基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置及其方法
2023-05-14 04:35:26 1
專利名稱：基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置及其方法
技術領域：
本發明屬於雷射雷達信號處理領域，特別是一種測量雷射飛行時間的裝置及其方法，應用於雷射測距，雷射成像雷達等用途。
背景技術：
雷射飛行時間測量技術廣泛應用於雷射測距、雷射成像雷達等雷射直接探測應用中，雷射飛行時間測量精度的優劣直接關係到距離測量的精度和距離成像的清晰度。傳統的模擬雷射飛行時間測量分為時刻判別和時間間隔測量兩個步驟。時刻判別一般是對雷射發射脈衝和回波脈衝先進行簡單的預處理，如高通微分、低通濾波等，然後對預處理後的模擬信號通過高速比較器提取雷射開始和截止的數位訊號上升沿。時刻判別方法只是簡單地使用模擬方法提取時刻，由於雷射在飛行的過程中受到大氣、固體懸浮顆粒的衰減和幹擾，目標表面特性變化等原因的影響，時刻判別存在很大的誤差。時間間隔測量普遍使用兩種方法一是使用可編程邏輯器件電子學倍頻獲得高速的時鐘信號以提高測量精度；二是使用專業的計時晶片。這兩種方法各有優劣，前者受器件工藝水平制約很難達到超高速的時鐘頻率，即使達到成本也很高；後者由於器件內部採用模擬技術所以受溫度等環境條件影響很大，不同溫度下測得的時間值存在誤差。時延估計是信號處理領域一個比較活躍的研究課題，其基本問題是利用接收到的回波信號準確快速地估計接收器之間由於信號傳播距離不同而引起的時間延遲。通常用到的時延估計方法有相位法、雙譜法、相關法、自適應濾波器參數模型法等。對於雷射雷達的回波而言，其信號是類高斯信號，噪聲是高斯白噪聲，信號和噪聲、噪聲和噪聲互不相關，非常有利於使用相關時延估計方法來估算雷射飛行時間。相關時延估計法利用互相關技術比較比較回波信號和參考信號之間的相似性，通過相關函數的峰值來估計回波信號和參考信號之間延遲的時間差。但是目前數字採集單元的採集速度有限，想要提高雷射時間測量精度，僅僅通過相關時延估計方法還是不夠的。所以，有必要對上述方法進行改進。
發明內容
本發明的發明目的在於提高雷射飛行時間的測量精度，提供了一種基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置及其方法，裝置簡單，計算量小，實現簡單，可以有效達到減小誤差提高精度的目的。實現本發明的目的技術方案為一種基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置，包括光學系統和電子學系統兩部分，其中光學系統由發射光學、接收光學、第一平面鏡和第二平面鏡構成，電子學系統由雷射發射器、接收信道、多通道參考信道、數字採集單元和數學信號處理單元構成，第一平面鏡和第二平面鏡的光學參數相同，第一平面鏡置於雷射發射器之前，與雷射發射器成45°夾角，第二平面鏡置於多通道參考信道之前，與多通道參考信道成45°夾角，第一平面鏡和第二平面鏡成90°夾角；發射光學置於第一平面鏡之前，接收光學置於接收信道之前，發射光學和接收光學相平行；雷射發射器發射雷射，一路先透過第一平面鏡，然後經過發射光學進行準直，被目標反射後經過接收光學會聚到接收信道，另一路先經第一平面鏡反射、後經第二平面鏡反射進入多通道參考信道，接收信道和多通道參考信道均與數字採集單元相連接，該數字採集單元一端與接收信道和多通道參考信道相連接，將接收信道的回波模擬信號和多通道參考信道的參考模擬信號進行模數轉換並二進位編碼，另一端與數位訊號處理單元相連接，將採集到的回波數位訊號和多通道參考數位訊號送入數位訊號處理單元，數位訊號處理單元將接收到的回波數位訊號和多通道參考數位訊號進行互相關時延估計並進行線性多項式擬合修正求得最佳時延估計值。一種基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量方法，包括以下步驟a、在雷射發射的瞬間同時打開兩個信道，兩個信道接收到的參考模擬信號和回波模擬信號分別記為X1 (t)和；
