CN109031336B - 一种去测距模糊的单光子激光测距方法及装置 - Google Patents

一种去测距模糊的单光子激光测距方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种去测距模糊的单光子激光测距方法及装置，根据最远测距距离扩展n倍的需求设定n位伪随机码；在测距过程中，令激光器重复发出经过n位伪随机码编码调制的激光脉冲序列，通过建立脉冲间隔跨度单光子统计直方图及编码码长跨度单光子统计直方图，对回波目标进行提取得到含测距模糊度的疑似目标，并在编码码长跨度单光子统计直方图中索引与疑似目标对应的统计值系列，通过计算统计值和伪随机编码序列的相关系数可以得到两序列间的相位关系，以去除测距模糊。本发明不要求解决其激光器出射能量限制的问题，并且对信号提取计算量较少，易于在FPGA系统中实时实现。

Description

一种去测距模糊的单光子激光测距方法及装置
技术领域
本发明涉及一种去测距模糊的单光子激光测距方法及装置，属于激光测距技术领域。
背景技术
单光子激光测距系统往往采用高重频，低能量的激光器和灵敏度极高的单光子探测器(PMT或Geiger-mode APD)实现探测，通过光子计数实现测距距离提取。时间相关单光子计数(Time-correlated single-photon counting TCSPC)技术是应用最为广泛的单光子激光测距技术，它将时间轴分为离散的时间区间，当探测器探测到一个或多个光子时，产生一个响应输出，记录下该次响应发生的时间，并对该时间区间内的光子计数值加1，当进行大量重复脉冲的探测后，可以统计得到响应时间对应光子计数的统计直方图，如图1所示。
TCSPC技术记录的光子返回时间为光子到达时间与前次光脉冲发射时间的差值，导致所有目标物不论远近，其记录的返回光子时间均在一个光周期内，于是当测距范围较大且脉冲重频较高时将发生测距模糊问题，如10kHz重频的激光测距不发生测距模糊的最远测距距离为15km。
常用的解决测距模糊的方法包括：
1)基于伪随机码调制的单光子计数法，此类方法将出射的高频脉冲进行伪随机码调制，检测时通过阈值判断得到回波码，通过回波信号和出射信号的码相关性实现信号提取，最大可测激光飞行时间扩展成出射码长时间，以此增大了最大可测测距距离，如图2所示。为达到较好的测距分辨率，此类方法要求其激光器的重频需达到100MHz以上，限制了激光器的出射能量，且进行信号提取计算时所需的计算量极大，难以在嵌入式系统中实时实现。“采用高速伪随机码调制和光子计数技术的光纤激光测距系统”(《红外与激光工程》第42卷第12期)公开了相关的详细技术方案。
2)多重频激光测距法，此类方法在测量过程中改变出射激光的重复频率获取不同的光子数返回时间信息，从而确定唯一的距离信息，如图3所示。此类方法不仅对激光重频的频率精确度要求较高，且为了消除模糊度，测距时间增大了一倍，牺牲了测距速度。为了保证足够的激光出射能量及较快的测距速度，激光器重频在几十kHz为宜。
基于上述分析，对于实现较宽范围测试时会出现测距模糊的问题，提出一种合适的解决测距模糊度问题的方法显得极为必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种去测距模糊的单光子激光测距方法及装置，用于解决现有技术中消除测距模糊时需对激光器的出射能量进行限制的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种去测距模糊的单光子激光测距方法，步骤如下：
步骤1，根据最远测距距离扩展n倍的需求设定n位伪随机码；
步骤2，测距时激光器发出重复的以所述伪随机码的码长n为周期的经过伪随机码调制的激光脉冲序列，并分别以脉冲发射起始时刻及编码码序发射起始时刻为计数起始时刻，按照TCSPC方法实现单光子计数，得到脉冲间隔跨度单光子统计直方图及编码码长跨度单光子统计直方图；
步骤3，利用所述脉冲间隔跨度单光子统计直方图对回波目标进行提取，提取出z个含测距模糊度的疑似目标；
步骤4，对每个疑似目标，在对应的所述编码码长跨度单光子统计直方图中找到n个可能的对应点，进而得到n个按序排列的光子计数直方图统计值；
步骤5，求n个按序排列的光子计数直方图统计值与编码码序的互相关性，互相关性最大的疑似目标即为真实目标；确定真实目标所对应的光子计数直方图统计值序列和编码码序之间的相位关系，得到无测距模糊的测距距离。
