CN110927735A - 基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法 - Google Patents

基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110927735A
CN110927735A CN201911149992.3A CN201911149992A CN110927735A CN 110927735 A CN110927735 A CN 110927735A CN 201911149992 A CN201911149992 A CN 201911149992A CN 110927735 A CN110927735 A CN 110927735A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser emission
emission pulse
echo
channel
backscatter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911149992.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110927735B (zh
Inventor
宋沙磊
王滨辉
龚威
曹雄
陈振威
何东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Precision Measurement Science and Technology Innovation of CAS
Original Assignee
Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS filed Critical Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority to CN201911149992.3A priority Critical patent/CN110927735B/zh
Publication of CN110927735A publication Critical patent/CN110927735A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110927735B publication Critical patent/CN110927735B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法，建立激光发射脉冲的拟合模型和第j个通道的后向散射回波的拟合模型，对模型参数进行初始化；将模型参数输入到激光发射脉冲的拟合模型和第j个通道的后向散射回波的拟合模型，基于非线性最小二乘曲线拟合的列文伯格‑马夸尔特算法获得模型参数的最优解；计算获得第i个目标与测距零点之间的相对距离；计算获得标定常数；根据标定常数获得第i个目标的高精度距离信息。本方法采用建立多通道波形拟合模型，与单波长波形拟合模型相比，模型初始化参考信息更多，初始化结果更接近真实值，有利于获取更精确的测距信息。

Description

基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法
技术领域
本发明涉及测绘遥感技术领域，更具体涉及基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法，适用于获取高测距精度的密集点云。
背景技术
多通道全波形激光雷达数据是指采用超连续谱激光器作为光源或者以多个激光器合束作为光源，对各个通道的发射脉冲和目标回波进行同步全波形记录，所获得的多通道全波形数据，包含激光路径下多个目标与激光脉冲相互作用的综合信息。由于多个通道的波形数据是激光脉冲与发射路径内的所有目标综合反映的结果，各个通道的波形数据则需要通过波形拟合进而提取出各通道一致的高精度的距离信息。现有波形测距方法只面向单个通道的波形数据，测距精度易受单个通道数据的信噪比影响。基于多通道全波形激光雷达的探测原理，各个通道的目标具有相同的位置分布，相同的目标因在各个通道的反射率不同而在对应位置表现出不同的信噪比，于是可通过加权的方式综合各个通道的信号，提高信噪比，获取比单波长全波形激光雷达更高的测距精度，在距离探测中具有重要的意义。但目前本领域尚未有相关技术方案出现，如何根据多通道回波数据得到一致的精确的测距结果，是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的针对现有技术存在的上述问题，提供了基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法，对多通道全波形激光雷达探测获取的多通道回波数据进行处理，生成高测距精度的密集点云数据。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法，包括以下步骤：
步骤1、建立激光发射脉冲的拟合模型ft(x)和第j个通道的后向散射回波的拟合模型
Figure BDA0002283271530000011
具体为：
当多通道全波形激光雷达发射的激光发射脉冲采集下来的强度值满足高斯函数时，
激光发射脉冲的拟合模型ft(x)为：
Figure BDA0002283271530000021
第j个通道的后向散射回波的拟合模型
Figure BDA0002283271530000022
为：
Figure BDA0002283271530000023
其中，x为采样时间；
Figure BDA0002283271530000024
和
Figure BDA0002283271530000025
分别为第j个通道中激光发射脉冲的振幅和第j个通道对应的第i个目标对应的后向散射回波分量的振幅；ct和ci分别为各个通道的激光发射脉冲的中心位置的时间和第i个目标对应的后向散射回波分量的中心位置的时间；
