CN112904353A - 一种激光雷达距离信号模拟方法与模拟信号发生器 - Google Patents

一种激光雷达距离信号模拟方法与模拟信号发生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光雷达距离信号模拟方法与模拟信号发生器。本方法包括一维距离像数据生成和模拟信号发生两个过程。在一维距离像数据生成环节，首先设定目标参数；接着生成理想距离信号；将理想距离信号数字化；并叠加数字化的噪声，得到实际一维距离像；然后将该距离像数据传输给片上处理系统，再写入存储器中。在模拟信号发生环节，片上处理器根据系统控制与数据处理中心发送的输出控制信号，从存储器中读取数据并输出给系统控制与数据处理中心。本发明可模拟目标形态、噪声等对激光雷达距离像的影响，并通过片上系统以半实物的形式实时产生贴近实际探测的一维距离像数据，在激光雷达半实物仿真以及目标识别算法设计仿真领域有重要应用前景。

Description

一种激光雷达距离信号模拟方法与模拟信号发生器
技术领域
本发明属于激光雷达信号模拟技术领域，特别是一种激光雷达距离信号模拟方法与模拟信号发生器。
背景技术
激光雷达具有分辨率高、抗干扰能力强、可以直接成像等突出特点，可以用来测距、测速、测角以及跟踪，被广泛应用于目标测量、地形测绘和导航制导等领域。为了摆脱传统外场测距试验对激光雷达生产效率的制约，迫切需要发展激光雷达室内半实物仿真和测距性能测试技术，而激光雷达距离信号模拟方法与模拟信号发生器是其关键技术和装置，在现有报道中尚未检索到能完全满足要求的技术和装置。专利号CN201811015591.4公布了一种线阵激光雷达距离像模拟装置和方法，该发明能够进行长时间的模拟仿真，产生连续的高精度距离像模拟延时信号，但是该发明的一维距离像模拟仿真数据是理想的，这样后续的目标识别工作在仿真阶段检测性能很好，但在实际应用阶段难以准确识别出实际目标。因此迫切需要创造性地发展能产生贴近实际探测的一维距离像数据的激光雷达距离信号模拟方法与模拟信号发生器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光雷达距离信号模拟方法与模拟信号发生器，通过设定目标形态、方位、反射率等目标参数，来模拟出激光雷达一维距离像。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种激光雷达距离信号模拟方法，包括一维距离像数据生成和模拟信号发生两个环节：
在一维距离像数据生成环节中，首先在上位机设定目标参数，包括目标宽度和高度、目标反射率、目标表面结构形状、探测角度、扫描速度、激光雷达频率、激光雷达分辨率和环境参数，包括背景光照度、地物背景及反射率、大气能见度等；接着计算生成理想距离信号/理想距离轮廓像；按激光雷达分辨率将理想距离信号数字化；在理想距离信号上叠加数字化的噪声，得到实际一维距离像，其中噪声根据恒阈值探测下激光雷达测量距离抖动规律产生。上位机通过USART接口将距离轮廓像模拟数据全部传输给片上处理系统；片上处理器再通过其SPI接口将数据写入存储器。
在模拟信号发生环节中，系统控制与数据处理中心以10kHz的频率向片上处理器发送输出控制信号；片上处理器接收到输出控制信号后，向存储器发送读取控制信号；存储器接收到读取控制信号后，通过SPI接口向片上处理器发送实际一维距离像数据；片上处理器将实际一维距离像数据通过其SPI接口输出给系统控制与数据处理中心，完成一维距离像模拟操作。该实际一维距离像数据可供后续的研究人员进行目标识别处理方面的研究，便于研究人员研究测试目标识别算法的容差性、稳定性等。
