本發(fā)明涉及單光子lidar掃描儀和用于確定返回光脈沖的返回時間的方法，特別是用于測量航空lidar表面掃描中的傳出脈沖事件與返回脈沖事件之間的時間的方法。

背景技術(shù)：

分別在光學或光電子測距領域中，已知用于確定至測量目標的距離的不同原理和方法。在一種方法中，朝向目標發(fā)射脈沖電磁輻射(例如，脈沖激光束)，并且通過在對與至該目標的距離成比例的脈沖飛行時間(tof)進行計時的同時檢測來自該目標的反向散射脈沖來測量距離。這種tof裝置已經(jīng)被確立為許多測距應用中的標準解決方案。

距離lidar通常在兩種模式之一下操作。在線性模式中，發(fā)射高能量脈沖，導致高到足以作為模擬信號來進行處理的脈沖返回信號，其中，該信號幅度與目標反射率成比例。在所謂的單(低計數(shù))光子lidar模式(下面稱作spl模式)中，使用低能量脈沖，導致低返回脈沖信號，其中，每個返回光子包被處理為一事件，并且通常沒有幅度信息可用。

針對線性模式操作，通常利用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換(adc)捕獲脈沖，并接著加以分析，以獲得非常好的準確度(<1cm)的距離測量。因為模擬信號包含幅度和轉(zhuǎn)換速率信息，所以可以將將因非線性而造成的距離偏置效應以及信號處理效應特征化并校正，并由此實現(xiàn)了針對寬范圍的返回脈沖強度的高準確度。

針對單光子lidar模式，通常沒有幅度或轉(zhuǎn)換速率信息可用，并且無法容易地校正偏置、非線性以及噪聲效應。為了減輕該信息的缺乏，通常使用非常短的脈沖(<1ns)來準確地確定距離。然而，這并未解決因檢測器中的非線性計時行為而造成的任何問題。

spl系統(tǒng)包含以下主要組件：

·發(fā)射器，其用于發(fā)射光脈沖；

·低光子計數(shù)檢測器，其用于檢測返回光脈沖，適于將少量光子或單光子轉(zhuǎn)換成電信號；以及

·控制與處理單元，其用于處理數(shù)據(jù)并確定返回光脈沖的返回時間。

例如，一些系統(tǒng)使用可將接收到的光子包轉(zhuǎn)換成一個事件的單光子雪崩檢測器(spad)或geiger模式雪崩光電二極管(gmapd)。產(chǎn)生的信號不與包中的光子數(shù)量成比例。其它系統(tǒng)使用光電倍增管(pmt)、硅光電倍增管(sipm)、微通道板檢測器(mcp)或諸如強化光電檢測器(ipd)的混合檢測器將光子包轉(zhuǎn)換成電信號。信號與在包中檢測到的光子數(shù)量成比例，即，從信號觀點來看，這些種類的檢測器提供比spad或gmapd檢測器更多的信息。

該控制與處理單元通常包括用于將電信號(脈沖)轉(zhuǎn)換成時間信息的計時電子裝置。通常來說，這利用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(tdc)來完成，其中，信號首先被轉(zhuǎn)換成二進制電信號，其通常利用高速比較器完成。

針對強模擬信號，可以使用恒比定時器(cfd:constantfractiondiscriminator)電路來準確地確定用于定時的位置。針對利用pmt、sipm、mcp或ipd的低光子計數(shù)，cfd可能不會獲得良好的結(jié)果。針對spad和gmapd，cfd通常不被使用-技術(shù)上-它不帶來特別的好處。

由于通常在檢測到信號并使其成為二進制定時信號之后沒有可用的幅度信息，因此用于區(qū)分所需信號與其它隨機噪聲事件(因太陽背景或檢測器中的熱效應而造成)的工作是將距離(range)與周圍測量相比較。

典型地講，tdc測量二進制定時信號的上升沿。在檢測器中，存在光子將產(chǎn)生要被放大并轉(zhuǎn)換成去往定時電路的電信號的光電子的可能性。正常情況下，用于檢測該信號的閾值被設置成在幅度上僅對應于一個或幾個光子。因為所發(fā)送的脈沖通常具有高斯形狀，所以當反射脈沖變強時，前部和下降尾部的高于閾值的部分增加。因此，當對信號的上升沿進行計時時，存在幅度相關(guān)的計時偏置，在文獻中通常稱為“距離走動(rangewalk)”效應。為了校正“距離走動”效應，必須知道幅度信息。

