CN1327240C

CN1327240C - 激光测距仪脉冲回波处理方法及装置

Info

Publication number: CN1327240C
Application number: CNB2004100184919A
Authority: CN
Inventors: 张立; 胡以华; 舒嵘; 陈育伟; 薛永祺; 王建宇; 张海洪
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: CN1580815A

Abstract

一种激光测距仪脉冲回波处理方法，包括以下步骤：a.将激光主波通过固定门限以产生起始计数脉冲到时间测量电路，使其两个时间测量通道同时开始测量；b.将激光回波放大后同时送入时间测量电路的两个时间测量通道同时进行测量，其中，第一时间测量通道使用上升沿触发，第二时间测量通道使用下降沿触发；c.将两个时间测量通道的测量値进行平均，得到时间测量値；d.将两个时间测量通道的测量値取差値，可得到灰度値。本发明消除了由脉冲幅度和形状变化引起的漂移误差，又可得到目标的灰度値，实现了距离和灰度的一体化精密测量，且电路简单，易于实现。

Description

激光测距仪脉冲回波处理方法及装置

技术领域

本发明涉及激光测距领域，特别是关于一种激光测距仪脉冲回波处理方法及装置。

背景技术

利用高亮度、高方向性和高相干性的激光对目标作探测而进行激光直接成像技术，可以构成对地观测或地面景物的激光直接成像三维系统。采用激光作有源辐射，不仅仅利用激光测距，还探测激光回波携带的目标反射强度信息。通过探测激光回波脉冲携带的目标距离和反射强度信息，可以获得地面目标每个像元高分辨率的距离数据和灰度像。在地面景物成像中，可以很容易地得到目标地三维轮廓图。在对地观测成像中，结合全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)可以直接得到地物的三维影像信息，而且，其图像和三维坐标是完全匹配的，无需另外的地面控制点，进一步，还可以达到对目标的三维识别和分类，实现高分辨率、高效、准确、主动、直接地对地三维成像。激光遥感成像可以获得很高的空间分辨率，无需内差即可获得均匀高分辨率的数字高程图，信息处理的效率很高。激光遥感成像以激光作有源光源，主动遥感方式较少受环境、气候、目标光照和对比度的影像，可以全天候工作，特别适合于工程应用和军事观察。随着激光器及其探测技术的日益发展，在这方面的研究与应用必将越来越广泛。

激光成像的基本原理是向目标发射窄激光束脉冲，然后探测该目标上的被照射点的激光回波。一个回波能够给出一个或多个目标的距离信息和灰度信息。

时间测量单元是用来测量起止信号之间的时间间隔。要想精确获得出射激光脉冲到目标反射的激光回波之间的时间，必须确定回波脉冲的时刻，从而精确的测量出目标的距离。目前时刻鉴别的方法主要有三种：前沿鉴别、恒定比值鉴别和高通容阻鉴别。前沿鉴别法是通过固定域值方式来确定起止时刻，即以脉冲前沿中强度等于所预设域值的点到达的时刻作为起止时刻。这种方法实现简单，但是由脉冲幅度和形状变化引起的漂移误差很大。恒定比值鉴别取脉冲上升沿半高点到达的时刻为起止时刻，它可以克服前沿鉴别法中由于脉冲幅度和形状变化引起的漂移误差。高通容阻时刻鉴别法将接收线路输出的信号脉冲通过一高通阻容滤波线路，原来的极值点变为零点，以此作为起止时刻点。

在以上三种时刻鉴别方法中，前沿鉴别最容易实现，误差也最大。恒定比值鉴别和高通容阻鉴别法实现起来比前沿鉴别困难。

进一步地，激光成像不仅要获得距离信息，还要获得灰度信息。以上的三种方法，在测距的同时本身不能直接获取目标的灰度信息，而根据上面的介绍在激光成像过程中灰度信息是必须的。因此采用上述方法的激光测距系统中还需要外加一套灰度信号处理系统才能采集激光成像所必需的灰度信息，而这将大大增加系统的复杂度和造价。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的困难，提供一种激光测距仪脉冲回波处理方法消除由脉冲幅度和形状变化引起的漂移误差。

为实现上述目的，本发明提供一种激光测距仪脉冲回波处理方法，包括以下步骤：a.将激光主波通过固定门限以产生起始计数脉冲到时间测量电路，使时间测量电路的两个时间测量通道同时开始测量；b.将激光回波放大后同时送入时间测量电路的两个时间测量通道同时进行测量，这两个时间测量通道均通过固定域值方式来确定停止时刻，所不同的是：第一时间测量通道使用上升沿触发，第二时间测量通道使用下降沿触发；c.将两个时间测量通道的测量值进行平均，得到时间测量值。

