CN105549027A - 一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法和***,属于激光脉冲测距技术领域。本发明采用高速ADC对脉冲信号的基准波和回波进行采样，将模拟波形转换成数字波形信号，然后采用数字信号处理的方式来进行回波时延计算，从而计算出距离。本发明提高了利用激光脉冲测距方式进行物体轮廓扫描时，高速动态扫描过程中，单脉冲回波测距精度，实现高精度的轮廓扫描。

Description

一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法和***

技术领域

本发明属于激光脉冲测距技术领域，具体涉及一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法和***。

背景技术

激光测距(laserdistancemeasuring)是以激光器作为光源进行测距。根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距；红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。激光脉冲测距技术具有非常广泛的应用，例如测距应用、物体轮廓扫描应用等。激光测距由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与光电测距相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度，显著减少重量和功耗，使测量到人造地球卫星、月球等远目标的距离变成现实。

激光脉冲测距原理是通过测量脉冲发射时间与接收时间差，来计算被测点的距离。现有的时间测量方式，通过检波器和计时器完成。工作过程如下：激光器启动，发射激光脉冲，通过分光镜，一小部分光直接进入接收光路，光电转换后形成基准波，通过检波器检测到，启动计时器(通常为时钟脉冲计数器)；另一大部分光发射出去，经测量点反射后，进入接收光路，光电转换后，放大、整型、滤波形成回波，通过检波器检测到，计时完成。

现有技术中，激光脉冲测距的精度主要受到计时器计时精度和脉冲波形检测精度的影响。因此，提高精度的方法为提高计时精度和提高波形检测的精度。提高计时精度主要靠提高脉冲计数器的频率，频率越高，时间分辨率越高，计时精度越高。另一方面，当计时精度提高到一定程度时，测距精度主要受到检波精度的影响。由于检波方法为通常为门限检波，因此对脉冲波形的形状、幅度有较高的要求，当检波波形一致时，精度较高。但是由于回波能量动态范围较大，需要使用自增益控制放大器来保证检波波形的一致性。然而自增益控制放大器需要一定的跟踪时间，因此并不适用于基于单次回波测距的动态扫描类应用，因为回波能量变化较快，自增益放大器无法跟上。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法和***，能够在利用脉冲波形激光的单次回波进行距离测量的应用中提高测距计算的精度，或是在高速动态扫描过程中实现高精度的轮廓扫描。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法，该方法包括以下步骤：

(1)采用高速ADC对脉冲信号的基准波和回波进行采样；

(2)将模拟波形转换成数字波形信号；

(3)采用数字信号处理的方式进行回波时延计算，从而计算出距离。

进一步，所述步骤(3)中，采用数字信号处理的方式进行回波时延计算，从而计算出距离的具体方法包括以下步骤：

1)前沿检波步骤，检测基准波和回波的波形前沿，从而标定基准波前沿时刻和回波前沿时刻，

2)距离差计算步骤，初步计算反射点距离，根据上述回波前沿时刻与基准波前沿时刻的差值的一半，乘以光速，然后减去内部光路的光程，算出回波反射点的待修正距离，

3)回波宽度计算步骤，计算回波宽度数据，用来修正上述待修正距离，

4)距离校正步骤，根据上述回波宽度数据，在距离修正表中查找修正值，对待修正距离进行修正，修正后将计算结果输出，即得到反射点的距离值。

更进一步，所述步骤1)中，前沿检波步骤具体包括如下步骤：

第一步，启动计算窗口；

第二步，对连续m个采样点进行最小二乘直线拟合，并计算出直线的斜率和截距；

第三步，逐点滑动计算连续m个采样点所拟合的直线斜率，若小于门限值则继续计算；若大于门限值，则认为检测到一个波形，如果是窗口内第一次检测到，则认为是基准波，如果是第2次检测到则认为是回波；

第四步，在斜率计算结果大于门限值条件下，如果本组的斜率计算结果大于前一组的则继续计算下一组数据；如果小于前一组的，则认为前一组的采样点集合为检出波形的前沿采样点，而且前一组计算得到的斜率和截距为波形前沿拟合直线的斜率和截距；

第五步，根据斜率和截距，得到一条拟合波形前沿的直线，取波形最高点的一半值作为波形前沿计时的标定位置，计算出前沿时刻；如果是第一个波形则是基准波前沿时刻，如果是第二个波形则是回波前沿时刻；

