CN113341428A - 一种测距信号处理方法及信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测距信号处理方法及信号处理电路，该方法具体为，S1：接收目标回光信号；S2：对目标回光信号进行可变增益放大；S3：可变增益放大后的目标回光信号经过比较器后输出包含噪声信号的回光信号；S4：通过数字信号处理，在包含噪声信号的回光信号中提取回光信号，根据出光信号和回光信号的计时时刻得到目标距离。本发明通过同一个目标的回光信号计时终点时刻的相关性以及噪声信号与回光信号计时终点时刻的不相关性，数字处理方法从噪声中提取目标回光信号而得到目标距离，在激光功率一定的情况下提高测量距离。

Description

一种测距信号处理方法及信号处理电路

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，尤其涉及一种测距信号处理方法及信号处理电路。

背景技术

在激光雷达、激光测距系统中，典型测距频率5Hz～5kHz，在有限的激光发射能量情况下，为了保证足够的测程，同时满足适当的准侧率、虚警率，测距设备中的雪崩光电二极管(APD)偏置电压、放大电路的增益、测距接收信号触发阈值等参数有一个最佳值。为了提高测距系统的测程，如果提高雪崩光电二极管(APD)偏置电压、提高放大电路的增益、降低测距接收信号触发阈值，将使得更远距离反射回来的更弱的回光信号可以被探测，但受限于APD探测器、放大电路的信噪比限制，必然会产生更高的虚警率，难以满足应用要求。

为了解决这个矛盾，目前国内外较为广泛采用的一种方法是三脉冲测距法，即一次测距过程中，在很短的时间间隔内(典型ms量级)相继发射三个激光脉冲，通过信号累加等方法，在增加测程的同时提高信噪比降低虚警率。但这种方法使得激光器的消耗功率增加，增加了散热负担，体积和重量增大。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种测距信号处理方法及信号处理电路,通过同一个目标的回光信号计时终点时刻的相关性以及噪声信号与回光信号计时终点时刻的不相关性，数字处理方法从噪声中提取目标回光信号而得到目标距离，在激光功率一定的情况下提高测量距离。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

本发明提供了一种测距信号处理方法，包括：

S1：接收目标回光信号；

S2：对目标回光信号进行可变增益放大；

S3：可变增益放大后的目标回光信号经过比较器后输出包含噪声信号的回光信号；

S4：通过数字信号处理，在包含噪声信号的回光信号中提取回光信号，根据出光信号和回光信号的计时时刻得到目标距离。

进一步的，可变增益放大的增益为在没有回光信号时，每次测距在比较器输出10-100个噪声信号。

进一步的，提取回光信号具体包括：

S41：将连续三次测距得到的包含噪声信号的回光信号作为输入信号；

S42：以激光测距机每次出光信号作为计时起点T₀，目标回光信号作为计时终点T_B，每次测距测得的计时终点时刻为T_B,i，通过T_B,i的相关性在信号中提取出目标的回光时刻T_B。

进一步的，通过T_B,i的相关性在信号中提取出目标的回光时刻T_B具体为：

设允许的测距误差换算成时间为△T_V，定义第i次测距在比较器输出的脉冲序列是X_i，定义x_i,j是X_i中第j个脉冲的上升沿时刻，以出光时刻作为时刻0，其中j＝0～n-1，n是X_i中包含的脉冲个数，取第i次测距的前两次测距得到的脉冲序列X_i-1,X_i-2，按下列步骤计算：

A：计算序列X_i,X_i-1，对于每一个x_i,j，计算

ΔT_1,j,k＝|x_i,j-x_i-1,k|，

其中，(k＝0～n_i-1-1)；取向量

中的最小值保存到结果△T_1,j；取向量

中的最小值保存到结果△T₁并记下其下标到结果I₁；

B：与步骤A同样的方法计算序列X_i,X_i-2，得到结果△T₂和I₂；

C：如果△T₁≤△T_V且△T₂≤△T_V且I₁等于I₂则表示此次测距探测到了有效回光，回光信号的上升沿时刻为

目标距离等于

否则此次测距结果无效。

本发明还提供了一种测距信号处理电路，包括：信号接收单元、信号增益单元、比较器和数字信号处理单元；

信号接收单元接收目标回光信号并将目标回光信号输出至信号增益单元，信号增益单元输出连接到比较器，比较器输出数字信号到数字信号处理单元进行数字信号处理。

进一步的，信号接收单元采用雪崩光电二极管。

进一步的，雪崩光电二极管内含前置放大器。

进一步的，信号增益单元为可变增益放大器。

进一步的，可变增益放大器的增益为在没有回光信号时每次测距在比较器输出10-100个噪声信号。

进一步的，数字信号处理单元采用现场可编程门阵列。

本发明的有益效果在于：

本发明通过提高放大电路的增益，在包含噪声的测距回光信号中，利用前后相邻激光脉冲测距回光信息的统计特征和目标运动学特征，剔除噪声触发信号，获得真实目标的距离信息，在不降低虚警率和准测率的情况下，提高了测距系统的有效测程。

