CN110031854A - 一种实时的高精度激光多回波距离提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于信号处理领域，具体涉及一种实时的高精度激光多回波距离提取方法，包括设计预置模板，数据缓存，筛选回波脉冲信号，回波信息提取及调整，波形快速匹配及距离计算。本发明采用全波形采样可以充分利用回波信息，利用数字处理方法可以实现弱小信号探测，解决TDC阈值鉴别遇到的问题，实现远超采样率的高精度距离间隔分辨能力。
Description
技术领域
本发明属于信号处理领域，具体涉及一种实时的高精度激光多回波距离提取方法。
背景技术
激光雷达过去主要活跃于军事、测绘等领域。相比于普通雷达，激光雷达在高精度测距、三维建模等技术领域具有明显的优势，近年来在民用领域也获得了广泛的应用。随着自动驾驶技术的发展，激光成像雷达凭借其高分辨率、高精度、高抗干扰能力等优点，获得了越来越多的关注。与此同时，业界对车载激光三维成像雷达的技术要求也越来越高。
为保证无人车安全行驶，车载激光三维成像雷达需要对行驶过程中车辆四周的环境及目标进行实时高精度成像，这依赖于对探测器获得的回波脉冲信号进行快速准确的处理。而车载的要求限制了雷达的体积、功耗、硬件资源等性能参数。故而为达到实时高精度的性能要求，车载激光三维成像雷达需要一种高效准确的信号处理方法来提取回波中的距离信息。
利用TDC进行双阈值鉴别处理较为简单，可以处理幅度相对较高的饱和回波脉冲信号。但该技术对信噪比及脉冲边沿敏感，对弱信号处理能力弱，且无法准确识别多个回波。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：利用TDC进行双阈值鉴别处理技术对弱信号处理能力弱，且无法准确识别多个回波。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种实时的高精度激光多回波距离提取方法，包括
S1，设计预置模板：采集原始回波脉冲信号的数据，利用曲线拟合的方式插值，得到预置模板，模板以离散数据的方式存储，在时域上数据密度高于待处理的输入信号；
S2，数据缓存：数据缓存：对数据进行轮询缓存；
S3，筛选回波脉冲信号：依据噪声与回波脉冲信号的不同特征对每一路数据进行筛选，筛选出与回波特性相匹配的回波脉冲信号；
S4，回波信息提取及调整：提取回波脉冲信号参数，根据预置模板判断回波脉冲信号的幅度及形状是否符合准备匹配的要求，对不符合匹配要求的回波脉冲信号进行调整，将回波脉冲信号形状及幅度调整到符合最佳匹配条件的位置；
S5，波形快速匹配及距离计算：将调整后的回波脉冲与预置模板数据进行匹配计算，当偏差系数最优时，计算回波脉冲信号与预置模板的相对位置，由此获得回波脉冲信号峰值相对起始点的精确时间偏移；
由精确时间偏移和回波脉冲信号起点时间，得到目标的实际距离。
进一步，回波脉冲信号的参数包括该回波脉冲的起始位置、宽度、峰值、峰值位置和脉冲编号。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：
本发明采用全波形采样可以充分利用回波信息，利用数字处理方法可以实现弱小信号探测，解决TDC阈值鉴别遇到的问题，实现远超采样率的高精度距离间隔分辨能力。
附图说明：
下面结合附图和实施对本发明进一步说明。
图1是本方法所处理的信号来源示意图。
图2是本方法中多回波脉冲鉴别及筛选处理架构图。
图3是本方法中波形匹配原理示意图。
图4是本方法中快速收敛法的原理示意图。
