CN102176004B - 基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置及其方法，首先在激光发射器发射激光的瞬间同时打开多通道参考信道和接收信道，其次多通道参考信道按照固定的时间间隔进行延时处理形成多通道参考信号，最后通过数字采集单元将接收信道的回波信号与多通道参考信号送入数字信号处理单元进行互相关运算，并将得到的不同时延估计值进行线性多项式拟合修正得到最佳时延估计值。本发明提出了一种完全数字化的激光飞行时间测量装置及其方法，装置简单，方法有效，计算量小，稳定性强，有效提高了激光飞行时间的测量精度。

Description

基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置及其方法

技术领域

本发明属于激光雷达信号处理领域，特别是一种测量激光飞行时间的装置及其方法，应用于激光测距，激光成像雷达等用途。

背景技术

激光飞行时间测量技术广泛应用于激光测距、激光成像雷达等激光直接探测应用中，激光飞行时间测量精度的优劣直接关系到距离测量的精度和距离成像的清晰度。

传统的模拟激光飞行时间测量分为时刻判别和时间间隔测量两个步骤。时刻判别一般是对激光发射脉冲和回波脉冲先进行简单的预处理，如高通微分、低通滤波等，然后对预处理后的模拟信号通过高速比较器提取激光开始和截止的数字信号上升沿。时刻判别方法只是简单地使用模拟方法提取时刻，由于激光在飞行的过程中受到大气、固体悬浮颗粒的衰减和干扰，目标表面特性变化等原因的影响，时刻判别存在很大的误差。时间间隔测量普遍使用两种方法：一是使用可编程逻辑器件电子学倍频获得高速的时钟信号以提高测量精度；二是使用专业的计时芯片。这两种方法各有优劣，前者受器件工艺水平制约很难达到超高速的时钟频率，即使达到成本也很高；后者由于器件内部采用模拟技术所以受温度等环境条件影响很大，不同温度下测得的时间值存在误差。

时延估计是信号处理领域一个比较活跃的研究课题，其基本问题是利用接收到的回波信号准确快速地估计接收器之间由于信号传播距离不同而引起的时间延迟。通常用到的时延估计方法有相位法、双谱法、相关法、自适应滤波器参数模型法等。对于激光雷达的回波而言，其信号是类高斯信号，噪声是高斯白噪声，信号和噪声、噪声和噪声互不相关，非常有利于使用相关时延估计方法来估算激光飞行时间。相关时延估计法利用互相关技术比较比较回波信号和参考信号之间的相似性，通过相关函数的峰值来估计回波信号和参考信号之间延迟的时间差。但是目前数字采集单元的采集速度有限，想要提高激光时间测量精度，仅仅通过相关时延估计方法还是不够的。所以，有必要对上述方法进行改进。

发明内容

本发明的发明目的在于提高激光飞行时间的测量精度，提供了一种基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置及其方法，装置简单，计算量小，实现简单，可以有效达到减小误差提高精度的目的。

实现本发明的目的技术方案为：一种基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置，包括光学系统和电子学系统两部分，其中光学系统由发射光学、接收光学、第一平面镜和第二平面镜构成，电子学系统由激光发射器、接收信道、多通道参考信道、数字采集单元和数学信号处理单元构成，第一平面镜和第二平面镜的光学参数相同，第一平面镜置于激光发射器之前，与激光发射器成45°夹角，第二平面镜置于多通道参考信道之前，与多通道参考信道成45°夹角，第一平面镜和第二平面镜成90°夹角；发射光学置于第一平面镜之前，接收光学置于接收信道之前，发射光学和接收光学相平行；激光发射器发射激光，一路先透过第一平面镜，然后经过发射光学进行准直，被目标反射后经过接收光学会聚到接收信道，另一路先经第一平面镜反射、后经第二平面镜反射进入多通道参考信道，接收信道和多通道参考信道均与数字采集单元相连接，该数字采集单元一端与接收信道和多通道参考信道相连接，将接收信道的回波模拟信号和多通道参考信道的参考模拟信号进行模数转换并二进制编码，另一端与数字信号处理单元相连接，将采集到的回波数字信号和多通道参考数字信号送入数字信号处理单元，数字信号处理单元将接收到的回波数字信号和多通道参考数字信号进行互相关时延估计并进行线性多项式拟合修正求得最佳时延估计值。

