CN114994639B - 激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法，涉及激光测距技术领域。该方法包括如下步骤：将回波信号数字化，清空回波次数计数器，提取有效回波时刻数据，遍历有效回波时刻数据获取峰值数量，以峰值为中心取5个采样点数据，计算回波高斯脉冲的极值点时刻、强度及回波次数，取首次回波时刻作为激光发射时刻，取后续回波时刻作为回波时刻，最后用回波时刻减去激光发射时刻，得到激光飞行时间。本发明根据回波探测信号和激光发射信号的相干特性，通过多峰提取、拟合及回波数字化时间标签，能够精确计算得到激光在大气中的飞行时间，从而实现亚厘米级激光测距。

Description

激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，尤其是涉及一种激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法。
背景技术
激光扫描雷达作为遥测式传感器，广泛应用于测绘测量、形变监测等众多应用领域。目前主流的激光测距技术包含结构光、相位式和脉冲式测距技术，本发明采用的技术为脉冲式激光测距技术。
然而，目前脉冲式激光测距技术主流的时间间隔测量方式为TDC测量原理，其测距精度低于2cm，难以实现亚厘米级测距精度，有待改进。
发明内容
针对上述情况，本发明提供一种激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法，解决了现有目前脉冲式激光测距技术难以实现亚厘米级测距精度的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法，包括测量激光的飞行时间和激光发射角，在测量激光的飞行时间时，包括如下步骤：
步骤S11：将回波信号数字化；
步骤S12：清空回波次数计数器；
步骤S13：提取有效回波时刻数据；
步骤S14：遍历有效回波时刻数据获取峰值数量；
步骤S15：以峰值为中心取5个采样点数据；
步骤S16：通过步骤S15获得的采样点数据，计算回波高斯脉冲的极值点时刻、强度及回波次数；
步骤S17：取首次回波时刻作为激光发射时刻；
步骤S18：取后续回波时刻作为回波时刻，用回波时刻减去激光发射时刻，得到激光飞行时间。
在本发明的一些实施例中，在步骤S11中，通过回波信号的调理装置对回波信号进行调理；
回波信号的调理装置包括控制单元、ADC、可控增益跨阻放大器、可变增益放大器AGC和光电探测器，其中，控制单元包括FPGA和ARM，FPGA包括激光发射重频控制组件、RAM和RAM中的增益曲线；
控制单元通过ADC或者可控增益跨阻放大器与可变增益放大器AGC通信连接，光电探测器通过可控增益跨阻放大器与可变增益放大器AGC通信连接。
在本发明的一些实施例中，在步骤S13中，提取有效回波时刻数据包括如下步骤：
步骤S131：根据激光器触发信号清空时间计数器；
步骤S132：检测激光器触发信号幅值高于基准电平还是低于基准电平；
当激光器触发信号幅值高于基准电平时，保存采样值及对应的时间戳数据，并将该激光器触发信号记录为激光发射信号；
当激光器触发信号幅值低于基准电平时，保存采样值及对应的时间戳数据，并将该激光器触发信号记录为有效目标回波信号。
在本发明的一些实施例中，在步骤S132中，FPGA融合了多片模数转换芯片，以提高对回波信号的采样率。
在本发明的一些实施例中，在步骤S132中，FPGA融合了4片模数转换芯片；
4片模数转换芯片对应的采样时钟相位差分别为0°、90°、180°和270°。
在本发明的一些实施例中，在步骤S17中，通过激光发射时刻获取装置提取激光发射时刻；
所述激光发射时刻获取装置包括激光器、光电探测器、偏转扫描镜和反射镜等部件，其中，光电探测器包括光电转换器和接收镜；
当激光器发光后，激光器产生的光束先照射在偏转扫描镜上，再经被探测物反射至偏转扫描镜上，再经反射镜反射后，照射在光电探测器的接收镜上，再由光电转换器将光信号转变为电信号，从而通过光电探测器探测到由偏转扫描镜漫反射引起的首次回波信号，通过提取该首次回波信号的时刻能够得到精确的激光发射时刻。
