CN103364790B - 一种基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统测距的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统和方法，系统包括软硬件两部分，软件含有通信软件、波形时域配准分析算法、多次回波算法、距离与反射率算法。测距方法为在控制电路输入控制信号及发送脉冲给激光发射器；当发射器选用只发射一路激光的,则激光经准直镜到分束镜分成两束，一路经光衰减器进入探测器a，另一路经凸透镜发射到目标上；若选用的发射器发射二路激光则一路激光直接进入探测器a，另一路经凸透镜发射到目标上。目标反射激光经凸透镜、滤光片发射到探测器b，探测器b把激光回波转换为模拟信号，两路模拟信号分别经模拟放大电路后在AD转换器转为数字信号，在分析模块通过波形时域配准分析，测距结果由控制电路输出。

Description

一种基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统测距的方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲激光测距系统和方法，具体地说是一种基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统和方法，属于测量仪器领域。

背景技术

脉冲激光测距的基本原理是主动向目标发射脉冲激光，然后探测该目标上被照射点的激光回波，测量脉冲激光的飞行时间，可获得目标到测距仪的距离。脉冲激光测距的测距精度由对激光飞行时间的测量精度决定。由于脉冲激光受大气及目标散射特性的影响，导致激光回波在幅度和形状上有很大差别，由此形成的时间漂移误差给准确确定激光回波时刻带来困难。目前激光回波时刻鉴别方法主要有四种：前沿鉴别法、恒定比值鉴别法、高通容阻鉴别法和误差补偿法。前沿鉴别法使用单个固定阈值来确定激光回波的停止时刻，虽然电路简单，但无法克服时间漂移误差。恒定比值鉴别法和高通容阻鉴别法都可以有效的消除时间漂移误差。恒星比值鉴别法以激光回波前沿半高点到达的时刻作为激光回波的停止时刻。高通容阻鉴别法利用高通容阻滤波电路的微分效应，将激光回波的极值点转变为零点，以此作为激光回波的停止时刻。但这两种方法的电路结构复杂，不易实现。误差补偿法使用多个不同的固定阈值测量同一激光回波，利用测定好的误差补偿曲线，补偿单个固定阈值引起的时间漂移误差，得到准确的激光回波停止时刻。该方法电路结构简单，容易实现，但需要事先测定误差补偿曲线，拟合误差补偿曲线或建立误差补偿表，增加了脉冲激光测距方法的复杂度。

近几年脉冲激光测距技术有了长足的发展，国内也公开了不少的脉冲激光测距技术的发明申请，有如脉冲激光测距方法、脉冲激光测距仪的测距方法、脉冲激光测距的方法和装置等，它们共同存在的不足是不具有检测目标反射率功能和不具有多次回波分析功能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的不足，而提供一种测量精度高，测量距离远、具有检测目标反射率及具有多次回波分析功能的基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统和方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统测距的方法，按如下步骤测距：

⑴、在脉冲激光测距系统的控制电路输入端输入控制信号，控制电路发送控制信号给分析模块，使分析模块进入工作状态，同时，控制电路发送脉冲触发信号给激光发射器，触发激光发射器发射脉冲激光；

所述的脉冲激光测距系统包括硬件部分和软件部分，所述的硬件部分含有控制电路、激光发射器、凸透镜、滤光片、APD探测器、模拟放大电路、高速AD转换器、分析模块和准直镜、分束镜、光衰减器的组合模块，所述的控制电路与分析模块电互连，高速AD转换器与分析模块电连接；控制电路还与激光发射器电连接，激光发射器与准直镜、分束镜、光衰减器的组合模块及APD探测器a通过光连接，所述的滤光片与APD探测器b通过光连接，所述的两个APD探测器a、b分别与模拟放大电路电连接，模拟放大电路与高速AD转换器电连接；所述的控制电路用于发送脉冲触发信号给激光发射器，触发激光发射器发射脉冲激光，同时，控制电路还发送控制信号给分析模块，使分析模块进入工作状态，分析模块在进行波形时域配准分析后发送检测结果通过控制电路输出；

所述的软件部分含有：控制电路与分析模块的通信软件、波形时域配准分析算法、多次回波分析算法、距离与反射率测算算法；

所述的分析模块为FPGA分析模块或者DSP分析模块； 

所述的激光发射器有两种，为仅输出一路脉冲激光的发射器和输出两路脉冲激光的发射器；若激光发射器选用具有输出两路脉冲激光的发射器，则其中发射的一路小功率脉冲激光直接发射到APD探测器a，另一路大功率脉冲激光通过凸透镜发射到目标；

