CN116559822B - 一种编码脉冲移位累加的激光测距信号检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种编码脉冲移位累加的激光测距信号检测方法和系统，属于信号处理技术领域，包括：采用时钟计数值和时间间隔递增的方法，控制激光器产生激光编码脉冲波形并进行发射；实时接收所述激光编码脉冲波形，并依次进行光电转换、跨阻放大、脉冲整形滤波和后级放大处理；对后级放大处理后的激光编码脉冲波形进行采样，以获取每个发射周期内第一个子脉冲信号和其余子脉冲信号之间的时间差；将所述每个发射周期内其余子脉冲信号按照对应的时间差移到对应的第一个子脉冲信号后累加，以确定目标距离。本发明能够在测距回波信号很弱的情况下，能使信号回波的位置更加的突出，同时还能解决测距模糊以及获得较好的抗干扰性能。

Description

一种编码脉冲移位累加的激光测距信号检测方法和系统

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种编码脉冲移位累加的激光测距信号检测方法和系统。

背景技术

在远距离激光测距或测距回波信号很弱的情况下，通过信号处理的方法来实现信号增强，提高目标物的检测信噪比至关重要，对于脉冲串激光测距,为了提高信噪比通常会增加累加次数来实现，但是累加次数的增多也会影响测距系统的性能，如何在保证信噪比的情况下减少累加次数同时提高激光测距的性能是需要考虑的问题。

目前激光测距微弱信号的提取，常用的信噪比增强的方法有均匀间隔多脉冲累加和多脉冲相关检测及技术，通过将多个周期的信号叠加的方式，利用周期信号的各个周期对应位置的相关性以及白噪声的不相关性，达到提高含有噪声的周期性信号信噪比的目的，达到想要的检测信噪比，但是在回波信号较弱的情况下，对测距信号主峰位置依然较难识别。

发明内容

本发明的目的之一，在于提供一种编码脉冲移位累加的激光测距信号检测方法，该激光测距信号检测方法能够在测距回波信号很弱的情况下，能使信号回波的位置更加的突出，同时还能解决测距模糊以及获得较好的抗干扰性能。

