间滤波技术提高系统的测距能力，在激光测距接收系统中的光学结构内加入视场可变光阑，充分利用视场可变光阑对成像范围的限定特性。图3为激光测距接收系统的结构图；从图中可知，激光测距接收光学系统由物镜、分光棱镜、ICCD、视场可变光阑、目镜、滤光片、汇聚镜及探测器六部分组成，如图所示。回波信号被望远镜接收后经分光镜，一部分到达ICCD用于辅助跟踪，另一部分经过视场可变光阑、准直透镜、窄带滤光片，到达单光子探测器，最终获得激光脉冲信号。场角的减小将对白天背景光干扰具有明显的抑制作用。视场可变光阑设计的关键因素是参量设计，即视场可变光阑要与接收视场相匹配，才能将接收视场外的杂散光抑制掉。视场可变光阑直径d的大小与接收视场ω的关系如下式所示

d＝f tanω

式中，d为视场可变光阑直径，单位mm；f为物镜焦距；ω为接收视场。由式可知，当接收光学物镜焦距f和接收视场ω确定后，视场可变光阑直径d的大小就确定了。但实际工程设计时还要考虑每个课题的应用背景、特点、加工能力等其它因素。

现有技术方案三存在的缺点：视场可变光阑分为固定光阑和可变光阑。对于固定光阑，由于光阑孔径很小，装调试极为困难，当光阑中心偏离视场中心时，回波信号会被视场可变光阑截止。虽然可以通过精密的望远镜光路来调整让最小的光阑孔中心与视场中心尽量重合，但是无论怎么调整这个偏差始终无法避免。同时，随着温度环境的变化，这个偏差还会发生变化。另外，视场可变光阑孔径的减小，也对整个光学系统提出了更高的要求。为了适应观测环境的复杂性，可变光阑应运而生。可变光阑可以通过改变光阑孔径的大小进行调整，使进入到测距系统中的天空背景噪声保持一定水平。然而，现有的可变光阑通常采用人工进行调整，该方法主要依赖人工经验，极易受主观判断的影响。并且伴随着激光测距系统硬件的发展、数据量和传输速率的大幅度提升，人工调整已经无法满足未来SLR系统的应用需求

综上所述，如何设计一种能降低激光系统虚警概率的自适应空间滤波方法，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提出一种降低激光测距虚警率的自适应空间滤波方法，旨在设计一种能降低激光系统虚警概率的自适应空间滤波方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种降低激光测距虚警率的自适应空间滤波方法，包括以下步骤：

控制激光器发射，产生距离波门，控制探测器的开启；

获取激光发射的主波发射时刻；

将检测到的背景光照强度与标准照度值比较，当背景照度一致时，可变光阑处于静止状态；当背景照度发生变化时，控制视场可变光阑孔径进行实时调整；

激光回波信号经接收系统汇聚，并经视场可变光阑、窄带滤波片，到达C-SPAD靶面上，再经光电转换；记录回波到达时刻，通过算法和数据合成得到测距值，并与预报值作差，得到测距残差；

