一種改進的脈沖激光測距算法

陳小宇，李　明

(華中師范大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢 430079)

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一種改進的脈沖激光測距算法

陳小宇，李明

(華中師范大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢 430079)

提出了一種改進的脈沖激光測距算法。通過高速AD獲取種子光和返回光脈沖波形數據，將種子光脈沖和返回光脈沖疊加后進行自相關運算，得到波形嚴格對稱的三尖峰脈沖，采用高斯曲線分段擬合該三尖峰脈沖，根據峰值求解出種子光脈沖和返回光脈沖的相位差，最終解算被測目標距離?；贛atlab工具仿真實驗，結果表明：采用1.25GHz采樣頻率，100m距離解算誤差達8mm。同其他方法相比，該算法精度高，抗噪聲能力強。

激光測距；自相關；高斯擬合；精度

以三維激光掃描儀為代表的激光測距技術正在推動移動測量、三維街景、數字城市等領域的快速發展[1]。作為三維激光掃描儀的核心技術，全波形激光測距是利用高速模擬數字轉換電路，實時獲取種子光和返回光的波形數據，通過一定的算法，精確解算出被測目標距離。文獻[2]和文獻[3]分別介紹了最小二乘法和小波變換距離解算方法，這兩種算法復雜程度較高，測距誤差約在厘米量級。文獻[4]和文獻[5]中實測100m測距誤差都在厘米量級。本文提出了一種改進的脈沖激光測距算法，采用高速模擬數字轉換電路獲取種子光和返回光波形數據，將種子光和返回光疊加，然后進行自相關運算，利用高斯曲線擬合自相關運算后產生的三尖峰波形[6-7]，從而間接解算被測目標的實際距離?；贛atlab仿真實驗，結果表明：1.25GHz采樣頻率，100m距離解算誤差可達8mm。

1　全波形激光測距

全波形激光測距原理如圖1所示。激光器按照設定的頻率發出激光脈沖，經被測目標物反射回接收光路，種子光和返回光脈沖分別經種子光PD和返回光PD，將光信號轉換成電流脈沖信號，經放大與濾波后，轉換成高速AD采集需要的電壓脈沖信號，由高速AD采集模塊完成種子光和返回光的全波形數據采集。距離解算模塊根據采集到的激光全波形數據，實現被測目標距離的精確解算，并可根據特定的算法，分析返回激光波形的特征，實現特征目標提取和分類[8-9]。

假設，AD模塊采樣頻率1.25GHz，可得：

(1)

(2)

Δs為任意兩個相鄰采樣點的實際距離，也是AD采樣引起的距離測量誤差，由此可見，需采用一定的距離解算算法，進一步減小激光測距誤差[5]。

圖1　激光全波形測距原理框圖

2　改進的激光脈沖測距算法

2.1激光脈沖信號特點

通常認為激光脈沖符合高斯分布。實際上，激光脈沖上升沿和下降沿不是嚴格對稱的[10]。文獻[11]提出了一種激光脈沖的有效模型，模型函數如式(3)所示：

(3)

式(3)中取m=1,τ=12，可得圖2所示疊加后的種子光和返回光的脈沖波形，表達式如式(4)、(5)、(6)：

(4)

(5)

(6)

Se(n)是種子光脈沖信號，Sr(n)是回波經放大后得到的脈沖信號。

考慮實際激光種子光和返回光都會包含噪聲，可在圖2中加入白噪聲，式(7)為加入SNR=0.01dB高斯白噪聲后得到的種子光和返回光脈沖信號波形，波形如圖3所示。

(7)

2.2一次自相關運算

為提高激光測距的精度，需濾除種子光和返回光的噪聲，提高信噪比，圖4為加噪后的疊加種子光和返回光信號進行一次自相關運算后得到的三尖峰脈沖，圖4中，橫軸為時間軸，單位為ns。n取值范圍：[0，5000]，間隔為0.8ns。可見，經自相關處理后，信噪比得到明顯提高[7]。

2.3高斯分段曲線擬合

圖5為直接對圖3進行高斯擬合的結果，圖6為本文方法，經一次自相關運算后得到的三尖峰脈沖分段高斯擬合得到的結果，可見，經一次自相關運算后的波形其波峰在小范圍內抖動，經高斯曲線擬合后能避免由波峰幅值抖動引起的峰值檢測誤差。

