CN109581334A - 双路互相关时延估计的激光测量方法及装置 - Google Patents

双路互相关时延估计的激光测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双路互相关时延估计的激光测量方法及装置，该方法采用互相关接收方法的双路接收光路，将来自同一目标的光信号到达接收光学***后，经过前端光路分成两路光路，其中一路专门接收包含有背景光噪声的来自目标光的信号，另一路专门接收背景光噪声。本发明在光路结构上采用了二路接收光路，其中一路专门用于接收信号(包括噪声在内)，另一路专门用于接收同一场景下的噪声。在电信号处理上，采用接收信号与本地发射信号互相关方法处理，进一步减小各种噪声对测量的影响。提高了接收信号时延的估计精度。本发明结构简单、方法有效、计算量小、性能稳定可靠，有效提高了激光飞行时延的测量精度。

Description

双路互相关时延估计的激光测量方法及装置
技术领域
本发明属于激光雷达信号处理领域。特别是一种在强背景光干扰下激光飞行时延测量的装置及其方法，应用与激光测距、激光成像雷达等用途。
背景技术
在现代科学技术的很多领域及至人们的日常生活中，如工业测量、道路勘探、家装设计等，非接触测距有很重要的应用价值。现代测距方法中，激光飞行时间测量技术广泛应用于激光测距、激光飞行时间测量精度的优劣直接关系到距离测量的精度和距离成像的清晰度。然而，自然界和人类的生产生活活动中，往往会造成很复杂的光、电干扰环境。如自然光及反射光，工业生产中的强电弧光、高压汞灯等各种发光源的存在，会影响光电探测的接收灵敏度，造成测量的不准确或是测量的误差。目前，大多数的手持激光测距常采用在探测器的光学窗口前段加装窄带滤光片，在电路的信号检测方法上主要采用FFT频谱分析法。然而，这些方法都有一定的局限性，主要表现在所能检测信号的信/噪比门限较高，不能检测出强背景光下微弱信号(信/噪比较低的信号)。有些检测方法中，应用单路自相关检测电路时，窄带滤光片存在非线性以及同窗内的背景光干扰存在相关性，使得检测信号的能力受到限制。在采用FFT分析进行滤波时，由于信号集中在低频部分，而噪声分布在较高频率部分。所以，可用低通滤波器进行滤除，但对于信号的高频分量则将和噪声混叠在一起不宜区分，倘若低通滤波器带宽太宽，则滤波后信号中仍会存在大量噪声。若低通滤波器带宽较窄，则可能会将一部分有用信号被当作噪声而滤除。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本次发明提出了在前段端光路上采用两路探测单元。其中一路用来接收目标信号(其中可能包含强背景光干扰)，另一路专门接收背景光，以抵消或削弱背景光噪声的影响。
本发明采用如下技术方案：
双路互相关时延估计的激光测量方法，采用互相关接收方法的双路接收光路，将来自同一目标的光信号到达接收光学***后，经过前端光路分成两路光路，其中一路专门接收包含有背景光噪声的来自目标光的信号，另一路专门接收背景光噪声。
更进一步地，所述互相关接收方法的抗干扰性能为：
由于参考信号S2(t)与信号S1(t)有某种相关性，而S2(t)与噪声n(t)没有相关性，且噪声的均值为零，则
更进一步地，所述互相关接收方法采用快速互相关接收方法，包括：
取步长为n(n＝2k)，以n为步长在Rxy(n)中取出元素，组成新的序列RxyN(n)，找出新的序列RxyN(n)中的最大值MN及其位置LMN；
取步长为在Rxy(n)中以LMN为中心，以n1为间隔，取出元素组成新序列RxyN1(n)找出RxyN1(n)中的最大值MN1及位置LMN1；
