一种基于波形时域匹配的激光测距系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于波形时域匹配的脉冲激光测距系统和方法，系统包括软件和硬件。FPGA发送控制信号给激光窄脉冲发射电路，发射电路控制激光发射器发射脉冲激光。物体反射激光通过光学准直系统和窄带滤光片将回波光信号发射到光电转换系统，光电转换系统将光信号转换成回波电信号，再通过模拟放大电路变成定幅度回波模拟信号进入信号合路系统。在FPGA发射控制信号控制激光发射的同时，FPGA将时间参考脉冲同时发送到信号合路系统，合路系统将时间参考脉冲和定幅度回波模拟信号整合成带时间参考的回波信号。带时间参考的回波信号在ADC采样系统中量化为数字检测信号，发送给FPGA进行数据分析，通过软件部分的波形时域匹配分析后测距结果由FPGA输出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及测量仪器
，尤其涉及一种脉冲激光测距系统及方法。
技术介绍
脉冲激光测距的基本原理是主动向目标发射脉冲激光，然后探测该目标上被照射点的激光回波，测量脉冲激光的飞行时间，可获得目标到测距仪的距离。脉冲激光测距的测距精度由对激光飞行时间的测量精度决定。由于脉冲激光受大气及目标散射特性的影响，导致激光回波在幅度和形状上有很大差别，由此形成的时间漂移误差给准确确定激光回波时刻带来困难。目前激光回波时刻鉴别方法主要有四种：前沿鉴别法、恒定比值鉴别法、高通容阻鉴别法和误差补偿法。前沿鉴别法使用单个固定阈值来确定激光回波的停止时刻，虽然电路简单，但无法克服时间漂移误差。恒定比值鉴别法和高通容阻鉴别法都可以有效的消除时间漂移误差。恒星比值鉴别法以激光回波前沿半高点到达的时刻作为激光回波的停止时刻。高通容阻鉴别法利用高通容阻滤波电路的微分效应，将激光回波的极值点转变为零点，以此作为激光回波的停止时刻。但这两种方法的电路结构复杂，不易实现。误差补偿法使用多个不同的固定阈值测量同一激光回波，利用测定好的误差补偿曲线，补偿单个固定阈值引起的时间漂移误差，得到准确的激光回波停止时刻。该方法电路结构简单，容易实现，但需要事先测定误差补偿曲线，拟合误差补偿曲线或建立误差补偿表，增加了脉冲激光测距方法的复杂度。专利技术人发现，专利文献1(CN103364790A)也给出了一种基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统和方法，但是，该方案存在系统的触发门限随回波幅度大小不同导致触发时间波动较大的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于波形时域匹配的激光测距系统及方法，有效的克服了基于TDC(时间数字间隔转换器)系统的触发门限随回波幅度大小不同导致触发时间波动较大的问题，也解决了低中频相位式测距方法的测试速率问题。为实现上述目的，本专利技术的基于波形时域匹配的激光测距系统，所述系统包括软件部分和硬件部分；硬件部分包括光学准直系统、FPGA、滤光片、光电转换系统、模拟放大电路、激光发射器、信号合路系统、ADC采样系统和激光窄脉冲发射电路；所述FPGA发送控制信号给激光窄脉冲发射电路，所述发射电路控制激光发射器发射脉冲激光；所述激光通过光学准直系统发射到物体上，物体反射激光通过光学准直系统和滤光片将回波光信号传输到光电转换系统；所述光电转换系统将光信号转换成回波电信号，再通过模拟放大电路变成定幅度回波模拟信号进入信号合路系统；在所述FPGA发射控制信号控制激光发射的同时，所述FPGA将时间参考脉冲同时发送到所述信号合路系统，所述信号合路系统将时间参考脉冲和定幅度回波模拟信号整合成带时间参考的回波信号；所述带时间参考的回波信号在ADC采样系统中转换为数字检测信号，发送给所述FPGA进行数据分析，通过波形时域匹配的分析后测距结果由FPGA输出。所述的软件部分包括波形时域匹配分析算法、波形压缩算法、光路衰减估计，插值算法。优选地，所述软件部分还包括高速模数转换器件结合算法，利用所述高速模数转换器件结合算法，完成对回波脉冲时间间隔的高速、高精度测量，从而提高激光测距每秒测试频率。优选地，所述滤光片为窄带滤光片。本专利技术还基于上述系统提出了一种基于波形时域匹配的脉冲激光测距方法，包括以下步骤：步骤1，发射控制部分控制发射阵充能；步骤2，经光学通道传输并漫反射回接收光学部分，由光电转换系统进行光电转换；步骤3，前级微弱回波信号进行N倍放大，后经合路系统加入参考时间脉冲；步骤4：ADC对信号进行采集并对大量数据进行简易筛选，进行初步的峰值查找筛选出有用部分降低后续计算量；回波功率估计亦于此处完成计算出的回波脉冲的功率值将送给发射控制模块，发射控制系统被设计为一直工作于零状态的充能电路可使得两次发射行为之间的发射功率完全无关，任意一次发射都可以在额定范围内任意的选取发射功率；步骤5，时域波形分析，其中包含时域波形匹配算法、光路衰减估计，在此通过插值获取较高的时间分辨率，时间分辨率优于50ps；步骤6，由于AGC在增益不同的情况下具有不同的群延时为保证精度及调整速度很难做到很快放弃使用了可变增益环节，根据光路衰减经由专家控制系统调整发射功率补偿光路衰,，使得下次的回波能量恰好位于期待功率范围内，从而获得具有较好信噪比的回波信号。