Figure BDA0002283271530000026
和
Figure BDA0002283271530000027
分别为第j个通道中激光发射脉冲的半高宽对应的时间和第j个通道对应的第i个目标对应的后向散射回波分量的半高宽对应的时间；
Figure BDA0002283271530000028
为第j个通道对应的噪声分量；K为激光路径下的目标总数；
当激光发射脉冲采集下来的强度值不满足高斯函数且带有拖尾时，
激光发射脉冲的拟合模型ft(x)为：
Figure BDA0002283271530000029
式中：
Figure BDA00022832715300000210
为第j个通道的激光发射脉冲的振幅；st为第一峰值时间参数,μt为第一时间影响参数；
Figure BDA00022832715300000211
为第一半高宽时间参数；
第j个通道的后向散射回波的拟合模型
Figure BDA00022832715300000212
为：
Figure BDA00022832715300000213
式中：
Figure BDA00022832715300000214
为第j个通道的第i个目标对应的后向散射回波分量的振幅；si为第二峰值时间参数，μi为第二时间影响参数；
Figure BDA00022832715300000215
为第二半高宽时间参数；
Figure BDA00022832715300000216
为第j个通道对应的噪声分量；
步骤2、对模型参数进行初始化，模型参数包括
Figure BDA0002283271530000031
ct、
Figure BDA0002283271530000032
Figure BDA0002283271530000033
ci、
Figure BDA0002283271530000034
st、μt、
Figure BDA0002283271530000035
si、μi、
Figure BDA0002283271530000036
步骤3、将模型参数输入到激光发射脉冲的拟合模型ft(x)和第j个通道的后向散射回波的拟合模型
Figure BDA0002283271530000037
基于非线性最小二乘曲线拟合的列文伯格-马夸尔特算法获得ct、st、μt、ci、si、μi的最优解；
步骤4、基于ct、st、μt、ci、si、μi的最优解，计算激光发射脉冲峰值位置的精确时间xpeak,t和后向散射回波分量的峰值位置的精确时间xpeak,i，从而获得第i个目标与测距零点之间的相对距离；
步骤5、利用标准白板作为参考目标，同时采用全站仪对参考目标进行测距获得标准白板与多通道全波形激光雷达之间的基准相对距离，利用步骤1-步骤4对该参考目标进行测距获得标准白板与测距零点之间的相对距离，将基准相对距离与上述步骤1-步骤4获得的标准白板与测距零点之间的相对距离相减，获得标定常数offset；
步骤6、利用步骤1-步骤4获得的第i个目标与测距零点之间的相对距离与标定常数offset相加，获得精确第i个目标的高精度距离信息。
如上所述的步骤2包括以下步骤：
步骤2.1、对各个通道采集的后向散射回波进行噪声评估，采集第j个通道的后向散射回波到达之前的信号作为背景噪声信号，求取背景噪声信号的均值，记为
Figure BDA0002283271530000038
求取背景噪声信号的标准差，记为
Figure BDA0002283271530000039
背景噪声的均值
Figure BDA00022832715300000310
作为第j个通道的噪声分量
Figure BDA00022832715300000311
的初始值；
采用低通滤波器处理各个通道采集的激光发射脉冲和后向散射回波；
步骤2.2、对经过步骤2.1的低通滤波器处理过的所有通道的激光发射脉冲的强度值进行加权累加，对经过步骤2.1的低通滤波器处理过的所有通道的后向散射回波的强度值进行加权累加，第j个通道的激光发射脉冲和后向散射回波的强度值的权重系数均为
Figure BDA00022832715300000312
搜索加权累加的激光发射脉冲的强度最大值，将加权累加的激光发射脉冲的强度最大值对应的时间xmax,t作为ct初始值，μt初始化为0，st初始化为xmax,t-1，
计算加权累加的激光发射脉冲的二阶导数，激光发射脉冲的二阶导数的零交叉点是激光发射脉冲的拐点，将激光发射脉冲的强度最大值的左右两侧的拐点的间距Δxinflection,t作为
Figure BDA0002283271530000041
的初始值，同时根据
Figure BDA0002283271530000042
反演获取
Figure BDA0002283271530000043
的初始值，在第j个通道的经过低通滤波器之后的激光发射脉冲的强度最大值作为
Figure BDA0002283271530000044
的初始值，
计算加权累加的后向散射回波的一阶导数，后向散射回波的一阶导数的零交叉点是后向散射回波的极大值点xmax,i，后向散射回波的极大值点xmax,i为ci的初始值，μi初始化为0，si初始化为xmax,i-1，计算加权累加的后向散射回波的二阶导数，后向散射回波的二阶导数零交叉点是后向散射回波的拐点，后向散射回波的极大值点xmax,i的左右两侧的拐点的间距Δxinflection,i作为
Figure BDA0002283271530000045
的初始值；根据
Figure BDA0002283271530000046
反演获取
Figure BDA0002283271530000047
的初始值，在第j个通道的经过低通滤波器之后的后向散射回波中搜索上述加权累加后的后向散射回波的极大值点对应的强度值作为
Figure BDA0002283271530000048
的初始值。
如上所述的步骤3包括以下步骤：
若激光发射脉冲符合高斯函数，则将
Figure BDA0002283271530000049
ct、
Figure BDA00022832715300000410
ci、