取步长为在Rxy(n)中以LMN1为中心，以n2为间隔，取出元素组成新序列RxyN2(n)，找出序列RxyN2(n)中的最大值MN2及其位置LMN2；
以此类推，直至间隔为1的序列搜索到最大值为止，即可确定互相关函数的最大值。
本发明还提供一种双路互相关时延估计的激光测量装置，包括目标光信号、接收光学***、分光器、第一探测器、第二探测器、第一光电转换器、第二光电转换器，所述第一探测器和第二探测器前端均加装窄带滤光片，在所述第二探测器上加装的窄带滤光片上镀有全反射膜，所述第一探测器的光信号通过第一光电转换器转换为电信号，第二探测器的光信号通过第二光电转换器转换为电信号，两个电信号在电路上进行减法运算后，输出为第一探测器中工作重心波长的信号。
更进一步地，该装置包括：平面镜胶合件、物镜一、物镜胶合件、主棱镜胶合件、调焦镜胶合件、棱镜胶合件、分划板胶合件、目镜胶合件、目镜单片、准直镜单片、准直镜胶合件、分光镜、反射镜、光纤部件、滤光片、分光棱镜，所述平面镜胶合件、物镜一、物镜胶合件、主棱镜胶合件、调焦镜胶合件、棱镜胶合件、分划板胶合件、目镜胶合件、目镜单片依次设置于同一中心线上，光纤的光经分光棱镜进入主棱镜胶合件，经平面镜胶合件的光通过反射镜和分光镜后与光纤发射至分光镜上的光依次经过准直镜胶合件和准直镜单片，从发射管发出。
本发明具有如下有益效果：
本发明针对在强背景光干扰测量时、通常的测量技术无法实现有效测量的情况下，提出了一种双路互相关时延估计的激光测量装置。该装置在光路结构上采用了二路接收光路，其中一路专门用于接收信号(包括噪声在内)，另一路专门用于接收同一场景下的噪声。在电信号处理上，采用接收信号与本地发射信号互相关方法处理，进一步减小各种噪声对测量的影响。提高了接收信号时延的估计精度。本发明提出了一种完全数字化的激光飞行时延测量装置及其方法。装置结构简单、方法有效、计算量小、性能稳定可靠，有效提高了激光飞行时延的测量精度。
附图说明
图1是前端光学***原理框图；
图2是实现自相关检测的电路原理框图；
图3是实现互相关检测的电路原理框图；
图4是双路接收光路原理框图；
图5是接收双路光-电转换原理框图；
图6是x(n)与y(n)相关函数波形的x(n)输出序列图；
图7是x(n)与y(n)相关函数波形的y(n)为x(n)延迟30+随机噪声的输出序列图；
图8是x(n)与y(n)相关函数波形的互相关序列图；
图9是延迟加噪声序列与原序列的相关输出图；
图10是快速互相关算法的算法流程图；
图11是本发明的光学示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提出了在前段端光路上采用两路探测单元，其中一路用来接收目标信号(其中可能包含强背景光干扰)，另一路专门接收背景光，以抵消或削弱背景光噪声的影响。前端光学***原理框图如图1所示。
一、设计方案
1、背景光干扰影响分析
在一些光电环境下，探测器接收到的背景光十分复杂，可能有太阳光辐射、反射光，还有各种工业生产活动所产生的强瞬时强背景光干扰。其中，背景光噪声的频谱一般属于白噪声，噪声之间是相互独立，不相关的。而在相同试场内的瞬时背景光干扰则在时间上具有相关性。
在现实应用中，目标信号光与背景噪声光同时经窄带光学滤光片后进入光电探测器。然而，窄带光学滤光片对其工作中心波长以外的背景光并不能完全滤除，而是具有一定的透过率，使得干扰背景光有一部分仍然能通过光学前端进入光电探测器。当背景光干扰项对目标信号较强时，这种非理想性对探测器的影响就会凸显出来，影响探测器的测量效果和精度。在二元自相关检测***中，强背景光干扰之间在时间上具有相关性，倘若直接作自相关处理，会造成这种背景光干扰相关增强，产生假信号，造成测量***的工作不稳定，测量结果的数据不正确。
