CN110726995B - 激光雷达高精度测距方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测距技术领域，具体涉及一种激光雷达高精度测距方法及系统，其中激光雷达高精度测距方法，包括：发射两束激光，一束为内光路光信号，另一束为外光路光信号；将内光路光信号和外光路光信号转换为电信号后获取长度为N的采样信号；判断采样信号是否为有效信号；以及根据有效信号计算距离，实现了提高距离测量的精确程度，并且简单易于实现，降低了产品的生产成本和制造难度，受信号质量的影响较小，精度较高；随着信噪比的提高，使得距离的测量结果更加精准；而且在信号失真的特殊情况下，也有很高的精度，所以从根本上降低了产品从硬件设计上和光学设计上的难度，降低了生产成本，大大提高了产品的竞争力和生存能力。
Description
技术领域
本发明属于测距技术领域，具体涉及一种激光雷达高精度测距方法及系统。
背景技术
激光测距是利用发射信号与接收到的目标反射信号空间传播时间确定目标距离。由仪器发射光脉冲，一部分直接进入接收光电器件，作为内光路信号，另一部分发射出去，经过目标体反射回来进入接收光电器件，作为外光路信号。激光测距通常有两种方法，一种叫脉冲测距，测量内光路信号同外光路信号相隔的时间t，可求出距离(c为光速)：
L＝ct/2；
测程为几公里、十几公里，甚至可达几十万公里，但是精度比较低，一般为米级或分米级。另一种是相位测距，利用周期为T的高频电振荡将测距仪的发射光源进行振幅调制，使光强随电振荡的频率周期性地明暗变化。调制光波在待测距离上往返传播，使同一瞬间的发射光与接收光产生相位差
据此间接计算出距离，(如图1所示)相当于用长度为λ/2的光波尺来测距：
其中，λ为激光波长，f为激光频率；
为相位差，n为正弦周期的个数；相位式激光测距装置成本低廉、组成简易、精度大、测距范围大，基本能满足大部分需求。
但仪器在实际测量中还受到多方面的影响：第一个是由于电路噪声和设计的不合理会对脉冲信号带来干扰，造成了信号不可避免的带着噪声(如图2所示)，影响最后的测量精度；第二个是光学系统，光学系统的设计对仪器信号的接收有很大的影响，而光学系统的设计和生产周期都比较长，提高难度比较高，不利于扩大生产；最后一个是反射体反射能力的限制和外界因素干扰，反射体反射能力不同和干扰会造成各种形状的外光路信号(如图3所示)，影响最后的测量精度，做普通测量没有太大问题，但是应用到高精度的测量环境中却略显不足。
因为上述缺点直接导致了激光信号的上升沿和下降沿并不是严格对称的。在这里我们用到了一个工具自协方差。自协方差函数是描述随机信号X(t)在任意两个不同时刻t1，t2，的取值之间的二阶混合中心矩，用来描述X(t)在两个时刻取值的起伏变化(相对与均值)的相关程度，也称为中心化的自相关函数。简单来说就是两次观察之间的相似度对它们之间的时间差的函数，找出重复模式(如被噪声掩盖的周期信号)，或识别隐含在信号谐波频率中消失的基频的数学工具。它常用于信号处理中，用来分析函数或一系列值，如时域信号。
自协方差在统计学中，特定时间序列或者连续信号X(t)的自协方差是信号(时间i)与其经过时间平移的信号(时间j)之间的协方差。假设序列的期望值为E[X(t)]＝μ(t)，那么自协方差为：
γ(i，j)＝E[(X(i)-μ(i))(X(j)-μ(j))]；
其中E是期望值运算符；X(i)是时间i时的信号；X(j)是时间j时的信号；μ(i)是X(t)在时间i的期望值；μ(j)是X(t)在时间j的期望值；如果X(t)是二阶平稳过程，那么有更加常见的定义：
γ(k)＝E[(X(i)-μ)(X(i-k)-μ)]；
其中，μ为μ(i)＝μ(j)；k是信号移动的量值，通常称为延时；如果用方差σ2进行归一化处理，那么自协方差就变成了自相关系数R(k)，即
因此，基于上述技术问题，需要设计一种新的激光雷达高精度测距方法及系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光雷达高精度测距方法及系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种激光雷达高精度测距方法，包括：
发射两束激光，一束为内光路光信号，另一束为外光路光信号；
将内光路光信号和外光路光信号转换为电信号后获取长度为N的采样信号；
判断采样信号是否为有效信号；以及
根据有效信号计算距离。
进一步，所述判断采样信号是否为有效信号的方法包括：
当采样信号仅有两个分离状态的类高斯信号时，该采样信号为有效信号；
当采样信号具有两个以上分离状态的类高斯信号，该采样信号为有效信号；
当采样信号仅有一个类高斯信号，该采样信号为无效信号；以及
当采样信号仅有一个驼峰信号，该采样信号为无效信号。
进一步，所述根据有效信号计算距离的方法包括：
固定有效信号中内光路信号位置。