Figure BDA00022832715300000411
的初始值输入到激光发射脉冲符合高斯函数条件下的激光发射脉冲的拟合模型和后向散射回波的拟合模型中，采用基于非线性最小二乘曲线拟合的列文伯格-马夸尔特算法获得
Figure BDA00022832715300000412
ct、
Figure BDA00022832715300000413
ci、
Figure BDA00022832715300000414
的最优解；
若激光发射脉冲不符合高斯函数且有拖尾时，则将
Figure BDA00022832715300000415
st、μt、
Figure BDA00022832715300000416
Figure BDA00022832715300000417
si、μi、
Figure BDA00022832715300000418
的初始值输入到激光发射脉冲不符合高斯函数且有拖尾的条件下的激光发射脉冲的拟合模型和后向散射回波的拟合模型中，采用基于非线性最小二乘曲线拟合的列文伯格-马夸尔特算法获得
Figure BDA0002283271530000051
st、μt、
Figure BDA0002283271530000052
si、μi、
Figure BDA0002283271530000053
的最优解。
如上所述的步骤3中，当
Figure BDA0002283271530000054
小于
Figure BDA0002283271530000055
时，剔除该后向散射回波分量。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1.本方法采用建立多通道波形拟合模型，与单波长波形拟合模型相比，模型初始化参考信息更多，初始化结果更接近真实值，有利于获取更精确的测距信息。
2.本方法对各通道的测距结果进行内部自相关校正，符合多通道全波形激光雷达测距原理，使得多个通道的光谱信息对应的测量点具有空间位置一致性。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法，包括以下步骤
步骤1、针对多通道全波形激光雷达记录的发射脉冲波形特征，选择波形拟合核函数，构建对应的多通道波形拟合模型，具体过程包括如下步骤：
步骤1.1、建立波形拟合核函数
多通道全波形激光雷达对激光发射脉冲和后向散射回波均以高采样率采集存储下来，对激光发射脉冲和后向散射回波的强度进行数字量化，并记录下激光发射脉冲和后向散射回波的强度值。后向散射回波的波形是激光发射脉冲所照射的激光路径中所有目标对激光发射脉冲接触、相互作用并后向散射后的能量以及同系统噪声的叠加效果。于是，后向散射回波可看做是若干个形状类似的后向散射回波分量叠加，后向散射回波的强度函数f(x)表示：
Figure BDA0002283271530000056
式中：x为采样时间；f(x)为后向散射回波的强度函数；fi(x)为波形拟合核函数，即为第i个目标对应的后向散射回波分量；K表示激光路径下包含K个目标，noise为噪声分量。
通过公式(1)可知拟合后向散射回波需要先确定各个目标对应的反向散射回波分量，即确定核函数fi(x)的表达形式。由于后向散射回波分量是激光发射脉冲与目标表面相互作用的结果，后向散射回波分量的表达形式可由激光发射脉冲的形状进行预判。
当激光发射脉冲采集下来的强度值满足高斯函数时，第i个目标对应的波形拟合核函数fi(x)可表达为：
Figure BDA0002283271530000061
式中：x为采样时间；ai为第i个目标对应的后向散射回波分量的振幅；ci为第i个目标对应的后向散射回波分量的中心位置的时间；Fi为第i个目标对应的后向散射回波分量的半高宽对应的时间。
当激光发射脉冲采集下来的强度值不符合高斯函数且带有拖尾时，可使用对数正态分布函数进行拟合，则第i个目标对应的波形拟合核函数fi(x)可表达为：
Figure BDA0002283271530000062
式中：x为采样时间；ai为第i个目标对应的后向散射回波分量的振幅；si和μi共同决定了第i个目标对应的后向散射回波分量的峰值位置对应的时间，第i个目标对应的后向散射回波分量的峰值位置对应的时间为si+exp(μi)；σi和μi共同决定了第i个目标对应的后向散射回波分量的半高宽对应的时间，第i个目标对应的后向散射回波分量的半高宽对应的时间为
Figure BDA0002283271530000063
步骤1.2、构建多通道波形拟合模型
基于各个通道之间的相关性，在步骤1.1建立的波形拟合核函数的基础上，构建多通道波形拟合模型，提高后向散射回波分量的提取精度，从而获取高精度距离信息。
由于目标的空间位置分布在各通道具有一致性，所以与后向散射回波分量的峰值位置相关的参数ci、si与μi不受通道影响，振幅、宽度和噪声分量在各通道的表现不一样，于是相应的参数ai、Fi、σi与noise发生变化。
当激光发射脉冲采集下来的强度值满足高斯函数时，激光发射脉冲的拟合模型ft(x)可表达为：
Figure BDA0002283271530000071
第j个通道的后向散射回波的拟合模型
Figure BDA0002283271530000072
可表达为：
Figure BDA0002283271530000073
式(4)-(5)中：x为采样时间；
Figure BDA0002283271530000074
和
Figure BDA0002283271530000075
分别为第j个通道中激光发射脉冲的振幅和第j个通道对应的第i个目标对应的后向散射回波分量的振幅；ct和ci分别为各个通道的激光发射脉冲的中心位置的时间和第i个目标对应的后向散射回波分量的中心位置的时间；
Figure BDA0002283271530000076
和
Figure BDA0002283271530000077
分别为第j个通道中激光发射脉冲的半高宽对应的时间和第j个通道对应的第i个目标对应的后向散射回波分量的半高宽对应的时间；
Figure BDA0002283271530000078
