CN111352119A - 基于单光子速度累加的目标测距方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于单光子速度累加的目标测距方法及装置，属于激光测距领域，包括获取光子回波信号的脉冲序列，根据目标的速度和采样次数，计算单个速度区间的栅格分布宽度，并根据单个速度区间的栅格分布宽度和采样次数计算各个速度区间的相对范围与绝对位置，根据各速度区间所占的栅格数、速度区间的绝对位置将所有采样序列中相同速度区间的脉冲序列值相加，得到统计直方图，以统计直方图的峰值所对应的时间坐标作为单光子的运行时间，根据该运行时间计算目标的距离。本发明提高了有运动目标存在的场景中激光测距的准确性，既能对运动目标测距，也能同时适用于静止目标，适用范围广。

Description

基于单光子速度累加的目标测距方法及装置

技术领域

本发明属于激光测距领域，具体涉及基于单光子速度累加的目标测距方法及装置。

背景技术

激光测距是以激光器作为光源进行的非接触性目标距离测量技术，例如申请公布号为CN107884780A的中国专利申请提出了一种测距方法，通过以预设的时间间隔向被测物发射第一激光光束和第二激光光束(即脉冲光束)，对接收到的每个光束进行处理，筛选出符合预设的光束条件的目标光束，然后确定每个目标光束的飞行时间，能够计算激光雷达与被测物之间的距离。

“脉冲-飞行时间”激光测距的原理如图1所示，脉冲激光器作为光源，向目标发射一个或多个脉冲光束，记录并测算出脉冲光束或光子从出射到反射回来所用的总时间，再根据光速值就可得到目标的距离。计算光子飞行的总时间一般用时间相关光子计数法，此方法将可能的激光飞行时间分成若干个时间栅格，每个时间栅格对应激光探测过程的一个时间段，在各个时间段内对光电子信号(即光子回波信号)进行飞行时间的统计。

脉冲光作为时间间隔测量的参考起始信号，触发启动计时，光激发产生的信号光作为时间间隔测量的停止信号，触发停止计时，因此通过“启-停”计时即可记录下脉冲光与激发产生的信号光之间的时间间隔。随着重复“启-停”测量的次数越多，时间通道计数不断增加，当足够多的光子计数被统计后，便可直观显示出光子计数与时间的分布情况。测量的信号光强波形为高斯型，探测器在每一次时间间隔测量中探测到超过一个光子的概率是相当低的，经过多次累计光子时间间隔测量后得到时间相关的光子计数直方图，从而恢复出被测量的波形。

但是，时间相关光子计数法在进行运动目标测距时，随着累积次数的增加，信号回波在计数统计序列中累积不到同一时间栅格内，累积信号会出现展宽现象，在低信噪比环境下信号将被淹没在噪声中，通过积分法虽然能累加离散分布的信号能量，但同时噪声也得到了相应的累加，造成测距不准确。

发明内容

本发明的目的是提供基于单光子速度累加的目标测距方法及装置，用于解决目前采用时间相关光子计数法导致移动信号测距不准的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出基于单光子速度累加的目标测距方法，包括以下步骤：

1)以光子发射时间为起点，光子发射周期为时间长度，在设定采样频率下，获取光子回波信号的脉冲序列；

2)根据目标的速度和采样次数，计算单个速度区间的栅格分布宽度，并根据单个速度区间的栅格分布宽度和采样次数计算各个速度区间的相对范围与绝对位置；

3)根据各个速度区间的相对范围和绝对位置计算各速度区间所占的栅格数；

4)根据各速度区间所占的栅格数、速度区间的绝对位置将所有采样序列中相同速度区间的脉冲序列值相加，得到统计直方图，以统计直方图的峰值所对应的时间坐标作为单光子的运行时间，根据该运行时间计算目标的距离。

为解决上述技术问题，本发明还提出基于单光子速度累加的目标测距装置，包括存储器和处理器，以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，处理器与存储器相耦合，处理器执行计算机程序时实现以上步骤1)至步骤5)中的内容。

本发明的基于单光子速度累加的目标测距方法及装置，提高了有运动目标存在的场景中激光测距的准确性，同时，本发明既能对运动目标测距，也能同时适用于静止目标，适用范围广，测距更准确。

为进一步提高测距的准确性，步骤4)在计算统计直方图时包括两次累加过程，第一次累加过程为：将每次采样序列中相同速度区间的脉冲序列值相加，得到一次累加统计直方图；将所有采样序列的一次累加统计直方图通过速度偏移校正后对齐累加，得到二次累加统计直方图。