1 N-Ib、多通道參考信道內部的延時單元對參考模擬信號分別進行0、；Γ ——Τ
N ■■■ N
的延時，形成包括原參考模擬信號在內的N個多通道參考信號，分別記為X11 (t)、X12⑴… x1N(t)，其中T是數字採集單元的最小採樣時間間隔，N是多通道參考信道的信道個數；C、多通道參考信道不同延時時間的參考模擬信號和接收信道的回波模擬信號通過高速數字採集單元進行模數轉換並二進位編碼轉化為數位訊號，分別記為X11 (η)、 χ12 (η)、".χ1Ν (η)禾口 χ2 (η)；d、將採集到的回波數位訊號X2(II)和多通道參考數位訊號X11(Ii) ,X12 (η),-χ1Ν (η) 分別進行互相關時延估計運算，得到時延估計值Tp τ2、…τΝ;
1 N-Ie、將得到的不同時延估計值分別增加(ΚγΓ得到雷射飛行時間的N個
N ■■■ N
測量值，對離散的N個雷射飛行時間測量值進行線性多項式擬合修正可以得到雷射飛行時間的擬合曲線，由擬合曲線可得，第一個測量值橫坐標對應曲線上的點即為最佳時延估計值，其與真實值之間的誤差要遠小於單次互相關時延估計值與真實值之間的誤差。本發明與現有技術相比，其顯著優點為(1)裝置簡單，可操作性強；( 傳統模擬方法採用模擬時刻判別受噪聲和環境因素影響大，模擬計時晶片受溫度影響計時誤差大， 本發明採用數位化的測量方法受噪聲、溫度、環境因素影響小；C3)雷射飛行時間測量精度優於相同採集率的數字測量系統，相比同為200M採樣頻率的數字測量系統，其測量值精度提高至20倍。下面結合附圖對本發明作進一步描述。
圖1是本發明基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置的結構示意圖。圖2是本發明基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置的數字採集單元和數位訊號處理單元的結構示意圖。圖3是本發明基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置的多通道參考信道延時單元的結構示意圖。圖4是本發明基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量方法的多通道參考模擬信號和回波模擬信號的位置示意圖。圖5是本發明基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量方法的回波數位訊號採樣圖。圖6是本發明基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量方法的相關時延估計算法實現流程圖。圖7是本發明基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量方法的相關時延估計在信號有無噪聲情況下的示意圖。圖8是本發明基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量方法的測量值線性多項式擬合圖。
具體實施例方式結合圖1，本發明基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置，包括光學系統和電子學系統兩部分。其中光學系統由發射光學、接收光學、第一平面鏡1和第二平面鏡 2構成；電子學系統由雷射發射器、接收信道、多通道參考信道、數字採集單元和數學信號處理單元構成。第一平面鏡1和第二平面鏡2的光學參數相同，如透射率90-98 %、反射率 0. 5-1%。第一平面鏡1置於雷射發射器之前，其中心距離雷射發射器3-5mm，與雷射發射器成45°夾角，第二平面鏡2置於多通道參考信道之前，其中心距離多通道參考信道3-5mm， 與多通道參考信道成45°夾角，第一平面鏡1和第二平面鏡2成90°夾角。發射光學置於第一平面鏡1之前，距離雷射發射器88mm，接收光學置於接收信道之前，距離接收信道 88mm，發射光學和接收光學相平行。雷射發射器發射雷射，一路先透過第一平面鏡1，然後經過發射光學進行準直，被目標反射後經過接收光學會聚到接收信道，另一路先經第一平面鏡1反射、後經第二平面鏡2反射進入多通道參考信道，接收信道和多通道參考信道均與數字採集單元相連接。