3dlidar測繪可以被用于創(chuàng)建世界的準確3d表示。提高的分辨率和生產(chǎn)率推動該技術(shù)使用更強的激光器和更靈敏的檢測器。然而，更強的激光器強加了功耗的問題和安全問題，而檢測器的靈敏度受限于低水平(離散光子)的量子離散化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是提供一種減輕高分辨率3dlidar測繪中的局限性的改進方法和改進系統(tǒng)。

具體地，本發(fā)明的目的是提供一種用于減輕和消除在處理弱返回脈沖信號時遇到的問題的改進方法和改進系統(tǒng)，特別是在對飛越的地帶進行空中表面掃描的單光子lidar掃描儀中。

本發(fā)明的特定目的是進一步減輕單光子lidar掃描儀中的、通常稱為“距離走動”效應的幅度相關(guān)的計時誤差。

這些改進中的至少一個通過權(quán)利要求1所述的方法、權(quán)利要求7所述的lidar掃描儀和/或本發(fā)明的從屬權(quán)利要求來實現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明，提出了一種用于特別在空中l(wèi)idar表面掃描、地面監(jiān)測掃描、移動測繪掃描或者建筑或(高清晰度)測量掃描中，通過單光子lidar掃描儀(在下面稱作spl掃描儀)來確定返回光脈沖的返回時間的方法，該方法特別用于測量傳出脈沖事件與返回脈沖事件之間的時間，所述spl掃描儀包括低光子計數(shù)檢測器和控制與處理單元，該低光子計數(shù)檢測器用于將少量光子或單光子轉(zhuǎn)換成電信號，該控制與處理單元用于處理數(shù)據(jù)并且用于確定所述返回光脈沖的所述返回時間。該方法的特征在于，所述控制與處理單元

·識別潛在地表示返回脈沖事件的一組檢測到的光子，并且基于標準來創(chuàng)建返回脈沖信號，所述標準涉及被檢測到的光子的時間概率分布，特別是限定的最少量的連續(xù)檢測到的少量光子或單光子；

·基于所識別的潛在表示返回脈沖事件的所述一組檢測到的光子，識別所述返回脈沖信號的上升沿和下降沿；以及

·基于所述返回脈沖信號的上升沿和下降沿，確定各個返回脈沖事件的返回時間。

使用所述返回脈沖信號的上升沿和下降沿來確定所述返回脈沖事件的返回時間具有多個優(yōu)點，特別是用于消除“距離走動”偏置效應的大部分。

由于前部和下降尾部將沿相反方向移動以改變幅度，因而，這兩者的平均值將保持幾乎恒定，因此所述返回脈沖事件的返回時間的確定更穩(wěn)定，并且?guī)缀酹毩⒂诜?或增益)效應。

而且，通過上升信號與下降信號之間的平均化，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換的抖動噪聲因兩個自變量的平均化而降低。與所述檢測器中的增益變化相關(guān)聯(lián)的抖動因該上升時間事件與下降時間事件之間的負相關(guān)性而被大部分消除。

在本發(fā)明的具體實施方式中，所述spl掃描儀的所述檢測器適于將單光子或光子包轉(zhuǎn)換成電信號，并且所述電信號與在所述光子包中檢測到的光子的數(shù)量成比例，所述檢測器是單部件檢測器、多部件檢測器或檢測器陣列，特別是光電倍增管、硅光電倍增管、微通道板檢測器，或諸如強化光電檢測器的混合檢測器。

在另一實施方式中，所述spl掃描儀的所述檢測器適于將單光子或光子包轉(zhuǎn)換成表示一個事件的電信號，所述檢測器是單部件檢測器、多部件檢測器或檢測器陣列。因此，在該實施方式中，所述幅度信息丟失，但如果用于檢測連續(xù)事件的時間分辨率足夠高以解析脈沖持續(xù)時間(即，光子檢測之間的檢測器占空比足夠短)并且考慮到下降沿與上升沿之間的時間差(或下降沿與上升沿之間的信號寬度)與所述返回信號的幅度有關(guān)，則可以間接導出所述幅度信息。