第六步，关闭计算窗口。

更进一步，所述步骤3)中，回波宽度计算步骤具体包括如下步骤：

第一步，计算回波波形前沿门限值高度处的时刻；

第二步，计算回波波形后沿门限值高度处的时刻；

第三步，第一步与第二步结果相减得到波形宽度数据。

更进一步，步骤4)中，所述距离修正表是在固定距离反射点条件下，根据不同波形宽度测量出来的距离值统计出来的一个测距误差表。

进一步，步骤(1)中，所述ADC的采样速率大于脉冲信号带宽7倍以上，采样数据位宽7比特以上。

本发明还提供了一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距***，该***包括以下模块：

采样模块，用于采用高速ADC对脉冲信号的基准波和回波进行采样；

信号转换模块，用于将模拟波形转换成数字波形信号；

距离计算模块，用于采用数字信号处理的方式进行回波时延计算，从而计算出距离。

进一步，所述距离计算模块包括以下单元：

前沿检波单元，用于检测基准波和回波的波形前沿，从而标定基准波前沿时刻和回波前沿时刻；

距离差计算单元，用于初步计算反射点距离，根据上述回波前沿时刻与基准波前沿时刻的差值的一半，乘以光速，然后减去内部光路的光程，算出回波反射点的待修正距离；

回波宽度计算单元，用于在适当的波形高度门限值下，计算回波宽度数据，用来修正上述待修正距离；

距离校正单元，用于根据上述回波宽度数据，在距离修正表中查找修正值，对待修正距离进行修正，修正后将计算结果输出，即得到反射点的距离值。

更进一步，所述前沿检波单元包括如下子单元：

启动子单元，用于启动计算窗口；

直线拟合子单元，用于对连续m个采样点进行最小二乘直线拟合，并计算出直线的斜率和截距；

波形检测子单元，用于逐点滑动计算连续m个采样点所拟合的直线斜率，若小于一定门限值则继续计算；若大于一个门限值，则认为检测到一个波形，如果是窗口内第一次检测到，则认为是基准波，如果是第2次检测到则认为是回波；

前沿采样点检测子单元，用于在斜率计算结果大于门限值条件下，如果本组的斜率计算结果大于前一组的则继续计算下一组数据；如果小于前一组的，则认为前一组的采样点集合为检出波形的前沿采样点，而且前一组计算得到的斜率和截距为波形前沿拟合直线的斜率和截距；

前沿时刻计算子单元，用于根据斜率和截距，得到一条拟合波形前沿的直线，取波形最高点的一半值作为波形前沿计时的标定位置，计算出前沿时刻；如果是第一个波形则是基准波前沿时刻，如果是第二个波形则是回波前沿时刻；

关闭子单元，用于关闭计算窗口。

更进一步，所述回波宽度计算单元包括如下子单元：

前沿时刻计算子单元，用于计算回波波形前沿门限值高度处的时刻；

后沿时刻计算子单元，用于计算回波波形后沿门限值高度处的时刻；

波形宽度数据计算子单元，用于将所述前沿时刻计算子单元和后沿时刻计算子单元的结果相减得到波形宽度数据。

本发明的效果在于：采用本发明所述的方法和***，提高了脉冲波形激光的单次回波测距精度，在高速动态扫描过程中，在利用激光脉冲测距方式进行物体轮廓扫描时，可以实现高精度的轮廓扫描。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法的原理示意图。

图2为本发明所述的一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法的具体实施方式的流程图。

图3为本发明所述的一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距***的具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明适用于激光脉冲波形前沿检测和利用基准波与回波间脉冲波形前沿的时间差进行距离计算。

如图1所示，一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法，包括以下步骤：

(1)采用高速ADC对脉冲信号的基准波和回波进行采样；

(2)将模拟波形转换成数字波形信号；

(3)采用数字信号处理的方式来进行回波时延计算，从而计算出距离。

步骤(1)中，所述ADC的采样速率大于脉冲信号带宽7倍以上，采样数据位宽7比特以上。

所述步骤(3)中，进行回波时延计算，从而计算出距离的具体方法包括以下步骤：

1)前沿检波，检测基准波和回波的波形前沿，从而标定基准波的前沿时刻和回波的前沿时刻，具体方法如图2所示：

步骤S1，第一步，启动计算窗口；

步骤S2，第二步，对第一组连续m个采样点进行最小二乘直线拟合，并计算出直线的斜率和截距；

步骤S3，第三步，逐点滑动计算连续m个采样点所拟合的直线斜率，若小于门限值则继续计算；

步骤S4，若大于门限值，则认为检测到一个波形，如果是窗口内第一次检测到，则认为是基准波，如果是第2次检测到则认为是回波；

步骤S5，第四步，在斜率计算结果大于门限值条件下，如果本组的斜率计算结果大于前一组的则继续计算下一组数据；

步骤S6，如果小于前一组的，则认为前一组的采样点集合为检出波形的前沿采样点，而且前一组计算得到的斜率和截距为波形前沿拟合直线的斜率和截距；

步骤S7-步骤11，第五步，根据斜率和截距，可以得到一条拟合波形前沿的直线，取波形最高点的一半值作为波形前沿计时的标定位置，计算出前沿时刻；如果是第一个波形则是基准波前沿时刻t1，如果是第二个波形则是回波前沿时刻t2，t2-t1便为测量脉冲发射时间与接收时间差；

