CN102809748A - 基于时延估计的激光测距方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时延估计的激光测距方法，其通过回波信号与发射信号之间的时间差进行测距，所述方法包括如下步骤：（a）获取所述发射信号和所述回波信号；（b）根据所述发射信号和所述回波信号进行时延估计以得到时延估计值；及（c）将所述时延估计值加入所述回波信号，以得到需测算的距离。根据本发明的激光测距方法，对连续调制激光信号，采用时间延迟估计技术直接得到信噪比较低的回波信号相对于发射信号的时间延迟。根据本发明的激光测距方法基于一种鲁棒性的时间延迟估计算法进行激光测距，用Alpha稳定分布建模信号噪声，采用分数低阶协方差函数及相关函数求取回波信号与发射信号之间的时间延迟。

Description

基于时延估计的激光测距方法

技术领域

本发明涉及激光测距领域，尤其涉及基于时延估计的激光测距方法。

背景技术

激光的含义是受激辐射光放大，它是一种人造光，与普通的自然光源相比，激光具有高方向性、单色性和高相干性的特点。激光的这些优良特性使其在众多领域得到应用，其中利用激光来进行距离的测量是激光的重要实际应用之一，激光雷达就是基于激光来探测和测距的。

激光测距的信号可以是脉冲状态，也可以工作在连续波状态，通常，前者被称为脉冲激光测距，后者被称为相位激光测距。脉冲激光测距是由激光发射机向目标发射一个脉冲激光信号，该信号反射后被接收机接收，通过测量系统的计数器来测量发射脉冲激光脉冲与接收回波脉冲之间的时间间隔，从而确定目标距离。激光发射角小，能量在空间相对集中；激光脉冲持续时间很短，能量在时间上相对集中，瞬时功率很大，因此，较适用于远程测距，如人造卫星测距、地球到月球的距离测量等。对于精度要求很高的测距，多采用相位激光测距，它是用连续调制的激光光束照射被测目标，通过测量光束往返中产生的相位差，得到时间差信息，再换算出被测目标的距离。

综上，激光测距的核心问题就是如何得到回波信号与发射信号之间的时间差，脉冲法是直接计时、相位法是通过相位差得到时间差。脉冲激光测距的精度主要依赖于计时测量系统的精度，尽管通过滤波、小波变换等信号处理的手段可以提高回波脉冲检测能力，但精度的提高仍受制于计时测量系统的精度。相位激光测距提高精度的方法，常常对回波信号的信噪比要求较高，若回波信号淹没在噪声中，则较难得到相位延迟信息。此外，实际中激光测距回波信号常常含有脉冲性噪声，会使传统的基于高斯噪声模型的计算方法性能衰退，甚至无法使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种精确的激光测距方法。

为了达成上述目的，本发明提供了一种基于时延估计的激光测距方法，其通过回波信号与发射信号之间的时间差进行测距，所述方法包括如下步骤：（a）获取所述发射信号和所述回波信号；（b）根据所述发射信号和所述回波信号进行时延估计以得到时延估计值；及（c）将所述时延估计值加入所述回波信号，以得到需测算的距离。

一些实施例中，所述发射信号为带噪激光调制信号，并且使用高斯分布描述所述发射信号的噪声；所述回波信号为带噪回波信号、并且使用Alpha稳定分布来描述所述回波信号的噪声。

一些实施例中，利用分数低阶协方差--相关进行所述时延估计。

一些实施例中，所述分数低阶协方差--相关包括：（a）计算所述发射信号和所述回波信号的分数低阶协方差函数；及（b）计算所述分数低阶协方差函数的互相关函数。

一些实施例中，步骤（a）包括：（a1）计算所述发射信号的自分数低阶协方差函数；及（a2）计算所述发射信号和所述回波信号的互分数低阶协方差函数。

一些实施例中，步骤（b）包括：计算所述自分数低阶协方差函数与所述互分数低阶协方差函数的相关函数。

一些实施例中，所述时延估计值为所述互相关函数的峰值。

根据本发明的激光测距方法，对连续调制激光信号，采用时间延迟估计技术直接得到信噪比较低的回波信号相对于发射信号的时间延迟。根据本发明的激光测距方法基于一种鲁棒性的时间延迟估计算法进行激光测距，用Alpha稳定分布建模信号噪声，采用分数低阶协方差函数及相关函数求取回波信号与发射信号之间的时间延迟。根据本发明的激光测距方法不仅可以用于含有高斯噪声的回波情况，也可以用于含有脉冲性噪声的回波环境，尤其对于低信噪比的回波信号效果优良，有较好的实际应用价值。