2.4被測目標距離解算方法

為精確解算被測目標的距離，采用峰值檢測法，利用高斯曲線分段對自相關得到的三個脈沖擬合，求得的峰值點對應的橫坐標依次設為X1、X2、X3，則被測目標的距離可以用式(8)計算：

(8)

3　實驗驗證和分析

借助Matlab平臺，構造已知距離的種子光和返回光脈沖波形，并加上白噪聲，比較本文的激光測距解算方法和直接高斯曲線擬合方法[12-13]的距離計算結果，對本文方法測距精度進行驗證。

3.1同一距離，不同信噪比距離解算

噪聲是影響測距精度的重要因素，表1為同一距離，不同信噪比情況下測距結果。由表1可以看出，本文算法抗噪性能較好。

表1　信噪比改變，測距結果對比(e = 2.71828182846)

3.2不同距離返回光距離解算

被測目標距離或者反射率不同時，返回光強度不同，距離越遠，反射率越低，返回光強越弱，經模擬電路放大后的信號電壓越低。表2為不同距離時，本文算法和直接高斯擬合方法測距結果，可見，本文方法測距精度較高。

表2　距離改變，測距結果對比(e=2.71828182846)

3.3近距離失真距離解算

被測目標距離較近時，返回光光強較強，考慮到模擬電路的響應動態范圍，可能會出現信號失真的現象，如圖7所示，加噪及一次自相關處理后的波形分別如圖8和圖9所示。表3為近距離出現信號失真時測距解算仿真結果，由表3可以看出，當返回光出現失真時，解算精度下降，與直接高斯擬合方法相比，本文方法仍然具有較好的測距精度，具有較好的實用價值。

表3　近距離回波出現飽和失真，不同方法測距結果

圖7失真原始信號

圖8加噪后失真信號波形

圖9失真信號一次自相關波形

綜上仿真分析可以看出：與直接高斯曲線擬合算法相比，一定距離測量范圍內隨著距離的改變，本文算法誤差較小，精度較高。隨著信噪比的提高，測量結果更加精確。在信號失真的特殊情況下，該算法也能獲得較高的精度。

全波形激光測距技術已經在移動測量、三維街景、數字城市等諸多領域得到廣泛的應用，在國民經濟和國防建設中具有極其重要的意義。激光測距算法直接影響激光測距的精度，針對激光脈沖波形的特征，提出了一種改進的激光測距算法。該算法基于自相關原理，將種子光脈沖和返回光脈沖疊加，進行一次自相關運算，利用高斯曲線分段擬合自相關運算后產生的三尖峰波形，采用峰峰檢測求得發射脈沖和回波脈沖峰值的相位差，進而解算出被測目標間距。與直接高斯擬合方法相比，該算法在精度上有明顯的提升。經Matlab仿真驗證，結果表明：該算法理論上100 m測距精度可達8 mm，對于近距離回波脈沖飽和失真的情況，該算法仍能得到較高的測距精度。

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責任編輯王菊平

An improved algorithm for pulsed laser ranging

CHEN Xiao-yu， LI Ming

(College of Physical Science and Technology, Central China Normal University, Wuhan 430079, Hubei, China)

An improved algorithm for pulsed laser ranging was proposed in this paper. Waveform data of seed and echo laser signal were captured with a high-speed AD converter. Pulses of seed and echo laser signals were superimposed as one signal onto which an autocorrelation operation was carried out later. As a result, three spike pulses with strictly symmetrical waveforms were obtained. Gauss curve was used to fit the strictly symmetrical waveform signal. The target distance was determined by the phase difference between seed and echo laser signals, and calculated according to the peak value of Gauss fitted curve. The simulation result based on the Matlab showed an error distance of 8mm at 100m under the 1.25GHz sampling rate. Compared with other methods, the improved algorithm had greater accuracy and better anti-noise capability.

laser ranging; auto-correlation; Gauss curve fitting; accuracy

TN249

A

1003-8078(2016)03-0066-05

2015-09-01

10.3969/j.issn.1003-8078.2016.03.17

陳小宇，男，湖北黃梅人，副教授，博士，主要研究方向為光電信號檢測、信號與信息處理、嵌入式系統及應用。

湖北省自然科學基金面上項目(2014CFB656)；華中師范大學基本科研業務基金項目(CCNU14A02006)。