在本發(fā)明的另一實施方式中，所述spl掃描儀適于基于針對產(chǎn)生要轉(zhuǎn)換成電信號的光電子的光子的多個不同概率閾值來產(chǎn)生多個返回脈沖信號，所述閾值分別被定義成幅度上不同的少量光子。具體來說，所述控制與處理單元還適于基于通過應用所述不同概率閾值而產(chǎn)生的返回脈沖信號之間的返回脈沖信號變化來確定所述返回脈沖事件的幅度信息，特別是其中，所述幅度信息被用于校正幅度相關(guān)的計時效應和/或用于區(qū)別因被掃描的表面區(qū)域的反射率變化導致的幅度變化與因所述被掃描的表面區(qū)域的諸如斜坡的幾何效應導致的幅度變化。例如，強反射脈沖寬且高，而來自斜坡的返回寬但不高。

而且，下降沿與上升沿之間的時間差(或者下降沿與上升沿之間的信號寬度)與返回信號的幅度有關(guān)。由此，該信息可以被用于針對所述信號中的非線性和不對稱進一步校正計時。

因此，根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施方式，所述控制與處理單元適于基于所述返回脈沖信號的下降沿與上升沿之間的時間差來確定所述返回脈沖事件的幅度信息，特別是其中，所述幅度信息被用于校正幅度相關(guān)的計時效應和/或噪聲效應。

具體來說，已經(jīng)可以使用粗略的幅度信息來區(qū)分太陽或熱噪聲與真實信號，因為在時間上接近的多個噪聲光子的概率比在時間上接近的多個信號光子的概率低得多。由此，可以非常大地改善所生成的3d點云的過濾，從而導致更清晰的3d點數(shù)據(jù)集。

一方面，特別是對于空中l(wèi)idar表面掃描來說，可以通過檢測和處理多光子返回的單部件(單像素)檢測器來檢測返回脈沖的光，其中，所述掃描儀的發(fā)射器通常包括根據(jù)指定掃描圖案朝向目標(例如，地面)引導激光脈沖的移動部件，如掃掠或旋轉(zhuǎn)鏡(或棱鏡或折射光學器件)。

另一方面，具體在使用諸如spl應用中的非常光敏的檢測器時，使用多部件(多像素)檢測器裝置，多部件(多像素)檢測器裝置能夠檢測入射光通量(下至單光子)的，來提供針對每個像素的有關(guān)光子數(shù)量及所述光子的抵達時間的信息。通常來說，由單個發(fā)射的激光脈沖產(chǎn)生(例如，通過利用衍射光學部件)多個激光雷達光束，多個激光雷達光束接著利用取決于到目標的距離(例如，飛行高度)和激光孔徑的尺寸同時照射目標(地面)表面區(qū)域。具體來說，這些類型的空中l(wèi)idar系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：由于高的檢測器靈敏度，因而，可以使用低能量激光束并且可以從高空(highaltitude)執(zhí)行掃描。而且，因為從許多不同視角掃描每個表面點，所以陰影效應被極大地最小化。然而，與單部件掃描系統(tǒng)相比，這些類型的系統(tǒng)更復雜，而且還需要更復雜且計算密集的圖像相關(guān)方法。

本發(fā)明的主題不依賴于lidar系統(tǒng)的類型，即，單部件或多部件lidar。

因此，在本發(fā)明的另一些實施方式中，所述spl掃描儀適于利用單個激光雷達光束進行掃描或者適于利用多個激光雷達光束同時掃描。具體來說，掃描可以借助于所述spl掃描儀的發(fā)射器光學器件的掃掠或旋轉(zhuǎn)部件(例如，鏡子、棱鏡、折射部件等)來調(diào)節(jié)，并且如果適用，所述多個激光雷達光束從單個發(fā)射的激光脈沖產(chǎn)生，特別是通過利用衍射光學部件從單個發(fā)射的激光脈沖產(chǎn)生。

本發(fā)明還描述了一種單光子lidar掃描儀，該單光子lidar掃描儀在下面稱作spl掃描儀，特別是用于對飛越的地帶進行空中表面掃描的空中spl掃描儀、地面監(jiān)測掃描儀、移動測繪掃描儀或者建筑或測量掃描儀，所述spl掃描儀包括：用于發(fā)射光脈沖的發(fā)射器；用于檢測返回光脈沖的低光子計數(shù)檢測器，所述低光子計數(shù)檢測器適于將少量光子或單光子轉(zhuǎn)換成電信號；以及控制與處理單元，該控制與處理單元用于處理數(shù)據(jù)并且用于確定所述返回光脈沖的返回時間。所述spl掃描儀的特征在于，所述控制與處理單元