本发明的目的之二，在于提供一种编码脉冲移位累加的激光测距信号检测系统。

为了达到上述目的之一，本发明采用如下技术方案实现：

一种编码脉冲移位累加的激光测距信号检测方法，所述激光测距信号检测方法包括：

步骤S1、采用时钟计数值和时间间隔递增的方法，控制激光器产生激光编码脉冲波形并进行发射；

所述步骤S1的具体实现过程包括：

步骤S11、对待测距目标进行距离估计，以确定激光编码脉冲波形的飞行时间；

步骤S12、根据所述激光编码脉冲波形的飞行时间，计算所述激光编码脉冲波形内每个激光编码脉冲串的发射时间；

步骤S13、设置时钟频率，并按照所述时钟频率进行计数，得到所述激光编码脉冲波形的计数值；

步骤S14、根据所述时钟频率和激光编码脉冲波形的计数值，计算所述激光编码脉冲波形的发射周期；

步骤S15、获取所述激光器的最大重复频率，以确定所述每个激光编码脉冲串内相邻子脉冲之间的最小时间间隔；

步骤S16、根据所述每个激光编码脉冲串的发射时间和最小时间间隔，确定每个发射周期内子脉冲的数量，并随机生成一组逐步递增的时间间隔；

步骤S17、根据所述每个激光编码脉冲串的发射时间以及逐步递增的时间间隔，产生激光编码脉冲波形；

步骤S2、实时接收所述激光编码脉冲波形，并依次进行光电转换、跨阻放大、脉冲整形滤波和后级放大处理；

步骤S3、对后级放大处理后的激光编码脉冲波形进行采样，以获取每个发射周期内第一个子脉冲信号和其余子脉冲信号之间的时间差；

步骤S4、将所述每个发射周期内其余子脉冲信号按照对应的时间差移到对应的第一个子脉冲信号后累加，以确定目标距离。

进一步的，所述逐步递增的时间间隔为等比时间间隔或等差时间间隔。

进一步的，在所述步骤S4中，所述确定目标距离的具体过程包括：

步骤S411、从各个累加后的第一个子脉冲信号中选取最大强度对应的第一个子脉冲信号的峰值；

步骤S412、根据所述最大强度对应的第一个子脉冲信号的峰值，计算目标距离。

进一步的，在所述步骤S4中，所述确定目标距离的具体过程包括：

步骤S421、对各个累加后的第一个子脉冲信号依次进行累加，直至累加后的第一个子脉冲信号对应的强度大于等于阈值为止；

步骤S422、根据所述累加后的第一个子脉冲信号的峰值，计算目标距离。

为了达到上述目的之二，本发明采用如下技术方案实现：

一种编码脉冲移位累加的激光测距信号检测系统，所述激光测距信号检测系统包括：

控制模块，用于采用时钟计数值和时间间隔递增的方法，控制激光器产生激光编码脉冲波形并进行发射；

所述控制模块包括：

距离估计子模块，用于对待测距目标进行距离估计，以确定激光编码脉冲波形的飞行时间；

第一计算子模块，用于根据所述激光编码脉冲波形的飞行时间，计算所述激光编码脉冲波形内每个激光编码脉冲串的发射时间；

计数子模块，用于设置时钟频率，并按照所述时钟频率进行计数，得到所述激光编码脉冲波形的计数值；

第二计算子模块，用于根据所述时钟频率和激光编码脉冲波形的计数值，计算所述激光编码脉冲波形的发射周期；

获取子模块，用于获取所述激光器的最大重复频率，以确定所述每个激光编码脉冲串内相邻子脉冲之间的最小时间间隔；

随机生成子模块，用于根据所述每个激光编码脉冲串的发射时间和最小时间间隔，确定每个发射周期内子脉冲的数量，并随机生成一组逐步递增的时间间隔；

产生子模块，用于根据所述每个激光编码脉冲串的发射时间以及逐步递增的时间间隔，产生激光编码脉冲波形；

处理模块，用于实时接收所述激光编码脉冲波形，并依次进行光电转换、跨阻放大、脉冲整形滤波和后级放大处理；

采样模块，用于对后级放大处理后的激光编码脉冲波形进行采样，以获取每个发射周期内第一个子脉冲信号和其余子脉冲信号之间的时间差；

移位累加模块，用于将所述每个发射周期内其余子脉冲信号按照对应的时间差移到对应的第一个子脉冲信号后累加，以确定目标距离。

进一步的，所述移位累加模块包括：

选取子模块，用于从各个累加后的第一个子脉冲信号中选取最大强度对应的第一个子脉冲信号的峰值；

第三计算子模块，用于根据所述最大强度对应的第一个子脉冲信号的峰值，计算目标距离。

进一步的，所述移位累加模块包括：

累加子模块，用于对各个累加后的第一个子脉冲信号依次进行累加，直至累加后的第一个子脉冲信号对应的强度大于等于阈值为止；

第四计算子模块，用于根据所述累加后的第一个子脉冲信号的峰值，计算目标距离。

综上，本发明提出的方案具备如下技术效果：

本发明采用时钟计数值和时间间隔递增的方法，控制激光器产生激光编码脉冲波形并进行发射；并对接收的回波信号（即激光编码脉冲波形）依次进行光电转换、跨阻放大、脉冲整形滤波和后级放大处理；配置采样频率，并对后级放大处理后的激光编码脉冲波形进行采样，以获取每个发射周期内第一个子脉冲信号和其余子脉冲信号之间的时间差；将所述每个发射周期内其余子脉冲信号按照对应的时间差移到对应的第一个子脉冲信号后累加，以确定目标距离，可以使每个子脉冲的能量达到更小，更加适合微弱脉冲信号测量，更有利于小型化设计，同时，发射的微脉冲激光采用编码的方式，可以避免测距模糊的问题，还能降低多激光器互相干扰的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明的编码脉冲移位累加的激光测距信号检测方法流程示意图；

图2为本发明的激光编码脉冲波形示意图；

图3为本发明的各个子脉冲移位结果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本实施例给出了一种编码脉冲移位累加的激光测距信号检测方法，参考图1，该激光测距信号检测方法包括：

S1、采用时钟计数值和时间间隔递增的方法，控制激光器产生激光编码脉冲波形并进行发射。

本实施例通过内部计数器实现波形编码，控制激光器发射激光编码脉冲波形，激光器发射周期性的脉冲串信号，每个发射周期内由多个子脉冲构成，本实施例中每个发射周期内有8个子脉冲。本步骤的具体实现过程包括：

步骤S11、对待测距目标进行距离估计，以确定激光编码脉冲波形的飞行时间。

本实施例的激光编码脉冲波形的飞行时间为：

R=Ct/2；

其中，R为待测距目标距离估计值；C为激光编码脉冲波形的传播速度；t为激光编码脉冲波形的飞行时间。

当待测距目标距离估计值为3km时，则激光编码脉冲波形的飞行时间t为20us，因此脉冲之间的周期要大于20us，同时为了避免距离模糊，需要控制发射脉冲（激光编码脉冲）在10us以内，以确保采样信号为经过目标反射后的10us时间内的信号。

