CN109932727A - 一种提高激光测距系统中远距离测距精度的方法 - Google Patents

Abstract

针对现有技术中激光测距系统测距精度低的问题，本发明提供一种提高激光测距系统中远距离测距精度的方法，通过激光发射模块连续发出N组脉冲信号，再利用探测器做回波接收系统，将接收到的回波信号经过滤波后，通过阈值自动调节系统获得信号的近距离阈值、远距离阈值；再通过信号自动检索系统，根据信号位置、信号长度、近距离阈值、远距离阈值以及信号信噪比与系统预设值进行比较，判断该信号是否为目标信号；最后将目标信号输入多脉冲多频高帧甄选系统，通过信号匹配及置信度计算得到目标信号的距离信息、信号强度以及置信度，得到最终的目标信号。使用本发明所述的检测方法，可以提高激光测距的准确率。

Description

一种提高激光测距系统中远距离测距精度的方法

技术领域

本发明涉及激光测距领域，特别是一种提高激光测距系统中远距离测距精度的方法，他是一种结合了多脉冲信号相干累加技术、阈值自动调整技术、多脉冲高频多帧甄选技术的系统，可以提高中远距离测距系统的测距精度。

背景技术

在中远距离测距中，由于距离较远，大气会给激光信号带来衰弱，且接收回波的探测器模块和放大电路会淹没激光回波信号，降低回波信号的信噪比，降低测距精度。虽然增大激光发射功率、增大接收模块的接收口径可以提高回波信号的强度，但是会使整机体积增大，不符合当前系统发展趋势。

发明内容

针对现有技术中测距精度低的问题，本发明提供一种提高激光测距系统中远距离测距精度的方法。

本发明解决上述技术问题所采取的技术手段是：一种提高激光测距系统中远距离测距精度的方法，其特征在于：通过激光发射模块连续发出N组脉冲信号，再利用探测器做回波接收系统，将接收到的回波信号经过滤波后，通过阈值自动调节系统获得信号的近距离阈值、远距离阈值；再通过信号自动检索系统，根据信号位置、信号长度、近距离阈值、远距离阈值以及信号信噪比与系统预设值进行比较，判断该信号是否为目标信号；最后将目标信号输入多脉冲多频高帧甄选系统，通过信号匹配及置信度计算得到目标信号的距离信息、信号强度以及置信度，得到最终的目标信号。

本发明的有益效果是：本发明的关键在于对目标信号的检索和匹配，通过层层迭代、一一匹配、阈值自动调整等可以提高目标所在位置的置信度和概率，并且满足多目标测距功能，经过实际验证，该算法对目标检测的准确率达到99.99％，测距精度保持在±0.5m，提升激光测距的准确率。

附图说明

图1为多脉冲相干累计的回波信号图。

图2为本发明所述方法的框图。

图3a为滤波前波形图。

图3b为滤波后波形图。

图4为阈值自动调节系统的框图。

图5为信号自动检索技术结构图。

图6为潜在目标信号位置图。

图7为为多脉冲多频高帧甄选系统结构图。

图8为最终的目标信号所在位置。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图2，本发明通过激光发射模块连续发出N组脉冲信号，并用探测器做回波接收系统，接收到的信号经过光电转换以及放大、信号处理后，并行进入到控制器系统；为提高中远距离测距系统的测距精度，需要提高信号的信噪比，进行多脉冲信号相干累加，。回波信号经过一级滤波系统(差分滤波、均值滤波)、二级滤波系统减小噪声的干扰；阈值自动调整系统是根据接收到的回波信号计算出信号均值、方差、均方差、信号功率等，利用傅里叶变换设计出回波信号阈值自动调整系统，计算出近距离目标阈值和元距离目标阈值；目标信号自动检索技术是利用目标信号的特性、特征，通过检测信号的脉宽、强度来自动检索潜在目标信号的方法；最后是多脉冲高频多帧甄选技术，潜在的目标信号经过该系统进一步增强目标信号的置信度，筛选出目标信号，并剔除夹杂的噪声或干扰信号，精准的确定目标信号强度以及准确的距离信息。