附图说明

图1是本发明提供的一种测距信号处理方法流程框图；

图2是本发明实施例2提供的一种测距信号处理电路结构图；

图3是本发明实施例3提供的一种测距信号处理电路结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中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。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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

如附图1所示是本优选实施例提供的一种测距信号处理方法流程框图，测距信号处理方法具体步骤如下：

S1：通过雪崩光电二极管接收目标回光信号，并将目标回光信号输出至可变增益放大器。

S2：通过可变增益放大器对目标回光信号进行可变增益放大，使信号尽量饱和来增加测距灵敏度。

优选地，可变增益放大器的增益为在没有回光信号时，每次测距在比较器输出10-100个噪声信号。

提高信号增益，可以测量更弱的输入信号，也就意味着可以测量更远距离，但会带来输入噪声变大，若采样常规算法将导致有效目标探测概率显著降低，若采用本实施例提供的信号处理算法就可以在增加测量距离的前提下有效目标探测概率得到提高。理论上信号增益还可以提高，但会导致后级信号处理的运算量太大而增加成本，10-100个噪声是实际运用中的折中选择。

S3：可变增益放大后的目标回光信号经过比较器后将包含噪声信号的回光信号输出至现场可编程门阵列。

S4：通过现场可编程门阵列对包含噪声信号的回光信号进行数字信号处理，在包含噪声信号的回光信号中提取回光信号，根据出光信号和回光信号的计时时刻得到目标距离。

优选地，将连续三次测距得到的包含噪声信号的回光信号作为输入信号。

以激光测距机每次出光信号作为计时起点T₀，目标回光信号作为计时终点T_B，每次测距测得的计时终点时刻为T_B,i，通过T_B,i的相关性在信号中提取出目标的回光时刻T_B。

具体地，通过T_B,i的相关性在信号中提取出目标的回光时刻T_B包括以下步骤：

设允许的测距误差换算成时间为△T_V，

其中，c为光速，△D为允许的测距误差。

定义第i次测距在比较器输出的脉冲序列是X_i，定义x_i,j是X_i中第j个脉冲的上升沿时刻，以出光时刻作为时刻0，其中j＝0～n-1，n是X_i中包含的脉冲个数，取第i次测距的前两次测距得到的脉冲序列X_i-1,X_i-2，按下列步骤计算：

A：计算序列X_i,X_i-1，对于每一个x_i,j，计算

ΔT_1,j,k＝|x_i,j-x_i-1,k|，

其中，(k＝0～n_i-1-1)；取向量

中的最小值保存到结果△T_1,j；取向量

中的最小值保存到结果△T₁并记下其下标到结果I₁。

B：与步骤A同样的方法计算序列X_i,X_i-2，得到结果△T₂和I₂；

C：如果△T₁≤△T_V且△T₂≤△T_V且I₁等于I₂则表示此次测距探测到了有效回光，回光信号的上升沿时刻为

目标距离等于

否则此次测距结果无效。

本实施例提供的一种信号处理方法，通过提高放大电路的增益，在包含噪声的测距回光信号中，利用前后相邻激光脉冲测距回光信息的统计特征和目标运动学特征，剔除噪声触发信号，获得真实目标的距离信息，在不降低虚警率和准测率的情况下，提高了测距系统的有效测程。

实施例2

如附图2所示是本优选实施例提供的一种信号处理电路结构图，该信号处理电路具体包括接收目标回光信号的雪崩光电二极管，雪崩光电二极管的输出信号连接到可变增益放大器进行可变增益放大，可变增益放大器输出连接到比较器，比较器输出数字信号连接到现场可编程门阵列进行数字信号处理，通过数字信号处理得到目标距离。

