CN107678011B

CN107678011B - 一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法

Info

Publication number: CN107678011B
Application number: CN201710896876.2A
Authority: CN
Inventors: 赵毅强; 李�杰; 叶茂; 胡凯; 薛文佳; 周国清
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2020-08-18
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: CN107678011A

Abstract

本发明公开了一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法，包括波形数据滑窗操作、波形识别与提取和上传数据的处理；波形数据滑窗操作中，根据实测波形特征确定窗宽，每一次同步电信号到来时，开始对数据进行滑窗，窗宽先设置为发射波提取滑窗宽，每增加一个数据，窗口向右滑动一次，每次滑动均完成对窗内波形数据的识别；并通过一个定时计数器用于激光回波时刻与发射时刻时间差的粗略计算；通过阈值法进行波形的识别，找到对应光脉冲，将窗内数据传输到输出缓存；经过波形识别与提取后，利用输出到输出缓存的数据以及由定时计数器得到的激光回波时刻与发射时刻时间差的粗略计算值，进而得到得到激光回波与激光发射波之间的准确时间差。

Description

一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法

技术领域

本发明涉及激光测量系统中，将系统采集到的激光回波全波形数据，实时高速的由下位机上传至上位机的方法。

背景技术

激光以其亮度高、能量集中、方向性好、单色性好等优点，在测量领域得到了广泛应用。激光测距、激光测高、激光测深、激光成像等各类激光测量技术日渐成熟。激光测量方法一般可分为脉冲法、相位法和调频连续波法等。与其它方法相比，脉冲法具有结构简单、测程远、测量速度快等优点，因此脉冲法在激光测距系统中得到了广泛应用。脉冲法是通过测量激光脉冲飞行时间实现对目标距离精确探测的方法。具体过程是激光器向目标发射激光脉冲，激光遇到目标后，部分能量反射回来形成激光回波脉冲，被激光探测器接收。通过计算激光回波脉冲到达时刻Tr与激光脉冲发射时刻Tt的时间差，再结合激光飞行速度C，得到激光器与探测目标之间的距离D:

确定激光脉冲到达时刻的方法同样有很多，包括阈值法、恒比定时法、上升沿法、形心法等。这些算法要保证较高的计算精确度和较快的下位机实现，通常要依靠系统的高采样频率和波形的标准形状。但是当激光光斑过大，光斑范围内高程信息复杂的情况下，激光脉冲回波形状不是一个独立的高斯脉冲，而是众多脉冲叠加后的复杂波形，使用传统的算法很难保证计算精度。这时需要采集完整的全波形信息，通过上位机强大的数据分析工具对波形信息进行分析，进而得出更加准确的脉冲时刻，这就需要将采集到的波形完整数据实时传输到上位机进行计算。而对于一般的全波形激光测距系统，用于采集波形数据的模数转换器采样率都较高，通常能达到1Gbps以上，量化位数一般也能达到8位。如果将采集到的所有数据全部通过串行总线上传至上位机，至少需要8Gbps的总线速率。而对于计算机，常用的接口很难满足这么快的接口速率，即使超高速的USB3.0最快也只有理论5Gbps的速率，很难实现所有波形数据的全部上传。

[参考文献]

[1]张伟，吴限；用于采集交通数据的激光扫描器技术研究[J]；红外；2015,36(11):30-35。

[2]刘诏，张爱武，段乙好等；全波形机载激光数据分解研究[J]；高技术通讯；2014,24(2):144-151。

[3]吕明爱，柳建，王江等；激光测距回波信号高速采样处理技术研究[J]；光电工程,2011,38(5):59-63。

发明内容

针对现有技术，本发明提供一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法，通过对有用波形的识别和提取，实现对波形数据的选择性实时上传。是一种以上位机计算为基础的全波形激光测量系统的数据实时上传方案。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法，包括以下步骤：

步骤一、波形数据滑窗操作：

激光测距系统光电探测器输出的模拟信号经过模数转换器转换为高速的数字信号，对波形数据进行同步处理和缓存，将缓存后的数据进行波形数据滑窗操作，其中，根据实测波形特征确定窗宽t，窗宽t是波形脉冲宽度的3至4倍；每一次同步电信号到来时，开始对数据进行滑窗，窗宽先设置为发射波提取滑窗宽t1，每增加一个数据，窗口向右滑动一次，每次滑动均完成对窗内波形数据的识别；

当在窗口中识别到激光发射波后，立即将激光发射波数据传输到输出缓存，并修改窗宽即将滑窗宽度改为回波提取滑窗宽t2；向右平移一个窗宽后，继续向右滑窗，寻找激光回波；

当在窗口中识别到激光回波后，立即将回波数据传输到输出缓存；

在波形数据滑窗操作过程中，设置一个定时计数器，在识别到激光发射波时启动计时，在识别到激光回波后停止计时，该定时计数器用于激光回波时刻与发射时刻时间差的粗略计算；

步骤二、波形识别与提取：

在上述波形数据滑窗操作过程中通过阈值法进行波形的识别，选取激光波形峰值大小的2/3作为预设阈值，选取窗口中心时刻作为阈值判断点；持续判断每个窗内的窗口中心时刻波形数据的数值大小，若该数值小于预设阈值，则认为未找到目标波形，继续滑窗寻找，若该数值等于或大于预设阈值，则认为找到对应的激光发射波或激光回波，将该窗内数据传输到输出缓存；