所述的滤光片、分束镜和透镜为共轴或者为旁轴；

⑵、若选用的激光发射器仅输出一路脉冲激光，则发射的脉冲激光经过准直镜发射到分束镜，发射脉冲激光按照分束镜设定的光强比分为透射激光和反射激光两束激光，透射激光进入光衰减器，经过光衰减器的透射激光强度被部分衰减；而反射激光通过凸透镜聚光发射到目标上；

若选用的激光发射器输出两路脉冲激光，则其中发射的一路小功率脉冲激光直接发射到APD探测器a，另一路大功率脉冲激光通过凸透镜发射到目标；

⑶、进入APD探测器a的脉冲激光转换为模拟信号，所述的模拟信号携带发射脉冲激光信息进入模拟放大电路，发射脉冲激光信息放大后进入高速AD转换器，经过高速采样转换为数字信号，所述的数字信号携带发射脉冲激光信息进入分析模块等待处理；

⑷、经过凸透镜聚光的反射激光发射到目标上，目标反射的激光回波再次经过凸透镜聚光，反射到滤光片上，通过滤光片滤除其他干扰光，发射到APD探测器b，APD探测器 b把脉冲激光回波转换为模拟信号，所述的模拟信号携带脉冲激光回波信息进入模拟放大电路，信号放大后进入高速AD转换器，经过高速采样转换为数字信号，所述的数字信号携带激光回波信息进入分析模块等待处理；

⑸、分析模块分别接收到发射脉冲激光和脉冲激光回波的数字信号，通过波形时域配准分析，测算出脉冲激光飞行时间，即发射脉冲激光时刻与接收脉冲激光回波时刻的时间差，通过脉冲激光飞行时间测算目标距激光测距仪的距离；通过脉冲激光回波强度和发射脉冲激光强度比测算目标反射率，通过分析多次回波的时间差，测算发生多次回波的目标间距；

⑹、分析模块向控制电路发送检测结果，包括目标距离、目标反射率、多次回波距离，通过控制电路对外输出检测结果。

本发明基于波形时域配准分析的脉冲激光测距方法，具有多次回波分析功能。通常发射脉冲激光到测距的目标上，但通过不同于正常路径的其他途径，而到达给定点目标上的信号具有足够大小的强度和时延，以致于可觉察出它与由正常路径传送来的信号有区别。如激光照射到树杈上，发生衍射或者部分激光直接照射到山坡上，激光反射回APD探测器b时，则会有树杈和山坡的反射光信息，反射光具有多个脉冲波形，统称为多次回波。多次回波具有和发射脉冲激光相同的波形特征，通过对回波信号的全波形分析，可测量出脉冲激光飞行过程中所遇到的物体距离。这种多次回波分析功能可应用于检测电线距离地面高度、建筑物高度等。

本发明中的分析模块通过波形时域配准分析，测算出脉冲激光飞行时间。所述的时域匹配分析原理是根据香农采样定理，当采样频率f大于等于信号最高频率F的两倍时，该模拟信号信息可被采样值还原。因此本发明的方法中采样频率选用大于脉冲激光频率的两倍以上，发射脉冲激光和脉冲激光回波采用相同的频率采样，获取发射脉冲激光和脉冲激光回波的采样信号，则从AD转换后的数字信号可确定原模拟信号的波形、频率、幅度、相位等信息。由香农采样定理可知，发射脉冲激光和脉冲激光回波都保持较好的波形完整性，脉冲激光回波和发射脉冲激光波形相似，强度衰减。通过采样信号(数字信号)对发射脉冲激光波形和回波波形重建，检测发射脉冲激光与脉冲激光回波的最佳匹配位置，测算出目标距离。同时，通过计算脉冲激光回波与发射脉冲激光强度比，可测算出目标反射率。

本发明基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统和方法与现有技术相比具有如下优点：

①本发明的系统结构简单，测量频率高，测量频率200KHZ～400KHZ。

②本发明的脉冲激光测距方法操作方便，激光测量距离远，目标反射率大于20％情况下，测量距离大于300m，测量精度高，优于15mm。

③本发明的脉冲激光测距方法具有检测目标反射率的功能。

④本发明的基于波形时域配准分析的脉冲激光测距方法具有多次回波分析功能，该功能可应用于某些特别检测领域，如检测电线距离地面高度、建筑物高度等检测领域，适用范围广。

附图说明

图1为本发明中激光发射器采用仅输出一路脉冲激光的基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统的结构框图。