·識別潛在地表示返回脈沖事件的一組檢測到的光子，并且基于標準來創(chuàng)建返回脈沖信號，該標準涉及所述被檢測到的光子的時間概率分布，特別是限定的最少量的連續(xù)檢測到的少量光子或單光子；

·基于所識別的潛在地表示返回脈沖事件的所述一組檢測到的光子，識別所述返回脈沖信號的上升沿和下降沿；以及

·基于所述返回脈沖信號的上升沿和所述下降沿，確定各個返回脈沖事件的返回時間。

在所述spl掃描儀的具體實施方式中，所述檢測器適于將單光子或光子包轉(zhuǎn)換成電信號，并且所述電信號與在所述光子包中檢測到的光子的數(shù)量成比例，所述檢測器是單部件檢測器、多部件檢測器或檢測器陣列，特別是光電倍增管、硅光電倍增管、微通道板檢測器，或諸如強化光電檢測器的混合檢測器。

在另一實施方式中，所述spl掃描儀的所述檢測器適于將單光子或光子包轉(zhuǎn)換成表示一個事件的電信號，所述檢測器是單部件檢測器、多部件檢測器或檢測器陣列。

所述spl掃描儀的另一實施方式包括具有高速比較器的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器在下面稱作tdc。

在特定實施方式中，所述spl掃描儀適于基于用于產(chǎn)生要轉(zhuǎn)換成電信號的光電子的光子的多個不同概率閾值，特別是通過分別針對具有不同檢測閾值的不同檢測器像素使用多個不同比較器，來產(chǎn)生多個返回脈沖信號，所述閾值分別被定義為幅度上不同的少量光子，特別是其中，所述控制與處理單元適于基于通過應用所述不同概率閾值而產(chǎn)生的返回脈沖信號之間的返回脈沖信號變化來確定所述返回脈沖事件的幅度信息，特別是其中，所述幅度信息被用于校正幅度相關(guān)的計時效應和/或用于區(qū)別因被掃描的表面區(qū)域的反射率變化而造成的幅度變化與因被掃描的表面區(qū)域的諸如斜坡的幾何效應而造成的幅度變化。

所述spl掃描儀的一個具體實施方式公開了所述控制與處理單元適于基于所述返回脈沖信號的下降沿與上升沿之間的時間差，特別是利用單一比較器通道或多個比較器通道的上升沿與下降沿的差異，來確定所述返回脈沖事件的幅度信息，特別是其中，所述幅度信息被用于校正幅度相關(guān)的計時效應和/或噪聲效應。

在根據(jù)本發(fā)明的掃描儀的具體實施方式中，所述spl掃描儀適于利用單個激光雷達光束進行掃描或者適于利用多個激光雷達光束同時掃描。具體來說，掃描可以借助于所述spl掃描儀的發(fā)射器光學器件的掃掠或旋轉(zhuǎn)部件來調(diào)節(jié)，并且如果適用，所述多個激光雷達光束從單個發(fā)射激光脈沖產(chǎn)生，特別是通過利用衍射光學部件從單個發(fā)射激光脈沖產(chǎn)生。

本發(fā)明的另一實施方式通過tdc提供，所述tdc利用現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)為高分辨率計時裝置，特別是其中，多個門延遲被并行或串行地使用，特別是用于實現(xiàn)比由現(xiàn)場可編程門陣列的時鐘頻率指定的分辨率高的分辨率。

本發(fā)明還包括將在根據(jù)本發(fā)明的方法內(nèi)使用的計算機程序產(chǎn)品，所述計算機程序產(chǎn)品存儲在控制與處理單元上，控制與處理單元特別是作為根據(jù)本發(fā)明的單光子lidar掃描儀的一部分，所述計算機程序產(chǎn)品包括程序代碼，所述程序代碼被配置用于

·識別潛在地表示返回脈沖事件的一組檢測到的光子，并且基于標準來創(chuàng)建返回脈沖信號，該標準涉及被檢測到的光子的時間概率分布，特別是限定的最少量的連續(xù)檢測到的少量光子或單光子；