进一步的，步骤5中根据光子计数直方图统计值与编码码序的互相关性获得真实目标的步骤包括：
步骤5-1，将当前z个疑似目标和前若干次得到的各z个疑似目标实现位置匹配，找出所有的匹配路径；
步骤5-2，将每个匹配路径的n个按序排列的光子计数直方图统计值更新为所有匹配节点的直方图统计序列之和；
步骤5-3，计算n个按序排列的光子计数直方图统计值和编码码序的相关性，通过相关系数最大值得到两组序列间的相位关系，获得该路径计算得到的相位偏差及最大相关系数Y，计算所有匹配路径的最大相关系数中的最大值，得到和激光编码码序匹配度最高的目标路径，将该路径的当前测量的疑似目标节点作为真实目标。
进一步的，步骤5-3中还包括对匹配点的直方图统计序列先进行累加处理再进行码相关性计算。
进一步的，步骤5-1中将当前z个疑似目标和前4次得到的各z个疑似目标进行位置匹配，在前4次得到的与当前疑似目标位置偏差小于T值的范围内查找对应次测量的疑似目标实现位置匹配，找出所有的匹配路径。
进一步的，步骤3中找到在所述脉冲间隔跨度单光子统计直方图中的所有波峰值，将最大的z个波峰值所在的位置或者是将大于设定阈值的z个波峰值所在的位置作为疑似目标。
本发明还提供了一种去测距模糊的单光子激光测距装置，包括：
第一模块，用于根据最远测距距离扩展n倍的需求设定n位伪随机码；
第二模块，用于测距时激光器发出重复的以所述伪随机码的码长n为周期的经过伪随机码调制的激光脉冲序列，并分别以脉冲发射起始时刻及编码码序发射起始时刻为计数起始时刻，按照TCSPC方法实现单光子计数，得到脉冲间隔跨度单光子统计直方图及编码码长跨度单光子统计直方图；
第三模块，用于利用所述脉冲间隔跨度单光子统计直方图对回波目标进行提取，提取出z个含测距模糊度的疑似目标；
第四模块，用于对每个疑似目标，在对应的所述编码码长跨度单光子统计直方图中找到n个可能的对应点，进而得到n个按序排列的光子计数直方图统计值；
第五模块，用于求n个按序排列的光子计数直方图统计值与编码码序的互相关性，互相关性最大的疑似目标即为真实目标；确定真实目标所对应的光子计数直方图统计值序列和编码码序之间的相位关系，得到无测距模糊的测距距离。
进一步的，在所述第五模块中，根据光子计数直方图统计值与编码码序的互相关性获得真实目标包括：
第一单元，用于将当前z个疑似目标和前若干次得到的各z个疑似目标实现位置匹配，找出所有的匹配路径；
第二单元，用于将每个匹配路径的n个按序排列的光子计数直方图统计值更新为所有匹配节点的直方图统计序列之和；
第三单元，用于计算n个按序排列的光子计数直方图统计值和编码码序的相关特性，通过相关系数最大值得到两组序列间的相位关系，获得该路径计算得到的相位偏差及最大相关系数Y，计算所有匹配路径的最大相关系数中的最大值，得到和激光编码码序匹配度最高的目标路径，将该路径的当前测量的疑似目标节点作为真实目标。
进一步的，所述第三单元还用于对匹配点的直方图统计序列先进行累加处理再进行码相关性计算。
进一步的，在所述第一单元中，将当前z个疑似目标和前4次得到的各z个疑似目标进行位置匹配，在前4次得到的与当前疑似目标位置偏差小于T值的范围内查找对应次测量的疑似目标实现位置匹配，找出所有的匹配路径。
进一步的，所述第五模块用于找到在所述脉冲间隔跨度单光子统计直方图中的所有波峰值，将最大的z个波峰值所在的位置或者是将大于设定阈值的z个波峰值所在的位置作为疑似目标。
本发明的有益效果是：在测距过程中，令激光器重复发出经过n位伪随机码编码调制的激光脉冲序列，通过建立脉冲间隔跨度单光子统计直方图及编码码长跨度单光子统计直方图，对回波目标进行提取得到含测距模糊度的疑似目标，并在编码码长跨度单光子统计直方图中索引与疑似目标对应的统计值系列[C1,C2,…,Cn]，通过计算统计值和伪随机编码序列的相关系数可以得到两序列间的相位关系，以去除测距模糊。本发明不要求解决其激光器出射能量限制的问题，并且对信号提取计算量较少，易于在FPGA系统中实时实现。
附图说明
图1是TCSPC技术的原理示意图；
图2是基于伪随机码调制的单光子计数法的原理示意图；
图3是多重频激光测距法的原理示意图；
图4是本发明的去测距模糊的单光子测距的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体的实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种去测距模糊的单光子激光测距方法，其原理示意图如图4所示，具体包括以下步骤：
