一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法，包括波形数据滑窗操作、波形识别与提取和上传数据的处理；波形数据滑窗操作中，根据实测波形特征确定窗宽，每一次同步电信号到来时，开始对数据进行滑窗，窗宽先设置为发射波提取滑窗宽，每增加一个数据，窗口向右滑动一次，每次滑动均完成对窗内波形数据的识别；并通过一个定时计数器用于激光回波时刻与发射时刻时间差的粗略计算；通过阈值法进行波形的识别，找到对应光脉冲，将窗内数据传输到输出缓存；经过波形识别与提取后，利用输出到输出缓存的数据以及由定时计数器得到的激光回波时刻与发射时刻时间差的粗略计算值，进而得到得到激光回波与激光发射波之间的准确时间差。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法
本专利技术涉及激光测量系统中，将系统采集到的激光回波全波形数据，实时高速的由下位机上传至上位机的方法。
技术介绍
激光以其亮度高、能量集中、方向性好、单色性好等优点，在测量领域得到了广泛应用。激光测距、激光测高、激光测深、激光成像等各类激光测量技术日渐成熟。激光测量方法一般可分为脉冲法、相位法和调频连续波法等。与其它方法相比，脉冲法具有结构简单、测程远、测量速度快等优点，因此脉冲法在激光测距系统中得到了广泛应用。脉冲法是通过测量激光脉冲飞行时间实现对目标距离精确探测的方法。具体过程是激光器向目标发射激光脉冲，激光遇到目标后，部分能量反射回来形成激光回波脉冲，被激光探测器接收。通过计算激光回波脉冲到达时刻Tr与激光脉冲发射时刻Tt的时间差，再结合激光飞行速度C，得到激光器与探测目标之间的距离D:确定激光脉冲到达时刻的方法同样有很多，包括阈值法、恒比定时法、上升沿法、形心法等。这些算法要保证较高的计算精确度和较快的下位机实现，通常要依靠系统的高采样频率和波形的标准形状。但是当激光光斑过大，光斑范围内高程信息复杂的情况下，激光脉冲回波形状不是一个独立的高斯脉冲，而是众多脉冲叠加后的复杂波形，使用传统的算法很难保证计算精度。这时需要采集完整的全波形信息，通过上位机强大的数据分析工具对波形信息进行分析，进而得出更加准确的脉冲时刻，这就需要将采集到的波形完整数据实时传输到上位机进行计算。而对于一般的全波形激光测距系统，用于采集波形数据的模数转换器采样率都较高，通常能达到1Gbps以上，量化位数一般也能达到8位。如果将采集到的所有数据全部通过串行总线上传至上位机，至少需要8Gbps的总线速率。而对于计算机，常用的接口很难满足这么快的接口速率，即使超高速的USB3.0最快也只有理论5Gbps的速率，很难实现所有波形数据的全部上传。[参考文献][1]张伟，吴限；用于采集交通数据的激光扫描器技术研究[J]；红外；2015,36(11):30-35。[2]刘诏，张爱武，段乙好等；全波形机载激光数据分解研究[J]；高技术通讯；2014,24(2):144-151。[3]吕明爱，柳建，王江等；激光测距回波信号高速采样处理技术研究[J]；光电工程,2011,38(5):59-63。
技术实现思路
针对现有技术，本专利技术提供一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法，通过对有用波形的识别和提取，实现对波形数据的选择性实时上传。是一种以上位机计算为基础的全波形激光测量系统的数据实时上传方案。