进一步，所述根据有效信号计算距离的方法还包括：
对仅有两个分离状态的类高斯信号的有效信号进行自协方差运算，以获得长度为2*N-1的三个类高斯信号。
进一步，所述根据有效信号计算距离的方法还包括：
将具有两个以上分离状态的类高斯信号的有效信号剥离成若干个仅有两个分离状态的类高斯信号的有效信号后，分别进行自协方差运算，以获得若干个长度为2*N-1的三个类高斯信号。
进一步，所述根据有效信号计算距离的方法还包括：
根据高斯函数模型对长度为2*N-1的三个类高斯信号分别进行曲线拟合，即
所述高斯函数模型为：
其中，a、b、d为实数常数，且a＞0；e为自然常数。
进一步，所述根据有效信号计算距离的方法还包括：
根据曲线拟合后的三个类高斯信号的相位计算距离，即
其中，L为距离；λ为激光波长；f为激光频率；
为相位差；c为光速；t为测量内光路信号同外光路信号相隔的时间；n为正弦周期个数。
另一方面，本发明还提供一种激光雷达高精度测距系统，包括：
发射模块，发射两束激光，一束为内光路光信号，另一束为外光路光信号；
转换模块，将内光路光信号和外光路光信号转换为电信号后获取长度为N的采样信号；
判断模块，判断采样信号是否为有效信号；以及
计算模块，根据有效信号计算距离。
进一步，采用激光雷达高精度测距方法实现判断模块判断采样信号是否为有效信号。
本发明的有益效果是，本发明通过发射两束激光，一束为内光路光信号，另一束为外光路光信号；将内光路光信号和外光路光信号转换为电信号后获取长度为N的采样信号；判断采样信号是否为有效信号；以及根据有效信号计算距离，实现了提高距离测量的精确程度，并且简单易于实现，降低了产品的生产成本和制造难度，受信号质量的影响较小，精度较高；随着信噪比的提高，使得距离的测量结果更加精准；而且在信号失真的特殊情况下，也有很高的精度，所以从根本上降低了产品从硬件设计上和光学设计上的难度，可以用成本较低的硬件代替昂贵的硬件，降低了生产成本，大大提高了产品的竞争力，生存能力。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1是现有技术中距离测量的波形图；
图2是带有噪声干扰的信号的波形图；
图3是受干扰的外光路信号的波形图；
图4是本发明所涉及的激光雷达高精度测距方法的流程图；
图5是本发明所涉及的仅有两个分离状态的类高斯信号的波形图；
图6是本发明所涉及的具有两个以上分离状态的类高斯信号的波形图；
图7是本发明所涉及的仅有一个类高斯信号的波形图；
图8是本发明所涉及的仅有一个驼峰信号的波形图；
图9是本发明所涉及的长度为2*N-1的三个类高斯信号的波形图；
图10是本发明所涉及的曲线拟合后的波形图；
图11是本发明所涉及的激光雷达高精度测距系统的原理框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图4是本发明所涉及的激光雷达高精度测距方法的流程图。
如图4所示，本实施例1提供了一种激光雷达高精度测距方法，包括：发射两束激光，一束为内光路光信号，另一束为外光路光信号(即通过发射激光的仪器发出激光脉冲，分成两束，一束作为内光路光信号返回，另一束经过目标体反射回仪器作为外光路光信号)；将内光路光信号和外光路光信号转换为电信号后获取长度为N的采样信号(即内光路光信号和外光路光信号经过光电器件后形成电信号，再经过调理电路获取长度为N的采样信号)；判断采样信号是否为有效信号；以及根据有效信号计算距离，实现了提高距离测量的精确程度，并且简单易于实现，降低了产品的生产成本和制造难度，受信号质量的影响较小，精度较高；随着信噪比的提高，距离的测量结果更加精准；而且在信号失真的特殊情况下，也有很高的精度，所以从根本上降低了产品从硬件设计上和光学设计上的难度，可以用成本较低的硬件代替昂贵的硬件，降低了生产成本，大大提高了产品的竞争力和生存能力。
图5是本发明所涉及的仅有两个分离状态的类高斯信号的波形图；
图6是本发明所涉及的具有两个以上分离状态的类高斯信号的波形图；
图7是本发明所涉及的仅有一个类高斯信号的波形图；
图8是本发明所涉及的仅有一个驼峰信号的波形图。
在本实施例中，所述判断采样信号是否为有效信号的方法包括：采样信号的光路信号和内外光路信号随测量目标距离不同，具有以下几种情况：如图5所示，当采样信号仅有两个分离状态的类高斯信号时，该采样信号为内光路信号和外光路信号，则该采样信号视为有效信号；如图6所示，当采样信号具有两个以上分离状态的类高斯信号，该采样信号为内光路信号和多个目标体反射回来的外光路信号，则该采样信号视为有效信号；如图7所示，当采样信号仅有一个类高斯信号，该采样信号为内光路信号和外光路信号完全重叠，或其中一种光路信号太弱，则该采样信号视为无效信号；以及如图8所示，当采样信号仅有一个驼峰信号，该采样信号为内光路信号和外光路信号部分重叠解算精度低，则该采样信号视为无效信号。
在本实施例中，所述根据有效信号计算距离的方法包括：固定有效信号中内光路信号位置。