在本发明的一些实施例中，采用了激光发射角的获取装置获取激光发射角；
所述激光发射角的获取装置包括延迟参数设置寄存器、延迟计数器、增量式编码器、比较器和捕获寄存器；
延迟参数设置寄存器的值通过实验标定，测量激光器触发信号与首次回波信号的时间差T1，分析激光器触发信号在FPGA内部的传输延迟T2,延迟参数设置寄存器的值为T1与T2之和；
延迟计数器接收清零信号后开始计数；
增量式编码器用于测量偏转扫描镜的旋转角度；
比较器用于计算来自于延迟计数器和参数设置寄存器的值之差，当二者的差值为零时，比较器产生激光发射角捕获信号，通过捕获寄存器锁存当前增量式编码器的数据，该数据即为精准的激光发射角。
在本发明的一些实施例中，采用示波器测量激光器触发信号与首次回波信号的时间差T1。
在本发明的一些实施例中，用FPGA设计软件分析激光器触发信号在FPGA内部的传输延迟T2。
在本发明的一些实施例中，所述清零信号为激光器触发信号。
本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：
本发明根据回波探测信号和激光发射信号的相干特性，通过多峰提取、拟合及回波数字化时间标签，能够精确计算得到激光在大气中的飞行时间，从而实现亚厘米级激光测距。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为测量激光飞行时间的流程示意图；
图2为回波信号的调理装置的逻辑控制框图；
图3为提取有效回波时刻数据时的流程示意图；
图4为多片模数转换芯片进行融合的示意图；
图5为激光发射时刻获取装置的示意图；
图6为光电探测器探测的回波信号的示意图；
图7为激光发射角的获取装置的硬件逻辑示意图；
图8为T1与T2的时序边界示意图。
图标：
11-激光器，12-光电转换器，13-接收镜，14-偏转扫描镜，15-反射镜，
21-控制单元，211-FPGA，212-ARM，2121-激光发射重频控制组件，2122-RAM，2123-增益曲线，22-ADC，23-可控增益跨阻放大器，24-可变增益放大器AGC，25-光电探测器，
31-延迟参数设置寄存器，32-延迟计数器，33-增量式编码器，34-比较器，35-捕获寄存器。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
实施例
激光扫描雷达作为遥测式传感器，广泛应用于测绘测量、形变监测等众多应用领域。目前主流的激光测距技术包含结构光、相位式和脉冲式测距技术，本发明采用的技术为脉冲式激光测距技术。目前脉冲式激光测距技术主流的时间间隔测量方式为TDC测量原理，其测距精度低于2cm，难以达到亚厘米级测量精度。
由于激光扫描雷达的探测距离较远，为了达到亚厘米级测量精度，需要精准测量激光的飞行时间和获取激光发射角。本发明提供一种激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法，其不使用TDC测量原理，而是直接采用全波形数字化方案，通过分析回波高斯脉冲的极值点时刻，推导计算激光飞行时间，再结合对激光发射角的精准获取，从而使激光扫描雷达能够达到亚厘米级测量精度。
下文将结合图1～图8对如何测量激光的飞行时间和获取激光发射角做具体的说明。
请参照图1，在测量激光的飞行时间时，主要可以包括如下步骤：
步骤S11：将回波信号数字化，得到数字化波形；
步骤S12：清空回波次数计数器，回波次数计数器用于回波次数计数；
步骤S13：提取有效回波时刻数据；
步骤S14：遍历有效回波时刻数据获取峰值数量，即多峰提取；
步骤S15：以峰值为中心取5个采样点数据；
步骤S16：通过步骤S15获得的采样点数据，计算回波高斯脉冲的极值点时刻（即回波时刻）、强度及回波次数；
步骤S17：取首次回波时刻作为激光发射时刻；