针对以上的问题，可采用调节两路信号之间的延时时间。使得两路信号不同时进入相关处理器，来削弱这种相关性到来的不利影响。但是，实际应用中的目标激光脉冲宽度通常是不可预测的，怎样适当地选择延时时间是难点，延时时间过长，会造成窄脉冲目标信号的峰值交错，造成输出信噪比下降，无法检测出目标信号。延时时间过短，则不足以克服两路背景光干扰之间的相关性带来的不利影响。
2、相关检测性
利用信号之间具有相关性，噪声之间与相关性这样的特点，将一个与被测信号规律性(二信号之间也有相关性)部分相同的已知信号来探测出被测信号，达到去除噪声的目的，这就是相关检测的原理。相关检测技术就是根据相关性原理，通过自相关或互相关运算，以最大限度地压缩带宽，抑制噪声，达到检测微弱信号的一种技术。
(1)自相关检测
自相关函数是指同一个函数在不同时域的表达方式。设随机信号为x(t)，则x(t)的自相关函数表达式为：
式(1)实现自相关检测的电路原理框图如图2所示。
设：混有噪声的信号为：xi(t)＝si(t)+ni(t),其中si(t)----原始信号,ni(t)---噪声。输入到相关接收器的信号被分为两路输入。一路直接进入乘法器，另一路经一延时电路进入乘法器，经乘法器相乘后，再对其进行积分取平均值，这样就得到以τ为参数的相关函数，即自相关输出为：
式中：Rxx(τ),Rnn(τ)均表示信号s(t)与噪声n(t)的自相关函数,Rsn(τ),Rns(τ)表示为s(t)与n(t)的互相关函数,根据噪声与信号互不相关且噪声的均值为零,则有：Rsn(τ)＝Rns(τ)＝0。因此：
Rxx(τ)＝Rss(τ)+Rnn(τ) (3)
当τ足够大时，Rnn(τ)→0。则：
Rxx(τ)＝Rss(τ) (4)
(2)互相关检测
互相关检测是指两个不同的随机变量之间的统计依赖性，设函数f(t)和g(t)是可能存在相关性的，则其互相关函数定义为：
当互相关函数不为零，则表明f(t)和g(t)有一定的统计相关性，若互相关函数为零，则表明f(t)和g(t)两者相互独立。
实现互相关检测的电路原理框图如图3所示。
如果发射信号的频率已知，就可在接收端输入一同频的无外界噪声干扰的本地信号，将该本地信号与混有噪声的输入信号进行互相关运算，则
由于参考信号S2(t)与信号S1(t)有某种相关性，而S2(t)与噪声n(t)没有相关性，且噪声的均值为零，则
比较(2)式和(7)式，可以看出，互相关接收的抗干扰性能优于自相关接收性能。
3、双路光学前端设计
为了减少背景光干扰的影响，在光路设计上采用双路接收光技术。将来自同一目标的光信号到达接收光学***后，经过前端特殊的光路设计分成二路光路。其中一路专门接收来自目标光信号(其中包含有背景光噪声)，另一路经处理后专门接收背景光噪声，光路的原理框图如图4所示。
为了在后续信号处理电路中进行两路信号相减时(目的是抵消背景光干扰)，工作波长处的目标有用信号不会被大幅度地消减。在光学1前端要加装窄带滤光片，使得探测器1接收到的是已包含目标信号与背景光的混合信号。假设***的工作重心波长为901nm，则在探测器1加装光谱透过率中心波长为901nm的窄带滤光片。在探测器2除了加装工作中心波长也是901nm的窄带滤光片外，还要在这块窄带滤光片上镀上对工作中心波长901nm全反射膜，使得探测器2中不包含有工作波长901nm的有用光信号。在理想情况下，探测器2的输出光信号将只有除工作中心波长901nm之外的接收背景噪声。将探测器1和探测器2的光信号都转换为电信号并在电路上进行减法运算，此时的输出信号中将只保留探测器1中工作重心波长901nm的信号。理想情况下，背景光干扰完全被抑制掉了。图5为接收双路光-电转换原理框图。