步骤S12、根据所述激光编码脉冲波形的飞行时间，计算所述激光编码脉冲波形内每个激光编码脉冲串的发射时间。

本实施例中，每个激光编码脉冲串的发射时间为t/2，即为8个子脉冲的总发射时间。

步骤S13、设置时钟频率，并按照所述时钟频率进行计数，得到所述激光编码脉冲波形的计数值。

当时钟频率为160MHz，按照160MHz时钟频率进行计数，当计数到10000时，则发射频率为16kHz，该发射频率与原时钟同步。

步骤S14、根据所述时钟频率和激光编码脉冲波形的计数值，计算所述激光编码脉冲波形的发射周期；

当160MHz时钟频率的数据计数10⁴次，则每次发射激光编码脉冲波形的发射周期为T=计数值/时钟频率，如计数值为10⁴次，时钟频率为160MHz，则每次发射激光编码脉冲波形的发射周期T为62.5us，每个发射周期内所有子脉冲的发射时间在10us以内，参考图2。

步骤S15、获取所述激光器的最大重复频率，以确定所述每个激光编码脉冲串内相邻子脉冲之间的最小时间间隔。

当激光器的最大重复频率为1MHz时，则每个激光编码脉冲串内相邻子脉冲之间的最小时间间隔均为1us（即每个激光编码脉冲串内相邻子脉冲之间的计数值的最小差值为160）。

步骤S16、根据所述每个激光编码脉冲串的发射时间和最小时间间隔，确定每个发射周期内子脉冲的数量，并随机生成一组逐步递增的时间间隔；

本实施例中，逐步递增的时间间隔为等比时间间隔或等差时间间隔。一组逐步递增的时间间隔中每个时间间隔均大于最小时间间隔，所有时间间隔之和要小于每个激光编码脉冲串的发射时间。

步骤S17、根据所述每个激光编码脉冲串的发射时间以及逐步递增的时间间隔，产生激光编码脉冲波形。

S2、实时接收所述激光编码脉冲波形，并依次进行光电转换、跨阻放大、脉冲整形滤波和后级放大处理；

本实施例的激光编码脉冲波形通过发射光学系统照射到目标，接收光学系统对目标反射的回波信号（即激光编码脉冲波形）进行收集，并被线性探测器所探测到，输出的光电流信号通过跨阻放大器转换为光电压信号，并将其进一步放大。

S3、对后级放大处理后的激光编码脉冲波形进行采样，以获取每个发射周期内第一个子脉冲信号和其余子脉冲信号之间的时间差。

S4、将所述每个发射周期内其余子脉冲信号按照对应的时间差移到对应的第一个子脉冲信号后累加，以确定目标距离。

由于待测目标距离（即实际距离）未知，因此对回波信号（即激光编码脉冲波形）的接收的第一个子脉冲的时间不确定，知道的是每个子脉冲相对于第一个子脉冲的时间间隔，所以对回波信号采用移位累加处理的方式。对每个发射周期内各个子脉冲进行移位累加处理时，仅仅只有第一个子脉冲累加，其余子脉冲没有累加。

因此，每个激光编码脉冲串中各个子脉冲的时间间隔的总发射时间（即各个子脉冲的时间间隔之和）在10us以内（即在计数1600以内），同时每个发射周期每个相邻子脉冲的时间间隔大于1us（即在计数大于160），且在对子脉冲进行累加时，只有第一个子脉冲累加，其余子脉冲无累加，当计数值1575小于1600，各个子脉冲的时间间隔均大于160，且各个子脉冲的编码间隔大于160。

当对子脉冲的计数值随意设置时，除了第一个子脉冲，其余子脉冲有累加的现象，相邻两个子脉冲的计数值从左到右不断增加，且只有第一个子脉冲累加。

图3为子脉冲的移位过程，第一排是接收的回波信号（即激光编码脉冲波形），第二排到第八排，分别将第二子脉冲及之后的子脉冲移位到第一个子脉冲的位置，依此类推，最后进行累加。具体为：通过写使能信号，将采集的数据存储到存储器中进行缓存，并通过读使能信号，将第一排到第八排的数据读取出来，并在同步时钟下，完成累加操作。

图3中的和/>分别为第二个子脉冲、第三个子脉冲、第四个子脉冲、第五个子脉冲、第六个子脉冲、第七个子脉冲和第八个子脉冲相对第一个子脉冲的时间间隔，每个子脉冲相对于第一个子脉冲的脉冲间隔是固定的编码间隔，对各个子脉冲按照时间间隔进行移位处理，使其移动到第一个子脉冲的位置处，完成子脉冲累加。