为第j个通道对应的噪声分量，K为激光路径下的目标总数。
当激光发射脉冲采集下来的强度值不满足高斯函数且带有拖尾时：
激光发射脉冲的拟合模型ft(x)可表达为：
Figure BDA0002283271530000079
式中：x为采样时间；
Figure BDA00022832715300000710
为第j个通道的激光发射脉冲的振幅；st为第一峰值时间参数,μt为第一时间影响参数，st和μt共同决定了第j个通道的激光发射脉冲的峰值位置对应的时间，即第j个通道的激光发射脉冲的峰值位置对应的时间为st+exp(μt)；
Figure BDA00022832715300000711
为第一半高宽时间参数，
Figure BDA00022832715300000712
和μt共同决定了第j个通道的激光发射脉冲的半高宽的半高宽对应的时间，第j个通道的激光发射脉冲的半高宽的半高宽对应的时间为
Figure BDA0002283271530000081
Figure BDA0002283271530000082
为第j个通道对应的噪声分量。
第j个通道的后向散射回波的拟合模型
Figure BDA0002283271530000083
可表达为：
Figure BDA0002283271530000084
式中：x为采样时间；
Figure BDA0002283271530000085
为第j个通道的第i个目标对应的后向散射回波分量的振幅；si为第二峰值时间参数，μi为第二时间影响参数，si和μi共同决定了各个通道的第i个目标对应的后向散射回波分量的峰值位置对应的时间，即si+exp(μi)；
Figure BDA0002283271530000086
为第二半高宽时间参数，
Figure BDA0002283271530000087
和μi共同决定了第j个通道的第i个目标对应的后向散射回波分量的半高宽的半高宽对应的时间，即第j个通道的第i个目标对应的后向散射回波分量的半高宽的半高宽对应的时间为
Figure BDA0002283271530000088
Figure BDA0002283271530000089
为第j个通道对应的噪声分量。
步骤2、基于步骤1构建的多通道波形拟合模型，加权初始化各个通道的激光发射脉冲和后向散射回波分量，包括初始化多通道波形拟合模型(公式(4)-(7))中的参数，例如激光发射脉冲的参数
Figure BDA00022832715300000810
ct、st、μt、
Figure BDA00022832715300000811
以及后向散射回波分量的参数
Figure BDA00022832715300000812
ci、si、μi、
Figure BDA00022832715300000813
具体过程包括如下步骤：
步骤2.1、对各个通道采集的后向散射回波进行噪声评估，采集第j个通道的后向散射回波到达之前的信号作为背景噪声信号，求取背景噪声信号的均值，记为求取背景噪声信号的标准差，记为
Figure BDA00022832715300000815
背景噪声的均值
Figure BDA00022832715300000816
作为第j个通道的噪声分量
Figure BDA00022832715300000817
的初始值。
采用低通滤波器处理各个通道采集的激光发射脉冲和后向散射回波，以减少背景噪声的影响；
步骤2.2、对经过步骤2.1的低通滤波器处理过的所有通道的激光发射脉冲的强度值进行加权累加，对经过步骤2.1的低通滤波器处理过的所有通道的后向散射回波的强度值进行加权累加，第j个通道的激光发射脉冲和后向散射回波的强度值的权重系数均为
Figure BDA0002283271530000091
搜索加权累加的激光发射脉冲的强度最大值，将加权累加的激光发射脉冲的强度最大值对应的时间(xmax,t)作为ct初始值，μt初始化为0，st初始化为(xmax,t-1)。计算加权累加的激光发射脉冲的二阶导数，激光发射脉冲的二阶导数的零交叉点是激光发射脉冲的拐点，将激光发射脉冲的强度最大值的左右两侧的拐点的间距(Δxinflection,t)作为
Figure BDA0002283271530000092
的初始值，同时根据
Figure BDA0002283271530000093
反演获取
Figure BDA0002283271530000094
的初始值。在第j个通道的经过低通滤波器之后的激光发射脉冲的强度最大值作为
Figure BDA0002283271530000095
的初始值。
计算加权累加的后向散射回波的一阶导数，后向散射回波的一阶导数的零交叉点是后向散射回波的极大值点(xmax,i)，后向散射回波的极大值点(xmax,i)为ci的初始值，μi初始化为0，si初始化为(xmax,i-1)。计算加权累加的后向散射回波的二阶导数，后向散射回波的二阶导数零交叉点是后向散射回波的拐点，后向散射回波的极大值点(xmax,i)的左右两侧的拐点的间距(Δxinflection,i)作为
Figure BDA0002283271530000096
的初始值；同时根据
Figure BDA0002283271530000097
反演获取
Figure BDA0002283271530000098
的初始值。在第j个通道的经过低通滤波器之后后向散射回波中搜索上述加权累加后的后向散射回波的极大值点对应的强度值作为
Figure BDA0002283271530000099
的初始值；
步骤3、若激光发射脉冲符合高斯函数，则将
Figure BDA00022832715300000910
ct、
Figure BDA00022832715300000911
ci、
Figure BDA00022832715300000912
的初始值输入到激光发射脉冲符合高斯函数条件下的激光发射脉冲的拟合模型和后向散射回波的拟合模型中，采用基于非线性最小二乘曲线拟合的列文伯格-马夸尔特算法获得
Figure BDA00022832715300000913
ct、
Figure BDA00022832715300000914
ci、
