CN113204027A - 精确选择测距周期的脉冲式激光雷达跨周期测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精确选择测距周期的脉冲式激光雷达跨周期测距方法，包括：调制激光脉冲发射时间，利用激光雷达发射信号，得到一组对应不同测距周期的测距值序列的回波信号；构建差分序列，得到测距差值序列；计算测距差值序列的均值、标准差，剔除与均值偏差大的异常值；计算剔除异常值的测距差值序列的噪声能量，选出噪声能量最小的信号周期作为测距周期，计算距离值；计算选出的测距周期的置信度，与阈值比较，判断选出的测距周期是否可靠。本发明针对激光雷达扫描测距时地形突变等导致脉冲时间调制功能失效的问题，采用去噪算法提高了跨周期测距中测距周期选择的准确性和稳定性。

Description

精确选择测距周期的脉冲式激光雷达跨周期测距方法

技术领域

本发明属于激光雷达测距领域，具体涉及一种精确选择测距周期的脉冲式激光雷达跨周期测距方法。

背景技术

当前激光雷达的跨周期测量主要采用调制激光脉冲发射时间来实现，通过调制激光脉冲发射时间，使连续两个发射信号的时间差不等。基于地形连续变化的假设，在短时间内，获取的一组回波测距值近似相等，因此属于正确周期的一组回波的测距值不受发射脉冲时间调制的影响，而属于错误周期的一组测距值则受发射脉冲时间调制的影响，呈现出波动的特点。通过计算各周期下的测距值，分析测距值波动特点来确定该组回波所属的正确周期。

当前测距值序列波动分析主要有序列能量法、自相关分析法、互相关分析法和频率域分析法。能量法通过计算测距值序列的方差，选取方差最小的周期作为正确周期；自相关分析法通过分析测距值序列的自相关性，选取自相关性最强的周期作为正确周期；互相关分析法通过分析测距值序列和调制信号的互相关性，选取互相关性最小的周期作为正确周期；频率分析法通过分析测距值序列的频率，选取高频信号最少的周期作为正确周期。

发明内容

脉冲式激光雷达通过测量回波信号和对应发射信号的时间差Δt进行距离测量。设距离为R，则

其中c为光速。设激光发射频率为PRR Hz，则能测量的最大无模糊距离

PRR^-1为连续两个发射信号的时间差，即一个周期的时间。如附图1所示的脉冲信号，S_m表示在T_m时刻的发射脉冲，E_n表示在T_n时刻的回波脉冲，脉冲信号的发射周期固定，即τ＝PRR^-1。以T_n时刻的回波E_n为例，测距为r。0＜r＜R_u时，回波E_n属于第1周期，对应的发射脉冲为S_m，

当R_u＜r＜2R_u时，回波E_n属于第2周期，对应的发射脉冲为S_m-1，

当2R_u＜r＜3R_u时，回波E_n属于第3周期，对应的发射脉冲为S_m-2，

当3R_u＜r＜4R_u时，回波E_n属于第4周期，对应的发射脉冲为S_m-3，

对于无跨周期解算能力的激光扫描仪，只能正确解算属于第1周期的测距值，当目标距离超过R_u时，将无法确定回波信号对应的发射信号时间，也无法解算准确距离。

脉冲式激光雷达的测距序列分析方法具有两个假设条件：第一个假设为一组回波序列均来自表面连续变化目标的反射，如平坦的地形、无植被覆盖的山坡等，而激光扫描仪的实际作业场景中有大量地形表面突变的场景，如有大量建筑物的居民区及植被覆盖区等；地形的突变会在一定程度上引入噪声，如附图2所示，使其抵消掉信号调制的作用，当测距值序列中测距波动大于脉冲信号时间调制对应的最大测距时，将无法准确确定正确的周期；第二个假设是一组回波序列均属于同一周期，对于一组包含相邻两个周期的回波序列，如附图3所示，无论将该序列归于哪个周期，都存在回波序列中有一部分回波的测距周期被错误确定的情况，测距序列分析方法将失效。

本发明的目的是解决上述问题，提供一种精确选择测距周期的脉冲式激光雷达跨周期测距方法，计算得到一组回波序列在不同周期时的测距值序列，对测距值序列构建差分序列，得到测距差值序列，剔除其中与均值偏差大的异常值即去噪，比较并选出去噪后噪声能量最小时对应的周期作为该回波序列的测距周期，计算选出的测距周期的置信度，根据置信度与阈值的关系判断选出的测距周期是否可靠，最后根据选出的可靠的测距周期计算该回波序列的距离值。

