CN107544072A

CN107544072A - 一种预置波形匹配的高精度测距系统及方法

Info

Publication number: CN107544072A
Application number: CN201710694388.3A
Authority: CN
Inventors: 曹杰; 郝群; 王新宇; 张开宇; 张芳华
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2018-01-05
Anticipated expiration: 2037-08-15
Also published as: CN107544072B

Abstract

本发明公开的一种预置波形匹配的高精度测距系统及方法，涉及一种关于脉冲激光测距的系统及方法，属于激光三维成像领域。本发明包括控制器、激光发射模块、APD探测器模块、放大电路、滤波电路、AD转换电路和高精度计时电路；控制器用于实现如下软件控制功能：(1)控制激光发射模块激光的发射；(2)AD转换电路的控制和读写；(3)根据预置波形匹配算法对AD转换电路输出的数字回波信号进行匹配操作，进行距离数据和强度数据的提取。本发明还公开一种预置波形匹配的高精度测距方法。本发明能够减小由于激光回波信号变化引起的测量误差，此外，还具有测量精度高，能同时获取目标的强度信息和距离信息的优点。

Description

一种预置波形匹配的高精度测距系统及方法

技术领域

本发明涉及一种关于脉冲激光测距的系统及方法，尤其涉及一种预置波形匹配的高精度测距系统及方法，属于激光三维成像领域。

背景技术

激光三维成像是传统成像技术与现代激光技术相结合的产物，可工作在从红外到紫外光谱段的条件下。激光三维成像的关键技术包括激光测距，一般采用脉冲激光测距。脉冲激光测距的原理是系统主动发射脉冲激光，然后通过探测器探测经目标反射的回波，测量激光飞行时间，即获得距离信息。测距的精度主要取决于激光飞行时间的测量精度，而脉冲激光易受大气和目标反射特性等的影响，导致采集到的回波信号在幅度和形状上有很大差别，从而影响时间测量的精度。因此，如何解决由于激光回波变化引起的测量误差这一问题对提升测距精度而言尤为重要。

目前关于解决激光回波变化引起的测量误差这一问题有很多相关研究，比如：CN105824029号专利“多线激光雷达”提出的波形筛选系统用于从采样数据流中筛选出满足预设波形条件的回波，并将筛选结果输出给所述时分复用数字信号处理阵列，但并未说明其采用的具体波形筛选的算法。CN103364790号专利“基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统和方法”提出通过波形时域配准分析测量飞行时间，但只是对波形进行重建以确定时间差，并未解决由于激光回波变化引起的测量误差这一问题。此外，一般的激光测距方法只能获取距离信息，对于激光三维成像来说还有不足之处。

发明内容

本发明公开的一种预置波形匹配的高精度测距系统及方法，目的是减小由于激光回波信号变化引起的测量误差，而提供一种预置波形匹配的高精度测距系统及方法，此外，还具有测量精度高，能同时获取目标的强度信息和距离信息的优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种预置波形匹配的高精度测距系统，包括控制器、激光发射模块、APD探测器模块、放大电路、滤波电路、AD转换电路和高精度计时电路。控制器分别与激光发射模块、AD转换电路、高精度计时电路相连；APD探测器模块与放大电路相连，放大电路与滤波电路相连，滤波电路与AD转换电路相连。所述的APD探测器模块用于将目标反射的激光信号转换为电信号，放大电路及滤波电路对APD探测器模块输出的微弱回波信号进行放大及滤波，以便后续处理。AD转换电路由控制器控制，用于对采集到的回波信号进行高速模数转换，并送入控制器中进行数字处理。高精度计时电路用于对计时起止信号进行高精度测量，将结果送入控制器。控制器用于实现如下软件控制功能：(1)控制激光发射模块激光的发射；(2)AD转换电路的控制和读写；(3)根据预置波形匹配算法对AD转换电路输出的数字回波信号进行匹配操作，并进行距离数据和强度数据的提取。

距离数据提取方法如下：先通过对高精度计时电路的控制和读写进行时刻鉴别处理，产生高精度计时终止信号，再提取距离信息；强度数据提取方法如下：先计算信号幅度，再提取强度信息。

所述的预置波形匹配算法为：控制器事先设置的模板信号m(t)与待测回波信号f(t)进行匹配，所述的匹配是通过计算两个信号之间的相关系数c实现的，相关系数c是模板信号m(t)与待测回波信号f(t)的内积除以模板信号m(t)与待测回波信号f(t)的模的乘积的结果，从而获得的相关系数c∈[-1,1]，实际波形匹配时，当相关系数c大于预设阈值时即认为模板信号f(t)与待测回波信号m(t)一致，即波形匹配成功，否则失败。基于相关系数c的预置波形匹配算法检测到的是一组匹配成功的相似的波形，而不是某一个波形。