结合附图，根据下文的通过示例说明本发明主旨的描述可清楚本发明的其他方面和优点。

附图说明

结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：

图1为根据本发明实施例的激光测距方法的流程图；

图2为理想的激光调制测距信号，其中(a)为纯净发射信号，(b)为时延D=20Ts的纯净回波信号；

图3为MSNR=10dB的激光调制测距信号，其中(a)为含有高斯噪声的发射信号，(b)为时延D=20Ts含有SαS(α＝1.6)噪声的回波信号；

图4为高斯噪声环境中相关、分数低阶协方差以及分数低阶协方差——相关三种计算方法在不同MSNR下估计的均方根误差；

图5为SαS（α＝1.6）环境中相关、分数低阶协方差以及分数低阶协方差--相关三种计算方法在不同MSNR下估计的均方根误差；

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

现参考图1详细描述根据本发明实施例的基于时延估计的激光测距方法。根据本发明的激光测距方法在研究相位激光测距的TDE计算方法时，针对较低信噪比和脉冲噪声的条件，依据FLOS提出了基于分数低阶协方差序列的鲁棒性时延估计算方法，称为分数低阶协方差——相关方法。

根据本发明实施例的基于时延估计的激光测距方法中，通过回波信号与发射信号之间的时间差进行测距。

步骤S101中，获取所述发射信号和所述回波信号。

步骤S103中，根据所述发射信号和所述回波信号进行时延估计以得到时延估计值。

步骤S105中，将所述时延估计值加入所述回波信号，以得到需测算的距离。

本实施例中，所述发射信号为带噪激光调制信号，并且使用高斯分布描述所述发射信号的噪声。所述回波信号为带噪回波信号、并且使用Alpha稳定分布来描述所述回波信号的噪声。

根据本实施例的激光测距方法利用分数低阶协方差--相关进行所述时延估计，包括（a）计算所述发射信号和所述回波信号的分数低阶协方差函数；及（b）计算所述分数低阶协方差函数的互相关函数。

较佳实施例中，步骤（a）包括：（a1）计算所述发射信号的自分数低阶协方差函数；及（a2）计算所述发射信号和所述回波信号的互分数低阶协方差函数。

较佳实施例中，步骤（b）包括计算所述自分数低阶协方差函数与所述互分数低阶协方差函数的相关函数。

较佳实施例中，所述时延估计值为所述互相关函数的峰值。

现描述根据本发明实施例的基于时延估计的激光测距方法的实例。

采用相位激光测距的调制信号，含有噪声的发射信号和回波信号模型为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1\left(n\right)=s\left(n\right)+v_1\left(n\right)\\ x_2\left(n\right)=\mathrm{gs}(n-D)+v_2\left(n\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中n为离散时间变量，x₁(n)表示发射的带噪激光调制信号、s(n)表示纯净发射的激光调制信号，v₁(n)表示发射信号中的噪声，用高斯分布来描述。x₂(n)表示接收的带噪回波信号，s(n-D)表示纯净的回波信号，D是需要估计的回波延迟，v₂(n)表示回波信号中的噪声，用Alpha稳定分布来描述。g为衰减系数，例如，通常取1。

两个联合SαS随机过程x1(n)和x2(n)的互协方差函数定义为

$\begin{array}{c}{R}_c\left(m\right)=E\left[x_1\left(n\right)x_2{(n+m)}^{<p-1>}\right]\\ =E\left\{x_1\left(n\right)x_2{(n+m)}^{(p-1)}\mathrm{sign}\right[x_2(n+m)\left]\right\},1\&le;p<\mathrm{\&alpha;}\end{array}---\left(2\right)$

当信号x₁(n)、x₂(n)为白随机过程且x₂(n)=x₁(n-D)时，有如下关系：

$E\left[{\hat{R}}_c\left(m\right)\right]=C_c\mathrm{\&delta;}(m+D)---\left(3\right)$

其中C_c是一个非负的常数。

现详细描述根据本发明的激光测距方法中的基于分数低阶协方差——相关计算方法对激光调制信号的时延进行估计的步骤。

首先，计算发射信号x₁(n)的自分数低阶协方差函数

R_c11(m)＝E{x₁(n)[x₁(n+m)]^<p-1>}，以及发射信号x₁(n)和回波信号x₂(n)的互分数低阶协方差函数R_c12(m)＝E{x₁(n)[x₂(n+m)]^<p-1>}，这样可以降低脉冲噪声的影响。