·基于所識別的潛在地表示返回脈沖事件的所述一組檢測到的光子，識別所述返回脈沖信號的上升沿和下降沿；以及

·基于所述返回脈沖信號的上升沿和下降沿，確定各個返回脈沖事件的所述返回時間。

附圖說明

下面，通過參照伴隨附圖的示例性實施方式，對本發(fā)明進行詳細描述，其中：

圖1a是現(xiàn)有技術(shù)的光電子測距儀的示意性例示圖；

圖1b是現(xiàn)有技術(shù)的脈沖飛行時間測距方法的示意性例示圖；

圖2a是使用掃掠鏡以單一激光雷達光束進行掃描的空中l(wèi)idar掃描儀的示例性測量任務；

圖2b是利用多個激光雷達光束同時進行掃描的空中l(wèi)idar掃描儀的示例性測量任務；

圖2c是按圓形掃描圖案利用多個激光雷達光束進行掃描的空中l(wèi)idar掃描儀的示例性測量任務；

圖2d是用于進行建筑監(jiān)測的地面lidar掃描儀的示例性測量任務；

圖2e是用于進行斜坡監(jiān)測的地面lidar掃描儀的示例性測量任務；

圖3是由利用檢測器的spllidar掃描儀確定的示例性信號波形，其中，電檢測信號與在包中檢測到的光子的數(shù)量成比例；

圖4是用于例示“距離走動”效應的具有弱和強返回脈沖的spllidar掃描儀的示例性信號波形；

圖5由根據(jù)本發(fā)明的spllidar掃描儀利用檢測器的示例性脈沖檢測，其中，單光子或光子包轉(zhuǎn)換成表示一個事件的電信號。

具體實施方式

圖1例示了普通光電子測距儀裝置的原理，其中，圖1a示出了這種光電子測距儀的主要組件的示意性例示圖，而圖1b示出了脈沖飛行時間測距方法的示意性例示圖。

如圖1a所示，測距儀1包括用于發(fā)射光脈沖4的發(fā)射器單元2和用于檢測從目標5反向散射的返回脈沖4'的接收器單元3。代替單一光脈沖，通常使用模擬或數(shù)字編碼脈沖圖案或連續(xù)調(diào)制的發(fā)送信號。

如圖1b中的示意性例示圖所示，接著根據(jù)光脈沖的飛行時間tf，即，光脈沖4的發(fā)射時間與反向散射的返回脈沖4'的檢測時間之間的時間差，來確定至目標的距離。為了確定返回脈沖4'的返回時間，通常使用閾值標準，例如，一旦信號強度超過限定閾值就檢測到該脈沖。

圖2a示出了隨著飛行物體11攜帶的根據(jù)本發(fā)明的單光子lidar系統(tǒng)10的典型實施方式。該圖指示由掃掠掃描儀運動(例如，通過掃掠鏡)和向前飛行運動所造成的典型z字形掃描圖案13，其中，指示了實際的掃描儀指向方向12。通常來說，使用幾個附加或補充的數(shù)據(jù)源和測量裝置來改進或校準激光雷達測量，特別是用于確定空中載體11的位置和取向的附加裝置，例如，包括高度計、用于確定飛行姿態(tài)的裝置(例如，給出飛機11的偏航角、縱向角和/或橫向傾斜角)，以及隨著飛機11攜帶的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)。而且，所飛越的地帶的已知數(shù)字3d模型可以存儲在飛機11的中央控制裝置上或存儲在空中l(wèi)idar系統(tǒng)10的控制與處理單元上。

圖2b示出了用于利用多個激光雷達光束進行掃描的空中l(wèi)idar測量系統(tǒng)10'的示例性測量任務，例如，這里以固定觀察方向12'使用“凝視”2d掃描儀。當諸如在spl應用中使用非常光敏的檢測器時，這種測量方法特別有用。多部件(多像素)檢測器裝置能夠檢測入射光通量(下至單光子)，來提供每個像素的有關(guān)光子數(shù)量及其抵達時間的信息。通常來說，多個激光雷達光束從單個發(fā)射的激光脈沖產(chǎn)生，其接著照射具有取決于飛行高度和激光孔徑的尺寸的地面區(qū)域14。這些類型的空中l(wèi)idar系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：由于高的檢測器靈敏度，因而可以使用低能量激光束并且可以從高空執(zhí)行掃描。因為從許多不同視角掃描每個表面點，所以陰影效應被極大地最小化。