通过对望远镜的位置或距离门控的搜索，获得回波信号。

进一步地，一种能降低激光系统虚警概率的自适应空间滤波方法还包括：

观测前，通过地面设备控制机接收卫星预报中心发布的卫星CPF星历；

预报软件将任务目标数据解算成望远镜站址坐标系下的目标距离、高度角与方位角数据；

地面设备控制机发出指令信号，驱动望远镜的方位和高度，同时开大视场可变光阑孔径，使测距系统处于待命状态；

在预报任务时间到达时，启动工作程序。

进一步地，所述将检测到的背景光照强度与标准照度值比较，当背景照度一致时，可变光阑处于静止状态；当背景照度发生变化时，控制视场可变光阑孔径进行实时调整的步骤包括：

获取天空背景辐射亮度L(θ

入射到探测器靶面的天空背景噪声能量为：

P

其中，A

根据天空背景辐射亮度L(θ

进一步地，所述获取天空背景辐射亮度L(θ

在激光器前设置斩光器，激光器发射激光时，用斩光器对激光“斩断”或“接通”，产生交替的“噪声”或“回波+噪声”；

获取“噪声”的天空背景辐射亮度L(θ

进一步地，所述获取天空背景辐射亮度L(θ

获取太阳高度角、观测点位置、太阳的方位角、观测点的方位角、太阳角，通过亮度计算公式计算全晴天空的天顶亮度L

其中，

ζ＝arccos(sinθ

其中，θ

ζ为太阳角(太阳与接收视场视轴的夹角)。

进一步地，所述获取天空背景辐射亮度L(θ

通过系统光路中设置的感光器件实时监测进入系统的天空背景辐射亮度L(θ

进一步地，所述根据天空背景辐射亮度L(θ

当背景光辐射强度大时，调节光阑通光孔径减小；

当背景光辐射强度小时，调节光阑通光孔径开大。

进一步地，所述将检测到的背景光照强度与标准照度值比较，当背景照度一致时，可变光阑处于静止状态；当背景照度发生变化时，控制视场可变光阑孔径进行实时调整的步骤包括：

利用霍尔元件对可变光阑孔进行限位探测。

进一步地，一种能降低激光系统虚警概率的自适应空间滤波方法还包括：

将观测时刻、卫星距离、方位和高度存入文件存入包括激光发射时刻、回波到达时刻、编码器临近时刻的状态值的文件；

进行地面靶目标的测量，获取当地的温度、湿度、气压参数；

对保存的观测数据进行处理，用均方差来表征该观测弧的内符精度，并将数据上传到数据处理中心。

本发明的技术方案在激光测距系统中引入自适应空间滤波模块，利用天空背景噪声实时获取模块检测天空背景光强度的变化，反馈至控制系统并做出随时响应。基于采集到的控制信号，利用接收视场控制模块，实现一系列机构和电路的自动控制。采用具有调节功能的可变光阑限制进入到激光测距系统中的背景噪声，当背景光辐射强度大时，光阑通光孔径减小，反之，光阑通光孔径开大。通过减小系统响应的背景噪声，降低虚警概率。该设计结构简单、易操作、稳定性好、自动化程度高。不仅兼顾了系统目标的捕获能力和噪声抑制能力，同时还具有良好的自适应性，可根据观测条件实时、智能、高效地调整系统结构参数，提高系统的稳定性及自动化程度，在超高重频激光测距、白天激光测距自动化等领域中具有良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明所述降低激光测距虚警率的自适应空间滤波方法的步骤流程图；

图2为本发明天空背景噪声测量关系示意图；

图3为本发明长春站SLR系统天顶亮度随太阳高度角变化关系图；

图4为本发明天空背景辐射亮度与接收视场角ψ的关系图；

图5为本发明激光测距系统探测概率、虚警率与噪声光子数的关系；

图6为本发明所述降低激光测距虚警率的自适应空间滤波方法的预处理步骤流程图；

图7为本发明所述降低激光测距虚警率的自适应空间滤波方法的后处理步骤流程图；

图8为本发明自适应空间滤波功能的激光测距系统图；

图9为本发明实例1的自适应空间滤波功能的激光测距系统图；

图10为本发明实例2的自适应空间滤波功能的激光测距系统图。

具体实施方式

下面将结合本发明说明书附图中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“若干”、“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种降低激光测距虚警率的自适应空间滤波方法，旨在设计一种能降低激光系统虚警概率的自适应空间滤波方法。

下面将在具体实施例中对本发明提出的降低激光测距虚警率的自适应空间滤波方法进行说明：

一种降低激光测距虚警率的自适应空间滤波方法，对于白天SLR系统，一长春站为测试点，证明天空背景噪声对激光测距系统背景噪声具有重要的影响：

对于白天激光测距系统，SLR背景噪声主要指的由大气对太阳光的瑞利散射、Mie散射等效应形成的太阳背景噪声。天空背景辐射亮度是表征太阳背景噪声强度的一个重要参量，与太阳位置、观察视线方向以及观测时的气象条件有关。对于任意观测点P，天空背景辐射亮度L(θ