Figure BDA00022832715300000915
的最优解；
若激光发射脉冲不符合高斯函数且有拖尾时，则将
Figure BDA0002283271530000101
st、μt、
Figure BDA0002283271530000102
Figure BDA0002283271530000103
si、μi、
Figure BDA0002283271530000104
的初始值输入到激光发射脉冲不符合高斯函数且有拖尾的条件下的激光发射脉冲的拟合模型和后向散射回波的拟合模型中，采用基于非线性最小二乘曲线拟合的列文伯格-马夸尔特算法获得
Figure BDA0002283271530000105
st、μt、
Figure BDA0002283271530000106
si、μi、
Figure BDA0002283271530000107
的最优解。在上述参数优化的过程中，当
Figure BDA0002283271530000108
小于
Figure BDA0002283271530000109
时，则认为对应的后向散射回波分量不与真实目标对应，剔除该后向散射回波分量，只保留
Figure BDA00022832715300001010
大于
Figure BDA00022832715300001011
的后向散射回波分量。
本步骤的基于非线性最小二乘曲线拟合的列文伯格-马夸尔特算法容易陷入局部最优，于是步骤2的初始化十分重要且必要，参数初始值越接近真值，最后的拟合结果越可靠。
步骤4、基于ct、st、μt、ci、si、μi的最优解，可计算激光发射脉冲和后向散射回波分量的峰值位置的精确值。
当激光发射脉冲采集下来的强度值满足高斯函数时，激光发射脉冲峰值位置的精确时间xpeak,t为：
xpeak,t＝ct (8)
后向散射回波分量的峰值位置的精确时间xpeak,i为：
xpeak,i＝ci (9)
当激光发射脉冲采集下来的强度值不满足高斯函数且有拖尾时，激光发射脉冲峰值位置的精确时间xpeak,t为：
xpeak,t＝st+exp(μt) (10)
后向散射回波分量的峰值位置的精确时间xpeak,i为：
xpeak,i＝si+exp(μi) (11)
将激光发射脉冲峰值位置作为测距零点，后向散射回波分量的峰值位置与测距零点的相对距离作为多目标距离信息，于是，第i个目标与测距零点之间的相对距离为：
relative_distancei＝(xpeak,i-xpeak,t)*c/2 (12)
式中，relative_distancei为第i个目标的与测距零点之间的相对距离；xpeak,t为激光发射脉冲峰值位置的精确时间；xpeak,i为与第i个目标对应的后向散射回波分量的峰值位置的精确时间；c为光速。
步骤5、利用标准白板作为参考目标，采用全站仪对该参考目标进行测距，获得参考目标与多通道全波形激光雷达之间的基准相对距离，以基准相对距离作为该参考目标的真实距离distance0。同时，利用步骤1-步骤4的方法对该参考目标进行测距，获得该参考目标与测距零点之间的相对距离relative_distance0。于是，多目标距离信息的标定常数offset可计算为(distance0-relative_distance0)。
步骤6、利用步骤1-步骤4获得的第i个目标与测距零点之间的相对距离与标定常数offset相加。得到各个目标的高精度距离信息distancei：
distancei＝relative_distancei+offset (13)
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立激光发射脉冲的拟合模型ft(x)和第j个通道的后向散射回波的拟合模型
Figure FDA00022832715200000112
具体为：
当多通道全波形激光雷达发射的激光发射脉冲采集下来的强度值满足高斯函数时，
激光发射脉冲的拟合模型ft(x)为：
Figure FDA0002283271520000011
第j个通道的后向散射回波的拟合模型
Figure FDA0002283271520000012
为：
Figure FDA0002283271520000013
其中，x为采样时间；
Figure FDA0002283271520000014
和
Figure FDA0002283271520000015
分别为第j个通道中激光发射脉冲的振幅和第j个通道对应的第i个目标对应的后向散射回波分量的振幅；ct和ci分别为各个通道的激光发射脉冲的中心位置的时间和第i个目标对应的后向散射回波分量的中心位置的时间；
Figure FDA0002283271520000016
和
Figure FDA0002283271520000017
分别为第j个通道中激光发射脉冲的半高宽对应的时间和第j个通道对应的第i个目标对应的后向散射回波分量的半高宽对应的时间；
Figure FDA0002283271520000018
为第j个通道对应的噪声分量；K为激光路径下的目标总数；
当激光发射脉冲采集下来的强度值不满足高斯函数且带有拖尾时，
激光发射脉冲的拟合模型ft(x)为：
Figure FDA0002283271520000019
式中：
Figure FDA00022832715200000110
为第j个通道的激光发射脉冲的振幅；st为第一峰值时间参数,μt为第一时间影响参数；
Figure FDA00022832715200000111
为第一半高宽时间参数；
第j个通道的后向散射回波的拟合模型
Figure FDA0002283271520000021
为：
Figure FDA0002283271520000022
式中：
Figure FDA0002283271520000023
为第j个通道的第i个目标对应的后向散射回波分量的振幅；si为第二峰值时间参数，μi为第二时间影响参数；
Figure FDA0002283271520000024
为第二半高宽时间参数；
Figure FDA0002283271520000025
为第j个通道对应的噪声分量；