一种激光雷达模拟信号发生器，包括：上位机、片上处理器、存储器以及系统控制与数据处理中心。其中，所述上位机根据设定的目标参数按上述距离信号模拟方法来仿真生成激光雷达实际一维距离像数据；所述片上处理器通过其USART接口接收上位机传输的实际一维距离像数据，并根据系统控制与数据处理中心发送的输出控制信号通过SPI接口将实际一维距离像数据输出给系统控制与数据处理中心；所述存储器用于暂存片上处理器的数据并供片上处理器读取；所述系统控制与数据处理中心用于向片上处理器发送输出控制信号并接收实际一维距离像数据，以供后续的研究人员进行目标识别工作。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明创新提出了利用激光雷达测距数据统计分布的概率密度函数解析解，结合激光雷达回波波形和噪声分布，通过随机抽样产生激光雷达一维距离图像的方法，不但能精确仿真模拟出目标形态、方位、目标反射率、噪声和激光雷达参数等因素对激光雷达一维距离像的影响，产生贴近实际探测的一维距离像数据；而且具有计算量小、速度快、硬件资源消耗小等突出优势。
(2)本发明引入了上位机产生一维距离图像数据下载到片上系统的存储器，由片上系统读取存储器数据，并通过硬件接口按时序输出激光雷达测距数据的硬件实现方案，具有原理明确、硬件结构简单、技术实现难度小、体积小和成本低等优势。
(3)本发明设计的一维距离像模拟信号发生器利用了恒阈值探测下激光雷达测量距离抖动规律，能够考虑目标参数，包括目标宽度和高度、目标反射率、目标表面结构形状、探测角度、扫描速度、激光雷达频率、激光雷达分辨率和环境参数，包括背景光照度、地物背景及反射率、大气能见度等因素的影响，具有可设参数全面和普适性强等特点。
附图说明
图1为本发明的激光雷达模拟信号发生器原理框图。
图2为本发明的激光雷达距离信号模拟方法流程图。
图3为本发明的激光雷达扫描路面上的立方体场景示意图。
图4为本发明的理想距离信号/理想距离轮廓像仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
如图2所示，本发明的一种激光雷达距离信号模拟方法，包括一维距离像数据生成和模拟信号发生两个环节：
(1)一维距离像数据生成环节
在一维距离像数据生成环节中，首先在上位机设定目标参数，包括目标宽度和高度、目标反射率、目标表面结构形状；设定激光雷达探测角度、探测高度、扫描速度、激光雷达频率、激光雷达分辨率；设定环境参数，包括背景光照度、地物背景及反射率、大气能见度等。
接着上位机根据上述设定的目标参数计算生成理想距离信号/理想距离轮廓像。图3给出了一个简单的场景：激光雷达正下方20m处有一路面，一长宽高都为3m的立方体目标位于路面上，激光雷达对立方体目标及其左右两侧各3m共9m宽的路面进行扫描，激光光束沿着水平面的法线方向入射，图中的黑色虚线为激光雷达扫描线路。上位机根据上述场景设定目标参数，即目标表面结构形状为平面，目标宽度length目＝3m，目标高度height目＝3m，激光雷达探测高度height地＝20m，目标左侧起始位置坐标x1＝3m，所扫描路面宽度length地＝9m，以目标宽度方向为x轴，目标高度方向为y轴建立坐标系，则目标与路面这个整体的纵坐标y(x)可表示为：
Figure BDA0002906192740000031
其中0≤x≤length地，由上式可得激光雷达对目标与路面这个整体的测距值d(x)为：
Figure BDA0002906192740000041
测距值d(x)即为所求的理想距离信号，生成的理想距离信号/理想距离轮廓像如图4所示。图中横坐标为激光雷达所扫描的目标及左右两侧位置坐标，纵坐标为激光雷达测距值。由于计算机计算生成的距离数据精度很高，所以该理想距离信号几乎连续。
按激光雷达分辨率将理想距离信号数字化，激光雷达分辨率可选设为0.15m或0.3m，从而得到离散化的理想距离信号。在离散理想距离信号上叠加数字化的噪声，得到实际一维距离像，其中噪声根据恒阈值探测下激光雷达测量距离抖动规律产生。
下面具体说明根据恒阈值探测下激光雷达测量距离抖动规律产生噪声的方法。
实际一维距离像上测距数据的抖动表现为一维距离像噪声，其分布服从距离噪声统计分布。恒阈值鉴别测距模式下距离噪声概率密度分布函数为：
Figure BDA0002906192740000042
其中，f(1)是激光发射脉冲波形的一维空间函数，ρ[Vn]是噪声电压的概率密度分布，Vn为噪声电压，它为随机变量，实际计算时用[Vth-f(l)]替换Vn，l表示距离噪声，Vth为脉冲鉴别器的阈值，f′(l)为激光发射脉冲波形的一维空间函数f(l)的一阶导数，c为光速。