图9是本发明所涉及的长度为2*N-1的三个类高斯信号的波形图。
如图9所示，在本实施例中，所述根据有效信号计算距离的方法还包括：对仅有两个分离状态的类高斯信号的有效信号进行自协方差运算，以获得长度为2*N-1的三个类高斯信号；通过自协方差处理后，滤掉了一部分噪声，左右对称状况明显提高，通过提高信噪比，使得距离的测量结果更加精准。
在本实施例中，所述根据有效信号计算距离的方法还包括：将具有两个以上分离状态的类高斯信号的有效信号剥离成若干个仅有两个分离状态的类高斯信号的有效信号后，分别进行自协方差运算，以获得若干个长度为2*N-1的三个类高斯信号；通过自协方差处理后，滤掉了一部分噪声，左右对称状况明显提高，通过提高信噪比，使得距离的测量结果更加精准。
图10是本发明所涉及的曲线拟合后的波形图。
如图10所示，在本实施例中，所述根据有效信号计算距离的方法还包括：雷达发出的激光脉冲信号在数学上符合高斯分布，根据高斯函数模型对长度为2*N-1的三个类高斯信号分别进行曲线拟合，即
所述高斯函数模型为：
其中，a、b、d为实数常数，且a＞0；e为自然常数；x为变量；通过曲线拟合可以进一步的滤掉噪声，提高距离测量的精确度。
在本实施例中，所述根据有效信号计算距离的方法还包括：根据曲线拟合后的三个类高斯信号的相位计算距离(三个类高斯信号中第一个和第三个类高斯信号是关于中心对称的，所以仅需计算第一个类高斯信号的相位即Phase，根据三个类高斯信号的相位计算出最后距离)，即
其中，L为距离；λ为激光波长；f为激光频率；
为相位差；c为光速；t为测量内光路信号同外光路信号相隔的时间；n为正弦周期个数。
实施例2
图11是本发明所涉及的激光雷达高精度测距系统的原理框图。
如图11所示，在实施例1的基础上，本实施例2还提供一种激光雷达高精度测距系统，包括：发射模块，发射两束激光，一束为内光路光信号，另一束为外光路光信号；转换模块，将内光路光信号和外光路光信号转换为电信号后获取长度为N的采样信号；判断模块，判断采样信号是否为有效信号；以及计算模块，根据有效信号计算距离。
采用如实施例1所述的激光雷达高精度测距方法实现判断模块判断采样信号是否为有效信号，具体判断过程见实施例1论述，此处不再赘述。
综上所述，本发明通过发射两束激光，一束为内光路光信号，另一束为外光路光信号；将内光路光信号和外光路光信号转换为电信号后获取长度为N的采样信号；判断采样信号是否为有效信号；以及根据有效信号计算距离，实现了提高距离测量的精确程度，并且简单易于实现，降低了产品的生产成本和制造难度，受信号质量的影响较小，精度较高；随着信噪比的提高，距离的测量结果更加精准，而且在信号失真的特殊情况下，也有很高的精度，所以从根本上降低了产品从硬件设计上和光学设计上的难度，可以用成本较低的硬件代替昂贵的硬件，降低了生产成本，大大提高了产品的竞争力和生存能力。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法，也可以通过其它的方式实现。附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (1)
1.一种激光雷达高精度测距方法，其特征在于，包括：
发射两束激光，一束为内光路光信号，另一束为外光路光信号；
将内光路光信号和外光路光信号转换为电信号后获取长度为N的采样信号；
判断采样信号是否为有效信号；以及
根据有效信号计算距离；
所述判断采样信号是否为有效信号的方法包括：
当采样信号仅有两个分离状态的类高斯信号时，该采样信号为有效信号；
当采样信号具有两个以上分离状态的类高斯信号，该采样信号为有效信号；
当采样信号仅有一个类高斯信号，该采样信号为无效信号；以及
当采样信号仅有一个驼峰信号，该采样信号为无效信号；
所述根据有效信号计算距离的方法包括：固定有效信号中内光路信号位置；
所述根据有效信号计算距离的方法还包括：
对仅有两个分离状态的类高斯信号的有效信号进行自协方差运算，以获得长度为2*N-1的三个类高斯信号；
所述根据有效信号计算距离的方法还包括：
将具有两个以上分离状态的类高斯信号的有效信号剥离成若干个仅有两个分离状态的类高斯信号的有效信号后，分别进行自协方差运算，以获得若干个长度为2*N-1的三个类高斯信号;
所述根据有效信号计算距离的方法还包括：
根据高斯函数模型对长度为2*N-1的三个类高斯信号分别进行曲线拟合，即
所述高斯函数模型为： ；
其中，a、b、d为实数常数，且a>0；e为自然常数；
所述根据有效信号计算距离的方法还包括：
根据曲线拟合后的三个类高斯信号的相位计算距离，即
；
其中，L为距离；λ为激光波长；f为激光频率；Δφ为相位差；c为光速；t为测量内光路信号同外光路信号相隔的时间；n为正弦周期个数。
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