步骤S12，第六步，关闭计算窗口。

2)距离差计算，负责初步计算反射点距离。根据回波前沿时刻与基准波前沿时刻的差值的一半，乘以光速，然后减去内部光路的光程，则可以算出回波反射点的待修正距离。

3)回波宽度计算，在适当的波形高度门限值下，计算回波宽度数据，用来修正待修正距离，具体方法如下：

第一步，计算回波波形前沿门限值高度处的时刻tm1；

第二步，计算回波波形后沿门限值高度处的时刻tm2；

第三步，第一步与第二步结果相减得到波形宽度数据tm2-tm1。

4)距离校正，根据回波宽度数据，在距离修正表中查找修正值，对待修正距离进行修正，修正后将计算结果输出，即得到反射点的距离值。距离修正表，是在固定距离反射点条件下，是根据不同波形宽度测量出来的距离值统计出来的一个测距误差表。

如图3所示，本发明所述的一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距***，该***包括以下模块：

采样模块1，用于采用高速ADC对脉冲信号的基准波和回波进行采样；

信号转换模块2，用于将模拟波形转换成数字波形信号；

距离计算模块3，用于采用数字信号处理装置进行回波时延计算，从而计算出距离。

所述距离计算模块3包括以下单元：

前沿检波单元31，用于检测基准波和回波的波形前沿，从而标定基准波前沿时刻和回波前沿时刻；

距离差计算单元32，用于初步计算反射点距离，根据上述回波前沿时刻与基准波前沿时刻的差值的一半，乘以光速，然后减去内部光路的光程，算出回波反射点的待修正距离；

回波宽度计算单元33，用于在适当的波形高度门限值下，计算回波宽度数据，用来修正上述待修正距离；

距离校正单元34，用于根据上述回波宽度数据，在距离修正表中查找修正值，对待修正距离进行修正，修正后将计算结果输出，即得到反射点的距离值。

所述前沿检波单元31，包括如下子单元：

启动子单元311，用于启动计算窗口；

直线拟合子单元312，用于对连续m个采样点进行最小二乘直线拟合，并计算出直线的斜率和截距；

波形检测子单元313，用于逐点滑动计算连续m个采样点所拟合的直线斜率，若小于门限值则继续计算；若大于门限值，则认为检测到一个波形，如果是窗口内第一次检测到，则认为是基准波，如果是第2次检测到则认为是回波；

前沿采样点检测子单元314，用于在斜率计算结果大于门限值条件下，如果本组的斜率计算结果大于前一组的则继续计算下一组数据；如果小于前一组的，则认为前一组的采样点集合为检出波形的前沿采样点，而且前一组计算得到的斜率和截距为波形前沿拟合直线的斜率和截距；

前沿时刻计算子单元315，用于根据斜率和截距，得到一条拟合波形前沿的直线，取波形最高点的一半值作为波形前沿计时的标定位置，计算出前沿时刻；如果是第一个波形则是基准波前沿时刻，如果是第二个波形则是回波前沿时刻；

关闭子单元316，用于关闭计算窗口。

所述回波宽度计算单元33，包括如下子单元：

前沿时刻计算子单元331，用于计算回波波形前沿门限值高度处的时刻tm1；

后沿时刻计算子单元332，用于计算回波波形后沿门限值高度处的时刻tm2；

波形宽度数据计算子单元333，用于将所述前沿时刻计算子单元和后沿时刻计算子单元的结果相减得到波形宽度数据tm2-tm1。

通过上述实施例可以看出，采用本发明所述的方法和***，提高了脉冲波形激光的单次回波测距精度，在高速动态扫描过程中，在利用激光脉冲测距方式进行物体轮廓扫描时，可以实现高精度的轮廓扫描。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)采用高速ADC对脉冲信号的基准波和回波进行采样；

(2)将模拟波形转换成数字波形信号；

(3)采用数字信号处理的方式进行回波时延计算，从而计算出距离。

2.如权利要求1所述的一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法，其特征在于，所述步骤(3)中，采用数字信号处理的方式进行回波时延计算，从而计算出距离的具体方法包括以下步骤：