本发明公开的一种预置波形匹配的高精度测距方法，用于所述的一种预置波形匹配的高精度测距系统，包括如下步骤：

步骤一：控制器发送脉冲信号触发激光发射模块发射激光，同时，发送脉冲信号的时刻作为激光发射的起始时刻输入到高精度计时电路中；

步骤二：APD探测器模块将目标反射的激光信号转换为电信号，经放大电路、滤波电路处理后进入到AD转换电路，经过高速采样后转换为数字信号；

步骤三:模数转换后的数字信号输入到控制器中，通过控制器内嵌入的预置波形匹配算法进行匹配，判断回波信号是否为所需要的信号；如果匹配成功，则进行下一步处理；如果匹配失败，转入步骤一进行下一次采集；

步骤四：对匹配成功的信号进行信息提取，通过计算信号的幅度获取强度信息。通过对信号进行时刻鉴别，产生高精度计时终止信号，输入到高精度计时电路即获得距离信息。

至此完成预置波形匹配的高精度测距。

有益效果：

1、本发明公开的一种预置波形匹配的高精度测距系统及方法，采用的预置波形匹配方法能检测到回波信号幅值和形状的变化，从而减小由于外界环境影响回波信号变化而引起的测量误差。

2、本发明公开的一种预置波形匹配的高精度测距系统及方法，由于对回波信号的幅值和回波信号与起始时刻的时间间隔进行计算，能同时获取目标的强度信息和距离信息。

3、本发明公开的一种预置波形匹配的高精度测距系统及方法，采用的基于相关系数的预置波形匹配算法检测到的是一组匹配成功的相似波形，而不是某一个波形，符合实际中采集到的回波信号不完全相同的情况，进而提高波形匹配的成功率。

附图说明

图1为预置波形匹配的高精度测距系统结构示意图；

图2为本发明的一种预置波形匹配的高精度测距方法流程图。

1-激光发射模块，2-控制器，3-高精度计时电路，4-APD探测器模块，5-放大电路，6-滤波电路，7-AD转换电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例说明本实施方式，即激光三维成像中的一种预置波形匹配的高精度测距系统及方法。

实施例1：

本发明公开的一种预置波形匹配的高精度测距系统，包括控制器2、激光发射模块1、APD探测器模块4、放大电路5、滤波电路6、AD转换电路7和高精度计时电路3，系统结构如图1所示，方法流程图如图2所示。控制器2分别与激光发射模块1、AD转换电路7、高精度计时电路3相连，APD探测器模块4与放大电路5相连，放大电路5与滤波电路6相连，滤波电路6与AD转换电路7相连。所述的APD探测器模块4用于将目标反射的激光信号转换为电信号，放大电路5及滤波电路6对APD探测器模块4输出的微弱回波信号进行放大及滤波，以便后续处理。AD转换电路7由控制器2控制，用于对采集到的回波信号进行高速模数转换，并送入控制器2中进行数字处理。高精度计时电路3用于对计时起止信号进行高精度测量，将结果送入控制器2。控制器2用于实现如下软件控制功能：(1)控制激光发射模块1激光的发射；(2)AD转换电路7的控制和读写；(3)根据预置波形匹配算法对AD转换电路7输出的数字回波信号进行匹配操作，并进行距离数据和强度数据的提取，距离数据提取方法如下：先通过对高精度计时电路3的控制和读写进行时刻鉴别处理，再提取距离信息；强度数据提取方法如下：先计算信号幅度，再提取强度信息。

所述的预置波形匹配算法为：控制器2事先设置的模板信号m(t)与待测回波信号f(t)进行匹配，所述的匹配是通过计算两个信号之间的相关系数c实现的，相关系数c是模板信号m(t)与待测回波信号f(t)的内积除以模板信号m(t)与待测回波信号f(t)的模的乘积的结果，从而获得的相关系数c∈[-1,1]，实际波形匹配时，当相关系数c大于预设阈值时即认为模板信号f(t)与待测回波信号m(t)一致，即波形匹配成功，否则失败。基于相关系数c的预置波形匹配算法检测到的是一组匹配成功的相似的波形，而不是某一个波形。

本实施例公开的一种预置波形匹配的高精度测距方法，用于所述的一种预置波形匹配的高精度测距系统，进行高精度激光测距，具体实现步骤如下：

步骤一：FPGA控制器2发送一个一定脉宽(50ns)的脉冲信号触发激光发射模块1中脉冲激光器SPL LL90_3发射激光，同时，触发信号作为激光发射的起始时刻t₁输入到高精度计时电路3中；

步骤二：APD探测模块4将目标反射的激光信号转换为电信号，经放大电路5及滤波电路6处理后进入到AD转换电路7，采样率为1GHz，经过高速采样后转换为数字回波信号；