一种基于多通道时延估计的激光飞行时间测量方法，包括以下步骤：

a、在激光发射的瞬间同时打开两个信道，两个信道接收到的参考模拟信号和回波模拟信号分别记为x₁(t)和x₂(t)；

b、多通道参考信道内部的延时单元对参考模拟信号分别进行0、

的延时，形成包括原参考模拟信号在内的N个多通道参考信号，分别记为x₁₁(t)、x₁₂(t)…x_1N(t)，其中：T是数字采集单元的最小采样时间间隔，N是多通道参考信道的信道个数；

c、多通道参考信道不同延时时间的参考模拟信号和接收信道的回波模拟信号通过高速数字采集单元进行模数转换并二进制编码转化为数字信号，分别记为x₁₁(n)、x₁₂(n)、…x_1N(n)和x₂(n)；

d、将采集到的回波数字信号x₂(n)和多通道参考数字信号x₁₁(n)、x₁₂(n)、…x_1N(n)分别进行互相关时延估计运算，得到时延估计值：τ₁、τ₂、…τ_N；

e、将得到的不同时延估计值分别增加0、

得到激光飞行时间的N个测量值，对离散的N个激光飞行时间测量值进行线性多项式拟合修正可以得到激光飞行时间的拟合曲线，由拟合曲线可得，第一个测量值横坐标对应曲线上的点即为最佳时延估计值，其与真实值之间的误差要远小于单次互相关时延估计值与真实值之间的误差。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)装置简单，可操作性强；(2)传统模拟方法采用模拟时刻判别受噪声和环境因素影响大，模拟计时芯片受温度影响计时误差大，本发明采用数字化的测量方法受噪声、温度、环境因素影响小；(3)激光飞行时间测量精度优于相同采集率的数字测量系统，相比同为200M采样频率的数字测量系统，其测量值精度提高至20倍。

下面结合附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是本发明基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置的结构示意图。

图2是本发明基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置的数字采集单元和数字信号处理单元的结构示意图。

图3是本发明基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置的多通道参考信道延时单元的结构示意图。

图4是本发明基于多通道时延估计的激光飞行时间测量方法的多通道参考模拟信号和回波模拟信号的位置示意图。

图5是本发明基于多通道时延估计的激光飞行时间测量方法的回波数字信号采样图。

图6是本发明基于多通道时延估计的激光飞行时间测量方法的相关时延估计算法实现流程图。

图7是本发明基于多通道时延估计的激光飞行时间测量方法的相关时延估计在信号有无噪声情况下的示意图。

图8是本发明基于多通道时延估计的激光飞行时间测量方法的测量值线性多项式拟合图。

具体实施方式

结合图1，本发明基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置，包括光学系统和电子学系统两部分。其中光学系统由发射光学、接收光学、第一平面镜1和第二平面镜2构成；电子学系统由激光发射器、接收信道、多通道参考信道、数字采集单元和数学信号处理单元构成。第一平面镜1和第二平面镜2的光学参数相同，如透射率90-98％、反射率0.5-1％。第一平面镜1置于激光发射器之前，其中心距离激光发射器3-5mm，与激光发射器成45°夹角，第二平面镜2置于多通道参考信道之前，其中心距离多通道参考信道3-5mm，与多通道参考信道成45°夹角，第一平面镜1和第二平面镜2成90°夹角。发射光学置于第一平面镜1之前，距离激光发射器88mm，接收光学置于接收信道之前，距离接收信道88mm，发射光学和接收光学相平行。激光发射器发射激光，一路先透过第一平面镜1，然后经过发射光学进行准直，被目标反射后经过接收光学会聚到接收信道，另一路先经第一平面镜1反射、后经第二平面镜2反射进入多通道参考信道，接收信道和多通道参考信道均与数字采集单元相连接。数字采集单元一端与接收信道和多通道参考信道相连接，将接收信道的回波模拟信号和多通道参考信道的参考模拟信号进行模数转换并二进制编码，另一端与数字信号处理单元相连接，将采集到的回波数字信号和多通道参考数字信号送入数字处理单元。数字信号处理单元将接收到的回波数字信号和多通道参考数字信号进行互相关时延估计并进行线性多项式拟合修正求得最佳时延估计值。