數字採集單元一端與接收信道和多通道參考信道相連接，將接收信道的回波模擬信號和多通道參考信道的參考模擬信號進行模數轉換並二進位編碼，另一端與數位訊號處理單元相連接，將採集到的回波數位訊號和多通道參考數位訊號送入數字處理單元。數位訊號處理單元將接收到的回波數位訊號和多通道參考數位訊號進行互相關時延估計並進行線性多項式擬合修正求得最佳時延估計值。結合圖2，本發明基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置的數字採集單元包括ADC採集模塊和採集控制模塊兩部分ADC採集模塊使用六片ADC晶片實現，五片用於採集多通道參考模擬信號，一片用於採集回波模擬信號；採集控制模塊集成在一片FPGA 中，用於產生ADC控制信號和時鐘信號。數位訊號處理單元包括數據緩衝模塊，數據處理模塊，數據存儲模塊三部分數據緩衝模塊和採集控制模塊集成在同一片FPGA中，將數據緩衝後送入數據處理模塊；數據處理模塊集成在一片DSP晶片中，將數據緩衝模塊送入的多通道參考數位訊號與回波數位訊號分別進行互相關時延估計，然後對得到的不同時延估計值進行線性多項式擬合修正求得最佳時延估計值；數據存儲模塊用於暫時存儲數據處理模塊得到的數據，通過數據總線與數字處理模塊相連，由兩片SDRAM實現。ADC晶片、FPGA、DSP 晶片可以通過市購獲得。結合圖3，本發明基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置的多通道參考信道的形成多通道參考信道主要包括參考接收單元和延時單元，延時單元由N-I個延時子
單元構成，每個子單元的延時時間均為『Γ，通過LC濾波電路實現。參考接收單元將經第一、二平面鏡1、2反射回來的雷射信號轉換為參考電信號，延時單元對參考電信號分別進 1 N-I N ··· N
通道參考信道，其中Τ是高速數字採集單元的最小採樣間隔，N為多通道參考信道的信道個數。本發明基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量方法，步驟如下a、將接收信道與多通道參考信道按照前述的空間關係放置，在雷射發射的瞬間同時打開接收信道與多通道參考信道，兩個信道接收到的參考模擬信號和回波模擬信號分別記為X1⑴和X2 (t)。b、結合圖4，多通道參考信道內部的延時單元對參考模擬信號分別進行0、 1 N-I
-T的延時，形成包括原參考模擬信號在內的N個多通道參考信號，分別記為
N ".N
X11⑴、X12 (t)…x1N(t)，其中T是高速數字採集單元的最小採樣時間間隔，N是多通道參考信道的信道數，當採樣電路的採樣頻率為200MHz，相應的最小採樣時間間隔為5ns，取N = 5，即多通道參考信道的信道數為5，相鄰參考信道的延時時間相差Ins。C、多通道參考信道不同延時時間的參考模擬信號和接收信道的回波模擬信號通過數字採集單元進行模數轉換並二進位編碼轉化為數位訊號，分別記為X11(H)、χ12(η)、… x1N (η)禾口 χ2 (η)。結合圖5，回波模擬信號經高速採樣得到的離散回波數位訊號，由於採樣速度僅 200Μ，對於一個脈寬為IOOns的回波脈衝最多只能得到二十個離散點。d、將採集到的回波數位訊號& (η)和多通道參考數位訊號X11 (η)、χ12 (η)、…χ1Ν(η) 分別進行互相關時延估計運算，得到時延估計值Tp τ2、…τΝ。結合圖6，說明相關時延估計在數位訊號處理單元的實現過程。其中一路參考數位訊號和回波數位訊號的相關函數為
權利要求