步骤2、对模型参数进行初始化，模型参数包括
Figure FDA0002283271520000026
ct、
Figure FDA0002283271520000027
Figure FDA0002283271520000028
ci、
Figure FDA0002283271520000029
st、μt、
Figure FDA00022832715200000210
si、μi、
Figure FDA00022832715200000211
步骤3、将模型参数输入到激光发射脉冲的拟合模型ft(x)和第j个通道的后向散射回波的拟合模型
Figure FDA00022832715200000212
基于非线性最小二乘曲线拟合的列文伯格-马夸尔特算法获得ct、st、μt、ci、si、μi的最优解；
步骤4、基于ct、st、μt、ci、si、μi的最优解，计算激光发射脉冲峰值位置的精确时间xpeak,t和后向散射回波分量的峰值位置的精确时间xpeak,i，从而获得第i个目标与测距零点之间的相对距离；
步骤5、利用标准白板作为参考目标，同时采用全站仪对参考目标进行测距获得标准白板与多通道全波形激光雷达之间的基准相对距离，利用步骤1-步骤4对该参考目标进行测距获得标准白板与测距零点之间的相对距离，将基准相对距离与上述步骤1-步骤4获得的标准白板与测距零点之间的相对距离相减，获得标定常数offset；
步骤6、利用步骤1-步骤4获得的第i个目标与测距零点之间的相对距离与标定常数offset相加，获得精确第i个目标的高精度距离信息。
2.根据权利要求1所述的基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法，其特征在于，所述的步骤2包括以下步骤：
步骤2.1、对各个通道采集的后向散射回波进行噪声评估，采集第j个通道的后向散射回波到达之前的信号作为背景噪声信号，求取背景噪声信号的均值，记为
Figure FDA00022832715200000213
求取背景噪声信号的标准差，记为
Figure FDA00022832715200000214
背景噪声的均值
Figure FDA0002283271520000031
作为第j个通道的噪声分量
Figure FDA0002283271520000032
的初始值；
采用低通滤波器处理各个通道采集的激光发射脉冲和后向散射回波；
步骤2.2、对经过步骤2.1的低通滤波器处理过的所有通道的激光发射脉冲的强度值进行加权累加，对经过步骤2.1的低通滤波器处理过的所有通道的后向散射回波的强度值进行加权累加，第j个通道的激光发射脉冲和后向散射回波的强度值的权重系数均为
Figure FDA0002283271520000033
搜索加权累加的激光发射脉冲的强度最大值，将加权累加的激光发射脉冲的强度最大值对应的时间xmax,t作为ct初始值，μt初始化为0，st初始化为xmax,t-1，
计算加权累加的激光发射脉冲的二阶导数，激光发射脉冲的二阶导数的零交叉点是激光发射脉冲的拐点，将激光发射脉冲的强度最大值的左右两侧的拐点的间距Δxinflection,t作为
Figure FDA0002283271520000034
的初始值，同时根据
Figure FDA0002283271520000035
反演获取
Figure FDA0002283271520000036
的初始值，在第j个通道的经过低通滤波器之后的激光发射脉冲的强度最大值作为
Figure FDA0002283271520000037
的初始值，
计算加权累加的后向散射回波的一阶导数，后向散射回波的一阶导数的零交叉点是后向散射回波的极大值点xmax,i，后向散射回波的极大值点xmax,i为ci的初始值，μi初始化为0，si初始化为xmax,i-1，计算加权累加的后向散射回波的二阶导数，后向散射回波的二阶导数零交叉点是后向散射回波的拐点，后向散射回波的极大值点xmax,i的左右两侧的拐点的间距Δxinflection,i作为
Figure FDA0002283271520000038
的初始值；根据
Figure FDA0002283271520000039
反演获取
Figure FDA00022832715200000310
的初始值，在第j个通道的经过低通滤波器之后的后向散射回波中搜索上述加权累加后的后向散射回波的极大值点对应的强度值作为
Figure FDA00022832715200000311
的初始值。
3.根据权利要求2所述的基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法，其特征在于，所述的步骤3包括以下步骤：
若激光发射脉冲符合高斯函数，则将
Figure FDA00022832715200000312
ct、
Figure FDA00022832715200000313
ci、
Figure FDA0002283271520000041
的初始值输入到激光发射脉冲符合高斯函数条件下的激光发射脉冲的拟合模型和后向散射回波的拟合模型中，采用基于非线性最小二乘曲线拟合的列文伯格-马夸尔特算法获得
Figure FDA0002283271520000042
ct、
Figure FDA0002283271520000043
ci、
Figure FDA0002283271520000044
的最优解；
若激光发射脉冲不符合高斯函数且有拖尾时，则将
Figure FDA0002283271520000045
st、μt、
Figure FDA0002283271520000046
Figure FDA0002283271520000047
si、μi、
Figure FDA0002283271520000048
的初始值输入到激光发射脉冲不符合高斯函数且有拖尾的条件下的激光发射脉冲的拟合模型和后向散射回波的拟合模型中，采用基于非线性最小二乘曲线拟合的列文伯格-马夸尔特算法获得
Figure FDA0002283271520000049
st、μt、
Figure FDA00022832715200000410
