CN112782709B - 一种基于动态多阈值误差修正的激光测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态多阈值误差修正的激光测距方法。现有的双阈值误差修正方法中两个双阈值的触发时间差，这就导致双阈值误差修正方法得出错误的修正误差，从而影响到最终数据的准确性。本发明如下：1.获取回波信号。设定三个阈值门限；2、用动态调整的三个阈值门限测量回波信号，并计算两个误差。3、建立误差et的表达式。4、计算两个时间差计算值。5、计算修正点偏离度。6、修正三个阈值门限，并计算出最终的误差修正值。7、用最终的误差修正值对回波信号进行修正，获取最终的激光测量距离。本发明的适应能力更强，具有一定的抗干扰能力。能够在一定噪声干扰下完成激光测距任务。

Description

一种基于动态多阈值误差修正的激光测距方法

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种基于动态多阈值误差修正的激光测距方法，主要通过动态调整阈值实现误差修正的脉冲式激光测距方案。

背景技术

利用激光脉冲持续时间短，能量在时间上相对集中，瞬时功率很大的特点，脉冲式激光测距在地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪等方面获得了广泛的应用。脉冲式激光测距主要通过测量激光信号的飞行时间，从而间接计算出测距目标的距离。测距仪的脉冲发射器发射出一束能量集中的激光信号，并对测距目标反射回的激光回波信号进行探测，通过测量激光信号发射与接收之间的时间差，计算出测距目标的距离。脉冲式激光测距系统虽然可以获得较远的测距能力，但由于回波脉冲近距离会出现饱和截止失真，回光波形的延迟展宽、幅度的变化、目标形状的不规则以及对空散射和电路干扰脉冲叠加引起的波形畸变都会严重的影响到测距精度。双阈值误差修正方法作为前沿鉴别法的一种，可以在无干扰信号的影响下，解决激光回波信号强度不同造成的时刻鉴别误差，提高测距精度。双阈值误差修正方法作为目前广泛采用的激光测距方案，在理想状态下，能够对远距离目标实现精确测量。但在实际工程运用中，激光回波脉冲不一定是理想的高斯脉冲，背景噪声对波形的破坏会严重影响测距仪的测距精度。干扰脉冲叠加在激光回波脉冲上，会延长双阈值误差修正方法中两个双阈值的触发时间差，这就导致双阈值误差修正方法得出错误的修正误差，从而影响到最终数据的准确性。另外，采用双阈值误差修正方法需要提前设定两个阈值通道的阈值电压。当回波脉冲很弱，不足以触发两个通道的阈值门限时，就无法输出数据，从而降低了测距仪的测距能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于动态多阈值误差修正的激光测距方法。

本发明的具体步骤如下：

步骤1、获取回波信号。设定三个阈值门限V₁,V₂,V₃，其中，V₁＜V₂＜V₃。

步骤2、用动态调整的三个阈值门限测量回波信号，并计算两个误差。

用三个阈值门限V₁,V₂,V₃测量回波信号x(t)；若三个阈值门限V₁,V₂,V₃无法全部在回波信号中采集到脉冲时，则将三个阈值门限V₁、V₂和V₃同步下调，使得三个阈值门限V₁,V₂,V₃均能够在回波信号中采集到脉冲。三个阈值门限V₁,V₂,V₃在回波信号中对应时刻分别表示为t_s1，t_s2和t_s3。

步骤3、计算第一阈值时间差Δt₁₂＝t_s2-t_s1和第二阈值时间差Δt₂₃＝t_s3-t_s2。建立误差et的表达式如式(3)所示：

其中，k_s为回波强度，τ_s为时间常数。

步骤4、利用第一阈值时间差Δt₁₂和第二阈值时间差Δt₂₃分别计算第一误差估计值et₁和第二误差估计值et₂。再依据第一阈值时间差Δt₁₂和第一误差估计值et₁，计算第二阈值时间差Δt₂₃对应的时间差计算值Δt′₂₃；依据第二阈值时间差Δt₂₃和第二误差估计值et₂，计算第一阈值时间差Δt₁₂对应的时间差计算值Δt′₁₂。