具体实施方式
一种实时的高精度激光多回波距离提取方法，包括
S1，设计预置模板：预先采集大量原始回波脉冲信号的数据，利用曲线拟合(如样条曲线拟合)的方式插值，得到与实际波形还原度极高的高精度预置模板。模板以离散数据的方式存储，并保证在时域上数据密度远高于待处理的输入信号。
S2，数据缓存：采用数据缓存轮询的方式，将单路数据的处理时间提高到激光发射周期的n倍，n为缓存级数，同时对后续数据进行排序缓存。
S3，筛选回波脉冲信号：依据噪声与回波脉冲信号的不同特征对每一路数据进行筛选，筛选出与回波特性相匹配的回波脉冲信号。
在连续AD采样信号中，单次发射的激光脉冲会带来一个或多个目标的回波脉冲信号，依据噪声与回波脉冲信号的不同特征对每一路数据进行筛选，可以分割出具有指定特征的一个或多个回波脉冲信号，筛选出与回波特性相匹配的回波脉冲信号。将得到的每一个回波脉冲的多个采样点作为一组数据单独存储，作为后续波形整形和匹配的原始输入。
S4，回波信息提取及调整：从前一个步骤获得的原始回波脉冲信号中，提取回波脉冲信号参数，包括该回波脉冲的起始位置、宽度、峰值、峰值位置、脉冲编号等信息。根据预置模板判断回波脉冲信号的幅度及形状是否符合准备匹配的要求，对不符合匹配要求的回波脉冲信号进行调整，将回波脉冲信号形状及幅度调整到符合最佳匹配条件的位置。
S5，波形快速匹配及距离计算：将调整后的回波脉冲与预置模板数据进行匹配计算，当偏差系数最优时，计算回波脉冲信号与预置模板的相对位置，由此获得回波脉冲信号峰值相对起始点的精确时间偏移。
由精确时间偏移和回波脉冲信号起点时间(偏移量加上回波脉冲起点时间)，得到目标的实际距离。
实施例中“回波”指“回波脉冲信号”。
实施例1
本方法接收的输入数据采样周期低于回波脉冲宽度，模数转换器采样频率包括但不限于1GHz。本方法所处理的信号来源示意图如图1所示。
预置高精度模板设计：
通过实际硬件，如激光器、探测器、模数转换器等电路元件，采集不同特征目标的实际回波波形信号，经过滤波、对齐、整合等操作，利用曲线拟合(如样条曲线拟合)的方式，基于实际数据进行插值计算，获得了最终模板。该方法制作的模板充分还原了实际波形，并且拥有远超硬件采集频率的时域数据密度。
高速数据处理架构设计：
在激光雷达线数高，发射频率快的情况下，每秒的数据处理量可达上千兆比特。因此采用数据缓存轮询的方式，将单路数据的处理时间提高到激光发射周期的n倍(n为缓存级数)，同时对后续数据进行排序缓存，避免丢失。数据缓存轮询方式示意图如图2所示。每一路数据经过缓存后，再依次进行多回波筛选和整形，最后送入波形匹配模块进行计算。由于每次激光发射，对应的多回波的计算输出，因此由匹配模块输出的距离结果的数据量是激光发射次数的多倍。因此该方法设计了兵乓接口，以保证数据写入与读取互不干扰，避免数据丢失。
多回波脉冲筛选：
高速数据处理架构可以保证回波筛选有足够的时间进行。在数据高速流动过程中，判断连续输入的多个采样点的特征，当与回波特征相匹配时，根据出现的顺序标记为第n个回波，同时记录该号回波的起始位置、宽度、峰值、峰值位置等信息。根据回波各点数据，计算匹配特征，若与回波特征不匹配，则丢弃这些数据点，继续处理后续输入数据。判断得到的回波数据存入缓存区，预先设定不同的筛选条件，对存入缓存区的回波数据进行筛选。在连续判断的过程中，缓存区不断更新，直到该次激光回波数据全部判断完毕，即得到了符合设定条件的多个回波数据。
回波脉冲整形设计：