第一步，根据最远测距距离扩展n倍的需求设定n位伪随机码。
考虑TCSPC方法会出现测距模糊现象，确定最远测距距离需实现n倍的扩展。预先选择n位合适的伪随机码，该伪随机码的周期性弱且首位为"1"，序列中码"1"的概率可设定为50％～70％。例如，10位伪随机码可设置为"1010011111"。
并且，根据所需的最远测距距离，测距时间等选择合适能量的激光器，确定激光器的工作频率。
第二步，测距时激光器发出重复的以伪随机码的码长n为周期的经过伪随机码"1""0"调制的激光脉冲序列，并根据脉冲发射起始时刻及编码码序发射起始时刻，按照TCSPC方法实现单光子计数，得到脉冲间隔跨度单光子统计直方图及编码码长跨度单光子统计直方图。
第三步，按照传统TCSPC方法利用脉冲间隔跨度单光子统计直方图对回波目标进行提取，提取的目标是含测距模糊度的目标。为实现后续的目标匹配，提取的疑似目标可以设定为z个。
具体的，可以采用阈值比较来进行提取，选取大于阈值的z个波峰；或者设定为找到直方图中的所有波峰，选取最大的z个波峰值所在位置作为疑似目标。
第四步，对每个疑似目标，在对应的所述编码码长跨度单光子统计直方图中找到n个可能的对应点，进而得到n个按序排列的光子计数直方图统计值。
也就是，每次测量得到含测距模糊的疑似目标后，在对应的编码码长跨度统计直方图中找到其可能的对应点，编码为n位则找到n个对应点，每个疑似目标得到n个有序排列的光子计数直方图统计值。当目标为真实目标时，这n个按序排列的直方图统计值和编码码序在某一相位处具有较大的相关性。
第五步，求n个按序排列的光子计数直方图统计值与编码码序的互相关性，互相关性最大的疑似目标即为真实目标；确定真实目标所对应的光子计数直方图统计值序列和编码码序之间的相位关系，得到无测距模糊的测距距离。
其中，相关性计算的方法有很多，下面则具体介绍一种相关性计算的方法：
为了测距准确，当前测量的含测距模糊的z个疑似目标将和前若干次(本实施例中为4次)得到的各k个疑似目标实现位置匹配。匹配时以当前测量的疑似目标为起点，在前4次测量结果中的和当前疑似目标位置偏差小于T的范围内查找对应次测量的疑似目标，找出所有可能的匹配路径。T值可根据测距周期及目标最大运动速度确定。不难看出，假设离某当前疑似目标的前4次测量中可匹配的各自的疑似目标个数分别有m1、m2、m3、m4个，则该疑似目标可能的匹配路径共有(m1+1)*(m2+1)*(m3+1)*(m4+1)个，每个路径中的匹配节点为1～5个。
若路径中所有节点的疑似目标均是真实目标回波，则该路径中所有节点在第五步中对应的直方图统计值序列将和编码码序在同一相位处具有较大的相关性，因此这些匹配点的直方图统计值序列可以先进行累加处理再统一进行码相关性的计算。
计算每个匹配路径的n个累加后的按序排列的直方图统计值和编码码序的互相关特性，通过互相关系数最大值得到两组序列间的相位关系，获得该路径计算得到的相位偏差及最大相关系数Y。若激光编码为"1010011111"，则用于卷积计算互相关特性的编码码序可设为"1,-1,1,-1,-1,1,1,1,1,1"。关于互相关计算的具体方式，属于现有技术手段，故在此不进行赘述。
计算所有匹配路径的最大相关系数中的最大值Ymax，得到和激光编码码序匹配度最高的目标路径，将该路径的当前测量的疑似目标节点作为真实目标，该路径和参考码序相关计算得到的相位偏差用来消除测距模糊度，得到无测距模糊度的真实测距距离。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种去测距模糊的单光子激光测距方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1，根据最远测距距离扩展n倍的需求设定n位伪随机码；
步骤2，测距时激光器发出重复的以所述伪随机码的码长n为周期的经过伪随机码调制的激光脉冲序列，并分别以脉冲发射起始时刻及伪随机码编码码序发射起始时刻为计数起始时刻，按照TCSPC方法实现单光子计数，得到脉冲间隔跨度单光子统计直方图及编码码长跨度单光子统计直方图；
步骤3，利用所述脉冲间隔跨度单光子统计直方图对回波目标进行提取，提取出z个含测距模糊度的疑似目标；