在上述波形数据滑窗操作过程中，首先，按激光发射波预设阈值滑窗识别激光发射波，当定位到激光发射波后，修改窗宽的同时，修改阈值为激光回波阈值，向右平移一个窗宽后，继续滑窗，识别激光回波；

步骤三、上传数据的处理：

经过波形识别与提取后，输出到输出缓存的数据有宽度为t1的激光发射波数据、宽度为t2的激光回波数据以及由定时计数器得到的激光回波时刻与发射时刻时间差的粗略计算值T2-T1，发射波窗口后沿与回波窗口前沿之间的时间差为tx，tx＝(T2-T1)-1/2(t1+t2)；

通过上位机计算得出激光发射波的定位点A和激光回波的定位点B，tA和tB分别为定位点A和定位点B与对应窗口前沿之间的时间差，激光回波与发射波的准确时间间隔为TB-TA，TB-TA＝t1-tA+tx+tB。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由于本发明通过滑窗和波形识别操作，仅需上传激光发射波数据和激光回波数据，因此，可以极大的减少上传数据量，缩短了上传时间，加快了上传速度。使波形数据可以通过一般的通用接口上传至上位机，由上位机进行数据分析。

附图说明

图1是波形时序图；

图2是本发明中的波形数据滑窗示意图；

图3是本发明中数据输出示意图；

图4是本发明的全波形数据实时上传方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

对于一般的脉冲式激光测距系统，通常以固定的周期发射激光。假设激光器以1KHz的固定频率发射激光脉冲，则两次激光脉冲之间的发射间隔为1ms，也就是对于每一次激光脉冲发射，可以有最多1ms的时间用来上传波形数据。每一次激光发射，会产生一个同步电信号，一般情况下发射激光相对于同步电信号会存在一定的系统延时。为了提高测量精度，探测器通常需要接收发射激光以及激光遇到目标物后反射回来的回波，波形时序图如图1所示。前面提到假设系统采样率1Gbps，量化位数8位，则数据全部上传需要至少8Gbps的串行总线速率，对于一般的计算机通用接口，这是很难实现的。但是通过观察图1可以发现，上传所有波形数据是没有意义的，实际有效的波形数据只有从同步电信号到回波这段时间的波形，如果再结合计数器进行辅助计时，则实际有效的波形其实只有发射激光和回波这两部分，因此只需将这两段波形数据在1ms的时间内上传至上位机即可。保证波形数据准确上传的关键问题是如何实现激光发射波和激光回波的准确定位和提取。本发明提出的一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法主要包括波形数据滑窗操作、波形识别与提取和上传数据的处理，从而获得激光回波与激光发射波之间的准确时间差。具体内容如下：

1、波形数据滑窗操作：

激光测距系统光电探测器输出的模拟信号需经过模数转换器转换为高速的数字信号，波形数据经过一定的同步处理和缓存后送入数字处理单元进行处理。有的系统会在下位机直接进行算法计算，缓存后的波形数据被送入的是算法处理模块。大部分的全波形算法需要消耗大量的资源进行复杂计算，在下位机很难完成。这时需要将缓存后的数据在下位机进行预处理后再送入上位机进行计算。本发明采取的是通过波形数据滑窗的形式，依次对每个窗口中的数据进行分析比对，找到对应的目标波形所在的数据窗，然后将整个窗口中的数据进行上传。

如图2所示，将缓存后的数据进行波形数据滑窗操作。其中，所选窗宽要根据波形脉冲宽度确定，一般的激光脉冲波形符合高斯函数分布，前沿上升速度较快，下降沿存在一定程度的拖尾，拖尾长短与探测器模拟系统的性能以及被测目标有关，一般激光回波的拖尾要比激光发射波的拖尾长。在实际操作时要根据实测波形特征确定窗宽t(单位：纳秒)的具体取值，取波形脉冲宽度的3至4倍作为窗宽t，用于识别回波的窗宽比用于识别发射波的窗宽要大。每一次同步电信号到来时，开始对数据进行滑窗，窗宽先设置为发射波提取滑窗宽t1(单位：纳秒),每增加一个数据，窗口向右滑动一次，每次滑动都要完成对窗内波形数据的识别；数据识别方式将在下文介绍。

当在窗口中识别到激光发射波后，立即将激光发射波数据传输到输出缓存，并将滑窗宽度改为回波提取滑窗宽t2(单位：纳秒)。向右平移一个窗宽后，继续向右滑窗，寻找激光回波。

当在窗口中识别到激光回波后，立即将回波数据传输到输出缓存。在此过程中，还要设置一个定时计数器，在识别到激光发射波时启动计时，在识别到激光回波后，停止计时。用于激光回波时刻与发射时刻时间差的粗略计算。