图2为本发明中激光发射器采用输出两路脉冲激光的脉冲激光测距系统的结构框图。

图3为多次回波产生的示意图。

图4为时域匹配分析原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。

实施例1：本发明提供的一种基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统，其结构如图1所示，包括硬件部分和软件部分。所述的硬件部分含有控制电路、激光发射器、凸透镜、滤光片、APD探测器a和APD探测器b、模拟放大电路、高速AD转换器、分析模块和准直镜、分束镜、光衰减器的组合模块。所述的激光发射器采用仅输出一路脉冲激光的发射器。所述的控制电路与分析模块电互连，高速AD转换器与分析模块电连接；控制电路还与激光发射器电连接，激光发射器与准直镜、分束镜、光衰减器的组合模块及APD探测器a通过光连接，所述的滤光片、分束镜和凸透镜为共轴的，分析模块采用DSP分析模块。所述的控制电路与分析模块互联，高速AD转换器与分析模块电连接；控制电路还与激光发射器电连接，激光发射器与准直镜、分束镜、光衰减器的组合模块及APD探测器a通过光连接；分束镜、凸透镜也通过光连接，滤光片与APD探测器b通过光连接，APD探测器a和APD探测器b分别与模拟放大电路电连接，模拟放大电路与高速AD转换器电连接；所述的控制电路发送的测量频率200KHZ～400KHZ，高速AD转换器采用1GHZ采样频率；控制电路发送脉冲触发信号给激光发射器，触发激光发射器发射脉冲激光，同时，控制电路还发送控制信号给DSP分析模块，使DSP分析模块进入工作状态，DSP分析模块在进行波形时域配准分析后发送检测结果通过控制电路输出。

所述的软件部分含有：控制电路与DSP分析模块的通信软件、波形时域配准分析算法、 多次回波分析算法、距离与反射率测算算法。

应用实施例1所述的系统进行激光测距的方法，按如下步骤测距：

⑴、在控制电路的输入端输入控制信号，控制电路发送控制信号给DSP分析模块，使DSP分析模块进入工作状态，同时，控制电路发送测量频率200KHZ～400KHZ的脉冲触发信号给激光发射器，触发激光发射器发射脉冲激光。

⑵、激光发射器发射的发射脉冲激光经过准直镜，维持发射脉冲激光的准直性。经过准直镜的发射脉冲激光经过分束镜，发射脉冲激光按照分束镜设定的光强比分为透射激光和反射激光两束激光，透射激光进入光衰减器，经过光衰减器的透射激光强度被部分衰减后进入APD探测器a；而反射激光通过凸透镜聚光发射到目标上。

⑶、发射脉冲激光经过APD探测器a转换为模拟信号，所述的模拟信号携带发射脉冲激光信息进入模拟放大电路，发射脉冲激光信息放大后进入高速AD转换器，经过采用1GHZ采样频率的高速AD转换器转换为数字信号，所述的数字信号携带发射脉冲激光信息进入DSP分析模块等待处理；

⑷、经过凸透镜聚光的反射激光发射到目标上，目标反射激光回波经过凸透镜再聚光，反射到滤光片上，通过滤光片滤除其他干扰光，发射到APD探测器b，APD探测器b把脉冲激光回波转换为模拟信号，所述的模拟信号携带脉冲激光回波信息进入模拟放大电路，信号放大后进入高速AD转换器，同样经过高速采样转换为数字信号，所述的数字信号携带激光回波信息进入DSP分析模块等待处理；

⑸、DSP分析模块接收到发射脉冲激光和脉冲激光回波的数字信号，通过波形时域配准分析，测算出脉冲激光飞行时间，即发射脉冲激光时刻与接收脉冲激光回波时刻的时间差，通过脉冲激光飞行时间测算目标距激光测距仪的距离，通过脉冲激光回波强度和发射脉冲激光强度比测算目标反射率，通过分析多次回波的时间差，测算发生多次回波的目标间距；

⑹、DSP分析模块向控制电路发送检测结果，包括目标距离、目标反射率、多次回波距离，通过控制电路对外输出检测结果。

实施例2：本发明提供的一种基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统，其结构如图2所示，与实施例1不同的是所述的激光发射器采用输出两路脉冲激光的发射器，系统中不设准直镜、分束镜、光衰减器的组合模块，另外滤光片和凸透镜为旁轴的，采用FPGA分析模块。软件部分含有控制电路与FPGA分析模块的通信软件、波形时域配准分析算法、多次回波分析算法、距离与反射率测算算法。

应用上述基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统进行激光测距的方法，按如下步骤测距：

⑴、在控制电路的输入端输入控制信号，控制电路发送控制信号给分析模块，使分析模块进入工作状态，同时，控制电路发送测量频率200KHZ～400KHZ的脉冲触发信号给激光发射器，触发激光发射器发射脉冲激光。