步骤三:模数转换后的数字信号输入到FPGA控制器2中，通过FPGA控制器2内嵌入的预置波形匹配算法进行匹配，判断回波信号是否为所需要的信号；如果匹配成功，则进行下一步处理；如果匹配失败，转入步骤一进行下一次采集；

所述的预置波形匹配算法为：FPGA控制器2事先设置的模板信号m(t)与待测回波信号f(t)进行匹配，所述的匹配是通过计算两个信号之间的相关系数c实现的，相关系数c是模板信号m(t)与待测回波信号f(t)的内积除以模板信号m(t)与待测回波信号f(t)的模的乘积的结果，从而获得的相关系数c∈[-1,1]，实际波形匹配时，当相关系数c大于预设阈值时即认为模板信号f(t)与待测回波信号m(t)一致，即波形匹配成功，否则失败。基于相关系数c的预置波形匹配算法检测到的是一组匹配成功的相似的波形，而不是某一个波形。

步骤四：对匹配成功的信号进行信息提取，通过计算信号的幅度可获取强度信息。通过对信号进行时刻鉴别，产生高精度计时终止信号t₂，输入到TDC-GP21高精度计时电路3中即可获得t₁与t₂之间的时间差，计算可得到距离信息，计时电路的典型精度为45ps。

至此完成预置波形匹配的高精度测距。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种预置波形匹配的高精度测距系统，其特征在于：包括控制器、激光发射模块、APD探测器模块、放大电路、滤波电路、AD转换电路和高精度计时电路；控制器分别与激光发射模块、AD转换电路、高精度计时电路相连；APD探测器模块与放大电路相连，放大电路与滤波电路相连，滤波电路与AD转换电路相连；所述的APD探测器模块用于将目标反射的激光信号转换为电信号，放大电路及滤波电路对APD探测器模块输出的微弱回波信号进行放大及滤波，以便后续处理；AD转换电路由控制器控制，用于对采集到的回波信号进行高速模数转换，并送入控制器中进行数字处理；高精度计时电路用于对计时起止信号进行高精度测量，将结果送入控制器；控制器用于实现如下软件控制功能：(1)控制激光发射模块激光的发射；(2)AD转换电路的控制和读写；(3)根据预置波形匹配算法对AD转换电路输出的数字回波信号进行匹配操作，并进行距离数据和强度数据的提取。

2.如权利要求1所述的一种预置波形匹配的高精度测距系统，其特征在于：所述的预置波形匹配算法为，控制器事先设置的模板信号m(t)与待测回波信号f(t)进行匹配，所述的匹配是通过计算两个信号之间的相关系数c实现的，相关系数c是模板信号m(t)与待测回波信号f(t)的内积除以模板信号m(t)与待测回波信号f(t)的模的乘积的结果，从而获得的相关系数c∈[-1,1]，实际波形匹配时，当相关系数c大于预设阈值时即认为模板信号f(t)与待测回波信号m(t)一致，即波形匹配成功，否则失败；基于相关系数c的预置波形匹配算法检测到的是一组匹配成功的相似的波形，而不是某一个波形。

3.如权利要求1或2所述的一种预置波形匹配的高精度测距系统，其特征在于：距离数据提取方法如下，先通过对高精度计时电路的控制和读写进行时刻鉴别处理，产生高精度计时终止信号，再提取距离信息；

强度数据提取方法如下，先计算信号幅度，再提取强度信息。

4.一种预置波形匹配的高精度测距方法，其特征在于：用于权利要求1所述的所述的一种预置波形匹配的高精度测距系统，包括如下步骤，

步骤三：模数转换后的数字信号输入到控制器中，通过控制器内嵌入的预置波形匹配算法进行匹配，判断回波信号是否为所需要的信号；如果匹配成功，则进行下一步处理；如果匹配失败，转入步骤一进行下一次采集；

步骤四：对匹配成功的信号进行信息提取，通过计算信号的幅度获取强度信息；通过对信号进行时刻鉴别，产生高精度计时终止信号，输入到高精度计时电路即获得距离信息；

至此完成预置波形匹配的高精度测距。

5.如权利要求4所述的，其特征在于：所述的预置波形匹配算法为，控制器事先设置的模板信号m(t)与待测回波信号f(t)进行匹配，所述的匹配是通过计算两个信号之间的相关系数c实现的，相关系数c是模板信号m(t)与待测回波信号f(t)的内积除以模板信号m(t)与待测回波信号f(t)的模的乘积的结果，从而获得的相关系数c∈[-1,1]，实际波形匹配时，当相关系数c大于预设阈值时即认为模板信号f(t)与待测回波信号m(t)一致，即波形匹配成功，否则失败；基于相关系数c的预置波形匹配算法检测到的是一组匹配成功的相似的波形，而不是某一个波形。