CN111551911A - 基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法。所述基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法包括以下步骤：S1：光源构成发射模组并发射探测光信号；S2：所述探测光信号经过准直镜后变成准直的平行光线；S3：所述平行光线经过光学分光器件发生偏转；S4：经过所述光学分光器件的平行光线进入光束偏转***来控制出光的方向进行空间扫描。本发明提供的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法具有保证提升一定雷达信噪比的同时，保证了激光雷达的角度分辨率指标，提高点云图像的质量的优点。
Description
技术领域
本发明涉及工程测绘技术领域，尤其涉及一种基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法。
背景技术
采用飞行时间测距法(TOF)技术的激光雷达是目前常见的测量方法。其原理是通过计算收发组件之间光在空间中传播的往返时间来计算目标的距离。在激光雷达的接收部分，将光信号经过光电传感器转化为电信号，然后由模数转换器(ADC)转换为数字信号，经由数字信号处理后得到目标的真实距离。在实际的工作过程中，激光雷达接收的回波并不十分理想，待检测的回波信号同时还伴有环境光干扰，光电转换器件的暗电流，硬件电路的热噪声等。这就造成了在雷达工作的过程中，回波信号的信噪比较低，降低了雷达的检测能力。为了提高雷达的性能，常采用数字信号处理的方法，将多个光斑交叠的信号进行直接累加处理。常规的累加方法主要方法由多次发射激光光斑的重叠区域决定，其原理如下：
激光发射的光斑具有一定的发散角，并且随着传播的距离的增加而逐渐变大，如说明书附图1所示；
为了提高回波信号的信噪比，一般在空间上保证多次发射的激光光斑在扫描过程中具有一定的重叠区域，这样可以通过后端数字信号处理部分进行多次叠加，提高回波信号的质量，如说明书附图2所示；其中以三次发射为例，三个光斑的叠加示意图，我们可以发现第一次发射激光光斑包含了区域a,b,c，第二次发射的激光光斑包含了区域b,c,d，第三次发射的激光光斑包含了区域c,d,e。在这三个区域中，只有c区域是光斑1,2,3的交集，为了提高回波信号的信噪比，直接将光斑1,2和3的回波信号相加来提高c区域的信噪比。
常规叠加方式如说明书附图3所示；三次光斑直接叠加虽然直接提升了回波信号的信噪比，但实际上的等效光斑是光斑1,2,3的并集，光斑的水平宽度边长，这种情况下则牺牲了激光雷达的角度分辨率。
因此，有必要提供一种新的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法解决上述技术问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种保证提升一定雷达信噪比的同时，保证了激光雷达的角度分辨率指标，提高点云图像的质量的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法，包括以下步骤：
S1：光源构成发射模组并发射探测光信号；
S2：所述探测光信号经过准直镜后变成准直的平行光线；
S3：所述平行光线经过光学分光器件发生偏转；
S4：经过所述光学分光器件的平行光线进入光束偏转***来控制出光的方向进行空间扫描；
S5：当激光照射到空间目标后，其散射光经过原路返回，此时所述光学分光器件将回来的光信号导向接收部分，所述接受部分由聚焦镜头将光信号汇聚到接收模组；
S6：所述接收模组将光信号转化为电信号，再将电信号传输至控制与信号处理***；
S7：所述控制与信号处理***对所述电信号进行回波信号的距离估计和反射率估计。
优选的，所述光学分光器件包括打孔反射镜、分束镜、液晶偏振光栅和偏振分光立方。
优选的，所述接收模组为光电转换器件，负责将光信号转化为电信号。
优选的，所述控制与信号处理***包括控制部分、距离信息计算部分和反射率信息计算部分。
优选的，所述控制与信号处理***连接有光束偏转***控制部分，所述光束偏转***控制部分与所述光束偏转***相连接。
优选的，所述光束偏转***控制部分、接收模组和发射模组均与所述控制部分相连接。
优选的，所述距离信息计算部分对接受模组传递的电信号进行多次采集并叠加，在叠加时加入一个权系数W对回波信号进行相乘，等价于对空间发射的激光光束进行锐化，锐化形式由加权系数W决定。
优选的，所述距离信息计算部分对接受模组传递的电信号进行叠加的过程中，叠加光斑的数量由光斑交集决定，在尽可能保证光斑数量多的情况下，光斑的交集不为空集；多次叠加后，其输出波形表示为：
式中，xi为第i次回波信号，wi为加权矢量，对m次信号做多次平均累加，得到输出信号为
，在叠加过程中要满足权矢量归一化∑wi＝1；用W＝w1,w2,w3,...,wn表示加窗权矢量，在满足归一化的条件下，权矢量W的值可以灵活调整。
与相关技术相比较，本发明提供的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法具有如下有益效果：
本发明提供一种基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法，采用窗函数加权的方式对回波信号进行叠加处理，提高了激光雷达对不同场景的适应性。在提高一定信噪比的同时，保留了原始雷达点云图像的角度分辨率。
附图说明
图1为激光光斑扩散示意图；
图2为三次发射激光光斑叠加示意图；
图3为回波信号的多次叠加示意图；
图4为本发明提供的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法的原理框图；
图5为图1所示的空域加权的回波信号多次叠加的示意图；
图6为三次回波信号数据图；
图7为使用归一化凯泽权矢量进行加权叠加的回波信号数据图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
请结合参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7，其中，图1为激光光斑扩散示意图；图2为三次发射激光光斑叠加示意图；图3为回波信号的多次叠加示意图；图4为本发明提供的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法的原理框图；图5为图1所示的空域加权的回波信号多次叠加的示意图；图6为三次回波信号数据图；图7为使用归一化凯泽权矢量进行加权叠加的回波信号数据图。基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法包括以下步骤：