结合图2，本发明基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置的数字采集单元包括ADC采集模块和采集控制模块两部分：ADC采集模块使用六片ADC芯片实现，五片用于采集多通道参考模拟信号，一片用于采集回波模拟信号；采集控制模块集成在一片FPGA中，用于产生ADC控制信号和时钟信号。数字信号处理单元包括数据缓冲模块，数据处理模块，数据存储模块三部分：数据缓冲模块和采集控制模块集成在同一片FPGA中，将数据缓冲后送入数据处理模块；数据处理模块集成在一片DSP芯片中，将数据缓冲模块送入的多通道参考数字信号与回波数字信号分别进行互相关时延估计，然后对得到的不同时延估计值进行线性多项式拟合修正求得最佳时延估计值；数据存储模块用于暂时存储数据处理模块得到的数据，通过数据总线与数字处理模块相连，由两片SDRAM实现。ADC芯片、FPGA、DSP芯片可以通过市购获得。

结合图3，本发明基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置的多通道参考信道的形成：多通道参考信道主要包括参考接收单元和延时单元，延时单元由N-1个延时子单元构成，每个子单元的延时时间均为

通过LC滤波电路实现。参考接收单元将经第一、二平面镜1、2反射回来的激光信号转换为参考电信号，延时单元对参考电信号分别进行0、

的延时，形成包括原参考电信号在内的N个多通道参考信号，即形成多通道参考信道，其中：T是高速数字采集单元的最小采样间隔，N为多通道参考信道的信道个数。

本发明基于多通道时延估计的激光飞行时间测量方法，步骤如下：

a、将接收信道与多通道参考信道按照前述的空间关系放置，在激光发射的瞬间同时打开接收信道与多通道参考信道，两个信道接收到的参考模拟信号和回波模拟信号分别记为x₁(t)和x₂(t)。

b、结合图4，多通道参考信道内部的延时单元对参考模拟信号分别进行0、的延时，形成包括原参考模拟信号在内的N个多通道参考信号，分别记为x₁₁(t)、x₁₂(t)…x_1N(t)，其中：T是高速数字采集单元的最小采样时间间隔，N是多通道参考信道的信道数，当采样电路的采样频率为200MHz，相应的最小采样时间间隔为5ns，取N＝5，即多通道参考信道的信道数为5，相邻参考信道的延时时间相差1ns。

c、多通道参考信道不同延时时间的参考模拟信号和接收信道的回波模拟信号通过数字采集单元进行模数转换并二进制编码转化为数字信号，分别记为x₁₁(n)、x₁₂(n)、…x_1N(n)和x₂(n)。

结合图5，回波模拟信号经高速采样得到的离散回波数字信号，由于采样速度仅200M，对于一个脉宽为100ns的回波脉冲最多只能得到二十个离散点。

d、将采集到的回波数字信号x₂(n)和多通道参考数字信号x₁₁(n)、x₁₂(n)、…x_1N(n)分别进行互相关时延估计运算，得到时延估计值：τ₁、τ₂、…τ_N。

结合图6，说明相关时延估计在数字信号处理单元的实现过程。其中一路参考数字信号和回波数字信号的相关函数为：

$R_{12}\left(m\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1(n-m)x_2\left(n\right)$