进一步的，本发明利用在激光发散角很小的情况下目标的灰度与两个时间测量通道测量值的差有对应关系，可实现距离和灰度的一体化精密测量，根据测得的时间测量值以及求距离的公式，计算出所测的距离值；利用扩束镜对所述的激光主波压缩发散角，再根据灰度与两个时间测量值的差的对应关系，通过差值反推出目标的灰度。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述激光测距仪脉冲回波处理方法的激光测距仪脉冲回波处理装置。

为实现上述目的，本发明提供一种激光测距仪脉冲回波处理装置，由脉冲激光器、扩束镜、接收光学系统、探测器及放大电路、时间测量电路和数字信号处理单元组成，所述的时间测量电路具有两个独立的时间测量通道，第一时间测量通道采用上升沿触发停止计数，第二时间测量通道采用下降沿触发停止计数。

所述的两个时间测量通道均采用固定域值触发，探测器及放大电路将回波脉冲同时送到时间测量电路的两个时间测量通道；激光脉冲经过扩束镜压缩发散角后经过一个半透半反镜将一小部分激光能量反射到主波探测器，主波探测器通过一个固定门限产生起始计数脉冲到时间测量电路，使时间测量电路的两个通道时间测量同时开始测量；所述的数字信号处理单元求出两个时间测量通道测得的值的差值，并利用这个差值算出灰度值；所述的数字信号处理单元将两个时间测量通道测得的值进行平均，并以此算出距离值。

因为激光主波脉冲的幅度和形状稳定，不会引起漂移误差，因此本发明利用激光主波脉冲产生计数脉冲来触发时间测量电路工作。本发明通过对同一信号的上升沿和下降沿进行测量，可获取两个时间测量值。时间值的测量分辨率可以做到120ps以上，实现了精密测量。将这两个时间测量值进行平均，就可以消除由脉冲幅度和形状变化引起的漂移误差。同时，在激光发散角很小的情况下，目标的灰度与这两个时间测量值的差有对应关系，可以通过差值反推出目标的灰度。因为两个时间测量值的差也是通过精密测量计算出来的，所以时间差也是精密的。故而目标的灰度测量也是精密的。

综上所述，本发明的优点在于：通过精密时间测量电路的不同通道对同一激光回波脉冲的上升沿和下降沿进行测量，不用外加其它电路，既可以消除由脉冲幅度和形状变化引起的漂移误差，又可以得到目标的灰度值，实现了距离和灰度的一体化精密测量。系统使用全数字、一体化的方法，电路简单，易于实现。

以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的激光测距仪脉冲回波处理装置的结构示意图。

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，现就结合附图说明如下：

在本发明的一个实施例中，一种激光测距仪脉冲回波处理方法首先将激光主波通过固定门限以产生起始计数脉冲到时间测量电路，使时间测量电路的两个时间测量通道同时开始测量。这是因为激光主波脉冲的幅度和形状稳定，不会引起漂移误差。因而采用激光主波脉冲来触发时间测量通道的工作，从根源上避免了漂移误差的影响，同时激光主波通过固定门限的筛选，确保了触发条件的稳定可靠。

然后将激光回波放大后同时送入时间测量电路的两个时间测量通道同时进行测量，这两个时间测量通道均通过固定域值方式来确定停止时刻，所不同的是：第一时间测量通道使用上升沿触发，第二时间测量通道使用下降沿触发；其作用是：通过对同一信号的上升沿和下降沿进行测量，可获取两个时间测量值。时间值的测量分辨率可以做到120ps以上，实现了精密测量。将这两个时间测量值进行平均，就可以消除由脉冲幅度和形状变化引起的漂移误差。

同时，在激光发散角很小的情况下，目标的灰度与这两个时间测量值的差有对应关系，可以通过差值反推出目标的灰度。因为两个时间测量值的差也是通过精密测量计算出来的，所以时间差也是精密的。故而目标的灰度测量也是精密的。

可以通过扩束镜对激光主波压缩发散角，实现激光发散角很小的条件以实现距离和灰度的一体化精密测量，根据测得的时间测量值以及求距离的公式，即距离等于光速乘以时间，可计算出所测的距离值；再根据灰度与两个时间测量值的差的对应关系，通过差值反推出目标的灰度。在这里可以是在计算电路中存储一个事先计算好的灰度与时间差的对应表，通过查表计算出灰度值；也可以是根据灰度与两个时间测量值的差的对应关系推导出它们之间的关系公式，利用此公式根据测量值的差直接计算出灰度值。