步骤5、根据时间差计算值Δt′₁₂和Δt′₂₃，计算修正点偏离度d₁＝|Δt′₂₃-Δt₂₃|，d₂＝|Δt′₁₂-Δt₁₂|。

步骤6、设定最大的偏离度d_max。当d₁≤d_max且d₂≤d_max时，第一误差估计值et₁或第二误差估计值et₂作为最终的误差修正值。当d₁＞d_max或d₂＞d_max时，则进入步骤7中修正三个阈值门限V₁、V₂和V₃。

步骤7、将三个阈值门限V₁、V₂和V₃上调，并用新的阈值门限V₁,V₂,V₃按照步骤2-6中的方法重新计算修正点偏离度d₁、d₂。依此循环往复，直到计算出的d₁、d₂满足d₁≤d_max且d₂≤d_max。

步骤8、用最终的误差修正值对回波信号进行修正，获取最终的激光测量距离。

作为优选，步骤4的具体过程如下：

根据第一阈值时间差Δt₁₂计算第一误差估计值et₁如式(4)所示：

根据第二阈值时间差Δt₂₃计算第二误差估计值et₂如式(5)所示：

建立含有时间差计算值Δt′₂₃的方程式

求解该方程，得到时间差计算值Δt′₂₃。建立含有时间差计算值Δt′₁₂的方程式

求解该方程，得到时间差计算值Δt′₁₂。

作为优选，步骤1中，回波信号经过自相关电路进行抑制噪声。

作为优选，步骤一中设定的三个阈值门限V₁,V₂,V₃分别取0～回波脉冲理论最高值的三个四等分点。

作为优选，步骤2中，t_s1，t_s2，t_s3的表达式如式(2)所示。

式(2)中，t_ps为标准飞行时间。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明提出的动态多阈值误差修正方法用于激光测距场景中，相比于双阈值误差修正方法更具有实践意义。动态多阈值误差修正方法适应能力更强，具有一定的抗干扰能力。能够在一定噪声干扰下完成激光测距任务。

2、本发明提出的动态多阈值误差修正方法用于激光测距场景中，能够提高激光测距对远距离目标的测距能力。目前双阈值误差修正一般采用固定阈值门限，对于远距离目标回波较弱的情况下，不能得出有效测量数据。

3、本发明提出的动态多阈值误差修正方法用于激光测距场景中，相比于双阈值误差修正方法能够有效提高测距精度。在回波信号畸变的情况，双阈值误差修正方法不能有效避免波形畸变带来的误差影响。

附图说明

图1为本发明的激光测距工作框图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明中阈值门限V₃未被触发的波形图；

图4为发明中阈值门限V₂和V₃未被触发波形图；

图5为本发明中阈值门限V₁被干扰脉冲误触发波形图；

图6为本发明中阈值门限V₁和V₂被干扰脉冲误触发波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提出的动态多阈值误差修正方法用于激光测距系统中，由高精度的计时芯片搭配主控芯片完成。回波信号的信号处理电路采用自相关电路对高斯白噪声进行抑制，发射信号与回波信号的脉冲通过高灵敏度阈值比较器处理之后传递给计时芯片测量激光脉冲飞行时间。最后由主控芯片计算出最终测量距离。

该基于动态多阈值误差修正的激光测距方法采用的测距系统，包括激光发射电路、激光接收电路、主控芯片、计时芯片和自相关电路。激光发射电路用于在主控芯片的控制下发射激光；激光接收电路用于接收反射回来的激光信号，并将其经过自相关电路处理后传输给主控芯片。

本发明所述的基于动态多阈值误差修正的激光测距方法，为方便描述以阈值门限档位数量N＝3为例，具体的实施步骤如下所示：

步骤1：获取回波信号。

如图1和2所示，主控芯片向激光发射电路发送测量信号，激光发射电路在发送激光脉冲的同时，向计时芯片发送一个起始Start信号作为脉冲飞行的起始时刻。激光脉冲测量目标后的反射回波被激光接收电路捕捉之后，在经过自相关电路抑制噪声后得到回波信号x(t)，传输给主控芯片。

激光脉冲回波s(t)与干扰脉冲n(t)属于类高斯脉冲，这里按高斯分布模型建模。将干扰脉冲n(t)叠加到激光回波脉冲s(t)上，得到上升沿叠加干扰脉冲的回波信号x(t)如式(1)所示。

