基于非对称 sine函数拟合的激光测距算法优化
基于非对称 sine函数拟合的激光测距算法优化
作者:郭荣幸;赵亚飞;马鹏阁;陈恩庆;
目前,便携式激光测距仪或测距望远镜采用10kHz以上的高重复频率发射激光信号,可以降低激光器的发射功率,在探测器接收时采用多脉冲的积累提高接收信号的信噪比,提高作用距离。激光测距机的发射波形因采用的激光器不同而有高斯型、负抛物线型、sine函数型等类型,这些激光信号由于具有上升和下降 “陡峭” 脉冲宽度窄 、反射率高 的特点而被广泛采用。采用时间测量的激光测距方法有脉冲计数法、时间扩展法、TDC法等,这些计时方法均依赖于对波峰所处时刻位置的精确定位基础上。目前,直接寻峰法、多项式拟合曲线法是比较常用的方法,但这些方法的寻峰精度有限,抗干扰能力差,不能有效提高测距精度。在大气能见度较好且近距离测距时测得的回波峰值点位置偏差较小,直接寻峰测距误差也较小。然而,在低信噪比时,受噪声、杂波及信道衰减的影响,为实际的波峰位置确定带来困难,并不能直接精确检测到峰值点位置。因此,对激光目标回波波峰位置的寻峰算法进行改进优化,并使之具有 一 定的自适应能力 ,对减小测距误差具有重要的工程意义。
文中基于无人机航测所用的机载激光测距系统,其特点是功率低、体积小、重量轻,其测距量程为7km、静态测距精度要求在土3m以内,激光器脉冲发射频率儿激光脉冲宽度T, 脉冲累积个数N、AID转换的采样频率f等参数均需满足上述要求。在对测距系统误差分析的基础上,文中提出了一种修正波峰点位置的新方法,即运用指数修正sine函数拟合寻峰算法,进行多脉冲累积波形拟合重构,提高寻峰精度,与直接寻峰法进行对比,文中提出的测距算法提高了测距精度。
1、测距性能分析
1.1高重频激光脉冲测距体制
激光测距是利用光波在待测距离上往返一 次的时间与光速的乘积得到待测距离。采用高重频多脉冲方法不仅可以将回波的信噪比提高Vii倍(N为多脉冲的个数),而且有效降低激光器的发射功率,大大减小激光测距系统的体积。多脉冲的发射主波与接收回波之间的关系。
为保证多脉冲正确累积,在单个脉冲回波接收到之后才能发下一个脉冲。在该系统上,为了保证有效的测距量程不小于7km,可以取多脉冲发射周期九为100s, 即发射频率儿为l0kHz, 为提高接收回波的信噪比,可设定发射脉冲的个数N为1000, 为了减小随机噪声对脉冲信号的干扰并尽可能降低激光器的发射功率,将激光器发射脉冲宽度 'T 设定 为 120 ns并选取高速 D劝处理器,从而保证测距数据处理的实时性,提高测距能力,这样可以在单次耗时0.1 s的情况下实现多脉冲积累测距。
1.2测距误差分析
便携式激光测距机采用半导体激光二极管激光器,发射的激光信号为对称sine函数波形。在大气中传播并经过电路接收后,激光回波波形受接收电路带宽、激光传播距离、大气信道特性等因素影响气其波形通常是左峰宽度趴小于右峰宽度W人脉宽通常取峰值的一半处的峰宽,即接 收 的 回波信号为“拖尾”的非对称 sine 函数形式的波形。回波波形是对称的sine函数波形,其波峰位置不会发生偏移,只要找出波峰位置,根据发射和接收激光信号时间间隔即可得到被测距离。实 际采集到回波数字信号处理器的回波信号是非对称的,峰值点受接收电路、噪声及杂波的影响会发生偏移,这会导致测距误差。
在数字化处理过程中,以采样率J对回波信号进行采样,可以得到回波信号离散化后的样本点。为了将测距精度控制在系统要求的范围以内,并且不超过系统硬件实时处理数据的能力,回波采样频率J采用50MHz, 即20ns采一个点 ,这样在单个脉冲宽度上可以采集到6个点。这表明若检测到的目标位置(波峰)偏差一个采样点 ,误差就是3m 。
因此AID转换采样频率也是影响脉冲法测距精度的重要因素。影响测距精度的另外一个重要因素是H标的运动速度。在对运动目标进行测距时,会造成N个回波信号在积累时发生偏移。当被测目标缓慢运动时,由于本系统测距耗时很小,为0.1 s,脉冲累积时偏移鼠也很小,对距离测蜇带来的误差也很小可以忽略 ,但运动目标以较高速度相对测距系统径向运动时对测距精度的影响明显,如果目标运动速度过大,最后发送的脉冲就不能正常累积,这会给测距带来较大误差,需要进行处理。