步骤S18：取后续回波时刻作为回波时刻，用回波时刻减去激光发射时刻，得到激光飞行时间。
为实现对激光飞行时间的测量、计算，需要提取到激光发射时刻和回波时刻，用回波时刻减去激光发射时刻，从而得到激光飞行时间。要提取到回波时刻就需要将回波信号数字化，从而得到数字化波形。为从数字化波形中提取到回波时刻，则要求对每个采样点标记时间戳数据。本发明为减小目前在提取激光发射时刻和回波时刻的厘米级误差，根据回波探测信号和激光发射信号的相干特性，通过多峰提取（多峰信号参照图6）、拟合及回波数字化时间标签，能够精确计算得到激光在大气中的飞行时间，从而实现亚厘米级激光测距。
为了减小提取的回波时刻偏差，在步骤S11中，将回波信号数字化，得到数字化波形时，需要保证回波数字化信号不失真放大，而要保证回波数字化信号不失真放大的基本前提为，放大后的信号不饱和。
为了实现回波数字化信号的不饱和放大，在步骤S11中，通过回波信号的调理装置对回波信号进行调理，该回波信号的调理装置在具备远距离探测能力的前提下，能够保证回波数字化信号不失真。请参照图2，该回波信号的调理装置主要可以包括控制单元、ADC（模数转换芯片）、可控增益跨阻放大器、可变增益放大器AGC和光电探测器，其中，控制单元通过ADC或者可控增益跨阻放大器与可变增益放大器AGC通信连接，光电探测器通过可控增益跨阻放大器与可变增益放大器AGC通信连接。具体的，控制单元包括FPGA和ARM，FPGA又包括激光发射重频控制组件、RAM和RAM中的增益曲线。
一般激光扫描雷达的测量频率根据不同的作业高度和不同的点云密度，需要设备有不同的激光发射重频，根据激光器在发射平均功能率不变的情况下，激光脉冲峰值功率随激光发射重频的提高而降低的特性，需要对不同的激光器发射频率定义不同的增益曲线，相应的逻辑控制框图如图2所示，回波信号的调理装置通过动态更新RAM中的增益曲线的数据，实现在不同激光发射重频下的增益曲线的动态调整，从而实现回波数字化信号的不饱和放大，以便于实现对回波数字化信号的回波时刻的准确提取。
由于回波信号带宽高，为较好的还原波形真实情况，需使用较高采样率的模数转换芯片，加之需对每个采样点都进行时刻标记，使得数据传输带宽及数据运算所消耗的资源极大，对硬件要求较高。
请参照图3，为降低对硬件资源的需求，本发明在步骤S13中，提取有效回波时刻数据时，主要可以包括如下步骤：
步骤S131：根据激光器触发信号清空相对时间计数器（每个采样点计数器增加1），相对时间计数器用于回波的采样点计数；
步骤S132：检测激光器触发信号幅值高于基准电平还是低于基准电平。当激光器触发信号幅值高于基准电平时，保存采样值及对应的时间戳数据，并将该激光器触发信号记录为激光发射信号；当激光器触发信号幅值低于基准电平时，保存采样值及对应的时间戳数据，并将该激光器触发信号记录为有效目标回波信号，从而在降低对硬件资源的需求的前提下，实现对有效回波时刻数据的提取。
请参照图4，在步骤S132中，为了实现对回波信号的高采样率，以保证回波信号采样时刻的准确性，FPGA融合了多片ADC，在融合多片ADC时，ADC的时钟相位差将根据融合ADC的片数进行均分，例如当FPGA融合了4片ADC时，4片ADC并行，4片ADC对应的采样时钟相位差分别为0°、90°、180°、270°。
在步骤S16中，计算回波高斯脉冲的极值点时刻的方法，包括如下步骤：
步骤S161：在通过步骤S15获得的采样点数据中，取包含拐点的3个数据，分别记为P(t1)、P(t2)和P(t3)，其对应的时刻分别为t1、t2和t3，其中P(t1)为最大值，从而获取到（t1,P(t1)）、(t2,P(t2))和（t3,P(t3)）这三个点坐标。
步骤S162：将步骤S161获取到的三个点坐标（t1,P(t1)）、(t2,P(t2))和（t3,P(t3)）进行多项式二次插值，在通过上述三个点坐标建立的多项式上存在一个极值点（t，P(t)），该点即为所求的回波时刻。具体的，通过（t1,P(t1)）,(t2,P(t2)),（t3,P(t3)）三个点坐标建立的多项式存在以下关系：