其中，k_s、k_n分别为激光脉冲、干扰脉冲的回波强度；t表示时间；t_ps、t_pn分别为激光脉冲、干扰脉冲的峰值时刻(对于激光脉冲而言，即是标准飞行时间的结束时刻)；τ_s、τ_n分别为激光脉冲、干扰脉冲的时间常数。

设定N组阈值门限；每组阈值门限包括三个阈值门限；第一组阈值门限根据回波脉冲的理论最高值，设定三个阈值门限V₁,V₂,V₃，其中，V₁＜V₂＜V₃。本实施例中，以3.3V回波脉冲的理论最高值为例，分别以0.825V，1.65V，2.475V为阈值门限的三个档位，即将阈值门限分为三个档位，分别对应0～回波脉冲理论最高值的四等分点。

步骤2、用动态调整的三个阈值门限测量回波信号，并计算两个误差。

用三个阈值门限V₁,V₂,V₃测量回波信号x(t)；若三个阈值门限V₁,V₂,V₃无法没有同时在回波信号x(t)中采集到脉冲时，则说明回波脉冲较弱，需要动态调低阈值门限。将当前门限下的三个阈值门限V₁、V₂和V₃分别调低ΔV，得到新的阈值门限V₁,V₂,V₃；ΔV为阈值单次调节幅度。依此循环往复，直到三个阈值门限V₁,V₂,V₃同时在回波信号x(t)中采集到脉冲。

三个阈值门限V₁,V₂,V₃在回波信号中信号的时刻分别表示为t_s1，t_s2和t_s3。以脉冲峰值时刻t_ps作为激光脉冲标准飞行时间的结束时刻，回波强度表示为k_s。则t_s1，t_s2，t_s3的表达式如式(2)所示。

步骤3：主控芯片的数据采集任务在接收到计时芯片传递来的时间差之后，计算第一阈值时间差Δt₁₂＝t_s2-t_s1和第二阈值时间差Δt₂₃＝t_s3-t_s2。以时刻t_s1与初始时刻Start的时间差作为测量的飞行时间，以脉冲峰值时刻t_ps作为标准飞行时间，则误差et与激光脉冲的回波强度k_s的关系如式(3)所示：

步骤4：联立步骤3所示等式，可由第一阈值时间差Δt₁₂计算得到的第一误差估计值et₁如式(4)所示：

其中，f(·)为时间关联函数。

同理，由第二阈值时间差Δt₂₃计算得到的第二误差估计值et₂如式(5)所示：

步骤5：根据第一误差估计值et₁、第二误差估计值et₂计算时间差计算值Δt₁₂'、Δt′₂₃。

建立含有时间差计算值Δt′₂₃的方程式

求解该方程，得到时间差计算值Δt′₂₃。

建立含有时间差计算值Δt′₁₂的方程式

求解该方程，得到时间差计算值Δt′₁₂。

步骤6：根据时间差计算值Δt′₁₂和Δt′₂₃，计算修正点偏离度d₁＝|Δt′₂₃-Δt₂₃|，d₂＝|Δt′₁₂-Δt₁₂|。

步骤7：根据实际的激光测距误差允许情况，设定最大的偏离度d_max。

当d₁≤d_max且d₂≤d_max时，判定当前修正点没有偏离阈值时间差关联曲线，阈值电压门限设定合适。将Δt₁₂'代入时间关联函数，计算误差修正值et＝f(Δt′₁₂)；或将Δt′₂₃代入时间关联函数，计算误差修正值et＝f(Δt′₂₃)

当d₁＞d_max或d₂＞d_max成立时，则代表此时回波脉冲的上升沿发生了畸变导致的时刻鉴别错误，需要动态调高阈值门限，进入步骤8。

步骤8：将当前门限下的三个阈值门限V₁、V₂和V₃分别调高ΔV，得到新的阈值门限V₁,V₂,V₃。并用新的阈值门限V₁,V₂,V₃按照步骤2-7中的方法重新计算修正点偏离度d₁、d₂。依此循环往复，直到计算出的d₁、d₂满足d₁≤d_max且d₂≤d_max。