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法，包括以下步骤：步骤一、波形数据滑窗操作：激光测距系统光电探测器输出的模拟信号经过模数转换器转换为高速的数字信号，对波形数据进行同步处理和缓存，将缓存后的数据进行波形数据滑窗操作，其中，根据实测波形特征确定窗宽t，窗宽t是波形脉冲宽度的3至4倍；每一次同步电信号到来时，开始对数据进行滑窗，窗宽先设置为发射波提取滑窗宽t1，每增加一个数据，窗口向右滑动一次，每次滑动均完成对窗内波形数据的识别；当在窗口中识别到激光发射波后，立即将激光发射波数据传输到输出缓存，并修改窗宽即将滑窗宽度改为回波提取滑窗宽t2；向右平移一个窗宽后，继续向右滑窗，寻找激光回波；当在窗口中识别到激光回波后，立即将回波数据传输到输出缓存；在波形数据滑窗操作过程中，设置一个定时计数器，在识别到激光发射波时启动计时，在识别到激光回波后停止计时，该定时计数器用于激光回波时刻与发射时刻时间差的粗略计算；步骤二、波形识别与提取：在上述波形数据滑窗操作过程中通过阈值法进行波形的识别，选取激光波形峰值大小的2/3作为预设阈值，选取窗口中心时刻作为阈值判断点；持续判断每个窗内的窗口中心时刻波形数据的数值大小，若该数值小于预设阈值，则认为未找到目标波形，继续滑窗寻找，若该数值等于或大于预设阈值，则认为找到对应的激光发射波或激光回波，将该窗内数据传输到输出缓存；在上述波形数据滑窗操作过程中，首先，按激光发射波预设阈值滑窗识别激光发射波，当定位到激光发射波后，修改窗宽的同时，修改阈值为激光回波阈值，向右平移一个窗宽后，继续滑窗，识别激光回波；步骤三、上传数据的处理：经过波形识别与提取后，输出到输出缓存的数据有宽度为t1的激光发射波数据、宽度为t2的激光回波数据以及由定时计数器得到的激光回波时刻与发射时刻时间差的粗略计算值T2-T1，发射波窗口后沿与回波窗口前沿之间的时间差为tx，tx＝(T2-T1)-1/2(t1+t2)；通过上位机计算得出激光发射波的定位点A和激光回波的定位点B，tA和tB分别为定位点A和定位点B与对应窗口前沿之间的时间差，激光回波与发射波的准确时间间隔为TB-TA，TB-TA＝t1-tA+tx+tB。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：由于本专利技术通过滑窗和波形识别操作，仅需上传激光发射波数据和激光回波数据，因此，可以极大的减少上传数据量，缩短了上传时间，加快了上传速度。使波形数据可以通过一般的通用接口上传至上位机，由上位机进行数据分析。附图说明图1是波形时序图；图2是本专利技术中的波形数据滑窗示意图；图3是本专利技术中数据输出示意图；图4是本专利技术的全波形数据实时上传方法流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本专利技术进行解释说明，并不用以限制本专利技术。对于一般的脉冲式激光测距系统，通常以固定的周期发射激光。假设激光器以1KHz的固定频率发射激光脉冲，则两次激光脉冲之间的发射间隔为1ms，也就是对于每一次激光脉冲发射，可以有最多1ms的时间用来上传波形数据。每一次激光发射，会产生一个同步电信号，一般情况下发射激光相对于同步电信号会存在一定的系统延时。为了提高测量精度，探测器通常需要接收发射激光以及激光遇到目标物后反射回来的回波，波形时序图如图1所示。前面提到假设系统采样率1Gbps，量化位数8位，则数据全部上传需要至少8Gbps的串行总线速率，对于一般的计算机通用接口，这是很难实现的。但是通过观察图1可以发现，上传所有波形数据是没有意义的，实际有效的波形数据只有从同步电信号到回波这段时间的波形，如果再结合计数器进行辅助计时，则实际有效的波形其实只有发射激光和回波这两部分，因此只需将这两段波形数据在1ms的时间内上传至上位机即可。保证波形数据准确上传的关键问题是如何实现激光发射波和激光回波的准确定位和提取。本专利技术提出的一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法主要包括波形数据滑窗操作、波形识别与提取和上传数据的处理，从而获得激光回波与激光发射波之间的准确时间差。