请参阅图1，图1为本发明的激光测距仪脉冲回波处理装置的结构示意图。它由脉冲激光器、扩束镜、接收光学系统、探测器及放大电路、时间测量电路和数字信号处理单元组成，所述的时间测量电路具有两个独立的时间测量通道，第一时间测量通道采用上升沿触发停止计数，第二时间测量通道采用下降沿触发停止计数。

其工作情况是：脉冲激光器发射激光脉冲，激光脉冲经过扩束镜压缩发散角。激光脉冲再经过一个半透半反镜发射出去。半透半反镜将一小部分激光能量反射到主波探测器，主波探测器通过一个固定门限，产生一个起始起始计数脉冲到时间测量电路，使时间测量电路的两个通道同时开始测量。

光学系统接收激光回波到探测器。探测器接收激光回波进行放大，再将回波脉冲同时送到时间测量电路的两个通道。两通道均采用固定域值触发，第一时间测量通道采用上升沿触发停止计数，第二时间测量通道采用下降沿触发停止计数。

第一时间测量通道和第二时间测量通道的计数值送到数字信号处理单元。数字信号处理单元将计数结果进行处理，得到距离和灰度值。数字信号处理单元的距离算法是根据测得的时间测量值以及求距离的公式，即距离等于光速乘以时间，可计算出所测的距离值，这里的时间值是两个时间测量通道测得的时间测量值进行平均所得的平均值。这里的灰度测量方法是根据灰度与两个时间测量值的差的对应关系，通过差值反推出目标的灰度。在这里可以是在计算电路中存储一个事先计算好的灰度与时间差的对应表，通过查表计算出灰度值；也可以是根据灰度与两个时间测量值的差的对应关系推导出它们之间的关系公式，利用此公式根据测量值的差直接计算出灰度值。

以上所介绍的，仅仅是本发明的较佳实施例而已，不能以此来限定本发明实施的范围，即本技术领域内的一般技术人员根据本发明所作的等同的变化，以及本领域内技术人员熟知的改进、变化，都应仍属于本发明专利涵盖的范围。

Claims

1、一种激光测距仪脉冲回波处理方法，其特征在于包括以下步骤：

a.将激光主波通过固定门限以产生起始计数脉冲到时间测量电路，使时间测量电路的两个时间测量通道同时开始测量；

b.将激光回波放大后同时送入时间测量电路的两个时间测量通道同时进行测量，这两个时间测量通道均通过固定阈值方式来确定停止时刻，所不同的是：第一时间测量通道使用上升沿触发，第二时间测量通道使用下降沿触发；

c.将两个时间测量通道的测量值进行平均，得到时间测量值；

d.将两个时间测量通道的测量值取差值，可得到灰度值。

2、根据权利要求1所述的激光测距仪脉冲回波处理方法，其特征在于根据测得的时间测量值以及求距离的公式，计算出所测的距离值。

3、根据权利要求1所述的激光测距仪脉冲回波处理方法，其特征在于所述的激光主波经过扩束镜压缩发散角。

4、根据权利要求3所述的激光测距仪脉冲回波处理方法，其特征在于根据灰度与两个时间测量值的差的对应关系，通过差值反推出目标的灰度。

5、一种激光测距仪脉冲回波处理装置，由脉冲激光器、扩束镜、接收光学系统、探测器及放大电路、时间测量电路和数字信号处理单元组成，其特征在于：所述的时间测量电路具有两个独立的时间测量通道，第一时间测量通道采用上升沿触发停止计数，第二时间测量通道采用下降沿触发停止计数；所述的时间测量通道均采用固定阈值触发；所述的探测器及放大电路将回波脉冲同时送到时间测量电路的两个时间测量通道。

6、根据权利要求5所述的激光测距仪脉冲回波处理装置，其特征在于激光脉冲经过扩束镜压缩发散角后经过一个半透半反镜将一小部分激光能量反射到主波探测器，主波探测器通过一个固定门限产生起始计数脉冲到时间测量电路，使时间测量电路的两个时间测量通道同时开始测量。

7、根据权利要求6所述的激光测距仪脉冲回波处理装置，其特征在于所述的数字信号处理单元求出两个时间测量通道测得值的差值，并利用这个差值算出灰度值。

8、限据权利要求5所述的激光测距仪脉冲回波处理装置，其特征在于所述的数字信号处理单元将两个时间测量通道测得的值进行平均，并以此算出距离值。