此处将给出发射功率相对值；步骤7：根据发射功率和所测的距离及专家系统得出被测距对象的反射率从而推导出灰阶值。优选地，所述方法还包括，步骤8：通过定制磁耦合链路将封包后的“距离、灰阶值、极坐标、发射功率、回波强度、校验”等信息从旋转体中发送到上位机设备。优选地，所述N的典型值为1000。本专利技术具有如下有益技术效果：本专利技术根据回波的波形轮廓特点对波形进行插值、及峰值寻找，有效的克服了基于TDC(时间数字间隔转换器)系统的触发门限随回波幅度大小不同导致触发时间波动较大的问题，也解决了低中频相位式测距方法的测试速率问题。目前可根据ADC采集所得1ns时间间隔数据序列在回波信噪比优于15dB时获得优于50ps时间分辨率，且典型环境下测试结果。并可给出256级灰阶图，在PC端对数据进行恢复后有良好的视觉效果。附图说明图1是本专利技术的基于波形时域匹配的激光测距系统的结构框图。具体实施方式下面结合附图说明及具体实施方式对本专利技术进一步说明。附图1是本专利技术的基于波形时域匹配的脉冲激光测距系统的结构框图，该系统包括软件部分和硬件部分。硬件部分包括光学准直系统、FPGA、滤光片、光电转换系统、模拟放大电路、激光发射器、信号合路系统、ADC采样系统和激光窄脉冲发射电路；所述FPGA发送控制信号给激光窄脉冲发射电路，所述发射电路控制激光发射器发射脉冲激光；所述激光通过光学准直系统发射到物体上，物体反射激光通过光学准直系统和滤光片将回波光信号传输到光电转换系统；所述光电转换系统将光信号转换成回波电信号，再通过模拟放大电路变成定幅度回波模拟信号进入信号合路系统；在所述FPGA发射控制信号控制激光发射的同时，所述FPGA将时间参考脉冲同时发送到所述信号合路系统，所述信号合路系统将时间参考脉冲和定幅度回波模拟信号整合成带时间参考的回波信号；所述带时间参考的回波信号在ADC采样系统中转换为数字检测信号，发送给所述FPGA进行数据分析，通过波形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于波形时域匹配的激光测距系统，其特征在于，所述系统包括软件部分和硬件部分；所述硬件部分包括光学准直系统、FPGA、滤光片、光电转换系统、模拟放大电路、激光发射器、信号合路系统、ADC采样系统和激光窄脉冲发射电路；所述FPGA发送控制信号给激光窄脉冲发射电路，所述发射电路控制激光发射器发射脉冲激光；所述激光通过光学准直系统发射到物体上，物体反射激光通过光学准直系统和滤光片将回波光信号传输到光电转换系统；所述光电转换系统将光信号转换成回波电信号，再通过模拟放大电路变成定幅度回波模拟信号进入信号合路系统；在所述FPGA发射控制信号控制激光发射的同时，所述FPGA将时间参考脉冲同时发送到所述信号合路系统，所述信号合路系统将时间参考脉冲和定幅度回波模拟信号整合成带时间参考的回波信号；所述带时间参考的回波信号在ADC采样系统中转换为数字检测信号，发送给所述FPGA进行数据分析，通过波形时域匹配的分析后测距结果由FPGA输出；所述的软件部分包括波形时域匹配分析算法、波形压缩算法、光路衰减估计，插值算法。

【技术特征摘要】
1.一种基于波形时域匹配的激光测距系统，其特征在于，所述系统包括软件部分和硬件部分；所述硬件部分包括光学准直系统、FPGA、滤光片、光电转换系统、模拟放大电路、激光发射器、信号合路系统、ADC采样系统和激光窄脉冲发射电路；所述FPGA发送控制信号给激光窄脉冲发射电路，所述发射电路控制激光发射器发射脉冲激光；所述激光通过光学准直系统发射到物体上，物体反射激光通过光学准直系统和滤光片将回波光信号传输到光电转换系统；所述光电转换系统将光信号转换成回波电信号，再通过模拟放大电路变成定幅度回波模拟信号进入信号合路系统；在所述FPGA发射控制信号控制激光发射的同时，所述FPGA将时间参考脉冲同时发送到所述信号合路系统，所述信号合路系统将时间参考脉冲和定幅度回波模拟信号整合成带时间参考的回波信号；所述带时间参考的回波信号在ADC采样系统中转换为数字检测信号，发送给所述FPGA进行数据分析，通过波形时域匹配的分析后测距结果由FPGA输出；所述的软件部分包括波形时域匹配分析算法、波形压缩算法、光路衰减估计，插值算法。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述软件部分还包括高速模数转换器件结合算法，利用所述高速模数转换器件结合算法，完成对回波脉冲时间间隔的高速、高精度测量，从而提高激光测距每秒测试频率。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述滤光片为窄带滤光片。
4.一种基于波形时域匹配的脉冲激光测距方法，应用于如权利要求1-3任一项所述的系统，所述方法包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱纯鑫，刘乐天，
申请(专利权)人：深圳市速腾聚创科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44