本发明的技术方案是精确选择测距周期的脉冲式激光雷达跨周期测距方法，包括以下步骤：

步骤1：调制激光脉冲发射时间，利用激光雷达发射信号，得到一组对应不同测距周期的测距值序列的回波信号；

步骤2：计算相邻点的测距差，构建差分序列，得到测距差值序列；

步骤3：计算测距差值序列的均值、标准差，剔除与均值偏差大的异常值；

步骤4：计算剔除异常值后的测距差值序列的噪声能量，选出噪声能量最小的信号周期作为测距周期；

步骤5：计算选出的测距周期的置信度，若计算得到的置信度大于阈值，则步骤4选出的测距周期可靠；否则，丢弃该组回波信号，进行下一组回波信号的测距周期计算。

进一步地，步骤3中，所述剔除与均值偏差大的异常值，包括以下过程：

1)计算第z个周期下测距差值序列的均值m_z和标准差stdv_z；

测距值序列R_z＝{r₁,r₂,r₃,…,r_n}，其中r_i,i＝1,2,…,n表示第i个回波信号，测距差值序列ΔR_z＝{d₁,d₂,…,d_n-1}，相邻点的测距差值d_j＝r_j+1-r_j，j＝1,2,…,n-1；

均值

标准差

2)计算测距差值序列的测距差值d_i与均值m_z的差的绝对值Δd_i，Δd_i＝|d_i-m_z|，将与均值的差大于3倍标准差的测距差值列为异常值，异常值集合s＝{d_i|Δd_i＞3stdv_z}，将异常值从测距差值序列中剔除。

优选地，步骤4中，所述计算剔除异常值的测距差值序列的噪声能量，噪声能量D的计算式如下

式中

n'表示剔除异常值后测距差值序列的元素的数量，n'＝n-|s|-1，|s|表示异常值的数量，m'_z表示剔除异常值后测距差值序列的均值，m'_z的计算式如下

优选地，步骤5中，所述计算选出的测距周期的置信度，测距周期的置信度E_z的计算式如下

D_min＝min{D_i}

式中D_min表示所有周期下下剔除异常值后最小的噪声能量；

表示除最小值外其余周期下的噪声能量的平均值。

作为可替换的方案，步骤5中的置信度也可采用噪声能量差值计算，

相比现有技术，本发明的有益效果包括：

1)本发明方法针对激光雷达扫描测距时地形突变等导致脉冲时间调制功能失效的问题，采用去噪算法提高了跨周期测距中测距周期选择的准确性和稳定性；

2)本发明方法计算选出的测距差值序列的置信度，将置信度低于阈值的一组回波序列舍弃，避免激光雷达回波序列中周期切换导致的测距周期不确定性的问题，确保测距结果的准确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为脉冲式激光雷达发射脉冲和接收脉冲的时序图。

图2为地形非连续变化场景的示意图。

图3为处于周期切换区的地形的示意图。

图4为本发明实施例按不同周期解算后的点云形态图。

具体实施方式

实施例以序列能量法为基础，精确选择测距周期的脉冲式激光雷达跨周期测距方法，包括以下步骤：

步骤1：调制激光脉冲发射时间，利用激光雷达发射信号、回波信号构建一组回波信号的测距序列。以4个周期为例，设属于周期z的测距值序列为R_z＝{r₁,r₂,r₃,...,r_n}，z∈[1,4]，其中{r₁,r₂,...,r_k-1}对应的各回波信号来自于某一目标，如地面；{r_k,r_k+1,...,r_n}对应的各回波信号来自于相邻的地形发生突变的另一目标，如建筑物；r_k表示突变的地形的回波信号；

步骤2：计算相邻点的测距差，构建差分序列，得到测距差值序列ΔR_z＝{d₁,d₂,..,d_j,...,d_k-2,d_k-1,d_k,...,d_n-1}，d_j＝r_j+1-r_j，j＝1,2,...,n-1。当周期z为正确的周期且j≠k-1时，d_j均接近0，由于地形在第k点处发生突变，即d_k-1会明显大于其余值，ΔR_z受异常大值干扰，其正确周期z下的噪声能量和错误周期噪声能量相当，无法确定正确周期；

步骤3：计算测距差值序列的均值、标准差，剔除与均值偏差大的异常值；

ΔR_z的均值为m_z，ΔR_z的标准差为stdv_z，均值

标准差

计算测距差值序列的测距差值d_i与均值m_z的差的绝对值Δd_i，Δd_i＝|d_i-m_z|，判断比较Δd_i与3倍标准差的大小，将Δd_i大于3倍标准差的测距差值d_i列为异常值，异常值集合s＝{d_i|Δd_i＞3stdv_z}，将异常值从测距差值序列中剔除；

