关于高速多脉冲激光测距系统的研究
关于高速多脉冲激光测距系统的研究
作者:李丽;孙西花;孔明
在脉冲式激光测距系统中,系统对回波信号的采集受噪声信号的影响,使得有用信号淹没在噪声信号中,引入测量误差。针对该问题本文高速采集系统对回波信号采用双FPGA进行2G的高速采样,并引进多脉冲相关叠加的方法,使得有用信号得到增强,噪声信号被相对削弱;并对叠加之后的信号进行卡尔曼滤波,将无用的高频噪声信号滤掉,使得后端数据处理更加精确,进而提高激光测距仪系统的测量精度和测量距离。在本文中采用两片FPGA,一片为主芯片,一片为从芯片,进行协调工作,实现高速AD采集,并进行相应的数据处理,使得系统达到高精度、远距离的测距效果。
1.系统结构图
该系统主要包括三个模块:激光发射单元、激光接受单元以及逻辑控制与信息处理单元。中逻辑控制与信息处理单元分为主FPGA、从FPGA、DSP信息处理单元,主FPGA与从FPGA之间进行相互通信,同时各自分别实现1G的采样速率,并分别做多脉冲互相关叠加运算,将运算结果存储在公共的DDR中,实现2G的采样速率。DSP再对共用DDR中的数据进行卡尔曼滤波[1],使波形更加趋于理想化,进而进行阀值检测得到运算结果。
2.多脉冲相关累加算法
在脉冲激光测距系统中,由于有用信号的相关性极强,而噪声信号不存在相关性,将多个回波信号按照相关性进行相关性叠加,可以大大提高叠加之后信号的信噪比,进而提升系统的抗干扰能力。
采集到的多个脉冲信号叠加之后进行均值处理得到信号S,对信号S进行数据处理,锁定回波信号的有用位置,进而计算出主波与回波信号的间隔时间 ∆T ,进而根据激光测距系统的基本公式求出测量点到待测目标的距离,多脉冲互相关算法实现如下面所述。
3 高速数据采集方案实现
该部分实现对回波信号的数据采集,到达2G的采样速率,由于FPGA处理速度的限制,该模块使用2块FPGA分别控制一个高速AD采样芯片ADC08D1000对回波信号进行采样[4],两片FPGA进行信息通信,以达到协同工作的目的,同时为了减轻数据采集模块的运算负担,引进DSP模块,数据处理部分在DSP中进行。主FPGA控制从FPGA采样延后5×10−10 s,进而达到2G的采样速率。
4 卡尔曼滤波器的DSP实现
卡尔曼滤波分为三个阶段:预测、转换和矫正[5]。DSP程序实现过程如图4所示,在预测阶段,使用状态预测方程对当前的状态进行计算,得到后一个状态的距离及其协方差的预测值。在转换阶段将预测阶段得到的预测值转换为卡尔曼滤波修正系数,最后在矫正阶段根据预测阶段的预测值和转换阶段的修正系数得到后一阶段的状态及协方差矫正值。
针对近距离测试,选取50m的距离进行测量,如表所示,测量7组数据,然后对该7组数据求取平均值,最终测量结果为49.98714,测量误差为0.01286m。远距离测试,选取2855m的距离进行测量实验,同样对该7组的数据进行平均值处理,最终测量结果为2854.371,测量误差为0.629m.
根据仿真结果可以看出采用双FPGA对回波信号进行交替采样,可以实现双倍的采样速率增大测量的精确度;然后对采样的回波信号进行多脉冲叠加,由DSP实现对叠加后的信号进行卡尔曼滤波,使得有用信号更加容易分辨。经测试在近距离和远距离测量中均具有极高的精度。
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