下面将产生服从上述距离噪声统计分布的随机数，即距离噪声值，并将距离噪声值绘制成距离噪声像。距离噪声积分分布函数为：
Figure BDA0002906192740000043
首先生成一个0到1的服从均匀分布的随机函数rs，令距离噪声积分分布函数的值等于rs，由公式(4)取此时的距离噪声值l，即为产生的服从距离噪声统计分布的距离噪声值。
rs～rand(0，1) (5)
l＝arg minl||P(l)-rs|| (6)
接着按激光雷达分辨率将距离噪声值数字化，激光雷达分辨率可选设为0.15m或0.3m，从而得到离散距离噪声像。将其叠加到离散理想一维距离像上，则得到实际一维距离像。
最后，上位机通过USART接口将上述距离轮廓像模拟数据全部传输给片上处理系统；片上处理器再通过SPI接口将数据写入存储器。
(2)模拟信号发生环节
在模拟信号发生环节中，系统控制与数据处理中心以10kHz的频率向片上处理器发送输出控制信号；片上处理器接收到输出控制信号后，向存储器发送读取控制信号；存储器接收到读取控制信号后，通过SPI接口向片上处理器发送实际一维距离像数据；片上处理器将实际一维距离像数据通过其SPI接口输出给系统控制与数据处理中心，完成一维距离像模拟操作。该实际一维距离像数据可供后续的研究人员进行目标识别处理方面的研究，便于研究人员研究测试目标识别算法的容差性、稳定性等。
如图1所示，一种激光雷达模拟信号发生器，包括：上位机、片上处理器、存储器以及系统控制与数据处理中心。其中，所述上位机根据设定的目标参数按上述距离信号模拟方法来仿真生成激光雷达实际一维距离像数据；所述片上处理器通过其USART接口接收上位机传输的实际一维距离像数据，并根据系统控制与数据处理中心发送的输出控制信号通过SPI接口将实际一维距离像数据输出给系统控制与数据处理中心；所述存储器用于暂存片上处理器的数据并供片上处理器读取；所述系统控制与数据处理中心用于向片上处理器发送输出控制信号并接收实际一维距离像数据，以供后续的研究人员进行目标识别工作。
进一步的实施例中，所述的片上处理器采用32位ARM处理器STM32F103，所述的存储器采用FALSH存储器W25Q128，存储容量为16MB，以此为例对本发明做进一步说明。
所述上位机通过USART接口将距离轮廓像模拟数据全部传输给片上处理系统，具体实现方式为：上位机通过USB接口传输数据，使用一个USB总线的转接芯片CH341来实现USB-USART转换，片上处理器通过USART接口接收数据，实现上位机与片上处理器之间的数据传输。
所述ARM处理器通过其SPI接口实现对外部FLASH存储器的读写：利用STM32F的SPI来控制SPI接口的FLASH存储器W25Q128。ARM处理器STM32F作为主机，FLASH存储器W25Q128作为从机。用一个按键来执行写入W25Q128的操作，用另外一个按键来执行读取W25Q128的操作。
使用STM32F的主模式，配置SPI的步骤如下：
1)使能SPI1时钟，配置相关引脚的复用功能。本实施例使用SPI1，SPI1的时钟通过APB2ENR的第12位来设置。其次设置SPI1的相关引脚为复用输出，使其连接到SPI1上。使用PB3、4、5这3个I/O(SCK、MISO、MOSI，而CS使用软件管理方式)，设置这三个为复用I/O。
2)设置SPI1工作模式。SPI设置为2线全双工模式，设置SPI1为主机模式，设置数据格式为8位，然后通过CPOL和CPHA位来设置SCK时钟极性及采样方式。并设置SPI1的时钟频率(最大18MHz)，以及数据的格式(MSB在前还是LSB在前)。
3)使能SPI1。这一步通过SPI1_CR1的bit6来设置，以启动SPI1，在启动之后就可以开始SPI通讯。
之后用一个按键来执行将实际一维距离像数据通过STM32F的SPI接口写入W25Q128的操作，用另外一个按键来执行STM32F从W25Q128中读取数据的操作，实现STM32F通过其SPI接口对外部FLASH存储器W25Q128的读写控制。

Claims (9)

1.一种激光雷达距离信号模拟方法，其特征在于，包括一维距离像数据生成和模拟信号发生两个环节：