步骤9：用最终计算出的误差修正值et对回波信号x(t)进行修正，获取最终的激光测量距离。

步骤2中回波脉冲较弱的两种情况如图图3和4所示，图3代表V₃未被触发的情况，图4代表V₂,V₃未被触发的情况。步骤7中V₁或者V₁,V₂被干扰脉冲触发的情况如图5和6所示，该类情况下会出现d₁＞d_max或者d₂＞d_max。

为验证利用本发明进行修正的准确性，在不同距离下利用本发明和现有技术进行激光测距，结果如下表所示。

表1本发明与现有技术的测量结果对比表

可以看出，与现有的双阈值方法相比，本发明提出的动态多阈值误差修正方法通过动态的切换三个阈值门限以找到最佳的拟合方式，避免了某个阈值鉴别到干扰脉冲的前沿时刻导致错误的拟合修正，动态的阈值调整也避免了因为初始阈值过高而导致的测距能力下降的问题。

Claims (4)

1.一种基于动态多阈值误差修正的激光测距方法，其特征在于：步骤1：获取回波信号；设定三个阈值门限V₁,V₂,V₃，其中，V₁＜V₂＜V₃；

步骤2、用动态调整的三个阈值门限测量回波信号，并计算两个误差；

用三个阈值门限V₁,V₂,V₃测量回波信号x(t)；若三个阈值门限V₁,V₂,V₃无法全部在回波信号中采集到脉冲时，则将三个阈值门限V₁、V₂和V₃同步下调，使得三个阈值门限V₁,V₂,V₃均能够在回波信号中采集到脉冲；三个阈值门限V₁,V₂,V₃在回波信号中对应时刻分别表示为t_s1，t_s2和t_s3；

步骤3：计算第一阈值时间差Δt₁₂＝t_s2-t_s1和第二阈值时间差Δt₂₃＝t_s3-t_s2；建立误差et的表达式如式(3)所示：

其中，k_s为回波强度，τ_s为时间常数；

步骤4：利用第一阈值时间差Δt₁₂和第二阈值时间差Δt₂₃分别计算第一误差估计值et₁和第二误差估计值et₂；再依据第一阈值时间差Δt₁₂和第一误差估计值et₁，计算第二阈值时间差Δt₂₃对应的时间差计算值Δt′₂₃；依据第二阈值时间差Δt₂₃和第二误差估计值et₂，计算第一阈值时间差Δt₁₂对应的时间差计算值Δt′₁₂，其具体过程如下：

根据第一阈值时间差Δt₁₂计算第一误差估计值et₁如式(4)所示：

根据第二阈值时间差Δt₂₃计算第二误差估计值et₂如式(5)所示：

建立含有时间差计算值Δt′₂₃的方程式

求解该方程，得到时间差计算值Δt′₂₃；建立含有时间差计算值Δt′₁₂的方程式

求解该方程，得到时间差计算值Δt′₁₂；

步骤5：根据时间差计算值Δt′₁₂和Δt′₂₃，计算修正点偏离度d₁＝|Δt′₂₃-Δt₂₃|，d₂＝|Δt′₁₂-Δt₁₂|；

步骤6：设定最大的偏离度d_max；当d₁≤d_max且d₂≤d_max时，第一误差估计值et₁或第二误差估计值et₂作为最终的误差修正值；当d₁＞d_max或d₂＞d_max时，则进入步骤7中修正三个阈值门限V₁、V₂和V₃；

步骤7：将三个阈值门限V₁、V₂和V₃上调，并用新的阈值门限V₁,V₂,V₃按照步骤2-6中的方法重新计算修正点偏离度d₁、d₂；依此循环往复，直到计算出的d₁、d₂满足d₁≤d_max且d₂≤d_max；

步骤8：用最终的误差修正值对回波信号进行修正，获取最终的激光测量距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态多阈值误差修正的激光测距方法，其特征在于：步骤1中，回波信号经过自相关电路进行抑制噪声。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态多阈值误差修正的激光测距方法，其特征在于：步骤一中设定的三个阈值门限V₁,V₂,V₃分别取0～回波脉冲理论最高值的三个四等分点。

4.根据权利要求1所述的一种基于动态多阈值误差修正的激光测距方法，其特征在于：步骤2中，t_s1，t_s2，t_s3的表达式如式(2)所示；

式(2)中，t_ps为标准飞行时间。

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