CN110187353A - 一种远目标激光测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远目标激光测距方法，首先将单频回波信号经过窄带滤波进行预放大处理，由欠采样转换为数字信号并进行数字相关处理，恢复出被噪声淹没的信号；基于所获得的信号，利用周期信号重构技术构造出相位估计函数，计算出目标距离值；再利用发射半连续正弦调制激光信号和游标原理，来解决单一高频测距过程中的距离模糊问题。上述方法能有效提高信噪比和测程，并对无合作目标进行高精度远距离测量，在大型工程结构、建筑结构、工业现场等方面具有重要的应用。

Description

一种远目标激光测距方法

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种远目标激光测距方法。

背景技术

目前用于工程测量的无合作目标光学测距方法主要有相位法和脉冲法，相位法使用周期信号对激光光强进行调制，通过测量周期信号的相移来间接计算距离，精度可以达到毫米量级，测量精度高，但测程短；而脉冲法通过测量激光脉冲在目标与测距仪之间的飞行时间来计算距离，因激光脉冲持续时间短、能量集中和瞬时功率大，容易实现较长距离测量，但测距精度低。随着近年来大型或超大型结构(如桥梁、高层建筑等)日益增多，工程测量上有了高精度和远目标的要求，而上述两种方法显然都不能同时满足。

现有技术中的相位式激光测距仪，要求激光发射平均功率不能超过1mw(1级安全激光)，而接收系统受到光学接收口径(一般为φ50mm)和探测电路噪声的限制，由测距方程计算出的无合作目标测程为十几米。提高测程的最直接方法是提高接收系统的信噪比，在相位式测距系统的设计中，为了获得毫米级距离测量精度，调制频率往往设置在60MHz以上，对应的不模糊距离仅为2.5m，目前是通过双频或多个调制频率来解模糊，因而要求探测器前置放大器带宽要大于这个最高调制频率，但噪声也同时经过前置宽带放大器被放大，导致接收系统的最小可探测光功率受到限制，从而影响测程。

而采用数字相关检测方法可以提高信噪比，它是基于信号与噪声的统计特性进行检测的。在远目标时，由目标漫反射回来的信号很弱，且电路的噪声幅值和频谱是基本不变的，使得其信噪比小于1，此时利用数字相关检测可以提取出被噪声淹没的信号。但是，当回波信号的幅值小于ADC的输入范围时，这个信号将无法检测到，因此采用数字方法来提高测程是有限的。另一方面，对于数字相移测距系统，增大采样频率可以提高相位估算精度。在一个信号周期内采样点增加后，波形变得更细致，相对于原信号波形的失真就小，从而可获得期望的距离估算精度。在测距仪设计中，一个信号周期内需要数十甚至上百个采样数据。例如对于50MHz的高频调制信号，要求ADC的转换速率达到数百MHz甚至几个GHz以上，不仅ADC价格昂贵，而且后续处理的数据量也较大，使整个系统复杂化。

由此可见，随着近年来大型或超大型结构(如桥梁、高层建筑等)日益增多，工程测量上有了高精度和远目标的要求，而现有测距方法显然都不能同时满足。

发明内容

本发明的目的是提供一种远目标激光测距方法，该方法能有效提高信噪比和测程，并对无合作目标进行高精度远距离测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种远目标激光测距方法，所述方法包括：

步骤1、首先将单频回波信号经过窄带滤波进行预放大处理，由欠采样转换为数字信号并进行数字相关处理，恢复出被噪声淹没的信号；

步骤2、基于步骤1所获得的信号，利用周期信号重构技术构造出相位估计函数，计算出目标距离值；

步骤3、再利用发射半连续正弦调制激光信号和游标原理，来解决单一高频测距过程中的距离模糊问题。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能有效提高信噪比和测程，并对无合作目标进行高精度远距离测量，在大型工程结构、建筑结构、工业现场等方面具有重要的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的远目标激光测距方法流程示意图；

图2为本发明实施例所述完整周期信号的重构及精测过程示意图；

图3为本发明实施例所述对半连续正弦调制信号的重建及粗测过程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的远目标激光测距方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、首先将单频回波信号经过窄带滤波进行预放大处理，由欠采样转换为数字信号并进行数字相关处理，恢复出被噪声淹没的信号；

