融合SiPM响应特性的单光子探测回波信号蒙特卡洛仿真方法

本发明属于激光探测领域，具体涉及一种融合sipm响应特性的单光子探测回波信号蒙特卡洛仿真方法。

背景技术：

1、单光子激光雷达，又称光子计数激光雷达，是一种具备高灵敏度和高时间分辨率的先进激光雷达系统。它使用单光子探测器作为光电转换器件，能够检测到低至单个光子级别的微弱回波信号，发射激光脉冲并配合高精度的时间相关单光子计时技术测量回波光子飞行时间来计算目标距离，能够在极弱回波信号条件下进行高精度探测，适用于远距离、低反射率目标等回波强度受限的复杂场景。

2、硅光电倍增管(sipm)是一种由数百或数千个并行的自猝灭单光子雪崩光电二极管(sapd)组成的矩阵，也称为像素或微单元。相比普通的单光子探测器，sipm能够同时检测多个光子，具有高增益、低工作电压、高光子检测效率、高灵敏度(低至单个光子)和抗磁场干扰的优点，在单光子探测器中占据重要地位。然而它的性能会受到暗计数、快速和延迟串扰以及后脉冲的影响。sipm在单光子探测中具有优异性能，但其性能也会受到一些噪声和非理想效应的影响，包括暗计数、快速串扰、延迟串扰、后脉冲以及恢复时间。这些噪声和非理想效应会综合影响sipm的性能，对单光子探测回波信号的影响不可忽略。

3、蒙特卡洛方法是一种以概率为基础，以抽样为手段的对单个个体进行行为仿真的方法，常用于复杂的光子传播和相互作用过程的仿真模拟，能够准确模拟激光雷达的后向散射信号。yupeng liao在《gpu-acceleratedmonte carlo simulation for a single-photon underwater lidar》一文中，采用gpu加速蒙特卡洛方法来模拟单光子水下激光雷达信号的实现过程，然而未结合单光子探测器的响应特性，从而无法全面准确地反映单光子水下激光雷达信号的物理实现过程，影响仿真精度和可靠性，在实际应用中存在一定的局限性。

技术实现思路

1、本发明提出了一种融合sipm响应特性的单光子探测回波信号蒙特卡洛仿真方法，旨在解决现有单光子探测回波信号蒙特卡洛仿真技术中未能充分考虑sipm响应特性，导致仿真结果与实际情况存在较大偏差的问题。本发明通过将sipm的响应特性全面融入蒙特卡洛仿真过程，特别是考虑了暗计数、快速串扰、延迟串扰、后脉冲及恢复时间等非理想效应对回波信号的影响，显著提升了仿真精度、真实性和适用性。该方法为单光子探测技术的研究和应用提供了一种更为可靠且高效的工具。

2、实现本发明的技术方案为：一种融合sipm响应特性的单光子探测回波信号蒙特卡洛仿真方法，具体步骤如下：

3、步骤a-1、建立基于光子数的激光发射信号数学模型，利用上述数学模型将发射信号离散化，发射脉冲在时间上以δt为间隔划分为若干光子包，初始化系统，设置激光束半发散角、收发间距、光子权重、光子权重阈值、光子总路程、接收视场角、光学接收系统半径，定义发射脉冲序号为i，光子包序号为j，转入步骤a-2。

4、步骤a-2、令首个发射脉冲i＝1，转入步骤a-3。

5、步骤a-3、令第i个发射脉冲的首个光子包j＝1，转入步骤a-4。

6、步骤a-4、计算第j个光子包在δt内的光子数量nδt(j)，转入步骤b-1；

7、步骤b-1、根据计算得到的第j个光子包内的光子数量nδt(j)，定义光子序号为k，令当前光子包内首个光子序号k＝1，最大仿真迭代次数为nδt(j)，转入步骤b-2。

8、步骤b-2、根据步骤a-1中设置的激光束半发散角、收发间距，计算第k个光子的初始坐标、初始散射角、初始方位角及初始方向余弦，转入步骤c。

9、步骤c、根据步骤b-2计算得到的第k个光子初始坐标、初始散射角、初始方位角及初始方向余弦，结合光子随机游走步长，计算当前光子坐标、当前散射角及当前方位角，更新光子权重和光子总路程，转入步骤d。