其中，可变增益放大器用于使信号尽量饱和以增加测距灵敏度。

优选地，通过现场可编程门阵列对可变增益放大器的增益进行控制，可变增益放大器的增益调节为在没有回光信号时，每次测距在比较器输出10-100个噪声信号。

本优选实施例提供的信号处理电路，通过调节可变放大器的增益到足够高，使比较器输出包含噪声信号和回光信号，在FPGA中通过数字处理方法从噪声中提取目标回光信号而得到目标距离，在激光功率一定的情况下提高测量距离，理想条件下能提高到常规测距方法的1.4倍。

实施例3

如附图3所示是本优选实施例提供的另一种信号处理电路结构图，该信号处理电路具体包括接收目标回光信号的内含前置放大器的雪崩光电二极管，雪崩光电二极管的输出信号连接到可变增益放大器进行可变增益放大，可变增益放大器输出连接到比较器，比较器输出数字信号连接到现场可编程门阵列进行数字信号处理，通过数字信号处理得到目标距离。

其中，可变增益放大器用于使信号尽量饱和以增加测距灵敏度。

优选地，通过现场可编程门阵列对可变增益放大器的增益进行控制，可变增益放大器的增益调节为在没有回光信号时，每次测距在比较器输出10-100个噪声信号。

本优选实施例提供的信号处理电路，与实施例2相同的有益效果不再进行赘述，采用内含前置放大器的雪崩光电二极管，相比于一般的雪崩光电二极管具有更高的信噪比，因此可以测量更远的距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测距信号处理方法，其特征在于，包括：

S1：接收目标回光信号；

S2：对目标回光信号进行可变增益放大；

S3：可变增益放大后的目标回光信号经过比较器后输出包含噪声信号的回光信号；

S4：通过数字信号处理，在包含噪声信号的回光信号中提取回光信号，根据出光信号和回光信号的计时时刻得到目标距离。

2.如权利要求1所述的测距信号处理方法，其特征在于，所述可变增益放大的增益为在没有回光信号时，每次测距在比较器输出10-100个噪声信号。

3.如权利要求1所述的测距信号处理方法，其特征在于，所述提取回光信号具体包括：

S41：将连续三次测距得到的包含噪声信号的回光信号作为输入信号；

S42：以激光测距机每次出光信号作为计时起点T₀，目标回光信号作为计时终点T_B，每次测距测得的计时终点时刻为T_B,i，通过T_B,i的相关性在信号中提取出目标的回光时刻T_B。

4.如权利要求3所述的测距信号处理方法，其特征在于，所述通过T_B,i的相关性在信号中提取出目标的回光时刻T_B具体为：

设允许的测距误差换算成时间为△T_V，

其中，c为光速，△D为允许的测距误差；

定义第i次测距在比较器输出的脉冲序列是X_i，定义x_i,j是X_i中第j个脉冲的上升沿时刻，以出光时刻作为时刻0，其中j＝0～n-1，n是X_i中包含的脉冲个数，取第i次测距的前两次测距得到的脉冲序列X_i-1,X_i-2，按下列步骤计算：

A：计算序列X_i,X_i-1，对于每一个x_i,j，计算

ΔT_1,j,k＝|x_i,j-x_i-1,k|，

其中，(k＝0～n_i-1-1)；取向量

中的最小值保存到结果△T_1,j；取向量

中的最小值保存到结果△T₁并记下其下标到结果I₁；

B：与步骤A同样的方法计算序列X_i,X_i-2，得到结果△T₂和I₂；

C：如果△T₁≤△T_V且△T₂≤△T_V且I₁等于I₂则表示此次测距探测到了有效回光，回光信号的上升沿时刻为

目标距离等于

否则此次测距结果无效。

5.一种测距信号处理电路，其特征在于，包括：信号接收单元、信号增益单元、比较器和数字信号处理单元；

信号接收单元接收目标回光信号并将目标回光信号输出至信号增益单元，信号增益单元输出连接到比较器，比较器输出数字信号到数字信号处理单元进行数字信号处理。

6.如权利要求5所述的测距信号处理电路，其特征在于，所述信号接收单元采用雪崩光电二极管。

7.如权利要求6所述的测距信号处理电路，其特征在于，所述雪崩光电二极管内含前置放大器。

8.如权利要求5所述的测距信号处理电路，其特征在于，所述信号增益单元为可变增益放大器。

9.如权利要求8所述的测距信号处理电路，其特征在于，所述可变增益放大器的增益为在没有回光信号时每次测距在比较器输出10-100个噪声信号。

10.如权利要求5所述的测距信号处理电路，其特征在于，所述数字信号处理单元采用现场可编程门阵列。

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