si、μi、
Figure FDA00022832715200000411
的最优解。
4.根据权利要求3所述的基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法，其特征在于，所述的步骤3中，当
Figure FDA00022832715200000412
小于
Figure FDA00022832715200000413
时，剔除该后向散射回波分量。
CN201911149992.3A 2019-11-21 2019-11-21 基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法 Active CN110927735B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911149992.3A CN110927735B (zh) 2019-11-21 2019-11-21 基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911149992.3A CN110927735B (zh) 2019-11-21 2019-11-21 基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110927735A true CN110927735A (zh) 2020-03-27
CN110927735B CN110927735B (zh) 2021-07-20

Family

ID=69850622

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911149992.3A Active CN110927735B (zh) 2019-11-21 2019-11-21 基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110927735B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112698310A (zh) * 2021-01-22 2021-04-23 中汽创智科技有限公司 一种用于车载毫米波雷达的多发射通道校准方法和系统
CN113359145A (zh) * 2021-06-03 2021-09-07 郑州航空工业管理学院 脉冲激光测距中的目标精确定位方法及其应用
CN114707595A (zh) * 2022-03-29 2022-07-05 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 基于Spark的高光谱激光雷达多通道加权系统及方法
CN117031442A (zh) * 2023-10-08 2023-11-10 中国地质大学（武汉） 融合多通道波形数据的激光雷达水域地形测量方法及装置
CN117031435A (zh) * 2023-07-31 2023-11-10 中国人民解放军国防科技大学 确定高光谱激光雷达多通道回波波形类型的方法及系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1326092B1 (de) * 2002-01-08 2006-03-15 Zeiss Optronik GmbH Mehrkanalempfängersystem für winkelaufgelöste Laserentfernungsmessung
US20060197936A1 (en) * 2005-03-01 2006-09-07 Liebman Lionel D Single detector receiver for multi-beam LADAR systems
CN102439393A (zh) * 2009-05-15 2012-05-02 密歇根宇航公司 范围成像激光雷达
CN103630897A (zh) * 2012-08-28 2014-03-12 中国科学院电子学研究所 一种多通道合成孔径雷达成像的方法
CN106154247A (zh) * 2016-06-24 2016-11-23 南京林业大学 一种多尺度全波形激光雷达数据最优化分解方法
CN106599808A (zh) * 2016-12-01 2017-04-26 中国科学院光电研究院 一种基于全波形激光雷达数据的隐蔽目标提取方法
CN108732553A (zh) * 2018-06-01 2018-11-02 北京航空航天大学 一种激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1326092B1 (de) * 2002-01-08 2006-03-15 Zeiss Optronik GmbH Mehrkanalempfängersystem für winkelaufgelöste Laserentfernungsmessung
US20060197936A1 (en) * 2005-03-01 2006-09-07 Liebman Lionel D Single detector receiver for multi-beam LADAR systems
CN102439393A (zh) * 2009-05-15 2012-05-02 密歇根宇航公司 范围成像激光雷达
CN103630897A (zh) * 2012-08-28 2014-03-12 中国科学院电子学研究所 一种多通道合成孔径雷达成像的方法
CN106154247A (zh) * 2016-06-24 2016-11-23 南京林业大学 一种多尺度全波形激光雷达数据最优化分解方法
CN106599808A (zh) * 2016-12-01 2017-04-26 中国科学院光电研究院 一种基于全波形激光雷达数据的隐蔽目标提取方法