在圖2c中，示出了用于空中l(wèi)idar系統(tǒng)10"的另一示例性掃描圖案，其適于以圓形掃描圖案(例如，利用旋轉(zhuǎn)傾斜偏轉(zhuǎn)鏡)來進行掃描。作為示例，這里指示利用多個激光雷達光束進行掃描，照射針對實際掃描儀指向方向12"指示的地面區(qū)域14'，地面區(qū)域14'具有取決于飛行高度和激光孔徑的尺寸。由于lidar系統(tǒng)10"的圓形掃描和載體11的向前飛行移動，因而表面區(qū)域14'在地面上繪制螺旋掃描圖案13'。由于螺旋掃描圖案13'和利用2d檢測器進行掃描，因而從不同的視角掃描每個表面點，并由此將陰影效應極大地最小化，其中，可以利用比圖2b所示的凝視掃描儀能量更少的低能量激光脈沖來掃描大區(qū)域。

圖2d示出了根據(jù)本發(fā)明的基于地面的lidar系統(tǒng)10"的示例，這里是在建筑監(jiān)測領域中，例如，用于通過測量因變化的水壓而造成大壩15的小規(guī)模移動來監(jiān)測大壩15的完整性。例如，lidar系統(tǒng)10"適于以高準確度掃描大壩的小區(qū)域14"，例如，其中，系統(tǒng)10"安裝在用于橫向移動的固定軌道上并且利用可傾斜的鏡子來調(diào)節(jié)觀察方向12"'的高度。

圖2e中示出了另一個示例性的基于地面的應用，其中，根據(jù)本發(fā)明的lidar系統(tǒng)被用于斜坡監(jiān)測，例如，這里適于具有朝向不穩(wěn)定斜坡的固定觀察方向12""的凝視配置。例如，通過利用位于距目標的距離較大處的非常光敏的多部件(多像素)lidar系統(tǒng)10""，可以同時掃描大的斜坡區(qū)域14"'，其在用作報警系統(tǒng)的一部分時特別有用。

圖3示出了由spl掃描儀確定的低光子計數(shù)返回脈沖20、20'、20"的示例性波形s(t)。這里，該實施方式涉及利用檢測器的spl掃描儀，其中，電檢測信號與在光子包中檢測到的光子的數(shù)量成比例(如為本領域技術(shù)人員所已知的，根據(jù)低光子計數(shù)檢測器的類型，該曲線可能看起來稍微不同)。示出了許多脈沖：

·具有大約1光子的幅度的太陽光子脈沖21，

·弱脈沖20，例如，這里由來自反射的4個返回光子所產(chǎn)生，

·加寬脈沖20'，例如，這里由來自傾斜目標上的反射的4個返回光子所產(chǎn)生，以及

·更強的脈沖20"，例如，這里由來自反射的8個返回光子所產(chǎn)生。

典型地講，用于spl應用的返回脈沖信號處于檢測和背景噪聲的量級或者僅略高于檢測和背景噪聲的量級。而且，用于檢測連續(xù)事件的時間分辨率(即，連續(xù)光子檢測(例如，電路擊穿-放大-斷開-復位)之間的檢測器占空比)需要足夠短以解析脈沖持續(xù)時間。

在該圖中，三個不同(檢測)閾值22、22'、22"由水平線指示。根據(jù)本發(fā)明，通過利用不同的閾值，例如，通過分別確定按不同閾值的信號寬度，可以將具有低幅度20、20'的寬脈沖與具有高幅度20"的寬脈沖區(qū)分開來。而且，因為在時間上接近的多個噪聲光子的概率比在時間上接近的多個信號光子的概率低得多，所以可以通過測量脈沖的寬度，來區(qū)分太陽能噪聲21與在返回時具有超過一個光子的返回脈沖20、20'、20"。

當利用現(xiàn)有技術(shù)的閾值方法時，即，當僅計時脈沖信號20、20'、20"、21的上升沿(例如在閾值處)時，特別是對于非常小的閾值，針對強背景信號確定的時間戳與針對實際脈沖信號確定的時間戳混淆。而且，存在閾值相關(guān)(即，強度或增益相關(guān))種類的“距離走動”效應，如圖4進一步所示的。