⑵、激光发射器输出两路脉冲激光，则其中发射的一路小功率脉冲激光直接发射到APD探测器a，另一路大功率脉冲激光通过凸透镜发射到目标。

其余⑶～⑹步骤与实施例1相同，FPGA分析模块向控制电路发送检测结果，包括目标距离、目标反射率、多次回波距离，通过控制电路对外输出检测结果。

本发明中FPGA分析模块进行波形时域配准分析的原理参见图3、4，图3为多次回波产生的示意图。图4为时域匹配分析原理图。本发明中通过高速AD转换器对回波采样，采样频率大于信号最高频率的两倍以上，采样信号携带回波信号的幅度、频率、相位等信息进入FPGA分析模块，由分析模块对回波波形重建，检测脉冲激光回波与发射脉冲激光的最佳匹配位置，测算出目标距离D1、D2、D3。同时，通过计算脉冲激光回波与发射脉冲激光强度比，可测算出目标反射率。

本发明的基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统结构简单，激光测量距离远。本发明的脉冲激光测距方法操作方便，测量精度优于15mm，且具有目标反射率检测和多次回波分析功能，该功能可应用于检测电线距离地面高度、建筑物高度等测量领域。

Claims (1)

1.一种基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统测距的方法，其特征在于：按如下步骤测距：

⑴、在脉冲激光测距系统的控制电路输入端输入控制信号，控制电路发送控制信号给分析模块，使分析模块进入工作状态，同时，控制电路发送脉冲触发信号给激光发射器，触发激光发射器发射脉冲激光；

所述的脉冲激光测距系统包括硬件部分和软件部分，硬件部分含有控制电路、激光发射器、凸透镜、滤光片、APD探测器、模拟放大电路、高速AD转换器、分析模块和准直镜、分束镜、光衰减器的组合模块，所述的控制电路与分析模块电互连，高速AD转换器与分析模块电连接；控制电路还与激光发射器电连接，激光发射器与准直镜、分束镜、光衰减器的组合模块及APD探测器a通过光连接，所述的滤光片与APD探测器b通过光连接，所述的两个APD探测器a、b分别与模拟放大电路电连接，模拟放大电路与高速AD转换器电连接；所述的控制电路用于发送脉冲触发信号给激光发射器，触发激光发射器发射脉冲激光，同时，控制电路还发送控制信号给分析模块，使分析模块进入工作状态，分析模块在进行波形时域配准分析后发送检测结果通过控制电路输出；

所述的软件部分含有：控制电路与分析模块的通信软件、波形时域配准分析算法、多次回波分析算法、距离与反射率测算算法；

所述的分析模块为FPGA分析模块或者DSP分析模块；

所述的激光发射器有两种，为仅输出一路脉冲激光的发射器和输出两路脉冲激光的发射器；若激光发射器选用具有输出两路脉冲激光的发射器，则其中发射的一路小功率脉冲激光直接发射到APD探测器a，另一路大功率脉冲激光通过凸透镜发射到目标；

所述的滤光片、分束镜和凸透镜为共轴或者为旁轴；

⑵、若选用的激光发射器仅输出一路脉冲激光，则发射的脉冲激光经过准直镜发射到分束镜，发射脉冲激光按照分束镜设定的光强比分为透射激光和反射激光两束激光，透射激光进入光衰减器，经过光衰减器的透射激光强度被部分衰减；而反射激光通过凸透镜聚光发射到目标上；

若选用的激光发射器输出两路脉冲激光，则其中发射的一路小功率脉冲激光直接发射到APD探测器a，另一路大功率脉冲激光通过凸透镜发射到目标；

⑶、进入APD探测器a的脉冲激光转换为模拟信号，所述的模拟信号携带发射脉冲激光信息进入模拟放大电路，发射脉冲激光信息放大后进入高速AD转换器，经过高速采样转换为数字信号，所述的数字信号携带发射脉冲激光信息进入分析模块等待处理；

⑷、经过凸透镜聚光的反射激光发射到目标上，目标反射的激光回波再次经过凸透镜聚光，反射到滤光片上，通过滤光片滤除其他干扰光，发射到APD探测器b，APD探测器b把脉冲激光回波转换为模拟信号，所述的模拟信号携带脉冲激光回波信息进入模拟放大电路，信号放大后进入高速AD转换器，经过高速采样转换为数字信号，所述的数字信号携带激光回波信息进入分析模块等待处理；

⑸、分析模块分别接收到发射脉冲激光和脉冲激光回波的数字信号，通过波形时域配准分析，测算出脉冲激光飞行时间，即发射脉冲激光时刻与接收脉冲激光回波时刻的时间差，通过脉冲激光飞行时间测算目标距激光测距仪的距离；通过脉冲激光回波强度和发射脉冲激光强度比测算目标反射率，通过分析多次回波的时间差，测算发生多次回波的目标间距；

⑹、分析模块向控制电路发送检测结果，包括目标距离、目标反射率、多次回波距离，通过控制电路对外输出检测结果。