3、快速互相关法
(1)广义互相关法计算时延
互相关计算时延即通过求两路信号的互相关来估计时延D。设x(t),y(t)分别为2个接收信号。s(t)代表源信号，D为两信号之间的时延。n(t)为加性白噪声，设源信号和噪声均为0均值，方差为1的正态平稳随机过程。
则：
其中：α为经过传播时的幅度衰减因子，为方便计算，不妨设α＝1
则：x(t),y(t)的互相关函数为：
Rxy(τ)＝E[x(t)·y(t+τ)]
＝E[s(t)·(s(t-D+τ)+n(t+τ))]
＝E[s(t)·(s(t-D+τ)]+E[s(t)·n(t+τ)]
＝Rss(τ-D)+Rsn(τ)
因为：s(t)与n(t)互不相关，故：Rsn(τ)＝0。
所以：Rxy(τ)＝Rss(τ-D)
由上式可知，x(t),y(t)互相关函数取最大值时，Rss(τ-D)也取最大值。又因为Rss(τ-D)≤Rss(0)。所以取得最大值时候的τ值，即为时延D。
当x(t),y(t)是紧密相关的信号，则Rxy(τ)将会有一个很突出的峰值出现。对于采集的数字信号，互相关函数的表达式为：
式中：N为积分区间的数据总数；τj为τ的取值序列，τj的取值间隔与数据采样间隔相同。
对于采集的数字信号，传播时延可由下式求出：
其中，fs为采样率，c为光传播速度。
式(8)中j每变化一次，Rxy(τj)就要重新计算一次。因此，Rxy(τj)的计算量是非常大的。
(2)快速互相关算法
实际测量中，由于x(t)与y(t)求相关函数的过程中是乘加运算，计算工作量较大，这成为定位时间的一个瓶颈。例如，在采样点数为512点的情况下，做一次时延计算则需要做1024×1024次乘加运算。这在实时定位中对***的计算模块是一个极大的挑战，往往由于计算时间过长而不实用。虽然可以采用降低采样率从而减少计算次数的方法来提高运算速度，但简单地降低采样点数会加大时延τ0估计误差，达不到预期精度。通过对相关函数波形(图6-9)分析可以看出，互相关法求时延的过程实际上是找互相关最大值的过程，而在互相关结果附近存在明显的峰值特性，因而采用间隔一定点数求互相关结果，找出最大值存在的一个小区间段，然后在该小区间内再找出最大值点位置，这样既可以减少计算点数，加快计算速度，又可以保证计算精度。
具体实现方法：在对采集的信号求互相关时，采用“隔点峰值搜索法”进行互相关函数最大值的确定，也就是求互相关值时，点数不是逐点的变化，而是一次进行多个点的跳跃式计算。例如，每次进行n个点的跳跃计算，找到最大值点，改进的算法表达式为：
这样找到的最大值点有可能不是实际的最大值，但实际的最大值点肯定就在从求得的最大值点左边第n-1个点起到求得最大值点的右边第n-1个点共2n-1个点中的某一个点处，所以再以已经找到的最大值点为中心，左右各扫描n-1个点，和已经求得的最大值比较，逐步搜索到实际的最大值点。
具体实现步骤如下：
第1步.取步长为n(n＝2k)，以n为步长在Rxy(n)中取出元素，组成新的序列RxyN(n),找出新的序列RxyN(n)中的最大值MN及其位置LMN。
第2步.取步长为在Rxy(n)中以LMN为中心，以n1为间隔，取出元素组成新序列RxyN1(n)找出RxyN1(n)中的最大值MN1及位置LMN1.