步骤4：计算剔除异常值后的测距差值序列的噪声能量，选出噪声能量最小的信号周期作为测距周期；

噪声能量D的计算式如下

式中

n'表示剔除异常值后测距差值序列的元素数量，n'＝n-|s|-1，|s|表示异常值的数量，m'_z表示剔除异常值后测距差值序列的均值，m'_z的计算式如下

表1所示为剔除异常值即剔除噪声前后各周期对应的噪声能量，由表1可见，剔除噪声后第2周期噪声能量最小，选出2周期作为测距周期；

步骤5：试验确定阈值δ，计算选出的测距周期的置信度E_z，当E_z＞δ，则认为最小噪声能量对应的周期为正确周期的概率大；当置信度E_z＜δ，认为序列中可能仍含有噪声，或序列中回波信号来自于周切换处，最小噪声能量对应的周期为正确周期的概率小，丢弃该回波序列；

测距周期的置信度E_z的计算式如下

D_min＝min{D_i|i∈[1,4]}

式中D_min表示不同周期下剔除异常值后最小的噪声能量；

表示除最小值外其余周期下的噪声能量的平均值。当D_min对应的周期为正确周期时，则

E_z＞＞1。

表1噪声剔除前后不同周期的序列能量对比表

	1周期	2周期	3周期	4周期
					噪声剔除前	112.3	125.1	120.8	128.7
噪声剔除后	103.6	12.3	105.2	100.5

如图4所示，经噪点剔除和置信度判别后，分别按表1所示的各个周期解算得到的点云，可以看出，本发明方法选择第2周期为正确测距周期与实际相符，地形走势正常，验证了本发明方法可靠。而非正确周期的点云由于解算的测距错误，地形走势异常，呈圆弧状。

本发明的步骤3的剔除异常值即去噪，也可采用频域滤波方法,参照2012年第4期《仪表技术与传感器》刊登的方新磊等的论文“基于频域滤波的加速度信号处理”公开的频域滤波方法。

Claims (6)

1.精确选择测距周期的脉冲式激光雷达跨周期测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：调制激光脉冲发射时间，利用激光雷达发射信号，得到一组对应不同测距周期的测距值序列的回波信号；

步骤2：对各周期的测距值序列构建差分序列，计算相邻点的测距差，得到不同周期的测距差值序列；

步骤3：计算各周期的测距差值序列的均值、标准差，剔除与均值偏差大的异常值；

步骤4：计算各周期剔除异常值后测距差值序列的噪声能量，比较并选出噪声能量最小时对应的周期作为测距周期，计算距离值。

2.根据权利要求1所述的精确选择测距周期的脉冲式激光雷达跨周期测距方法，其特征在于，步骤5：计算选出的测距周期的置信度，若计算得到的置信度大于阈值，则步骤4选出的测距周期可靠；否则，丢弃该组回波信号，进行下一组回波信号的测距周期计算。

3.根据权利要求2所述的精确选择测距周期的脉冲式激光雷达跨周期测距方法，其特征在于，步骤3中，所述剔除与均值偏差大的异常值，包括以下过程：

1)计算第z个测距周期对应的测距差值序列的均值m_z和标准差stdv_z；

测距值序列R_z＝{r₁,r₂,r₃,…,r_n}，其中r_i,i＝1,2,…,n表示第i个回波信号，测距差值序列ΔR_z＝{d₁,d₂,…,d_n-1}，相邻点的测距差值d_j＝r_j+1-r_j，j＝1,2,…,n-1；

均值

标准差

2)计算测距差值序列的测距差值d_i与均值m_z的差的绝对值Δd_i，Δd_i＝|d_i-m_z|，将与均值的差大于3倍标准差的测距差值列为异常值，异常值集合s＝{d_i|Δd_i＞3stdv_z}，将异常值从测距差值序列中剔除。

4.根据权利要求3所述的精确选择测距周期的脉冲式激光雷达跨周期测距方法，其特征在于，步骤4中，所述计算剔除异常值的测距差值序列的噪声能量，噪声能量D的计算式如下

式中

n'表示剔除异常值后测距差值序列的元素数量，n'＝n-|s|-1，|s|表示异常值的数量，m'_z表示剔除异常值后测距差值序列的均值，m'_z的计算式如下

5.根据权利要求4所述的精确选择测距周期的脉冲式激光雷达跨周期测距方法，其特征在于，步骤5中，所述计算选出的测距周期的置信度，测距周期的置信度E_z的计算式如下

D_min＝min{D_z|z＝1,2,...,N}

式中D_min表示所有周期下剔除异常值后最小的噪声能量；

表示除最小值外其余周期下的噪声能量的平均值。

6.根据权利要求4所述的精确选择测距周期的脉冲式激光雷达跨周期测距方法，其特征在于，步骤5中，所述计算选出的测距周期的置信度，测距周期的置信度E_z的计算式如下

式中D_min表示所有周期下剔除异常值后最小的噪声能量；

表示除最小值外其余周期下的噪声能量的平均值。

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