为确定步骤2)中单个速度区间的栅格分布宽度，给出如下单个速度区间的栅格分布宽度的计算公式：

L_s＝2×M×t_au×N_pulse/L_min/N_v

式中，L_s为单个速度区间的栅格分布宽度，M为目标最大运动速度，t_au为完成一次目标测距的时间，N_pulse为采样次数，L_min为最小可分辨测距距离，N_v为速度区间个数。

为确定步骤2)中各速度区间的相对范围，采用相对范围的左边界坐标来划分各速度区间的相对范围，具体的，相对范围的左边界坐标为：

式中，L_sp(k,i)为相对范围的左边界坐标，i＝1,2,…,N_v，k＝1,2,…,N_pulse。

相应的，为确定步骤2)中各速度区间的绝对位置，采用绝对位置的左边界坐标来划分，具体的，绝对位置的左边界坐标为：

L_r(r,k,i)＝r-1+L_sp(k,i)+N_dmin

式中，L_r(r,k,i)为绝对位置的左边界坐标，r为采样点的位置，N_dmin为支持测距的最小距离对应的栅格数。

附图说明

图1是现有技术的“脉冲-飞行时间”激光测距的原理示意图；

图2是本发明的第一次统计直方图累加示意图；

图3是本发明的第二次统计直方图累加示意图；

图4是本发明的基于单光子速度累加的目标测距方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

目标测距方法实施例：

根据给定的测距***与测距精度要求，设定如下已知参数：采样次数N_pulse，完成一次目标测距的时间t_au，目标最大运动速度M，最小可分辨测距距离为L_min，速度区间个数N_v，最大测距时间为T_L，支持测距的最小距离对应的栅格数为N_dmin。

步骤1，以光子发射时间为起点，光子发射周期为时间长度，在设定采样频率下，采集得到光子回波信号的脉冲序列。根据已知的采样次数N_pulse，完成一次目标测距的时间t_au，目标最大运动速度M，最小可分辨测距距离为L_min，速度区间个数N_v，计算单个速度区间的栅格分布宽度L_s，计算公式如下：

L_s＝2×M×t_au×N_pulse/L_min/N_v

步骤2，根据已知的速度区间个数N_v，采样次数N_pulse，结合步骤1计算得出的单个速度区间的栅格分布宽度L_s，计算第k次累积时第i个速度区间相对范围的左边界坐标L_sp(k,i)，计算公式如下：

i＝1,2,…,N_v

k＝1,2,…,N_pulse

其中，k为累积次数，i为速度区间。

步骤3，根据已知的最小距离对应的栅格数N_dmin、第k次累积时第i个速度区间相对范围的左边界坐标L_sp(k,i)，计算位置为r的采样点在时间栅格坐标系中速度区间绝对位置的左边界坐标L_r(r,k,i)，计算公式如下：

L_r(r,k,i)＝r-1+L_sp(k,i)+N_dmin

步骤4，再根据求得的左边界坐标L_r(r,k,i)，计算第k次累积时速度区间所占栅格数tg(k)，计算公式如下：

tg(k)＝L_r(r,k,i)-L_r(r,k,i-1)

步骤5，根据第k次码组积累在采样点的位置为r的采样序列的脉冲序列值H(k,r)，采样次数N_pulse，第k次累积时速度区间所占栅格数tg(k)，速度区间左边界坐标L_r(r,k,i)，计算位置为r的采样点的第i速度区间的二次累加统计直方图值M_c(r,i)，该值的计算公式如下：

上述计算公式已经包括两次累加过程，第一次累加的计算式为

具体的，第一次累加过程如图2所示，将某次采样序列时间栅格坐标位置上的任一点r₀，它的某一速度区间为[L_r,L_r+tg]，将这区间内的所有点对应的脉冲序列值H做累加计算，得到一次累加统计直方图H_c。第二次累加的计算式为

第二次累加过程如图3所示，将N次采样脉冲的一次累加统计直方图H_c通过速度偏移校正后对齐累加，得到二次累加统计直方图M_c。具体言之，第二次累加的计算式中的累积次数k的取值从1～N_pulse，对应图3的第1次到第N次；参数左边界坐标L_r是与k有关，对应图3中随着累积次数的增加，波形会有偏移，这个偏移是目标有一定的运动速度引入的；偏移校正指的是剔除这个偏移的影响，即如图3中的左曲线所示，左曲线与所有累积次数横坐标轴的交点均为每次的起始点0，同理可以得到坐标为1,2,3…的r条曲线(图3中并未一一画出)，将曲线上每次累积的直方图值H_c(r,i)累加得到二次累加统计直方图M_c。