其中，

ζ＝arccos(sinθ

其中，θ

利用SBDAR模式对不同太阳高度角下的天顶亮度进行仿真计算，并得到了太阳天顶亮度随太阳高度角变化的特征关系式，结果如下：

L

图3为长春站天顶亮度随太阳高度角变化关系曲线图。从图中可以看出，随着太阳高度角的增加，天空天顶辐射值逐渐增大。对于白天激光测距系统，观测目标运动轨迹在天球上的投影有时会接近或穿过太阳所在位置，望远镜跟踪观测目标是，进入到激光测距系统中的背景噪声将随望远镜高度角的变化而实时变化。表1为2023年7月15日不同时段内长春站SLR系统(观测俯仰角为45°，观测方位角为120°)接收到的天空背景噪声光子数。对于白天激光测距系统，如表1所示，太阳位置对天空背景噪声的影响表现得十分显著。当太阳高度角小于40°时，天空背景光噪声强度趋于稳定。随着太阳高度角的逐渐增大，天空背景光的辐射情况逐渐接近于太阳直射。当观测时刻为9点时，望远镜与太阳位置夹角最小，天空背景噪声光子数达到峰值，相较于夜间，其数量增大了约107倍左右。SLR系统进入强背景光区，不利于SLR有效回波的识别及处理。因此，如何通过控制视场光阑SLR接收系统的视轴和太阳光的照射角度需要保持在一个合理的范围内，避免探测器件的损坏。

表1.不同时段内长春站SLR系统接收到的天空背景噪声光子数

表1表明，对于白天SLR系统，太阳位置对天空背景噪声的影响表现得十分显著。当太阳高度角小于40°时，天空背景光噪声强度趋于稳定。随着太阳高度角的逐渐增大，天空背景光的辐射情况逐渐接近于太阳直射。当观测时刻为9点时，望远镜与太阳位置夹角最小，天空背景噪声光子数达到峰值，相较于夜间，其数量增大了约107倍左右。SLR系统进入强背景光区，不利于SLR有效回波的识别及处理。

天空背景光对于SLR系统来说为面光源假设视场内天空背景为朗伯体，且镜筒正对该测量方向，根据朗伯体模型，入射到SLR探测器靶面的天空背景噪声能量为：

P

其中A

对于长春站SLR系统，天空背景辐射亮度与接收视场角的关系如图4。从图4中可知，随着视场光阑孔径增大，天空背景辐射噪声逐渐逐渐增大。由此可知，通过调整视场光阑孔径的大小可有效控制SLR接收到的背景噪声。

天空背景噪声对激光测距系统性能具有重要的影响。探测概率(Detectionprobability)、虚警概率、漏检率是表征激光测距探测性能的重要参数。其中，虚警概率是由激光测距系统的探测概率和漏检率共同决定的。虚警概率指的是无激光回波信号时，由噪声产生的回波数据的概率，具体表达式如下：

P

P

P

其中，f为距离门开始与信号光子到达之间的时间间隔与距离门宽度之间的比率(当信号光子到达门开始时f＝0，当信号光子到达门结束时f＝1)，b为门的采样数，S为激光测距系统的有效回波光子数，N为距离门时间内由天空背景及探测器产生的噪声光电子数。相比由天空背景光引起的噪声，由探测器自身产生的暗计数非常微弱，相差几个数量级，在分析的过程中可以忽略此项影响。在激光测距过程中，由于预报误差以及探测器自身响应时间等因素，从门信号到达探测电流到完全开启该盖格探测模式之间需要一定的门信号提前量，因此f≠0。图5为激光测距系统探测概率、虚警率与噪声光子数的关系。

从图5中可以看出不同信噪比下的虚警率与噪声光子数之间具有递增的关系。这意味着虚警率只受噪声光子数影响，而不受信噪比影响。当噪声光子数从2减少到0.1时，虚警率从约0.85迅速下降到0.095。此外，噪声光子的数量与虚警概率之间存在着近似一对一的匹配。因此，我们得出结论，仅仅通过减少噪声，就可以降低系统的虚警概率。

本申请请采用的激光源可选用532nm、1064nm、1550nm等，适用波长不唯一。采用的激光重频为为1KHz、2KHz、100KHz等，激光重频不唯一。采用的观测目标可选用人造卫星、空间碎片、月球、飞行器等，观测目标不唯一。采用的光学望远镜系统可为收发分离或收发同轴系统，望远镜系统选择不唯一。采用的光学望远镜可为60cm、120cm、250cm，望远镜口径不唯一。采用的单光子探测器可为APD、PMT、SNSPD等，探测器选择不唯一。采用的感光器件可为CdS、、CdSe、、Cd2SSe等，感光器件选择不以为。采用的光阑可为圆形可为圆形可变光阑结构、方形可变光阑结构，光阑选择不唯一。

具体地，一种降低激光测距虚警率的自适应空间滤波方法，系统结构设计图如图8所示，包括激光发射光学系统、回波接收系统、自适应空间滤波模块、探测器、计时器、延时和门控、激光、主机。