2、波形识别提取：

在上述滑窗过程中要进行准确的波形识别和提取。对于波形数据信噪比较高，工作较稳定的系统，可以通过最直接的阈值法进行波形的识别。如图2所示，由于激光发射脉冲和激光回波脉冲相比于背景信号，在幅度上有明显区别，通过设定合适的波形幅度阈值并实时对窗内数据进行阈值判断，即可实现对脉冲波形的大致定位。

在实际操作时，选取窗口中心时刻作为阈值判断点，持续判断每个窗内窗口中心时刻波形数据的大小，低于预设阈值，则认为未找到目标波形，继续滑窗寻找，达到或者超过预设阈值，则认为找到对应光脉冲，将窗内数据传输到输出缓存。

阈值的大小要根据激光发射波和激光回波的强度进行确定，由于激光发射波在强度上比激光回波大很多，因此发射波识别阈值选取为较大的固定值。激光回波强度较低，且不稳定，需结合实测目标选择对应的较小的值。本发明中选取激光波形峰值大小的2/3作为预设阈值。首先按激光发射波阈值滑窗识别激光发射波，当定位到激光发射波后，修改窗宽的同时，修改阈值为激光回波阈值，向右平移一个窗宽后，继续滑窗，识别回波。

3、上传数据的处理：

经过滑窗识别和提取波形数据后，输出到输出缓存的数据有宽度为t1(单位：纳秒)的激光发射波数据、宽度为t2(单位：纳秒)的激光回波数据以及由定时计数器得到的激光回波和激光发射波之间的大致时间差T2-T1(单位：纳秒)。如图3所示，假设点A和B分别为在上位机计算出的激光发射波和激光回波的定位点(可能是中心或重心或其他位置，由不同上位机算法决定)。tA(单位：纳秒)和tB(单位：纳秒)分别为定位点A、B与对应窗口前沿之间的时间差，tx(单位：纳秒)为发射波窗口后沿与回波窗口前沿之间的时间差，T1(单位：纳秒)和T2(单位：纳秒)分别为两窗口的中心时刻，T2-T1(单位：纳秒)为定时计数器输出的两脉冲间隔的粗略计时。TB-TA(单位：纳秒)为两脉冲的准确时间间隔。由图3可知：

tx＝(T2-T1)-1/2(t1+t2)

TB-TA＝t1-tA+tx+tB

由以上公式对输出的数据进行处理后即可得到激光回波与激光发射波之间的准确时间差。

如图4所示，本发明应用于激光测量系统的全波形数据实时上传方法的流程主要为：

(1)定时计数器进行初始化归零，波形数据输入波形数据缓存器。

(2)检测同步电信号，接收到同步电脉冲后，开始对输入波形数据进行滑窗判断。

(3)首先进行发射波识别与提取，窗宽设为t1,发射波阈值设为threshold1，比较窗口中心时刻的数据X与threshold1的大小。若X>＝threshold1，认为检测到激光发射波，将窗口中的所有数据输出至输出缓存；若X<threshold1，认为没有检测到激光发射波，将窗口向前移动一个数据点，继续进行判断，直到找到激光发射波为止。找到激光发射波的同时，启动定时计数器。

(4)找到激光发射波后，将窗口换位t2，发射波阈值设为threshold2，按照步骤3的方式继续进行激光回波的识别与提取。找到激光回波的同时，停止定时计数器。将激光回波数据与定时计数器的计时结果同时输出至输出缓存。

(5)将输出缓存中的激光发射波数据、激光回波数据和计时结果同时输出至上位机，在上位机计算激光发射波与激光回波的准确时间差。

实施例：以1Gbps采样率，8位量化位数，1khz激光发射周期，5ns激光脉冲宽度，USB3.0数据传输接口的激光测距系统为例，采集到的波形数据全部上传需要至少8Gbps的总线速率，而USB3.0接口最大只有5Gbps的总线速率，这是无法实现的。按照本发明的技术方案，分别根据发射激光和回波幅值的2/3设定阈值，取t1为20ns,t2为20ns,则共需上传40ns的波形数据，由系统的采样率和量化位数可以计算出，共需上传的数据量为1Gbps*8bits*40ns＝320bits，此时共有1ms的时间进行数据上传，则上传接口速率只需达到320bits/1ms＝320kbps即可。远小于之前的8Gbps，使用USB3.0接口可以轻松实现数据上传。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、波形数据滑窗操作：

步骤二、波形识别与提取：

步骤三、上传数据的处理：

经过波形识别与提取后，输出到输出缓存的数据有宽度为t1的激光发射波数据、宽度为t2的激光回波数据以及由定时计数器得到的激光回波时刻与发射时刻时间差的粗略计算值T2-T1，发射波窗口后沿与回波窗口前沿之间的时间差为tx，tx＝(T2-T1)-1/2(t1+t2)；通过上位机计算得出激光发射波的定位点A和激光回波的定位点B，tA和tB分别为定位点A和定位点B与对应窗口前沿之间的时间差，激光回波与发射波的准确时间间隔为TB-TA，TB-TA＝t1-tA+tx+tB。