$=\frac{1}{N}{x}_1(-n)x_2\left(n\right)$

然后对上式进行快速傅里叶变换，

$F\left[R_{12}\left(m\right)\right]=F\left[\frac{1}{N}{x}_1(-n)x_2\left(n\right)\right]=\frac{1}{N}{X}_1^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)X_2\left(\mathrm{\ω}\right)$

最后将其结果做快速傅里叶逆变换可得互相关函数。

其中，相关时延估计是比较两个信号的时间域相似程度的基本方法。假设参考信道和接收信道的离散时间信号模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1\left(n\right)=s(n-{\mathrm{\τ}}_1)+n_1\left(n\right)\\ x_2\left(n\right)=a\·s(b\·n-{\mathrm{\τ}}_2)+n_2\left(n\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：x₁(n)是参考数字信号，x₂(n)是回波数字信号，s(n)是激光回波的源信号，n是采样点数，a是回波信号的衰减因子，b是回波信号的展宽因子，τ₁、τ₂分别是激光光源到参考信道和接收信道的激光飞行时间，τ＝τ₂-τ₁是接收信道相对于参考信道的时延，n₁(n)和n₂(n)分别为两信道的噪声信号，s(n)、n₁(n)和n₂(n)两两不相关。

参考信号x₁(n)和回波信号x₂(n)的相关函数R₁₂(τ)可表示为：

R₁₂(τ)＝E[x₁(n)x₂(n-τ)]                  (2)

将(1)式代入(2)式，得：

R₁₂(τ)＝E[a·s(n-τ₁)s(b·n-τ₂)]+E[s(n-τ₁)n₂(n)]

       +E[a·s(b·n-τ₂)n₁(n)]+E[n₁(n)n₂(n)]

由于s(n)、n₁(n)和n₂(n)两两不相关，所以上式可以变为：

R₁₂(τ)＝E[a·s(n-τ₁)s(b·n-τ₂)]          (3)

由于回波信号的衰减因子a和展宽因子b不影响相关函数，所以上式可以变化为：

R₁₂(τ)＝E[s(n-τ₁)s(n-τ₂)]＝R_rr[τ-(τ₂-τ₁)]        (4)

根据相关函数性质，

R_rr[τ-(τ₂-τ₁)]≤R_rr(0)

当τ＝τ₂-τ₁时，R_rr[τ-(τ₂-τ₁)]达到最大值。时延估计值可由式(4)得到，即选择相关函数的峰值点作为延时估计值。

τ＝arg{max[R_rr(τ-(τ₂-τ₁))]}                        (5)

式中，arg(·)表示取函数自变量，max(·)表示求函数最大值。

回波时延τ可由下式计算：

τ＝m·T+τ_s                                           (6)

式中，T为采样时间间隔，m为采样点数，τ_s为系统延时。由式(5)、(6)可知，时延估计的精度由数字采集的时间间隔和相关函数直接决定。

为了提高时延估计的精度，最直接的方法是提高ADC的采样速度，但实现比较困难。故在相关时延估计的基础上，将参考信道进行了多路延时处理形成了多通道参考信道。多通道参考信号表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{11}=s(n-{\mathrm{\τ}}_1)+n_{11}\left(n\right)\\ x_{12}=s(n-{\mathrm{\τ}}_1-\frac{1}{N}T)+n_{12}\left(n\right)\\ \·\·\·\·\·\·\\ x_{1N}=s(n-{\mathrm{\τ}}_1-\frac{N-1}{N}T)+n_{1N}\left(n\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

式中：x₁₁、x₁₂和x_1N分别多通道参考信道第一路信道、第二路信道、第N路信道的参考信号，n₁₁(n)、n₁₂(n)和n_1N(n)分别多通道参考信道第一路信道、第二路信道、第N路信道的噪声信号，s(n)是激光回波的源信号，n是采样点数，τ₁是激光光源到参考信道的激光飞行时间，N是多参考信道的信道数目，T是数字采集系统的最小采样时间间隔。