如图1所示，包括以下步骤：

S10：控制激光器发射，产生距离波门，控制探测器的开启；

S20：获取激光发射的主波发射时刻；

S30：将检测到的背景光照强度与标准照度值比较，当背景照度一致时，可变光阑处于静止状态；当背景照度发生变化时，控制视场可变光阑孔径进行实时调整；

S40：激光回波信号经接收系统汇聚，并经视场可变光阑、窄带滤波片，到达C-SPAD靶面上，再经光电转换；记录回波到达时刻，通过算法和数据合成得到测距值，并与预报值作差，得到测距残差；

S50：通过对望远镜的位置或距离门控的搜索，获得回波信号。

可以理解地，本申请基于天空背景噪声与视场光阑孔径的关系对视场光阑孔径进行调整，不再依赖人工判别经验，自动化程度高，系统稳定性好，通过动态调整视场光阑孔径大小，采用大视场光阑跟踪捕获目标，降低观测难度；待跟踪稳定后，再根据天空背景噪声自适应减小视场光阑口径，在减小白天激光测距系统观测难度的同时，有效降低了系统的虚警概率。

在一种可行的实施方式中，检测背景光照强度的方式可以通过在接收系统设置感光器件，获取天空背景辐射亮度L(θ

在一种可行的实施方式中，通过设置斩光器，进而挡光实现“噪声”和“卫星回波+噪声”的信号测量的交替进行；用斩波器对激光“接通”或“截断”，产生交替的“回波+噪声”和“噪声”信号的光子计数。通过对纯背景噪声的实时监测，动态地调整光阑孔径的大小，进而将噪声信号控制在一定水平范围内，有效降低系统的虚警概率，提高探测性能。