圖4示出了弱返回脈沖20"'(這里是4個光子)和強返回脈沖20""(這里是20個光子，即，是弱返回脈沖的5倍強)的信號波形s(t)。還示出了單獨的返回光子23。脈沖變得越強，閾值22"'處的上升時間戳201、201'的位置就移動得更遠離脈沖返回200、200'的中心。因此，當僅對脈沖信號的上升沿進行計時時(例如，通過普通的閾值測量方法)，存在幅度相關(guān)的計時偏置，在文獻中通常稱為“距離走動”效應。而且，被掃描的表面區(qū)域的幾何和反射特性(如傾斜的地面和植被)分別改變返回脈沖信號的幅度和形狀。例如，強反射脈沖寬且高，而來自斜坡的返回寬但不高。

因此，為了改進對返回脈沖事件的返回時間的確定，并由此為了改進spl距離測量的準確度，重要的是改進對返回脈沖的返回時間的確定的準確度。根據(jù)本發(fā)明，確定關(guān)于返回脈沖信號的形狀的信息(例如，至少確定返回脈沖的信號寬度)，以獲得關(guān)于散射過程的更多信息和用于區(qū)分返回脈沖與背景噪聲。這通過確定返回脈沖信號的上升沿和下降沿兩者來實現(xiàn)，基于上升沿和下降沿，確定返回脈沖事件的返回時間，例如，通過平均化上升沿時間戳和下降沿時間戳。這具有幾個優(yōu)點并減輕了大部分的幅度相關(guān)效應，特別地，與“距離走動”偏置效應相關(guān)的大部分因返回脈沖的一階對稱性而被消除。具體來說，通過使用并組合針對不同閾值的上升沿和下降沿的檢測，獲得關(guān)于返回脈沖信號的幅度的更多信息。

根據(jù)本發(fā)明，通過識別被用于確定返回脈沖信號的被檢測脈沖信號的上升沿和下降沿，識別潛在地表示返回脈沖事件的一組被檢測的光子而減輕幅度相關(guān)效應，特別是所述確定還基于這樣的標準，即，該標準涉及被檢測的光子的時間概率分布，特別是限定的最少量的連續(xù)檢測到的少量光子或單光子。接著，基于該返回脈沖信號的上升沿和下降沿確定各個返回脈沖事件的返回時間。

圖5涉及圖4中所示的同一弱返回脈沖信號20"'，但這次利用使用檢測器的spl掃描儀來檢測返回脈沖20"'，其中，單光子或光子包轉(zhuǎn)換成表示一個事件的電信號。由這種檢測器生成的步進信號24僅由兩個值構(gòu)成，例如，1是檢測，而0是不檢測，如果光子的數(shù)量超過限定的增益值(檢測閾值)，則檢測整數(shù)量的事件(s(t)＝1))。指示了原始返回脈沖信號20"'和對應的檢測器步進信號24兩者，步進信號24偏移至返回脈沖信號20"'。

在這種實施方式中，沒有直接幅度信息可用。然而，在時間上接近的多個噪聲光子的概率比在時間上接近的多個信號光子的概率低得多。而且，下降沿與上升沿之間的時間差(即，脈沖寬度)與返回信號的幅度有關(guān)。因此，利用抵達光子的時間概率標準，可以確定脈沖和對應脈沖寬度(即，粗略的幅度信息)，以識別與返回事件相對應的返回脈沖信號。例如，這樣的標準可以是限定的最少量的在短時間間隔內(nèi)連續(xù)檢測到的少量光子或單光子。

然而，連續(xù)光子檢測(例如，電路擊穿-放大-斷開-復位)之間的檢測器占空比需要足夠短以解析脈沖持續(xù)時間。這通過另一個檢測器階躍函數(shù)24'來說明，其中，檢測器占空比沒有快到足以解析連續(xù)的光子事件，而是僅檢測到第一和第三光子。這再次引入類似于距離走動效應的效應。此外，其引入數(shù)字化脈沖信號中的不對稱性。對于非常長的檢測器占空比，僅檢測第一光子，并因此僅確定上升沿，從而無法應用根據(jù)本發(fā)明的方法。