步骤4，对每个疑似目标，在对应的所述编码码长跨度单光子统计直方图中找到n个可能的对应点，进而得到n个按序排列的光子计数直方图统计值；
步骤5，求n个按序排列的光子计数直方图统计值与编码码序的互相关性，互相关性最大的疑似目标即为真实目标；确定真实目标所对应的光子计数直方图统计值序列和编码码序之间的相位关系，得到无测距模糊的测距距离。
2.根据权利要求1所述的去测距模糊的单光子激光测距方法，其特征在于，步骤5中根据光子计数直方图统计值与编码码序的互相关性获得真实目标的步骤包括：
步骤5-1，将当前z个疑似目标和前若干次得到的各z个疑似目标实现位置匹配，找出所有的匹配路径；
步骤5-2，将每个匹配路径的n个按序排列的光子计数直方图统计值更新为所有匹配节点的直方图统计序列之和，所述匹配节点指匹配疑似目标的位置；
步骤5-3，计算更新后的n个按序排列的光子计数直方图统计值和编码码序的相关性，通过相关系数最大值得到两组序列间的相位关系，获得每个匹配路径计算得到的相位偏差及最大相关系数Y，计算所有匹配路径的最大相关系数中的最大值，得到和激光编码码序匹配度最高的目标路径，将该路径的当前测量的疑似目标节点作为真实目标。
3.根据权利要求2所述的去测距模糊的单光子激光测距方法，其特征在于，步骤5-1中将当前z个疑似目标和前4次得到的各z个疑似目标进行位置匹配，在前4次得到的与当前疑似目标位置偏差小于T值的范围内查找对应次测量的疑似目标实现位置匹配，找出所有的匹配路径，所述T值根据测距周期及目标最大运动速度确定。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的去测距模糊的单光子激光测距方法，其特征在于，步骤3中找到在所述脉冲间隔跨度单光子统计直方图中的所有波峰值，将最大的z个波峰值所在的位置或者是将大于设定阈值的z个波峰值所在的位置作为疑似目标。
5.一种去测距模糊的单光子激光测距装置，其特征在于，包括：
第一模块，用于根据最远测距距离扩展n倍的需求设定n位伪随机码；
第二模块，分别以脉冲发射起始时刻及伪随机码编码码序发射起始时刻为计数起始时刻，按照TCSPC方法实现单光子计数，得到脉冲间隔跨度单光子统计直方图及编码码长跨度单光子统计直方图，其中测距时激光器发出重复的以所述伪随机码的码长n为周期的经过伪随机码调制的激光脉冲序列；
第三模块，用于利用所述脉冲间隔跨度单光子统计直方图对回波目标进行提取，提取出z个含测距模糊度的疑似目标；
第四模块，用于对每个疑似目标，在对应的所述编码码长跨度单光子统计直方图中找到n个可能的对应点，进而得到n个按序排列的光子计数直方图统计值；
第五模块，用于求n个按序排列的光子计数直方图统计值与编码码序的互相关性，互相关性最大的疑似目标即为真实目标；确定真实目标所对应的光子计数直方图统计值序列和编码码序之间的相位关系，得到无测距模糊的测距距离。
6.根据权利要求5所述的去测距模糊的单光子激光测距装置，其特征在于，在所述第五模块中，根据光子计数直方图统计值与编码码序的互相关性获得真实目标包括：
第一单元，用于将当前z个疑似目标和前若干次得到的各z个疑似目标实现位置匹配，找出所有的匹配路径；
第二单元，用于将每个匹配路径的n个按序排列的光子计数直方图统计值更新为所有匹配节点的直方图统计序列之和，所述匹配节点指匹配疑似目标的位置；
第三单元，用于计算更新后的n个按序排列的光子计数直方图统计值和编码码序的相关特性，通过相关系数最大值得到两组序列间的相位关系，获得每个匹配路径计算得到的相位偏差及最大相关系数Y，计算所有匹配路径的最大相关系数中的最大值，得到和激光编码码序匹配度最高的目标路径，将该路径的当前测量的疑似目标节点作为真实目标。
7.根据权利要求6所述的去测距模糊的单光子激光测距装置，其特征在于，在所述第一单元中，将当前z个疑似目标和前4次得到的各z个疑似目标进行位置匹配，在前4次得到的与当前疑似目标位置偏差小于T值的范围内查找对应次测量的疑似目标实现位置匹配，找出所有的匹配路径，所述T值根据测距周期及目标最大运动速度确定。
8.根据权利要求5-6中任一项所述的去测距模糊的单光子激光测距装置，其特征在于，所述第五模块用于找到在所述脉冲间隔跨度单光子统计直方图中的所有波峰值，将最大的z个波峰值所在的位置或者是将大于设定阈值的z个波峰值所在的位置作为疑似目标。
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