进一步地，在步骤S10之前，一种能降低激光系统虚警概率的自适应空间滤波方法还包括：

S01：观测前，通过地面设备控制机接收卫星预报中心发布的卫星CPF星历；

S02：预报软件将任务目标数据解算成望远镜站址坐标系下的目标距离、高度角与方位角数据；

S03：地面设备控制机发出指令信号，驱动望远镜的方位和高度，同时开大视场可变光阑孔径，使测距系统处于待命状态；

S04：在预报任务时间到达时，启动工作程序。

进一步地，所述将检测到的背景光照强度与标准照度值比较，当背景照度一致时，可变光阑处于静止状态；当背景照度发生变化时，控制视场可变光阑孔径进行实时调整的步骤包括：

获取天空背景辐射亮度L(θ

入射到探测器靶面的天空背景噪声能量为：

P

其中，A

根据天空背景辐射亮度L(θ

进一步地，所述获取天空背景辐射亮度L(θ

在激光器前设置斩光器，激光器发射激光时，用斩光器对激光“斩断”或“接通”，产生交替的“噪声”或“回波+噪声”；

获取“噪声”的天空背景辐射亮度L(θ

进一步地，所述获取天空背景辐射亮度L(θ

获取太阳高度角、观测点位置、太阳的方位角、观测点的方位角、太阳角，通过亮度计算公式计算全晴天空的天顶亮度L

其中，

ζ＝arccos(sinθ

其中，θ

ζ为太阳角(太阳与接收视场视轴的夹角)。

进一步地，所述获取天空背景辐射亮度L(θ

通过系统光路中设置的感光器件实时监测进入系统的天空背景辐射亮度L(θ

进一步地，所述根据天空背景辐射亮度L(θ

当背景光辐射强度大时，调节光阑通光孔径减小；

当背景光辐射强度小时，调节光阑通光孔径开大。

进一步地，所述将检测到的背景光照强度与标准照度值比较，当背景照度一致时，可变光阑处于静止状态；当背景照度发生变化时，控制视场可变光阑孔径进行实时调整的步骤包括：

利用霍尔元件对可变光阑孔进行限位探测。

可以理解地，利用霍尔元件对光阑孔进行限位探测，保护视场光阑不会因过转动而损坏。

进一步地，在步骤S50之后，一种能降低激光系统虚警概率的自适应空间滤波方法还包括：

S60：将观测时刻、卫星距离、方位和高度存入文件存入包括激光发射时刻、回波到达时刻、编码器临近时刻的状态值的文件；

S70：进行地面靶目标的测量，获取当地的温度、湿度、气压参数；

S80：对保存的观测数据进行处理，用均方差来表征该观测弧的内符精度，并将数据上传到数据处理中心。

具体地，本专利在激光测距系统中引入自适应空间滤波模块，利用天空背景噪声实时获取模块检测天空背景光强度的变化，反馈至控制系统并做出随时响应。基于采集到的控制信号，利用接收视场控制模块，实现一系列机构和电路的自动控制。采用具有调节功能的可变光阑限制进入到激光测距系统中的背景噪声，当背景光辐射强度大时，光阑通光孔径减小，反之，光阑通光孔径开大。通过减小系统响应的背景噪声，降低虚警概率。该设计结构简单、易操作、稳定性好、自动化程度高。不仅兼顾了系统目标的捕获能力和噪声抑制能力，同时还具有良好的自适应性，可根据观测条件实时、智能、高效地调整系统结构参数，提高系统的稳定性及自动化程度，在超高重频激光测距、白天激光测距自动化等领域中具有良好的应用前景。

实施例1

一种降低激光测距虚警率的自适应空间滤波方法，系统结构设计图如图9所示，包括以下步骤：

步骤1：观测前，通过地面设备控制机接收卫星预报中心发布的卫星CPF星历；

可以理解地，观测前，通过地面设备控制机接收卫星预报中心发布的卫星CPF星历。

步骤2：预报软件将任务目标数据解算成望远镜站址坐标系下的目标距离、高度角与方位角数据；

步骤3：地面设备控制机发出指令信号，驱动望远镜的方位和高度，同时开大视场可变光阑孔径，使测距系统处于待命状态；

步骤4：在预报任务时间到达时，启动工作程序；

步骤5：控制激光器发射，产生距离波门(Gate)，控制单光子探测器(C-SPAD)的开启；

步骤6：通过事件计时器接口获得激光发射的精确时刻(称主波发射时刻)

步骤7：在系统光路中设置感光器件(光敏电阻)实时监测进入系统的天空背景辐射亮度L(θ

具体地，以长春站为发射基点，如图2所示为太阳与观测点(望远镜)P点的位置关系示意图。天空背景光对于SLR系统来说为面光源假设视场内天空背景为朗伯体，且镜筒正对该测量方向，根据朗伯体模型，入射到SLR探测器靶面的天空背景噪声能量为：

P

其中A

对于长春站SLR系统，天空背景辐射亮度与接收视场角ψ的关系如图4所示。由图4可推导得天空背景辐射亮度与接收视场角的线性关系：y＝p1*x^2+p2*x+p3，拟合系数:p1＝1.9213e+05，p2＝-4.5574e-10，p3＝1.7773e-08，也即随着视场光阑孔径增大，天空背景辐射噪声逐渐逐渐增大。由此可知，通过调整视场光阑孔径的大小可有效控制SLR接收到的背景噪声，具体调节方式为，当背景光辐射强度大时，调节光阑通光孔径减小；当背景光辐射强度小时，调节光阑通光孔径开大。

步骤8：激光回波信号经接收系统汇聚，并经视场光阑、窄带滤波片，到达C-SPAD靶面上，再经光电转换，由事件计时器记录回波到达时刻，通过一定的算法和数据合成得到测距值(时间间隔)，并与预报值作差，得到测距残差(O-C)。

步骤9：实时显示(O-C)，由程序自动或操作员判断该次测距成功与否，通过操作员对望远镜的位置或距离门控的搜索，最终获得回波信号。

步骤10：将观测时刻、卫星距离、方位和高度存入文件(激光主波时刻、对应的时间间隔、位置信息，但位置信息是记录望远镜的编码器临近时刻的状态值)。

步骤11：观测结束后，进行地面靶目标的测量，供校准系统误差之用。

步骤12：读取气象测量,获取当地的温度、湿度、气压参数，供对距离修正使用。

步骤13：对保存的观测数据进行资料处理，剔除野值，并用均方差来表征该观测弧的内符精度，最后将观测资料上传到数据处理中心。

实施例2

一种降低激光测距虚警率的自适应空间滤波方法，系统结构设计图如图10所示，包括以下步骤：

步骤1：观测前，通过地面设备控制机接收卫星预报中心发布的卫星CPF星历；

可以理解地，观测前，通过地面设备控制机接收卫星预报中心发布的卫星CPF星历。

步骤2：预报软件将任务目标数据解算成望远镜站址坐标系下的目标距离、高度角与方位角数据；

步骤3：地面设备控制机发出指令信号，驱动望远镜的方位和高度，同时开大视场可变光阑孔径，使测距系统处于待命状态；

步骤4：在预报任务时间到达时，启动工作程序；

步骤5：控制激光器发射，产生距离波门(Gate)，控制单光子探测器(C-SPAD)的开启；

步骤6：通过事件计时器接口获得激光发射的精确时刻(称主波发射时刻)