其中，上述的多脉冲信号相干累加技术就是一种利用噪声信号的随机性与目标信号的稳定性来提高回波信号的信噪比的手段，如图1所示。

具体的，本发明所述方法的具体处理过程如下：

假设激光脉冲信号发射频率为9KHz，为提高测距精度和目标信号的置信度，MCU发出3组电脉冲触发信号来驱动激光器工作，每组包括1K个触发信号，即每组包括1K个回波采样信号，假设回波采样信号为X(i)(1≤i≤1024)，为平滑回波采样信号和减小噪声信号的干扰，设计了差分滤波系统和均值滤波系统。

差分滤波系统：X(j)＝X(j+7)-X(j)(1≤j≤1024-7)；

均值滤波系统：X(j)＝[X(j+7)+X(j+1)+X(j+2)+X(j+3)]/4.0(1≤j≤1024-7)；

滤波前、后采样信号波形如图3a、图3b所示。

阈值自动调节系统的框图如图4所示，其工作过程是：分别计算近距离、远距离目标阈值，实现阈值在线自动调节的功能，系统可以根据测量距离的远近自动调节计算阈值，实现目标距离位置确定更加精准的目的。

阈值自动调节系统的工作过程是：假设1K个采样信号叠加后的近距离、远距离均方差为e1、e2，近距离、远距离功率分别为p1、p2，近距离、远距离阈值分别为THR1、THR2。

其中

计算后的回波信号均方差和功率分别为：e(i)’，p(i)’，根据回波信号稳定性和噪声信号的随机性原理，计算信号信噪比，则目标阈值为：

THR(i)(i＝1，2)＝e(i)’+3p(i)’，得到THR2＝0.250851；THR1＝0.276433。

优点：采样信号滤波后进行阈值的计算，一方面可以限定真目标约束条件，缩小后续搜索目标的范围和难度；另一方面还可以根据后面检索的目标结果就行阈值的反向调节，实现自动调整阈值，提高采样信号的信噪比，进而提高测距的准确度和精度。

信号自动检索系统的框图如图5所示，其工作过程是：

确定信号检索约束条件：当检索到的回波信号强度、脉宽、信噪比满足系统预设值时，同时满足对阈值电压的要求范围，即判断为潜在目标信号，加入目标链，并进入到多脉冲多频高帧甄选系统。

信号检索的具体算法步骤：

(1)和噪声干扰信号相比，目标信号具有如下特征：

THR1≤X(j)≤X(j+1)，THR1≤X(j+2)≤X(j+1)

根据噪声信号具有随机性的特性，满足上述条件的目标有可能是真正的目标所在位置。

(2)根据信号所在位置计算并判断从近到远各个距离区间内真正目标信号应该有的信号强度(即采样信号幅值)，并定为目标信号幅值的基准值，通过该约束条件进一步缩小目标信号所在位置，筛选出概率较大的潜在目标信号信息。

(3)为进一步提高信号检索的概率，计算出符合上述两个约束条件的潜在目标信号的脉宽，计算方法如下表达式所示：

THR1≤X(j-n)...≤X(j)≤X(j+1)，(目标位置的下限≤X(j-n))；

THR1≤X(j+m)...≤X(j+2)≤X(j+1)，(X(j+n)≤目标位置的上限)；

假设X(j+1)为潜在目标信号，通过向左、右同时逐步检索的计算的方式，计算出潜在目标信号的脉宽。

Width＝m+n；其中，Width为潜在信号脉宽。

将符合一定脉宽基准的信号进一步确定为潜在目标信号，不符合脉宽要求的信号从潜在信号中去除。

(4)若经过步骤(3)得到的潜在目标信号较多，干扰真实信号的筛选，需要返回到阈值自动调节系统，根据检测结果自动调整阈值，并重新进行信号检索，缩小目标所在范围，提高检测结果的正确性。

(5)根据此确定潜在目标信号的脉宽、位置及信号强度，并将满足上述条件的目标进行存储，加入到潜在目标链。

其中，信号自动检索技术出来的潜在目标信号如图6所示。

多脉冲多频高帧甄选系统的框图如图7所示，其工作过程如下：

架设激光器共发出三组1024个激光脉冲信号，每一组都会得到一组潜在的目标链信号，通过对三组目标信号链中的潜在目标进行一一匹配，计算各自的置信度，若潜在目标在每组目标链中的位置相同，即置信度增1，若不同，则置信度减1，逐一甄选。