1.一種基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置，其特徵在於包括光學系統和電子學系統兩部分，其中光學系統由發射光學、接收光學、第一平面鏡[1]和第二平面鏡[2] 構成，電子學系統由雷射發射器、接收信道、多通道參考信道、數字採集單元和數學信號處理單元構成，第一平面鏡[1]和第二平面鏡[2]的光學參數相同，第一平面鏡[1]置於雷射發射器之前，與雷射發射器成45°夾角，第二平面鏡[2]置於多通道參考信道之前，與多通道參考信道成45°夾角，第一平面鏡[1]和第二平面鏡[2]成90°夾角；發射光學置於第一平面鏡[1]之前，接收光學置於接收信道之前，發射光學和接收光學相平行；雷射發射器發射雷射，一路先透過第一平面鏡[1]，然後經過發射光學進行準直，被目標反射後經過接收光學會聚到接收信道，另一路先經第一平面鏡[1]反射、後經第二平面鏡[2]反射進入多通道參考信道，接收信道和多通道參考信道均與數字採集單元相連接，該數字採集單元一端與接收信道和多通道參考信道相連接，將接收信道的回波模擬信號和多通道參考信道的參考模擬信號進行模數轉換並二進位編碼，另一端與數位訊號處理單元相連接，將採集到的回波數位訊號和多通道參考數位訊號送入數位訊號處理單元，數位訊號處理單元將接收到的回波數位訊號和多通道參考數位訊號進行互相關時延估計並進行線性多項式擬合修正求得最佳時延估計值。
2.根據權利要求1所述的基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置，其特徵在於數字採集單元包括ADC採集模塊和採集控制模塊兩部分，ADC採集模塊使用六片ADC晶片實現，五片用於採集多通道參考模擬信號，一片用於採集回波模擬信號；採集控制模塊集成在一片FPGA中，用於產生ADC控制信號和時鐘信號。
3.根據權利要求1所述的基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置，其特徵在於數位訊號處理單元包括數據緩衝模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊三部分，數據緩衝模塊和採集控制模塊集成在同一片FPGA中，將數據緩衝後送入數據處理模塊，該數據處理模塊集成在一片DSP晶片中，將數據緩衝模塊送入的多通道參考數位訊號與回波數位訊號分別進行互相關時延估計，然後對得到的不同時延估計值進行線性多項式擬合修正求得最佳時延估計值；數據存儲模塊用於暫時存儲數據處理模塊得到的數據，通過數據總線與數字處理模塊相連，由兩片SDRAM實現。
4.根據權利要求1所述的基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置，其特徵在於多通道參考信道的形成多通道參考信道包括參考接收單元和延時單元，延時單元由N-I個延時子單元構成，每個子單元的延時時間均為『71，通過LC濾波電路實現；參考接收單元 將經第一、二平面鏡1、2反射回來的雷射信號轉換為參考電信號，延時單元對參考電信號 1 N-I分別進行(K77T的延時，形成包括原參考電信號在內的N個多通道參考信號，即 形成多通道參考信道，其中Τ是高速數字採集單元的最小採樣間隔。
5.一種利用權利要求1至4任意一項所述的基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置的測量方法，其特徵在於包括以下步驟a、在雷射發射的瞬間同時打開兩個信道，兩個信道接收到的參考模擬信號和回波模擬信號分別記為X1 (t) ^P X2 (t)；b、多通道參考信道內部的延時單元對參考模擬信號分別進行
全文摘要
本發明公開了一種基於多通道時延估計的雷射飛行時間測量裝置及其方法，首先在雷射發射器發射雷射的瞬間同時打開多通道參考信道和接收信道，其次多通道參考信道按照固定的時間間隔進行延時處理形成多通道參考信號，最後通過數字採集單元將接收信道的回波信號與多通道參考信號送入數位訊號處理單元進行互相關運算，並將得到的不同時延估計值進行線性多項式擬合修正得到最佳時延估計值。本發明提出了一種完全數位化的雷射飛行時間測量裝置及其方法，裝置簡單，方法有效，計算量小，穩定性強，有效提高了雷射飛行時間的測量精度。
文檔編號G01S7/481GK102176004SQ20111004243
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月22日 優先權日2011年2月22日
發明者徐偉, 陳錢, 顧國華 申請人:南京理工大學