回波信号与第k路参考信号的相关时延估计值τ_k可表示为：

${\mathrm{\τ}}_k={\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1-\frac{k-1}{N}T,k=\mathrm{1,2}\·\·\·N---\left(8\right)$

将N路参考信号与回波信号做互相关运算，可将时延估计的分辨率由T提高为T/N。回波信号与第k路参考信号的相关时延估计值τ_k又可以表示为：

${\mathrm{\τ}}_k=(m-\frac{k-1}{N})T+{\mathrm{\τ}}_s,k=\mathrm{1,2}\·\·\·N---\left(9\right)$

理想情况下，回波信号与相邻参考信号互相关运算得到的时延估计值之间的差值为

但因为数字采样最小时间间隔大于这个差值，所以实际测量结果肯定有偏差。

回波信号与N路参考信号互相关运算得到N个时延估计值，分别记为：τ₁、τ₂…τ_N，将N个时延估计值分别增加0、

得到激光飞行时间的N个测量值。一般表达式为：

$d_k={\mathrm{\τ}}_k+\frac{k-1}{N}T,k=\mathrm{1,2}\·\·\·N---\left(10\right)$

式中：d_k为激光飞行时间的第k个测量值，τ_k为回波信号与第k路参考信号的时延估计值，N是多参考信道的信道数目，T是数字采集系统的最小采样时间间隔。

对离散的N个激光飞行时间测量值进行线性多项式拟合可以得到激光飞行时间的拟合曲线。通过线性多项式拟合可以实现测量值向真实值的逼近，进一步减小时间测量误差。由拟合曲线可得，第一个测量值横坐标对应曲线上的点即为激光飞行时间的时延估计值，其与真实值之间的误差要远小于单次互相关时延估计值与真实值之间的误差。

结合图7，(a)为无噪声参考信号，(b)为有噪声参考信号，(c)为无噪声接收信号，(d)为有噪声接收信号，(e)为无噪声互相关时延估计，(f)为有噪声互相关时延估计。说明相关时延估计在信号有无噪声的情形下都是适用的，在信号有噪声时，相关强度会受到噪声的影响，但是相关强度曲线的峰值对应时延估计值的特性不受影响。

e、将得到的不同时延估计值τ₁、τ₂、…τ_N分别增加0、

得到激光飞行时间的N个测量值。对离散的N个激光飞行时间测量值进行线性多项式拟合可以得到激光飞行时间的拟合曲线。通过线性多项式拟合修正可以实现测量值向真实值的逼近，进一步减小时间测量误差。由拟合曲线可得，第一个测量值横坐标对应曲线上的点即为最佳时延估计值，其与真实值之间的误差要远小于单次互相关时延估计值与真实值之间的误差。

结合图8，对于一个真实值为401ns的激光飞行时间，接收信道的回波信号与多通道参考信道的参考信号分别时延估计得到的5个测量值分别为：400ns，401ns，402ns，403ns，400ns。对该5个测量值进行线性多项式拟合，在曲线上求得第一个测量值400ns对应的值为400.75ns，与真实值的绝对误差仅为0.25ns。而采用同为200M采样频率的测量系统，其测量值误差最小为5ns。本方法精度提高至20倍。

在数字采集单元采集速度不变的条件下，增加参考信道的信道数可以进一步提高激光飞行时间测量的精度。当是另一方面，增加参考信道的信道数也增加了数字采集单元的复杂度。对于精度要求不同的激光飞行时间测量，选择合适的参考信道数是有必要的。

Claims (4)