下面是筛选出来的潜在目标：

f(1)、f(2)、f(3)、f(4)...f(n)，

g(1)、g(2)、g(3)、g(4)...g(n)，

h(1)、h(2)、h(3)、h(4)...h(n)。

通过筛选得到置信度最高的目标所在位置和信号强度，置信度低的仍保留在目标链中作为后续匹配使用，置信度为0的目标自动从目标链中剔除。

若只得到1组置信度最高的信号，则判断该信号为目标信号(单目标测距模式)，若得到多组置信度相同的信号，则进入到多目标测距模式，即一次测距可以测到多个目标信号，这个激光测距领域经常经常要求实现的测距功能(多目标测距功能)。

通过对目标信号强度的分析和判断，可以根据实际需求，输出反射率更强的目标所在位置或者距离较远的目标位置、距离较近的目标位置，如图8所示。

以上所述仅为发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高激光测距系统中远距离测距精度的方法，其特征在于：通过激光发射模块连续发出N组脉冲信号，再利用探测器做回波接收系统，将接收到的回波信号经过滤波后，通过阈值自动调节系统获得信号的近距离阈值、远距离阈值；再通过信号自动检索系统，根据信号位置、信号长度、近距离阈值、远距离阈值以及信号信噪比与系统预设值进行比较，判断该信号是否为目标信号；最后将目标信号输入多脉冲多频高帧甄选系统，通过信号匹配及置信度计算得到目标信号的距离信息、信号强度以及置信度，得到最终的目标信号。

2.根据权利要求1所述的一种提高激光测距系统中远距离测距精度的方法，其特征在于：所述的滤波环节包括一级滤波系统和二级滤波系统：其中，一级滤波系统为差分滤波系统或均值滤波系统；二级滤波系统为均值滤波系统或差分滤波系统；

其中，差分滤波系统：X(j)＝X(j+7)-X(j)(1≤j≤1024-7)；

均值滤波系统：X(j)＝[X(j+7)+X(j+1)+X(j+2)+X(j+3)]/4.0(1≤j≤1024-7)；

其中，回波采样信号为X(i)(1≤i≤1024)。

3.根据权利要求1所述的一种提高激光测距系统中远距离测距精度的方法，其特征在于：所述的阈值自动调节系统通过将滤波后的回波信号转换为信号均值、信号方差以及信号强度，最终获得近距离阈值、远距离阈值；

其中，获得距离均方差的方法是：其中，i＝1时，为近距离均方差；i＝2时，为远距离均方差；

获得距离功率的方法是：其中，i＝1时，为近距离功率；i＝2时，为远距离功率；

其中，距离阈值为THR(i)(i＝1,2)＝e(i)’+3p(i)’；其中，i＝1时，为近距离阈值；i＝2时，为远距离阈值。

4.根据权利要求1所述的一种提高激光测距系统中远距离测距精度的方法，其特征在于：所述的信号自动检索系统进行信号自动检索的步骤是：

a.建立目标信号检测模型，获得目标信号：

THR1≤X(j)≤X(j+1)，THR1≤X(j+2)≤X(j+1)；其中，THR1为近距离阈值；X(j)为回波采样信号；

b.根据a步骤得到的目标信号所在位置，将采样信号幅值作为目标信号幅值的基准值，对a步骤得到的目标信号进行进一步的筛选，得到筛选后的目标信号；

c.通过脉宽对b步骤得到的筛选后的目标信号再次进行筛选；

THR1≤X(j-n)...≤X(j)≤X(j+1)，目标信号位置的下限≤X(j-n)；

THR1≤X(j+m)...≤X(j+2)≤X(j+1)，X(j+n)≤目标位置的上限；

d.将c步骤得到的目标信号进行存储，加入到潜在目标链。

5.根据权利要求1所述的一种提高激光测距系统中远距离测距精度的方法，其特征在于：多脉冲多频高帧甄选系统根据目标信号反射率筛选信号，其筛选步骤是：

S1.对信号自动检索系统输出的目标信号根据其在目标链中的位置进行判断，得到目标信号的置信度；

S2.通过S1步骤的筛选得到置信度最高的目标信号所在位置和信号强度；其他置信度低的仍保留在目标链中作为后续匹配使用，置信度为0的目标自动从目标链中剔除，最终获得单个目标信号或多个目标信号。