接着，计算R_c11(m)信号和R_c12(m)信号的互相关函数

R(τ)＝E{R_c11(m)R_c12(m+τ)}。

最后，激光调制回波信号时延的估计值由互相关函数R(τ)的峰值位置得到。

$\hat{D}=\arg \underset{\mathrm{\&tau;}}{\max }R\left(\mathrm{\&tau;}\right).---\left(4\right)$

现描述根据本发明的激光测距方法的结果仿真。

计算机仿真来验证分数低阶协方差——相关计算方法对激光调制信号的时延估计性能的有效性，并与相关、分数低阶协方差计算方法的估计性能进行比较，说明该计算方法的先进性。

根据式（1）构造信号和噪声：激光调制信号s(n)为正弦信号；发送信号x₁(n)通常信噪比较高且噪声特性符合高斯分布，下面的仿真实验中设定s(n)与高斯噪声的MSNR=10dB；回波信号x₂(n)由s(n)延迟D=20Ts采样间隔得到的信号s(n-D)叠加特征指数α＝1.6的Alpha稳定分布噪声构成。图2给出了理想的激光调制测距信号时域波形。图3给出了实际中含有噪声的激光调制测距信号的时域波形。

下面，首先在回波信号噪声符合高斯分布的条件下，比较相关、分数低阶协方差以及分数低阶协方差--相关三种计算方法对激光调制测距信号的估计性能。MSNR以1dB的间隔从-10dB变化到10dB。三种计算方法的估计性能用估计的均方根误差来衡量。图4是三种计算方法估计的均方根误差与MSNR的关系。下面的仿真结果是对50次独立实验的统计。

由图4可以看出，分数低阶协方差--相关计算方法在MSNR=-10dB时，估计的均方根误差仍然接近于零，而其他两种计算方法在MSNR=-5dB时估计性能明显衰退。

接着，在回波信号含有α＝1.6的脉冲噪声条件下，再比较相关、分数低阶协方差以及分数低阶协方差——相关三种计算方法对激光调制测距信号的估计性能。图5是三种计算方法估计的均方根误差与MSNR的关系。下面的仿真结果是对50次独立实验的统计。

由图5可以看出，分数低阶协方差——相关计算方法在MSNR=-10dB时，估计的均方根误差仍然接近于零，而分数低阶协方差计算方法在MSNR=-7dB以上时，估计性能优良，相关计算方法在MSNR=0dB以上时，估计的均方根误差才接近于零。

通过上述实验，可以知道分数低阶协方差--相关算法的估计性能优于其他两种算法，尤其在脉冲噪声和较低信噪比的条件下。

根据本发明的激光测距方法，对连续调制激光信号，采用时间延迟估计技术直接得到信噪比较低的回波信号相对于发射信号的时间延迟。根据本发明的激光测距方法基于一种鲁棒性的时间延迟估计算法进行激光测距，用Alpha稳定分布建模信号噪声，采用分数低阶协方差函数及相关函数求取回波信号与发射信号之间的时间延迟。根据本发明的激光测距方法不仅可以用于含有高斯噪声的回波情况，也可以用于含有脉冲性噪声的回波环境，尤其对于低信噪比的回波信号效果优良，有较好的实际应用价值。

因本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管业已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (7)

1.一种基于时延估计的激光测距方法，其通过回波信号与发射信号之间的时间差进行测距，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（a）获取所述发射信号和所述回波信号；

（b）根据所述发射信号和所述回波信号进行时延估计以得到时延估计值；及

（c）将所述时延估计值加入所述回波信号，以得到需测算的距离。

2.根据权利要求1所述的激光测距方法，其特征在于，所述发射信号为带噪激光调制信号，并且使用高斯分布描述所述发射信号的噪声；所述回波信号为带噪回波信号、并且使用Alpha稳定分布来描述所述回波信号的噪声。

3.根据权利要求2所述的激光测距方法，其特征在于，利用分数低阶协方差——相关进行所述时延估计。

4.根据权利要求3所述的激光测距方法，其特征在于，所述分数低阶协方差——相关包括：

（a）计算所述发射信号和所述回波信号的分数低阶协方差函数；及

（b）计算所述分数低阶协方差函数的互相关函数。

5.根据权利要求4所述的激光测距方法，其特征在于，步骤（a）包括：

（a1）计算所述发射信号的自分数低阶协方差函数；及

（a2）计算所述发射信号和所述回波信号的互分数低阶协方差函数。

6.根据权利要求5所述的激光测距方法，其特征在于，步骤（b）包括：

计算所述自分数低阶协方差函数与所述互分数低阶协方差函数的相关函数。

7.根据权利要求5所述的激光测距方法，其特征在于，所述时延估计值为所述互相关函数的峰值。

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