在文中讨论的测距系统中,设脉冲累积完成时目标真实距离和直接寻峰测距数值偏移一个采样点的情况下,目标与测距系统径向相对速度为Vi, 设最后一个脉冲能够累积上的情况下 ,目标最大径向相对速度为V2, 分别讨论测距误差与径向相对速度的关系。
经计算可以得到Vi为108km/h, V2为540km/h,由此可见,要保证测距误差在士3m以内,目标径向相对速度不能超过108.km/h, 常见的被测目标一般均小于该速度,如舰船、客车。但是对于高铁等高速运动的目标,测距精度就不能保证在动m, 如果目标径向相对速度大于540.km/h, 在利用多脉冲积累时,会造成后面发送的脉冲不能有效被累积而导致检测不到目标真实距离的情况。
2、峰值点修正算法
以上是基于对称sine函数进行分析计算出的误差理论值,由于激光信号在大气中传播后,接收的回波脉宽会被展宽,峰值点随之发生偏移,而且在探测器进行光电转换时由电路阻抗匹配也会造成脉宽发生展宽,因此接收到的回波信号峰值点发生偏移而呈现非对称特点,如果直接对回波信号进行采样处理得到的波峰是偏移过的波峰,会给实际测量造成较大的误差就文中讨论的测距系统而言 ,如果直接计算,误差往往会在纽m以外,经过实际测试证实了以上结论,测距精度约在1mm。
为了减小测距误差,文中提出用指数函数修正sine函数改善寻峰精度,即由指数函数和sine函数的卷积得到修正波形。
寻找峰值较为精确的位置主要分为峰值初定位和峰值补偿校正两部分内容。首先利用多脉冲累积算法,将各帧回波按主波发射时刻对准累加起来,得到一个新的脉冲信号并把该信号滤除大部分噪声,其中保留了真实的波峰和噪声带来的伪峰值。
满足差分信号等于零的点为所有可能的峰值点,对斜率阙值进行设置可以剔除伪峰值点。由于噪声造成的伪峰也满足c(i)为零的情况,所以需要对c(i)进行滤波,可以选择高斯滤波的方法滤除噪声,再利用幅度阙值对信号中幅度较小的伪峰值点进行滤除。通过以上步骤可以初步确定波峰位置。
然后进行峰值点校正。根据找到的波峰位置对信号进行波形重构,计算波峰左半部分面积AL和右半部分面积AR, 并比较二者大小,分别对两部分波形利用指数修正函数f(x)进行相应的指数修正。
以上方法的具体步骤如下:
Stepl: 对回波信号p(i)求差分得到信号c(i),接近零的点为所有可能的峰值点。
Step2:滤除噪声和假峰。对差分信号用高斯滤波滤除满足差分信号接近零的毛刺和伪峰值点得到信号G。(i)。为了保持波形不变,避免峰值点处过平滑处理,降低峰值点检测的误差,此处采用高斯滤波滤除高斯白噪声;
Step3:利用幅度阙值和斜率阙值对波峰位置进行初定位。首先将高斯滤波后的信号G a (i)与 Ga (i+ l )的差值和斜率阙值Su相比较,大千Su的峰值点保留;然后通过幅度阙值进行定位,将经过第一次阙值定位保留下的信号与队进行对比,大于的保留,其中,UA= 0 .5max ,取p(i)为最大值的点作为中心点左右各取M个进行波形重构,找到初定位波峰位置m。
Step4: 峰值点校正。以TB 为 中心分 别求 左半边和右半边波形的面积,选取合适的指数函数,进行波形拟合修正,以便得到校正后峰值点位置环。根据修正后所得峰值点 Tp 的位置 ,可以较为精确计算发射脉冲和接收脉冲之间的时间差,从而减小测距误差。
3、实验结果与分析
探测器接收的回波信号中,噪声信号的幅度可能大于信号幅度,导致无法直接检测到有用的脉冲信号,接收的回波信号中有sine模型的脉冲信号和白噪声信号的叠加,在不同的信噪比下接收回波的峰值点位置会发生不同程度的偏移。
信噪比越低峰值点位置发生偏移越大,将不同信噪比的回波信号多次仿真,统计分析多次仿真结果中峰值点最大偏移点数,偏移一个采样点对应的误差距离为3 m。
4、结论
文中提出的算法是在高重频多脉冲积累的基础上对回波波形进行拟合修正,可以更为精确地寻找峰值点位置,从而提高测距精度,仿真结果表明,中距离测距时误差在士2m以内,近距离测距时误差优化在土lm以内,在AID转换采样频率一定的情况下有效提高了测距精度,具有重要的工程意义。
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