为提高波形匹配过程的效率和精度，对输入的回波数据特征有较为严格的要求。回波采样数据的幅度、形状等因素对匹配结果影响较大。考虑到目标大小、反射率、远近各不相同，以及杂光和噪声等多重条件的影响，通过前期处理过程所截取的回波数据受限于程序性能，难以达到最利于波形匹配的状态。因此加入了回波脉冲整形步骤，对回波进行调整。回波脉冲整形过程中会对当前回波数据的幅度、宽度、峰值所在位置进行调整，为接下来的匹配过程提供充分的预处理和初始化。经过快速简单的操作，回波将被调整到最佳匹配状态，提高匹配精度、速度。
匹配方法设计及快速实现：
波形匹配的方法原理示意图图3所示。
匹配方法设计如下：将模板与回波数据点按制作模板时预知的插值比例对齐后计算匹配系数。匹配系数的设计参照互相关计算的原理，选择与雷达硬件系统相适应的匹配系数计算公式。该系数可以保证匹配结果的稳定性和重复精度。为了保证方法的快速实现，以满足工程需要，设计了快速收敛的匹配方法。原理如图4所示。
快速收敛法的原理是，对模板数据按递减步长进行分段比对。首先以较大步长选择多个比对位置，计算出相应的匹配系数，锁定最佳匹配位置所在区间后在该区间内以较小步长选择新的比对位置并计算匹配系数。依次类推，直至锁定最佳匹配位置，求出精确偏移量。该方法在FPGA设计实现时，采用流水线设计，将步骤分解，并行计算，最后整合，有效的将匹配处理计算步骤减少了1/3，使匹配时间达到百ns级，极大的提高了方法的效率。
本发明提供了一种实时提取高精度距离信息的方法，它可以实时高精度提取车载激光三维成像雷达回波的距离信息，解决激光成像雷达远距离微弱回波距离信息提取的问题；还可以解决一般全波形激光雷达难以实时完成大数据量处理的问题。同时，鉴于本方法简化了距离信息提取的运算过程，可以利用本方法完全适用于植入FPGA平台，完成低成本的实时高精度信号处理。
本方法记录每个回波脉冲信号的采样点位置，通过波形判别，筛选出最典型一个或多个回波脉冲。再对每个回波对应的一组采样数据进行整形调整，与预先根据实测信号制作的高密度标准波形模板进行比对，获得精度远高于采样间隔的回波脉冲时间信息。最终测距结果理论精度将由制作模板时选定的模板数据密度决定。因此采用高精度拟合方法制作的精确模板可以带来突破采样周期限制的测距精度。同时相比于传统信号处理的波形拟合方法，运算时间大大减少，完全满足车载激光三维成像雷达的实时数据处理需求。
Claims (2)
1.一种实时的高精度激光多回波距离提取方法，其特征在于，包括
S1，设计预置模板：采集原始回波脉冲信号的数据，利用曲线拟合的方式插值，得到预置模板，模板以离散数据的方式存储，在时域上数据密度高于待处理的输入信号；
S2，数据缓存：对数据进行轮询缓存；
S3，筛选回波脉冲信号：依据噪声与回波脉冲信号的不同特征对每一路数据进行筛选，筛选出与回波特性相匹配的回波脉冲信号；
S4，回波信息提取及调整：提取回波脉冲信号参数，根据预置模板判断回波脉冲信号的幅度及形状是否符合准备匹配的要求，对不符合匹配要求的回波脉冲信号进行调整，将回波脉冲信号形状及幅度调整到符合最佳匹配条件的位置；
S5，波形快速匹配及距离计算：将调整后的回波脉冲与预置模板数据进行匹配计算，当偏差系数最优时，计算回波脉冲信号与预置模板的相对位置，由此获得回波脉冲信号峰值相对起始点的精确时间偏移；
由精确时间偏移和回波脉冲信号起点时间，得到目标的实际距离。
2.根据权利要求1所述实时的高精度激光多回波距离提取方法，其特征在于，回波脉冲信号的参数包括该回波脉冲的起始位置、宽度、峰值、峰值位置和脉冲编号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190719 |