(1)一维距离像数据生成：设定目标参数；根据设定的目标参数计算生成理想距离信号/理想距离轮廓像；按激光雷达分辨率将理想距离信号数字化，得到离散化的理想距离信号；在离散理想距离信号上叠加数字化的噪声，得到实际一维距离像；
(2)模拟信号发生：将实际一维距离像发送给系统控制与数据处理中心，以供后续的研究人员进行目标识别工作。
2.根据权利要求1所述的激光雷达距离信号模拟方法，其特征在于，一维距离像数据生成环节中，所述数字化的噪声根据恒阈值探测下激光雷达测量距离抖动规律获得。
3.根据权利要求2所述的激光雷达距离信号模拟方法，其特征在于，噪声获得过程，具体包括以下步骤：
步骤1、获得恒阈值鉴别测距模式下距离噪声概率密度分布函数：
Figure FDA0002906192730000011
其中，f(l)是激光发射脉冲波形的一维空间函数，ρ[Vn]是噪声电压Vn的概率密度分布，l表示距离噪声值，Vth为脉冲鉴别器的阈值，f′(l)为激光发射脉冲波形的一维空间函数f(l)的一阶导数，c为光速；
步骤2、产生服从上述距离噪声统计分布的随机数，即距离噪声值，并将距离噪声值绘制成距离噪声像。距离噪声积分分布函数为：
Figure FDA0002906192730000012
首先生成一个0到1的服从均匀分布的随机函数rs，令距离噪声积分分布函数的值等于rs，由公式(4)取此时的距离噪声值l，即为产生的服从距离噪声统计分布的距离噪声值；
rs～rand(0，1) (3)
l＝argminl||P(l)-rs|| (4)
步骤3、按激光雷达分辨率将距离噪声值数字化，设定激光雷达分辨率，得到离散距离噪声像，将其叠加到离散理想一维距离像上，则得到实际一维距离像。
4.根据权利要求1所述的激光雷达距离信号模拟方法，其特征在于，计算生成理想距离信号/理想距离轮廓像，具体过程为：
将激光雷达位于路面正上方一定高度处，将立方体目标位于路面上，激光雷达对立方体目标及其左右两侧路面进行扫描，设定目标参数：即目标表面结构、目标宽度length目、目标高度height目、激光雷达探测高度height地、目标左侧起始位置坐标x1、所扫描路面宽度length地，以目标宽度方向为x轴，目标高度方向为y轴建立坐标系，则目标与路面这个整体的纵坐标y(x)可表示为：
Figure FDA0002906192730000021
其中0≤x≤length地，由上式可得激光雷达对目标与路面这个整体的测距值d(x)为：
Figure FDA0002906192730000022
测距值d(x)即为所求的理想距离信号。
5.一种激光雷达模拟信号发生器，其特征在于，包括上位机、片上处理器、存储器以及系统控制与数据处理中心；
所述上位机根据设定的目标参数计算生成理想距离信号，按激光雷达分辨率将理想距离信号数字化，得到离散化的理想距离信号，在离散理想距离信号上叠加数字化的噪声，得到实际一维距离像；所述片上处理器接收上位机传输的实际一维距离像数据，并根据系统控制与数据处理中心发送的输出控制信号将实际一维距离像数据输出给系统控制与数据处理中心；所述存储器用于暂存片上处理器的数据并供片上处理器读取；所述系统控制与数据处理中心用于向片上处理器发送输出控制信号并接收实际一维距离像数据，以供后续的研究人员进行目标识别工作。
6.根据权利要求5所述的激光雷达模拟信号发生器，其特征在于，所述的片上处理器采用32位ARM处理器STM32F103，所述的存储器采用FALSH存储器W25Q128，存储容量为16MB。
7.根据权利要求5所述的激光雷达模拟信号发生器，其特征在于，所述上位机通过USART接口将距离轮廓像模拟数据全部传输给片上处理系统。
8.根据权利要求7所述的激光雷达模拟信号发生器，其特征在于，具体实现方式为：上位机通过USB接口传输数据，使用一个USB总线的转接芯片CH341来实现USB-USART转换，片上处理器通过USART接口接收数据，实现上位机与片上处理器之间的数据传输。
9.根据权利要求5所述的激光雷达模拟信号发生器，其特征在于，所述ARM处理器通过其SPI接口实现对外部FLASH存储器的读写：利用STM32F的SPI来控制SPI接口的FLASH存储器W25Q128。
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