Figure 607617DEST_PATH_IMAGE001
Figure 807654DEST_PATH_IMAGE002
Figure 879646DEST_PATH_IMAGE003
Figure 165134DEST_PATH_IMAGE004
根据上面的方程解算出
Figure 433305DEST_PATH_IMAGE005
可以得到，
Figure 238581DEST_PATH_IMAGE006
，
令P(t)=0可以解算得到对应的回波高斯脉冲的极值点时刻t（即回波时刻），
Figure 402846DEST_PATH_IMAGE007
。
步骤S163：重复步骤14～步骤16，按照上述计算回波高斯脉冲的极值点时刻的方法，可获取数字化波形中更多的回波时刻。
在步骤S17中，取首次回波时刻作为激光发射时刻的原因是，一般在厘米级测距精度的应用条件下，可以将激光器的触发信号作为激光发射时刻的基准，而要实现亚厘米级激光测距时，由于激光器的触发信号与激光器实际出光之间存在随机抖动，导致直接使用激光器触发信号作为激光发射时刻的基准已经不能满足要求，因此，需要取首次回波时刻作为激光发射时刻。在本实施例中，通过激光发射时刻获取装置实际监测激光的出光信号，以便于精准地提取激光发射时刻。
具体而言，请参照图5，激光发射时刻获取装置主要可以包含激光器、光电探测器、偏转扫描镜和反射镜等部件，其中，光电探测器包括光电转换器和接收镜，偏转扫描镜为激光扫描雷达的扫描机构的一部分。当激光器发光后，激光器产生的光束先照射在偏转扫描镜上，再经被探测物反射至偏转扫描镜上，再经反射镜反射后，照射在光电探测器的接收镜上，再由光电转换器将光信号转变为电信号，从而通过光电探测器探测到由偏转扫描镜漫反射引起的首次回波信号，通过提取该首次回波信号的时刻可以得到精确的激光发射时刻。光电探测器探测的回波信号的波形如图6所示。
要实现亚厘米级测量位置偏差，就需要精确获取激光发射角，而激光扫描雷达的偏转扫描镜为机械式旋转结构，其依靠镜面偏转实现点到线的扫描，在作业距离较远的条件下，由于偏转扫描镜作为激光扫描雷达的扫描机构，存在着偏转速度大、转速不稳定，电路及激光器的延时较高，同时由于设计工程量大，FPGA布局布线延迟不准确等不利因素，导致通过直接测量偏转扫描镜的旋转角度而获取的角度数据，并不能反应真实的激光发射角。
为了应对上述情况，本发明采用了激光发射角的获取装置，其通过动态软件调整的方式获取激光发射角，其硬件逻辑如图7所示。
激光发射角的计算装置主要可以包括延迟参数设置寄存器、延迟计数器、增量式编码器、比较器和捕获寄存器。
延迟参数设置寄存器的值通过实验标定，采用示波器测量激光器触发信号与首次回波信号的时间差T1，并用FPGA设计软件分析激光器触发信号在FPGA内部的传输延迟T2,延迟参数设置寄存器的值为T1与T2之和,其时序边界如图8所示。
延迟计数器接收清零信号（激光器触发信号）后开始计数。
增量式编码器用于测量偏转扫描镜的旋转角度。
比较器用于计算来自于延迟计数器和参数设置寄存器的值之差，当二者的差值为零时，比较器产生激光发射角捕获信号，通过捕获寄存器锁存当前增量式编码器的数据，该数据即为精准的激光发射角，如此，便消除了因逻辑延时、电路延时等导致的不确定时间偏差，确保激光作用在偏转扫描镜的瞬间完成偏转扫描镜的旋转角度捕获，保证了激光发射角的测量精度。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法，其特征在于，精准测量激光的飞行时间和激光发射角，其中，在测量激光的飞行时间时，包括如下步骤：
步骤S11：将回波信号数字化；
步骤S12：清空回波次数计数器；
步骤S13：提取有效回波时刻数据；
步骤S14：遍历有效回波时刻数据获取峰值数量；
步骤S15：以峰值为中心取5个采样点数据；
步骤S16：通过步骤S15获得的采样点数据，计算回波高斯脉冲的极值点时刻、强度及回波次数；
步骤S17：取首次回波时刻作为激光发射时刻；
步骤S18：取后续回波时刻作为回波时刻，用回波时刻减去激光发射时刻，得到激光飞行时间；