步骤7：通过设置斩光器，进而挡光实现“噪声”和“卫星回波+噪声”的信号测量的交替进行；用斩波器对激光“接通”或“截断”，产生交替的“回波+噪声”和“噪声”信号的光子计数。通过对纯背景噪声的实时监测，动态地调整光阑孔径的大小。

具体地，激光器第一次发射激光时，开启斩光器对激光“斩断”操作，进而系统获取“噪声”的纯背景噪声，直接根据纯的背景噪声，实时调整光阑孔径的大小；

激光地第二次发射激光时，关闭斩光器，系统获取“回波+噪声”的回波信息；依次交替开启或关闭斩光器。

步骤8：激光回波信号经接收系统汇聚，并经视场光阑、窄带滤波片，到达C-SPAD靶面上，再经光电转换，由事件计时器记录回波到达时刻，通过一定的算法和数据合成得到测距值(时间间隔)，并与预报值作差，得到测距残差(O-C)。

步骤9：实时显示(O-C)，由程序自动或操作员判断该次测距成功与否，通过操作员对望远镜的位置或距离门控的搜索，最终获得回波信号。

步骤10：将观测时刻、卫星距离、方位和高度存入文件(激光主波时刻、对应的时间间隔、位置信息，但位置信息是记录望远镜的编码器临近时刻的状态值)。

步骤11：观测结束后，进行地面靶目标的测量，供校准系统误差之用。

步骤12：读取气象测量,获取当地的温度、湿度、气压参数，供对距离修正使用。

步骤13：对保存的观测数据进行资料处理，剔除野值，并用均方差来表征该观测弧的内符精度，最后将观测资料上传到数据处理中心。

实施例3

一种降低激光测距虚警率的自适应空间滤波方法，系统结构设计图如图8所示，以长春站SLR系统为例，包括以下步骤：

步骤1：观测前，通过地面设备控制机接收卫星预报中心发布的卫星CPF星历；

可以理解地，观测前，通过地面设备控制机接收卫星预报中心发布的卫星CPF星历。

步骤2：预报软件将任务目标数据解算成望远镜站址坐标系下的目标距离、高度角与方位角数据；

步骤3：地面设备控制机发出指令信号，驱动望远镜的方位和高度，同时开大视场可变光阑孔径，使测距系统处于待命状态；

步骤4：在预报任务时间到达时，启动工作程序；

步骤5：控制激光器发射，产生距离波门(Gate)，控制单光子探测器(C-SPAD)的开启；

步骤6：通过事件计时器接口获得激光发射的精确时刻(称主波发射时刻)

步骤7：地面设备控制机实时记录接收望远镜的方位和高度，以及视场光阑孔径大小，根据公式：

其中，

ζ＝arccos(sinθ

其中，θ

ζ为太阳角(太阳与接收视场视轴的夹角)，可通过地面控制系统获取。

地面控制系统根据公式实时计算进入测距系统中的背景噪声，得到全晴天空的天顶亮度L

步骤8：激光回波信号经接收系统汇聚，并经视场光阑、窄带滤波片，到达C-SPAD靶面上，再经光电转换，由事件计时器记录回波到达时刻，通过一定的算法和数据合成得到测距值(时间间隔)，并与预报值作差，得到测距残差(O-C)。

步骤9：实时显示(O-C)，由程序自动或操作员判断该次测距成功与否，通过操作员对望远镜的位置或距离门控的搜索，最终获得回波信号。

步骤10：将观测时刻、卫星距离、方位和高度存入文件(激光主波时刻、对应的时间间隔、位置信息，但位置信息是记录望远镜的编码器临近时刻的状态值)。

步骤11：观测结束后，进行地面靶目标的测量，供校准系统误差之用。

步骤12：读取气象测量,获取当地的温度、湿度、气压参数，供对距离修正使用。

步骤13：对保存的观测数据进行资料处理，剔除野值，并用均方差来表征该观测弧的内符精度，最后将观测资料上传到数据处理中心。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。