基于上述子脉冲累加结果，本实施例可采用如下两种方式，确定目标距离：

第一种方式的具体过程包括：

步骤S411、从各个累加后的第一个子脉冲信号中选取最大强度对应的第一个子脉冲信号的峰值；

步骤S412、根据所述最大强度对应的第一个子脉冲信号的峰值，计算目标距离。

当最大强度对应的第一个子脉冲信号的峰值小于阈值时，则采用第二种方式，第二种方式的具体过程包括：

步骤S421、对各个累加后的第一个子脉冲信号依次进行累加，直至累加后的第一个子脉冲信号对应的强度大于等于阈值为止；

步骤S422、根据所述累加后的第一个子脉冲信号的峰值，计算目标距离。

本实施例采用时钟计数值和时间间隔递增的方法，控制激光器产生激光编码脉冲波形并进行发射；并对接收的回波信号（即激光编码脉冲波形）依次进行光电转换、跨阻放大、脉冲整形滤波和后级放大处理；配置采样频率，并对后级放大处理后的激光编码脉冲波形进行采样，以获取每个发射周期内子脉冲信号以及其余子脉冲信号和第一个子脉冲信号之间的时间差；将所述每个发射周期内其余子脉冲信号按照对应的时间差移到对应的第一个子脉冲信号后累加，以确定目标距离，可以使每个子脉冲的能量达到更小，更加适合微弱脉冲信号测量，更有利于小型化设计，同时，发射的微脉冲激光采用编码的方式，可以避免测距模糊的问题，还能降低多激光器互相干扰的问题。

本实施例可采用如下实施例给出的技术方案实现：

一种编码脉冲移位累加的激光测距信号检测系统，所述激光测距信号检测系统包括：

控制模块，用于采用时钟计数值和时间间隔递增的方法，控制激光器产生激光编码脉冲波形并进行发射；

处理模块，用于实时接收所述激光编码脉冲波形，并依次进行光电转换、跨阻放大、脉冲整形滤波和后级放大处理；

采样模块，用于对后级放大处理后的激光编码脉冲波形进行采样，以获取每个发射周期内第一个子脉冲信号和其余子脉冲信号之间的时间差；

移位累加模块，用于将所述每个发射周期内其余子脉冲信号按照对应的时间差移到对应的第一个子脉冲信号后累加，以确定目标距离。

进一步的，所述控制模块包括：

距离估计子模块，用于对待测距目标进行距离估计，以确定激光编码脉冲波形的飞行时间；

第一计算子模块，用于根据所述激光编码脉冲波形的飞行时间，计算所述激光编码脉冲波形内每个激光编码脉冲串的发射时间；

计数子模块，用于设置时钟频率，并按照所述时钟频率进行计数，得到所述激光编码脉冲波形的计数值；

第二计算子模块，用于根据所述时钟频率和激光编码脉冲波形的计数值，计算所述激光编码脉冲波形的发射周期；

获取子模块，用于获取所述激光器的最大重复频率，以确定所述每个激光编码脉冲串内相邻子脉冲之间的最小时间间隔；

随机生成子模块，用于根据所述每个激光编码脉冲串的发射时间和最小时间间隔，确定每个发射周期内子脉冲的数量，并随机生成一组逐步递增的时间间隔；

产生子模块，用于根据所述每个激光编码脉冲串的发射时间以及逐步递增的时间间隔，产生激光编码脉冲波形。

进一步的，所述移位累加模块包括：

选取子模块，用于从各个累加后的第一个子脉冲信号中选取最大强度对应的第一个子脉冲信号的峰值；

第三计算子模块，用于根据所述最大强度对应的第一个子脉冲信号的峰值，计算目标距离。

进一步的，所述移位累加模块包括：

累加子模块，用于对各个累加后的第一个子脉冲信号依次进行累加，直至累加后的第一个子脉冲信号对应的强度大于等于阈值为止；

第四计算子模块，用于根据所述累加后的第一个子脉冲信号的峰值，计算目标距离。

上述实施例所涉及的原理、公式及其参数定义均适用，这里不再一一赘述。

请注意，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种编码脉冲移位累加的激光测距信号检测方法，其特征在于，所述激光测距信号检测方法包括：