CN108732553A (zh) * 2018-06-01 2018-11-02 北京航空航天大学 一种激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SHALEI SONG 等: "A new waveform decomposition method for multispectral LiDAR", 《ISPRS JOURNAL OF PHOTOGRAMMETRY AND REMOTE SENSING》 *
王滨辉 等: "全波形激光雷达的波形优化分解算法", 《测绘学报》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112698310A (zh) * 2021-01-22 2021-04-23 中汽创智科技有限公司 一种用于车载毫米波雷达的多发射通道校准方法和系统
CN113359145A (zh) * 2021-06-03 2021-09-07 郑州航空工业管理学院 脉冲激光测距中的目标精确定位方法及其应用
CN113359145B (zh) * 2021-06-03 2023-05-16 郑州航空工业管理学院 脉冲激光测距中的目标精确定位方法及其应用
CN114707595A (zh) * 2022-03-29 2022-07-05 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 基于Spark的高光谱激光雷达多通道加权系统及方法
CN114707595B (zh) * 2022-03-29 2024-01-16 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 基于Spark的高光谱激光雷达多通道加权系统及方法
CN117031435A (zh) * 2023-07-31 2023-11-10 中国人民解放军国防科技大学 确定高光谱激光雷达多通道回波波形类型的方法及系统
CN117031442A (zh) * 2023-10-08 2023-11-10 中国地质大学（武汉） 融合多通道波形数据的激光雷达水域地形测量方法及装置
CN117031442B (zh) * 2023-10-08 2024-01-02 中国地质大学（武汉） 融合多通道波形数据的激光雷达水域地形测量方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN110927735B (zh) 2021-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110927735B (zh) 基于多通道全波形激光雷达数据的多目标距离测量方法
WO2017181453A1 (zh) 一种基于波形时域匹配的激光测距系统及方法
CN107167781B (zh) 海杂波幅度对数正态分布参数的分位点估计方法
CN101839981B (zh) 激光成像回波波形和层次特征获取方法及装置
CN102692627B (zh) 用于处理多普勒测量信号的仪器和方法
CN112051568B (zh) 一种两坐标雷达的俯仰测角方法
CN107153189B (zh) 线性调频连续波雷达测距的信号处理方法
CN107942342A (zh) 测风激光雷达的数据处理方法、装置、系统及存储介质
CN106556833B (zh) 基于时域弹跳射线法快速近场计算的isar成像仿真方法
CN115047417A (zh) 一种模拟雷达回波及干扰的方法和系统
CN109164454B (zh) 一种基于伪随机码调制的中远程高频激光雷达测距模糊求解方法
CN108693523A (zh) 基于锯齿波线性调频雷达多目标测距测速的方法及系统
CN109782287A (zh) 一种通过高频地波雷达反演涌浪波高的方法
CN111580091A (zh) 一种基于ar谱奇异强度函数的海面微弱目标检测方法
CN112505719A (zh) 多普勒频率校正二次补偿的激光测风雷达测风方法及系统
CN108646248A (zh) 一种针对低速运动声源的被动声学测速测距方法
CN114966579A (zh) 一种雷达系统的定标参数的获取方法及装置
CN109782249B (zh) 一种两目标相关时延估计算法
CN111624614B (zh) 一种通过激光相干探测进行测距的方法及系统
CN116772742B (zh) 一种连铸方坯振痕深度测量方法
CN107817501A (zh) 一种可变扫描频率的点云数据处理方法
CN116719023A (zh) Gpr能量聚焦和分辨率联合约束下的介质介电常数估计方法
CN110346783B (zh) 基于幂级数等效测距模型的声线修正方法
CN110726995B (zh) 激光雷达高精度测距方法及系统
KR20170122898A (ko) 항공 수심 라이다의 수심 보정 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210716

Address after: 430071 Xiao Hong, Wuchang District, Wuhan District, Hubei, Shanxi, 30

Patentee after: Institute of precision measurement science and technology innovation, Chinese Academy of Sciences

Address before: 430071 Xiao Hong, Wuchang District, Wuhan District, Hubei, Shanxi, 30

Patentee before: WUHAN INSTITUTE OF PHYSICS AND MATHEMATICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES

TR01 Transfer of patent right