10、步骤d、根据步骤c计算得到的第k个光子坐标、当前散射角及当前方位角，结合设置的接收视场角、光学接收系统半径，计算光子当前位置与光学接收系统中心点的相对角度；并通过对比接收视场角，判断光子当前位置是否处于接收视场内：

11、若不处于接收视场内，跳过半解析接收光子，计算并更新当前散射角、当前方位角及当前方向余弦，转入步骤e。

12、若处于接收视场内，半解析接收光子，计算期望光子入射数，更新光子权重，并通过对比设置的光子检测效率，判断入射光子能否引起初级雪崩事件；根据初级雪崩事件生成并递归次级雪崩事件，记录各雪崩事件对应的雪崩事件类型、期望光子数、时间戳、事件编号、上级事件编号；剩余光子继续散射，更新当前方向余弦，转入步骤e。

13、若光子被吸收或光子连续两次离开接收视场，则判定光子消亡，令光子序号k＝k+1，返回步骤b-2。

14、步骤e、根据步骤d中得到的当前散射角、当前方位角及当前方向余弦，结合当前光子随机游走步长，计算并更新光子坐标、光子权重及光子总路程，返回步骤d，直至当前光子的光子权重小于光子权重阈值或光子回到光学接收系统的位置；令光子序号k＝k+1，返回步骤b-2，直至遍历当前光子包内所有光子；令光子包序号j＝j+1，返回步骤a-4，直至遍历所有光子包；令发射脉冲序号i＝i+1，返回步骤a-3，直至遍历所有发射脉冲，转入步骤f。

15、步骤f、根据发射脉冲数i，结合设置的脉冲激光重复频率，计算暗计数事件的最大迭代时长；初始化，令暗计数事件时间戳tdcr＝0；根据暗计数事件的统计分布特性，循环生成暗计数事件，并递归其次级事件；记录并更新暗计数事件及其次级雪崩事件对应的雪崩事件类型、期望光子数、时间戳、事件编号、上级事件编号，直至达到最大迭代时长，转入步骤g。

16、步骤g，根据记录的各雪崩事件的雪崩事件类型、期望光子数、时间戳、事件编号、上级事件编号，并按照时间戳从小到大的顺序重新排列，初始化像素状态和恢复时间；按时间顺序逐个选取待处理事件，在处理某个待处理事件时，检查该待处理事件对应时刻的各占用像素是否到达恢复时间、恢复空闲状态，直至遍历所有占用像素，判断此时有无空闲像素，若有，占用该像素，否则，舍弃该事件及其下级事件，循环上述过程，直至遍历所有待处理事件，生成有效事件数据集，转入步骤h。

17、步骤h、根据步骤g得到的有效事件数据集，生成单光子探测回波信号。

18、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

19、(1)更高的仿真精度和真实性：本发明通过将sipm响应特性全面融入蒙特卡洛仿真过程，细致模拟sipm在实际应用中的非理想效应，显著提高了仿真精度和真实性。具体而言，本发明考虑了sipm的暗计数、快速串扰、延迟串扰、后脉冲及恢复时间等非理想效应，使得仿真结果更加接近实际情况，解决了传统仿真技术中仿真结果与实际结果存在较大偏差的问题。此方法不仅在数值上提供更准确的仿真结果，而且在行为模式上也更接近真实系统的响应，为后续研究和实际应用提供了更可靠的数据支持。

20、(2)广泛的适用性：本发明提供的仿真方法具有较强的适应性和通用性，仅需替换不同的激光发射模型和光子传输模型，就可以实现对高斯光束、涡旋光束等不同类型激光在烟尘、水下等复杂传输环境中的单光子探测回波信号的蒙特卡洛仿真。这种灵活性使得本发明能够在各种应用场景中保持高效且准确的仿真性能。本发明在仿真精度、真实性和适用性方面展现了显著优势。