一种改进的脉冲激光测距算法

陈小宇，李　明

(华中师范大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430079)



一种改进的脉冲激光测距算法

陈小宇，李明

(华中师范大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430079)

提出了一种改进的脉冲激光测距算法。通过高速AD获取种子光和返回光脉冲波形数据，将种子光脉冲和返回光脉冲叠加后进行自相关运算，得到波形严格对称的三尖峰脉冲，采用高斯曲线分段拟合该三尖峰脉冲，根据峰值求解出种子光脉冲和返回光脉冲的相位差，最终解算被测目标距离。基于Matlab工具仿真实验，结果表明：采用1.25GHz采样频率，100m距离解算误差达8mm。同其他方法相比，该算法精度高，抗噪声能力强。

激光测距；自相关；高斯拟合；精度

以三维激光扫描仪为代表的激光测距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[1]。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，测距误差约在厘米量级。文献[4]和文献[5]中实测100m测距误差都在厘米量级。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。基于Matlab仿真实验，结果表明：1.25GHz采样频率，100m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[8-9]。

假设，AD模块采样频率1.25GHz，可得：

(1)

(2)

Δs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[5]。

图1　激光全波形测距原理框图

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[10]。文献[11]提出了一种激光脉冲的有效模型，模型函数如式(3)所示：

(3)

式(3)中取m=1,τ=12，可得图2所示叠加后的种子光和返回光的脉冲波形，表达式如式(4)、(5)、(6)：

(4)

(5)

(6)

Se(n)是种子光脉冲信号，Sr(n)是回波经放大后得到的脉冲信号。

考虑实际激光种子光和返回光都会包含噪声，可在图2中加入白噪声，式(7)为加入SNR=0.01dB高斯白噪声后得到的种子光和返回光脉冲信号波形，波形如图3所示。

(7)

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

图5为直接对图3进行高斯拟合的结果，图6为本文方法，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X1、X2、X3，则被测目标的距离可以用式(8)计算：

(8)

　　　

　　

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同一距离，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。由表1可以看出，本文算法抗噪性能较好。

表1　信噪比改变，测距结果对比(e = 2.71828182846)

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。

表2　距离改变，测距结果对比(e=2.71828182846)

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分别如图8和图9所示。表3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。

表3　近距离回波出现饱和失真，不同方法测距结果

图7失真原始信号

图8加噪后失真信号波形

图9失真信号一次自相关波形

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，测量结果更加精确。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，提出了一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。

[1]杨必胜，魏征，李清泉，等.面向车载激光扫描点云快速分类的点云特征图像生成方法[J].测绘学报,2010,39(5):540-545.

[2]乐意，许流博，赵文成，等.基于最小二乘法的相位式激光测距仪[J].华中科技大学学报(自然科学版)，2014，42(7):108-112.

[3]隋修宝，陈钱，顾国华，等.基于meth小波变换的激光测距算法[J].红外与激光工程，2012，40(10):1928-1934.

[4]李军.基于FPGA的高精度脉冲激光测距系统研究[D].西安:西安工业大学，2014年.

[5]蔡红霞.脉冲式激光测距系统研究[D].西安:西安工业大学，2014年.

[6]唐冲，惠辉辉.基于Matlab的高斯曲线拟合求解[J].计算机与数字工程，2013，41(8):1262-1263.

[7]程鹏飞，黄庚华，舒嵘.基于模拟自相关方法的微弱光脉冲信号检测[J].红外与激光工程，2012，41(10):2844-2847.

[8]黄武煌，王厚军，叶芃.一种高速全波形采集与高精度定位技术研究[J].仪器仪表学报，2013，34(1):73-79.

[9]Letalick D, Larsson H, Tolt G,etal. High range resolution laser scanner with full waveform recording[J].Proceedings of SPIE, 2010,7835．

[10]王勇.基于LABVIEW的脉冲激光测距回波处理算法[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2010年.

[11]Lin C S.Modulations of laser signals by water waves observed by a boxcar integrator[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2000，38(1): 198-204.

[12]陈碧芳.基于MATLAB的光脉冲波形曲线拟合[J].嘉兴学院学报，2006，18(3):9-11.

[13]李密，宋影松，虞静，等.高精度激光脉冲测距技术[J].红外与激光工程，2011,40(8):1399-1473.

责任编辑王菊平

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

陈小宇，男，湖北黄梅人，副教授，博士，主要研究方向为光电信号检测、信号与信息处理、嵌入式系统及应用。

湖北省自然科学基金面上项目(2014CFB656)；华中师范大学基本科研业务基金项目(CCNU14A02006)。