在该步骤中，由于采用单一正弦波频率，其回波信号可以通过前置窄带滤波放大器进行预放大滤波处理，以提高信噪比，前置放大器的带宽越窄，抑制噪声能力越强，信噪比越高。例如当带宽为600kHz时，与现有的相位测距仪相比(取带宽60MHz)，最小可探测光电流将降低约10～14倍。

然后再利用欠采样技术对前置窄带滤波放大器输出电压进行采样，再利用数字相关处理进一步提高信噪比，设测量次数为N，则信噪比改善了例如测量次数为10000时，信噪比可以提高100倍。

通过上述窄带滤波预处理和数字相关处理后，就可以恢复出被噪声淹没的信号。

步骤2、基于步骤1所获得的信号，利用周期信号重构技术构造出相位估计函数，计算出目标距离值；

如图2所示为本发明实施例所述完整周期信号的重构及精测过程示意图，设步骤1所获得的信号为正弦周期信号u(t)，其周期为T₀＝1/f₀，选取模数转换器ADC的采样时间间隔为：

其中，L、M均为整数；

在上式中，采样时间对应于u(t)信号的L+1/M个周期，其中L表示u(t)信号的整周期数，1/M为周期的小数；

连续M个采样值等效于在一个周期内采得的，即等效采样间隔为：

将模数转换器ADC的采样过程看作是一个狄拉克δ脉冲调制过程，则通过一次(设第_i次)采样连续M个值就能重构出u(t)的一个完整周期信号为：

上述所构建的函数A_i(k)相当于一个正弦波周期被细分为M等分，通过欠采样构建的一个整周期的回波信号如图2所示；

若以正弦信号的过零时刻(相位为0)为定时特征点，则在激光发射时刻t_start的采样序列数为0，在返回时刻t_stop对应的采样序列数为n_P，则通过插值处理可求出目标距离精测值为：

其中，0≤n_P＜M；Δn_P为不足一个等效采样间隔的部分，且0≤Δn_P＜¹。

步骤3、再利用发射半连续正弦调制激光信号和游标原理，来解决单一高频测距过程中的距离模糊问题。

这里，在单一高频测距中存在距离模糊问题，例如取f₀＝60MHz，则最大不模糊距离仅为2.5m。另一方面，在目标较远时，由目标漫反射回来的信号很微弱，信号将被噪声淹没，仅通过窄带滤波放大预处理不一定能够得到数字触发器的输入电平信号，很显然，采用传统的脉冲计数方法^[2]将无法获得粗测值N_coar。本发明实施例将采用发射半连续正弦调制波和游标原理来解模糊，具体过程为：

如图3所示为本发明实施例所述对半连续正弦调制信号的重建及粗测过程示意图，设激光器发射的是一个半连续的高频正弦调制信号，发射周期为m_c(m_c为整数，表示高频正弦波的周期数)，即在前m_c/2半个周期内发射高频正弦信号，后半个m_c/2周期内不发射信号，依次循环；

将该高频正弦调制信号作为主时钟，对前半个周期进行游标内插处理，这样游标总长度为m_c/2，两相邻刻度之间的间隔为1，将采样时钟作为游标时钟，采样周期设置为：

m_samp＝m_c+1

对回波信号进行采样，采样点序列号k₁＝0,1,2，...，m_c/2-1，经多次重复测量后取平均以恢复信号，再以第一次采样到信号的时刻点Q为定时特征点，设该点的采样点序列号为k₁＝m_Q，则由游标处理可求出粗测值为：

N_coar＝m_Q

上述发射激光返回到探测器的时刻(相位)由目标距离确定；具体实现中，当采样点对应正弦相位的0或π时将会导致错误的结果，则可通过延时发射激光信号，使采样点在正弦信号的最大值π/2附近，发射延时时间大小可通过精测值ΔN_fine得到，在FPGA中这个延时容易实现而不需要额外开销。

发射周期m_c的大小由测程决定；例如设测程为500m，f₀＝60MHz时，则m_c≥400，相当于6.7μs，完成一次游标测量过程需要1.34ms,若取重复测量次数为1000，则一次测量时间需要1.34s。

