一种改进的脉冲激光测距算法
一种改进的脉冲激光测距算法
作者:陈小宇;李明
以三维激光扫描仪为代表的激光测距仪技术正在推动移动测量、三维街景、数字城市等领域的快速发展[!]。作为三维激光扫描仪的核心技术,全波形激光测距是利用高速模拟数字转换电路,实时获取种子光和返回光的波形数据,通过一定的算法,精确解算出被测目标距离。 文献[2]和文献[3]分别介绍了最小二乘法和小波变换距离解算方法,这两种算法复杂程度较高,测距误差约在厘米械级。 文献[4]和文献[5] 中实测 100m 测距误差都在厘米蜇级。 本文提出了一种改进的脉冲激光测距算法,采用高速模拟数字转换电路获取种子光和返回光波形数据,将种子光和返回光叠加,然后进行自相关运算,利用高斯曲线拟合自相关运算后产生的三尖峰波形[6-7] , 从而间接解算被测目标的实际距离。 基千 Matlab 仿真实验,结果表明: 1.25GHz 采样频率,lOOm 距离解算误差可达 8mm 。
1全波形激光测距
全波形激光测距原理如图1所示。 激光器按照设定的频率发出激光脉冲,经被测目标物反射回接收光路,种子光和返回光脉冲分别经种子光PD和返回光PD,将光信号转换成电流脉冲信号,经放大与滤波后,转换成高速AD采集需要的电压脉冲信号,由高速AD采集模块完成种子光和返回光的全波形数据采集。 距离解算模块根据采集到的激光全波形数据,实现被测目标距离的精确解算,并可根据特定 的算法,分析返回激光波形的特征,实现特征目标提取和分类。
b.s为任意两个相邻采样点的实际距离,也是 AD采样引起的距离测量误差,由此可见,需采用一定的距 离解算算法,进一步减小激光测距误差。
2 改进的激光脉冲测距算法
2.1 激光脉冲信号特点
通常认为激光脉冲符合高斯分布。 实际上,激光脉冲上升沿和下降沿不是严格对称的。提出了一种激光脉冲的有效模型。
2.2 一次自相关运算
为提高激光测距的精度,需滤除种子光和返回光的噪声,提高信噪比,图4 为加噪后的叠加种子光和返回光信号进行一次自相关运算后得到的三尖峰脉冲,图4 中,横轴为时间轴 ,单位为ns。 n取值范围 : [0,5000], 间隔为0.8ns。 可见,经自相关处理后,信噪比得到明显提高[7] 。
2.3 高斯分段曲线拟合
经一次自相关运算后得到的三尖峰脉冲分段高斯拟合得到的结果,可见,经一次自相关运算后的波形其波峰在小范围内抖动,经高斯曲线拟合后能避免由波峰幅值抖动引起的峰值检测误差。
2.4 被测目标距离解算方法
为精确解算被测目标的距离,采用峰值检测法,利用高斯曲线分段对自相关得到的三个脉冲拟合, 求得的峰值点对应的横坐标依次设为 Xl、X2、X3。
3实验验证和分析
借助 Matlab 平台,构造已知距离的种子光和返回光脉冲波形,并加上白噪声,比较本文的激光测距解算方法和直接高斯曲线拟合方法[12-13]的距离计算结果,对本文方法测距精度进行验证。
3.1 同 距离,不同信噪比距离解算
噪声是影响测距精度的重要因素,表1为同一距离,不同信噪比情况下测距结果。本文算法抗噪性能较好。
3.2 不同距离返回光距离解算
被测目标距离或者反射率不同时,返回光强度不同,距离越远,反射率越低,返回光强越弱,经模拟电路放大后的信号电压越低。 表2为不同距离时,本文算法和直接高斯拟合方法测距结果,可见,本文方法测距精度较高。
3.3 近距离失真距离解算
被测目标距离较近时,返回光光强较强,考虑到模拟电路的响应动态范围,可能会出现信号失真的现象,如图 7 所示,加噪及一次自相关处理后的波形为近距离出现信号失 真时测距解算仿真结果,由表3可以看出,当返回光出现失真时,解算精度下降,与直接高斯拟合方法相比,本文方法仍然具有较好的测距精度,具有较好的实用价值。
综上仿真分析可以看出:与直接高斯曲线拟合算法相比,一定距离测量范围内随着距离的改变,本文算法误差较小,精度较高。 随着信噪比的提高,测撒结果更加精确。 在信号失真的特殊情况下,该算 法也能获得较高的精度。
全波形激光测距技术已经在移动测量、三维街景、数字城市等诸多领域得到广泛的应用,在国民经济和国防建设中具有极其重要的意义。 激光测距算法直接影响激光测距的精度,针对激光脉冲波形的特征,提出了 种改进的激光测距算法。 该算法基于自相关原理,将种子光脉冲和返回光脉冲叠加,进行一次自相关运算,利用高斯曲线分段拟合自相关运算后产生的三尖峰波形,采用峰峰检测求得发射脉冲和回波脉冲峰值的相位差,进而解算出被测目标间距。 与直接高斯拟合方法相比,该算法在精度上有明显的提升。 经 Matlab 仿真验证,结果表明:该算法理论上 100 m测距精度可达 8 mm, 对于近距离回 波脉冲饱和失真的情况,该算法仍能得到较高的测距精度。
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