步骤S1、采用时钟计数值和时间间隔递增的方法，控制激光器产生激光编码脉冲波形并进行发射；

所述步骤S1的具体实现过程包括：

步骤S11、对待测距目标进行距离估计，以确定激光编码脉冲波形的飞行时间；

步骤S12、根据所述激光编码脉冲波形的飞行时间，计算所述激光编码脉冲波形内每个激光编码脉冲串的发射时间；

步骤S13、设置时钟频率，并按照所述时钟频率进行计数，得到所述激光编码脉冲波形的计数值；

步骤S14、根据所述时钟频率和激光编码脉冲波形的计数值，计算所述激光编码脉冲波形的发射周期；

步骤S15、获取所述激光器的最大重复频率，以确定所述每个激光编码脉冲串内相邻子脉冲之间的最小时间间隔；

步骤S16、根据所述每个激光编码脉冲串的发射时间和最小时间间隔，确定每个发射周期内子脉冲的数量，并随机生成一组逐步递增的时间间隔；

步骤S17、根据所述每个激光编码脉冲串的发射时间以及逐步递增的时间间隔，产生激光编码脉冲波形；

步骤S2、实时接收所述激光编码脉冲波形，并依次进行光电转换、跨阻放大、脉冲整形滤波和后级放大处理；

步骤S3、对后级放大处理后的激光编码脉冲波形进行采样，以获取每个发射周期内第一个子脉冲信号和其余子脉冲信号之间的时间差；

步骤S4、将所述每个发射周期内其余子脉冲信号按照对应的时间差移到对应的第一个子脉冲信号后累加，以确定目标距离；

在所述步骤S4中，所述确定目标距离的具体过程包括：

步骤S411、从各个累加后的第一个子脉冲信号中选取最大强度对应的第一个子脉冲信号的峰值；

步骤S412、根据所述最大强度对应的第一个子脉冲信号的峰值，计算目标距离；

或者，在所述步骤S4中，所述确定目标距离的具体过程包括：

步骤S421、对各个累加后的第一个子脉冲信号依次进行累加，直至累加后的第一个子脉冲信号对应的强度大于等于阈值为止；

步骤S422、根据所述累加后的第一个子脉冲信号的峰值，计算目标距离。

2.根据权利要求1所述的激光测距信号检测方法，其特征在于，所述逐步递增的时间间隔为等比时间间隔或等差时间间隔。

3.一种编码脉冲移位累加的激光测距信号检测系统，其特征在于，所述激光测距信号检测系统包括：

控制模块，用于采用时钟计数值和时间间隔递增的方法，控制激光器产生激光编码脉冲波形并进行发射；

所述控制模块包括：

距离估计子模块，用于对待测距目标进行距离估计，以确定激光编码脉冲波形的飞行时间；

第一计算子模块，用于根据所述激光编码脉冲波形的飞行时间，计算所述激光编码脉冲波形内每个激光编码脉冲串的发射时间；

计数子模块，用于设置时钟频率，并按照所述时钟频率进行计数，得到所述激光编码脉冲波形的计数值；

第二计算子模块，用于根据所述时钟频率和激光编码脉冲波形的计数值，计算所述激光编码脉冲波形的发射周期；

获取子模块，用于获取所述激光器的最大重复频率，以确定所述每个激光编码脉冲串内相邻子脉冲之间的最小时间间隔；

随机生成子模块，用于根据所述每个激光编码脉冲串的发射时间和最小时间间隔，确定每个发射周期内子脉冲的数量，并随机生成一组逐步递增的时间间隔；

产生子模块，用于根据所述每个激光编码脉冲串的发射时间以及逐步递增的时间间隔，产生激光编码脉冲波形；

处理模块，用于实时接收所述激光编码脉冲波形，并依次进行光电转换、跨阻放大、脉冲整形滤波和后级放大处理；

采样模块，用于对后级放大处理后的激光编码脉冲波形进行采样，以获取每个发射周期内第一个子脉冲信号和其余子脉冲信号之间的时间差；

移位累加模块，用于将所述每个发射周期内其余子脉冲信号按照对应的时间差移到对应的第一个子脉冲信号后累加，以确定目标距离；

所述移位累加模块包括：

选取子模块，用于从各个累加后的第一个子脉冲信号中选取最大强度对应的第一个子脉冲信号的峰值；

第三计算子模块，用于根据所述最大强度对应的第一个子脉冲信号的峰值，计算目标距离；

或者，所述移位累加模块包括：

累加子模块，用于对各个累加后的第一个子脉冲信号依次进行累加，直至累加后的第一个子脉冲信号对应的强度大于等于阈值为止；

第四计算子模块，用于根据所述累加后的第一个子脉冲信号的峰值，计算目标距离。