第3步.取步长为在Rxy(n)中以LMN1为中心，以n2为间隔，取出元素组成新序列RxyN2(n)，找出序列RxyN2(n)中的最大值MN2及其位置LMN2。
以此类推，直至间隔为1的序列搜索到最大值为止。便可确定互相关函数的最大值，这样的算法可以使互相关的计算量减少到原来的
算法流程图如图10所示。
光学示意图如图11所示，包括平面镜胶合件1、物镜一2、物镜胶合件3、主棱镜胶合件4、调焦镜胶合件5、棱镜胶合件6、分划板胶合件7、目镜胶合件8、目镜单片9、准直镜单片10、准直镜胶合件11、分光镜12、反射镜13、光纤部件14、滤光片15、分光棱镜16。
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 (5)

1.双路互相关时延估计的激光测量方法，其特征在于，采用互相关接收方法的双路接收光路，将来自同一目标的光信号到达接收光学***后，经过前端光路分成两路光路，其中一路专门接收包含有背景光噪声的来自目标光的信号，另一路专门接收背景光噪声。
2.根据权利要求1所述的双路互相关时延估计的激光测量方法，其特征在于，所述互相关接收方法的抗干扰性能为：
由于参考信号S2(t)与信号S1(t)有某种相关性，而S2(t)与噪声n(t)没有相关性，且噪声的均值为零，则
3.根据权利要求1所述的双路互相关时延估计的激光测量方法，其特征在于，所述互相关接收方法采用快速互相关接收方法，包括：
取步长为n(n＝2k)，以n为步长在Rxy(n)中取出元素，组成新的序列RxyN(n)，找出新的序列RxyN(n)中的最大值MN及其位置LMN；
取步长为在Rxy(n)中以LMN为中心，以n1为间隔，取出元素组成新序列RxyN1(n)找出RxyN1(n)中的最大值MN1及位置LMN1；
取步长为在Rxy(n)中以LMN1为中心，以n2为间隔，取出元素组成新序列RxyN2(n)，找出序列RxyN2(n)中的最大值MN2及其位置LMN2；
以此类推，直至间隔为1的序列搜索到最大值为止，即可确定互相关函数的最大值。
4.双路互相关时延估计的激光测量装置，其特征在于，包括目标光信号、接收光学***、分光器、第一探测器、第二探测器、第一光电转换器、第二光电转换器，所述第一探测器和第二探测器前端均加装窄带滤光片，在所述第二探测器上加装的窄带滤光片上镀有全反射膜，所述第一探测器的光信号通过第一光电转换器转换为电信号，第二探测器的光信号通过第二光电转换器转换为电信号，两个电信号在电路上进行减法运算后，输出为第一探测器中工作重心波长的信号。
5.根据权利要求4所述的双路互相关时延估计的激光测量装置，其特征在于，包括：平面镜胶合件(1)、物镜一(2)、物镜胶合件(3)、主棱镜胶合件(4)、调焦镜胶合件(5)、棱镜胶合件(6)、分划板胶合件(7)、目镜胶合件(8)、目镜单片(9)、准直镜单片(10)、准直镜胶合件(11)、分光镜(12)、反射镜(13)、光纤部件(14)、滤光片(15)、分光棱镜(16)，所述平面镜胶合件(1)、物镜一(2)、物镜胶合件(3)、主棱镜胶合件(4)、调焦镜胶合件(5)、棱镜胶合件(6)、分划板胶合件(7)、目镜胶合件(8)、目镜单片(9)依次设置于同一中心线上，光纤的光经分光棱镜(16)进入主棱镜胶合件(4)，经平面镜胶合件(1)的光通过反射镜(13)和分光镜(12)后与光纤发射至分光镜(12)上的光依次经过准直镜胶合件(11)和准直镜单片(10)，从发射管发出。
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