步骤6，根据上述二次累加统计直方图值M_c(r,i)和速度区间个数N_v，计算测距的最终时间栅格坐标位置R及其对应的统计直方图值M_c(R)，计算公式如下：

根据上式求得的最终时间栅格坐标位置R，得到二次累加统计直方图值M_c(r,i)的峰值所对应的时间坐标，将该时间坐标作为单光子的运行时间，进而根据该运行时间计算目标的距离，本发明的目标测距方法流程如图4所示。

本发明以光子发射时间为起点，光子发射周期为时间长度，在一定采样频率下，采集得到光子回波信号的脉冲序列，根据运动目标的速度，以及采样次数，计算单个速度区间的栅格分布宽度；在不同的采样次数下，计算各个速度区间的相对范围与绝对位置；将每次采样序列中相同速度区间的脉冲序列值相加，得到一次累加统计直方图；将所有采样序列的一次累加统计直方图通过速度偏移校正后对齐累加，得到二次累加统计直方图；最后计算二次累加统计直方图的峰值所对应的时间坐标，就能计算得到相应的目标距离。本发明既能对运动目标测距，也能同时适用于静止目标，适用范围广，测距更准确。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，例如，本实施例中步骤5中的在计算统计直方图时包括两次累加过程，根据二次累加统计直方图求取单光子的运行时间和目标距离。作为其他实施方式，在计算统计直方图时可以仅包括第一次累加过程，即通过一次累加统计直方图的峰值所对应的时间坐标作为单光子的运行时间，根据该运行时间计算目标的距离。而进行两次累加过程最终计算的目标距离比只进行一次累加过程得到的目标距离更加精确。因此，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。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权利要求范围之内。

目标测距装置实施例：

本实施例提出一种基于单光子速度累加的目标测距装置，包括采集器、存储器和处理器，以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，采集器连接处理器，用于将采集光子回波信号的脉冲序列发送给处理器，处理器与存储器相耦合，处理器执行上述计算机程序时实现上述目标测距方法实施例中基于单光子速度累加的目标测距方法。

另外，本实施例中的处理器既可以是计算机，也可以是微处理器，如ARM等，还可以是可编程芯片，如FPGA、DSP等。

Claims (6)

1.基于单光子速度累加的目标测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以光子发射时间为起点，光子发射周期为时间长度，在设定采样频率下，获取光子回波信号的脉冲序列；

2)根据目标的速度和采样次数，计算单个速度区间的栅格分布宽度，并根据单个速度区间的栅格分布宽度和采样次数计算各个速度区间的相对范围与绝对位置；

3)根据各个速度区间的相对范围和绝对位置，计算各速度区间所占的栅格数；

4)根据各速度区间所占的栅格数、速度区间的绝对位置将所有采样序列中相同速度区间的脉冲序列值相加，得到统计直方图，以统计直方图的峰值所对应的时间坐标作为单光子的运行时间，根据该运行时间计算目标的距离。

2.根据权利要求1所述的基于单光子速度累加的目标测距方法，其特征在于，步骤4)在计算统计直方图时包括两次累加过程，第一次累加过程为：将每次采样序列中相同速度区间的脉冲序列值相加，得到一次累加统计直方图；将所有采样序列的一次累加统计直方图通过速度偏移校正后对齐累加，得到二次累加统计直方图。

3.根据权利要求1所述的基于单光子速度累加的目标测距方法，其特征在于，步骤2)中单个速度区间的栅格分布宽度为：

L_s＝2×M×t_au×N_pulse/L_min/N_v

式中，L_s为单个速度区间的栅格分布宽度，M为目标最大运动速度，t_au为完成一次目标测距的时间，N_pulse为采样次数，L_min为最小可分辨测距距离，N_v为速度区间个数。

4.根据权利要求3所述的基于单光子速度累加的目标测距方法，其特征在于，步骤2)中各速度区间的相对范围是用相对范围的左边界坐标来划分，所述相对范围的左边界坐标为：

式中，L_sp(k,i)为所述相对范围的左边界坐标，i＝1,2,…,N_v，k＝1,2,…,N_pulse。

5.根据权利要求4所述的基于单光子速度累加的目标测距方法，其特征在于，步骤2)中各速度区间的绝对位置是用绝对位置的左边界坐标来划分，所述绝对位置的左边界坐标为：

L_r(r,k,i)＝r-1+L_sp(k,i)+N_dmin

式中，L_r(r,k,i)为所述绝对位置的左边界坐标，r为采样点的位置，N_dmin为支持测距的最小距离对应的栅格数。

6.基于单光子速度累加的目标测距装置，其特征在于，包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5任一项所述的基于单光子速度累加的目标测距方法。

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