S1：光源构成发射模组并发射探测光信号；
S2：所述探测光信号经过准直镜后变成准直的平行光线；
S3：所述平行光线经过光学分光器件发生偏转；
S4：经过所述光学分光器件的平行光线进入光束偏转***来控制出光的方向进行空间扫描；
S5：当激光照射到空间目标后，其散射光经过原路返回，此时所述光学分光器件将回来的光信号导向接收部分，所述接受部分由聚焦镜头将光信号汇聚到接收模组；
S6：所述接收模组将光信号转化为电信号，再将电信号传输至控制与信号处理***；
S7：所述控制与信号处理***对所述电信号进行回波信号的距离估计和反射率估计。
所述光学分光器件包括打孔反射镜、分束镜、液晶偏振光栅和偏振分光立方，光学分光器件主要负责将同轴不同向的两束光偏转，即光路可逆，但传播方向不同的两束光偏转。
所述接收模组为光电转换器件，负责将光信号转化为电信号。
所述控制与信号处理***包括控制部分、距离信息计算部分和反射率信息计算部分。
所述控制与信号处理***连接有光束偏转***控制部分，所述光束偏转***控制部分与所述光束偏转***相连接。
所述光束偏转***控制部分、接收模组和发射模组均与所述控制部分相连接，控制部分会同步的控制发射模组，接收模组以及光束的偏转，保证信号处理部分参数估计的准确性。
所述距离信息计算部分对接受模组传递的电信号进行多次采集并叠加，在叠加时加入一个权系数W对回波信号进行相乘，等价于对空间发射的激光光束进行锐化，锐化形式由加权系数W决定，通过调整叠加区间各个回波信号的比重，来提高激光雷达的角度分辨率。
所述距离信息计算部分对接受模组传递的电信号进行叠加的过程中，叠加光斑的数量由光斑交集决定，在尽可能保证光斑数量多的情况下，光斑的交集不为空集；多次叠加后，其输出波形表示为：
式中，xi为第i次回波信号，wi为加权矢量，对m次信号做多次平均累加，得到输出信号为
，在叠加过程中要满足权矢量归一化∑wi＝1；用W＝w1,w2,w3,...,wn表示加窗权矢量，在满足归一化的条件下，权矢量W的值可以灵活调整，例如采用高斯窗，切比雪夫窗，汉明窗，泰勒窗等，极大的提高了激光雷达针对不同场景的适应能力，叠加的信号的数量不止是3次，也可以是多次。
以三次叠加为例，进行回波信号进行空域加权，三次回波如图6所示；
选用归一化凯泽权矢量进行加权叠加，其权矢量W＝[0.3260.3470.326]，对三个回波信号进行加权求和，得到的回波信号如图7所示；从图7中可以看到，叠加后的波形噪声与叠加前相比有所降低，提高了回波信号的信噪比。
与相关技术相比较，本发明提供的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法具有如下有益效果：
本发明提供一种基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法，采用窗函数加权的方式对回波信号进行叠加处理，提高了激光雷达对不同场景的适应性。在提高一定信噪比的同时，保留了原始雷达点云图像的角度分辨率。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：光源构成发射模组并发射探测光信号；
S2：所述探测光信号经过准直镜后变成准直的平行光线；
S3：所述平行光线经过光学分光器件发生偏转；
S4：经过所述光学分光器件的平行光线进入光束偏转***来控制出光的方向进行空间扫描；
S5：当激光照射到空间目标后，其散射光经过原路返回，此时所述光学分光器件将回来的光信号导向接收部分，所述接受部分由聚焦镜头将光信号汇聚到接收模组；
S6：所述接收模组将光信号转化为电信号，再将电信号传输至控制与信号处理***；
S7：所述控制与信号处理***对所述电信号进行回波信号的距离估计和反射率估计。
2.根据权利要求1所述的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法，其特征在于，所述光学分光器件包括打孔反射镜、分束镜、液晶偏振光栅和偏振分光立方。
3.根据权利要求1所述的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法，其特征在于，所述接收模组为光电转换器件，负责将光信号转化为电信号。
4.根据权利要求1所述的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法，其特征在于，所述控制与信号处理***包括控制部分、距离信息计算部分和反射率信息计算部分。
5.根据权利要求1所述的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法，其特征在于，所述控制与信号处理***连接有光束偏转***控制部分，所述光束偏转***控制部分与所述光束偏转***相连接。
6.根据权利要求4所述的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法，其特征在于，所述光束偏转***控制部分、接收模组和发射模组均与所述控制部分相连接。
7.根据权利要求4所述的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法，其特征在于，所述距离信息计算部分对接受模组传递的电信号进行多次采集并叠加，在叠加时加入一个权系数W对回波信号进行相乘，等价于对空间发射的激光光束进行锐化，锐化形式由加权系数W决定。
8.根据权利要求7所述的基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法，其特征在于，所述距离信息计算部分对接受模组传递的电信号进行叠加的过程中，叠加光斑的数量由光斑交集决定，在尽可能保证光斑数量多的情况下，光斑的交集不为空集；多次叠加后，其输出波形表示为：
式中，xi为第i次回波信号，wi为加权矢量，对m次信号做多次平均累加，得到输出信号为
在叠加过程中要满足权矢量归一化∑wi＝1；用W＝w1,w2,w3,...,wn表示加窗权矢量，在满足归一化的条件下，权矢量W的值可以灵活调整。
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