进一步的，为了减小这个时间，采用二分法确定Q点，具体步骤是：

每次以发射半连续正弦波为起始时刻，第一次取游标刻度中间点为采样点，即采样间隔m_c+m_c/4，经多次重复测量后取平均以恢复信号；

若采集到信号，则第二次取游标刻度左半边的中间点为采样点，其采样间隔取m_c+m_c/4-m_c/8，否则取m_c+m_c/4+m_c/8，这样使游标区间减小一半；

重复此过程，直到游标区间为0，这样一次游标过程的采样点数为log₂(m_c/2)，例如取m_c＝512，则测量时间可以减小32倍。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述方法具有如下优点：

第一，仅采用一个频率固定的高频调制信号，以利于利用选频放大器对光电流信号进行窄带滤波放大预处理，并结合数字BOXCAR积分处理技术来进一步提高信噪比，从而提高测程。

第二，采用欠采样模拟数字转换技术，不需要混频器，测距系统结构简单、成本低。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种远目标激光测距方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、首先将单频回波信号经过窄带滤波进行预放大处理，由欠采样转换为数字信号并进行数字相关处理，恢复出被噪声淹没的信号；

步骤2、基于步骤1所获得的信号，利用周期信号重构技术构造出相位估计函数，计算出目标距离值；

步骤3、再利用发射半连续正弦调制激光信号和游标原理，来解决单一高频测距过程中的距离模糊问题。

2.根据权利要求1所述远目标激光测距方法，其特征在于，所述步骤2的过程具体为：

设步骤1所获得的信号为正弦周期信号u(t)，其周期为T₀＝1/f₀，选取模数转换器ADC的采样时间间隔为：

其中，L、M均为整数；

在上式中，采样时间对应于u(t)信号的L+1/M个周期，其中L表示u(t)信号的整周期数，1/M为周期的小数；

连续M个采样值等效于在一个周期内采得的，即等效采样间隔为：

将模数转换器ADC的采样过程看作是一个狄拉克δ脉冲调制过程，则通过一次采样连续M个值就能重构出u(t)的一个完整周期信号为：

上述所构建的函数A_i(k)相当于一个正弦波周期被细分为M等分，若以正弦信号的过零时刻为定时特征点，则在激光发射时刻t_start的采样序列数为0，在返回时刻t_stop对应的采样序列数为n_P，则通过插值处理可求出目标距离精测值为：

其中，0≤n_P＜M；Δn_P为不足一个等效采样间隔的部分，且0≤Δn_P＜1。

3.根据权利要求1所述远目标激光测距方法，其特征在于，所述步骤3的过程具体为：

设激光器发射的是一个半连续的高频正弦调制信号，发射周期为m_c，即在前m_c/2半个周期内发射高频正弦信号，后半个m_c/2周期内不发射信号，依次循环；

将该高频正弦调制信号作为主时钟，对前半个周期进行游标内插处理，这样游标总长度为m_c/2，两相邻刻度之间的间隔为1，将采样时钟作为游标时钟，采样周期设置为：

m_samp＝m_c+1

对回波信号进行采样，采样点序列号k₁＝0,1,2，...，m_c/2-1，经多次重复测量后取平均以恢复信号，再以第一次采样到信号的时刻点Q为定时特征点，设该点的采样点序列号为k₁＝m_Q，则由游标处理可求出粗测值为：

N_coar＝m_Q

上述发射激光返回到探测器的时刻由目标距离确定，发射周期m_c的大小由测程决定。

4.根据权利要求3所述远目标激光测距方法，其特征在于，所述方法还包括：采用二分法确定Q点，以减小发射周期m_c，具体过程为：

每次以发射半连续正弦波为起始时刻，第一次取游标刻度中间点为采样点，即采样间隔m_c+m_c/4，经多次重复测量后取平均以恢复信号；

若采集到信号，则第二次取游标刻度左半边的中间点为采样点，其采样间隔取m_c+m_c/4-m_c/8，否则取m_c+m_c/4+m_c/8，使游标区间减小一半；

重复此过程，直到游标区间为0，这样一次游标过程的采样点数为log₂(m_c/2)。