1.一种基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置，其特征在于包括光学系统和电子学系统两部分，其中光学系统由发射光学、接收光学、第一平面镜[1]和第二平面镜[2]构成，电子学系统由激光发射器、接收信道、多通道参考信道、数字采集单元和数字信号处理单元构成，第一平面镜[1]和第二平面镜[2]的光学参数相同，第一平面镜[1]置于激光发射器之前，与激光发射器成45°夹角，第二平面镜[2]置于多通道参考信道之前，与多通道参考信道成45°夹角，第一平面镜[1]和第二平面镜[2]成90°夹角；发射光学置于第一平面镜[1]之前，接收光学置于接收信道之前，发射光学和接收光学相平行；激光发射器发射激光，一路先透过第一平面镜[1]，然后经过发射光学进行准直，被目标反射后经过接收光学会聚到接收信道，另一路先经第一平面镜[1]反射、后经第二平面镜[2]反射进入多通道参考信道，接收信道和多通道参考信道均与数字采集单元相连接，该数字采集单元一端与接收信道和多通道参考信道相连接，将接收信道的回波模拟信号和多通道参考信道的参考模拟信号进行模数转换并二进制编码，另一端与数字信号处理单元相连接，将采集到的回波数字信号和多通道参考数字信号送入数字信号处理单元，数字信号处理单元将接收到的回波数字信号和多通道参考数字信号进行互相关时延估计并进行线性多项式拟合修正求得最佳时延估计值；其中，多通道参考信道的形成：多通道参考信道包括参考接收单元和延时单元，延时单元由N-1个延时子单元构成，每个子单元的延时时间均为

通过LC滤波电路实现；参考接收单元将经第一平面镜[小第二平面镜[2]反射回来的激光信号转换为参考电信号，延时单元对参考电信号分别进行的延时，形成包括原参考电信号在内的N个多通道参考信号，即形成多通道参考信道，其中：T是高速数字采集单元的最小采样间隔。

2.根据权利要求1所述的基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置，其特征在于数字采集单元包括ADC采集模块和采集控制模块两部分，ADC采集模块使用六片ADC芯片实现，五片用于采集多通道参考模拟信号，一片用于采集回波模拟信号；采集控制模块集成在一片FPGA中，用于产生ADC控制信号和时钟信号。

3.根据权利要求2所述的基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置，其特征在于数字信号处理单元包括数据缓冲模块、数据处理模块、数据存储模块三部分，数据缓冲模块和采集控制模块集成在同一片FPGA中，将数据缓冲后送入数据处理模块，该数据处理模块集成在一片DSP芯片中，将数据缓冲模块送入的多通道参考数字信号与回波数字信号分别进行互相关时延估计，然后对得到的不同时延估计值进行线性多项式拟合修正求得最佳时延估计值；数据存储模块用于暂时存储数据处理模块得到的数据，通过数据总线与数据处理模块相连，由两片SDRAM实现。

4.一种利用权利要求1至3任意一项所述的基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

a、在激光发射的瞬间同时打开两个信道，两个信道接收到的参考模拟信号和回波模拟信号分别记为x₁(t)和x₂(t)；

b、多通道参考信道内部的延时单元对参考模拟信号分别进行的延时，形成包括原参考模拟信号在内的N个多通道参考信号，分别记为x₁₁(t)、x₁₂(t)…x_1N(t)，其中：T是数字采集单元的最小采样时间间隔，N是多通道参考信道的信道个数；

c、多通道参考信道不同延时时间的参考模拟信号和接收信道的回波模拟信号通过高速数字采集单元进行模数转换并二进制编码转化为数字信号，分别记为x₁₁(n)、x₁₂(n)、…x_1N(n)和x₂(n)；

d、将采集到的回波数字信号x₂(n)和多通道参考数字信号x₁₁(n)、x₁₂(n)、…x_1N(n)分别进行互相关时延估计运算，得到时延估计值：τ₁、τ₂、…τ_N；

e、将得到的不同时延估计值分别增加

得到激光飞行时间的N个测量值，对离散的N个激光飞行时间测量值进行线性多项式拟合修正可以得到激光飞行时间的拟合曲线，由拟合曲线可得，第一个测量值横坐标对应曲线上的点即为最佳时延估计值，其与真实值之间的误差要远小于单次互相关时延估计值与真实值之间的误差。

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