1)前沿检波步骤，检测基准波和回波的波形前沿，从而标定基准波前沿时刻和回波前沿时刻；

2)距离差计算步骤，初步计算反射点距离，根据上述回波前沿时刻与基准波前沿时刻的差值的一半，乘以光速，然后减去内部光路的光程，算出回波反射点的待修正距离；

3)回波宽度计算步骤，计算回波宽度数据，用来修正上述待修正距离；

4)距离校正步骤，根据上述回波宽度数据，在距离修正表中查找修正值，对待修正距离进行修正，修正后将计算结果输出，即得到反射点的距离值。

3.如权利要求2所述的一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法，其特征在于：

所述步骤1)中，前沿检波步骤具体包括如下步骤：

第一步，启动计算窗口；

第二步，对连续m个采样点进行最小二乘直线拟合，并计算出直线的斜率和截距；

第三步，逐点滑动计算连续m个采样点所拟合的直线斜率，若小于门限值则继续计算；若大于门限值，则认为检测到一个波形，如果是窗口内第一次检测到，则认为是基准波，如果是第2次检测到则认为是回波；

第四步，在斜率计算结果大于门限值条件下，如果本组的斜率计算结果大于前一组的则继续计算下一组数据；如果小于前一组的，则认为前一组的采样点集合为检出波形的前沿采样点，而且前一组计算得到的斜率和截距为波形前沿拟合直线的斜率和截距；

第五步，根据斜率和截距，得到一条拟合波形前沿的直线，取波形最高点的一半值作为波形前沿计时的标定位置，计算出前沿时刻；如果是第一个波形则是基准波前沿时刻，如果是第二个波形则是回波前沿时刻；

第六步，关闭计算窗口。

4.如权利要求2所述的基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法，其特征在于：

所述步骤3)中，回波宽度计算步骤具体包括如下步骤：

第一步，计算回波波形前沿门限值高度处的时刻；

第二步，计算回波波形后沿门限值高度处的时刻；

第三步，第一步与第二步结果相减得到波形宽度数据。

5.如权利要求2所述的基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法，其特征在于：步骤4)中，所述距离修正表是在固定距离反射点条件下，根据不同波形宽度测量出来的距离值统计出来的一个测距误差表。

6.如权利要求1所述的一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距方法，其特征在于：步骤(1)中，所述ADC的采样速率大于脉冲信号带宽7倍以上，采样数据位宽7比特以上。

7.一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距***，其特征在于，所述***包括以下模块：

采样模块，用于采用高速ADC对脉冲信号的基准波和回波进行采样；

信号转换模块，用于将模拟波形转换成数字波形信号；

距离计算模块，用于采用数字信号处理的方式进行回波时延计算，从而计算出距离。

8.如权利要求7所述的一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距***，其特征在于，所述距离计算模块包括以下单元：

前沿检波单元，用于检测基准波和回波的波形前沿，从而标定基准波前沿时刻和回波前沿时刻；

距离差计算单元，用于初步计算反射点距离，根据上述回波前沿时刻与基准波前沿时刻的差值的一半，乘以光速，然后减去内部光路的光程，算出回波反射点的待修正距离；

回波宽度计算单元，用于在适当的波形高度门限值下，计算回波宽度数据，用来修正上述待修正距离；

距离校正单元，用于根据上述回波宽度数据，在距离修正表中查找修正值，对待修正距离进行修正，修正后将计算结果输出，即得到反射点的距离值。

9.如权利要求8所述的一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距***，其特征在于，所述前沿检波单元包括如下子单元：

启动子单元，用于启动计算窗口；

直线拟合子单元，用于对连续m个采样点进行最小二乘直线拟合，并计算出直线的斜率和截距；

波形检测子单元，用于逐点滑动计算连续m个采样点所拟合的直线斜率，若小于一定门限值则继续计算；若大于一个门限值，则认为检测到一个波形，如果是窗口内第一次检测到，则认为是基准波，如果是第2次检测到则认为是回波；

前沿采样点检测子单元，用于在斜率计算结果大于门限值条件下，如果本组的斜率计算结果大于前一组的则继续计算下一组数据；如果小于前一组的，则认为前一组的采样点集合为检出波形的前沿采样点，而且前一组计算得到的斜率和截距为波形前沿拟合直线的斜率和截距；

前沿时刻计算子单元，用于根据斜率和截距，得到一条拟合波形前沿的直线，取波形最高点的一半值作为波形前沿计时的标定位置，计算出前沿时刻；如果是第一个波形则是基准波前沿时刻，如果是第二个波形则是回波前沿时刻；

关闭子单元，用于关闭计算窗口。

10.如权利要求8或9所述的一种基于激光脉冲波形前沿检测的测距***，其特征在于，所述回波宽度计算单元包括如下子单元：

前沿时刻计算子单元，用于计算回波波形前沿门限值高度处的时刻；

后沿时刻计算子单元，用于计算回波波形后沿门限值高度处的时刻；

波形宽度数据计算子单元，用于将所述前沿时刻计算子单元和后沿时刻计算子单元的结果相减得到波形宽度数据。