采用激光发射角的获取装置获取激光发射角；
所述激光发射角的获取装置包括延迟参数设置寄存器、延迟计数器、增量式编码器、比较器和捕获寄存器；
延迟参数设置寄存器的值通过实验标定，测量激光器触发信号与首次回波信号的时间差T1，分析激光器触发信号在FPGA内部的传输延迟T2,延迟参数设置寄存器的值为T1与T2之和；
延迟计数器接收清零信号后开始计数；
增量式编码器用于测量偏转扫描镜的旋转角度；
比较器用于计算来自于延迟计数器和参数设置寄存器的值之差，当二者的差值为零时，比较器产生激光发射角捕获信号，通过捕获寄存器锁存当前增量式编码器的数据，该数据即为精准的激光发射角。
2.根据权利要求1所述的激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法，其特征在于，
在步骤S11中，通过回波信号的调理装置对回波信号进行调理；
所述回波信号的调理装置包括控制单元、ADC、可控增益跨阻放大器、可变增益放大器AGC和光电探测器，其中，控制单元包括FPGA和ARM，FPGA包括激光发射重频控制组件、RAM和RAM中的增益曲线；
控制单元通过ADC或者可控增益跨阻放大器与可变增益放大器AGC通信连接，光电探测器通过可控增益跨阻放大器与可变增益放大器AGC通信连接。
3.根据权利要求2所述的激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法，其特征在于，在步骤S13中，提取有效回波时刻数据包括如下步骤：
步骤S131：根据激光器触发信号清空时间计数器；
步骤S132：检测激光器触发信号幅值高于基准电平还是低于基准电平；
当激光器触发信号幅值高于基准电平时，保存采样值及对应的时间戳数据，并将该激光器触发信号记录为激光发射信号；
当激光器触发信号幅值低于基准电平时，保存采样值及对应的时间戳数据，并将该激光器触发信号记录为有效目标回波信号。
4.根据权利要求3所述的激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法，其特征在于，在步骤S132中，FPGA融合了多片模数转换芯片，以提高对回波信号的采样率。
5.根据权利要求4所述的激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法，其特征在于，
在步骤S132中，FPGA融合了4片模数转换芯片；
4片模数转换芯片对应的采样时钟相位差分别为0°、90°、180°和270°。
6.根据权利要求1所述的激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法，其特征在于，
在步骤S17中，通过激光发射时刻获取装置提取激光发射时刻；
所述激光发射时刻获取装置包括激光器、光电探测器、偏转扫描镜和反射镜，其中，光电探测器包括光电转换器和接收镜；
当激光器发光后，激光器产生的光束先照射在偏转扫描镜上，再经被探测物反射至偏转扫描镜上，再经反射镜反射后，照射在光电探测器的接收镜上，再由光电转换器将光信号转变为电信号，从而通过光电探测器探测到由偏转扫描镜漫反射引起的首次回波信号，通过提取该首次回波信号的时刻能够得到精确的激光发射时刻。
7.根据权利要求1所述的激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法，其特征在于，采用示波器测量激光器触发信号与首次回波信号的时间差T1。
8.根据权利要求1所述的激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法，其特征在于，用FPGA设计软件分析激光器触发信号在FPGA内部的传输延迟T2。
9.根据权利要求1所述的激光扫描雷达实现亚厘米级测量精度的方法，其特征在于，所述清零信号为激光器触发信号。
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