具体内容如下：1、波形数据滑窗操作：激光测距系统光电探测器输出的模拟信号需经过模数转换器转换为高速的数字信号，波形数据经过一定的同步处理和缓存后送入数字处理单元进行处理。有的系统会在下位机直接进行算法计算，缓存后的波形数据被送入的是算法处理模块。大部分的全波形算法需要消耗大量的资源进行复杂计算，在下位机很难完成。这时需要将缓存后的数据在下位机进行预处理后再送入上位机进行计算。本专利技术采取的是通过波形数据滑窗的形式，依次对每个窗口中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、波形数据滑窗操作：激光测距系统光电探测器输出的模拟信号经过模数转换器转换为高速的数字信号，对波形数据进行同步处理和缓存，将缓存后的数据进行波形数据滑窗操作，其中，根据实测波形特征确定窗宽t，窗宽t是波形脉冲宽度的3至4倍；每一次同步电信号到来时，开始对数据进行滑窗，窗宽先设置为发射波提取滑窗宽t1，每增加一个数据，窗口向右滑动一次，每次滑动均完成对窗内波形数据的识别；当在窗口中识别到激光发射波后，立即将激光发射波数据传输到输出缓存，并修改窗宽即将滑窗宽度改为回波提取滑窗宽t2；向右平移一个窗宽后，继续向右滑窗，寻找激光回波；当在窗口中识别到激光回波后，立即将回波数据传输到输出缓存；在波形数据滑窗操作过程中，设置一个定时计数器，在识别到激光发射波时启动计时，在识别到激光回波后停止计时，该定时计数器用于激光回波时刻与发射时刻时间差的粗略计算；步骤二、波形识别与提取：在上述波形数据滑窗操作过程中通过阈值法进行波形的识别，选取激光波形峰值大小的2/3作为预设阈值，选取窗口中心时刻作为阈值判断点；持续判断每个窗内的窗口中心时刻波形数据的数值大小，若该数值小于预设阈值，则认为未找到目标波形，继续滑窗寻找，若该数值等于或大于预设阈值，则认为找到对应的激光发射波或激光回波，将该窗内数据传输到输出缓存；在上述波形数据滑窗操作过程中，首先，按激光发射波预设阈值滑窗识别激光发射波，当定位到激光发射波后，修改窗宽的同时，修改阈值为激光回波阈值，向右平移一个窗宽后，继续滑窗，识别激光回波；步骤三、上传数据的处理：经过波形识别与提取后，输出到输出缓存的数据有宽度为t1的激光发射波数据、宽度为t2的激光回波数据以及由定时计数器得到的激光回波时刻与发射时刻时间差的粗略计算值T2‑T1，发射波窗口后沿与回波窗口前沿之间的时间差为tx，tx＝(T2‑T1)‑1/2(t1+t2)；通过上位机计算得出激光发射波的定位点A和激光回波的定位点B，tA和tB分别为定位点A和定位点B与对应窗口前沿之间的时间差，激光回波与发射波的准确时间间隔为TB‑TA，TB‑TA＝t1‑tA+tx+tB。...

【技术特征摘要】
1.一种应用于激光测量系统的全波形数据实时上传处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、波形数据滑窗操作：激光测距系统光电探测器输出的模拟信号经过模数转换器转换为高速的数字信号，对波形数据进行同步处理和缓存，将缓存后的数据进行波形数据滑窗操作，其中，根据实测波形特征确定窗宽t，窗宽t是波形脉冲宽度的3至4倍；每一次同步电信号到来时，开始对数据进行滑窗，窗宽先设置为发射波提取滑窗宽t1，每增加一个数据，窗口向右滑动一次，每次滑动均完成对窗内波形数据的识别；当在窗口中识别到激光发射波后，立即将激光发射波数据传输到输出缓存，并修改窗宽即将滑窗宽度改为回波提取滑窗宽t2；向右平移一个窗宽后，继续向右滑窗，寻找激光回波；当在窗口中识别到激光回波后，立即将回波数据传输到输出缓存；在波形数据滑窗操作过程中，设置一个定时计数器，在识别到激光发射波时启动计时，在识别到激光回波后停止计时，该定时计数器用于激光回波时刻与发射时刻时间差的粗略计算；步骤二、波形识别与提取：在上述波形数据滑窗操作过程中通过阈值法进行波形的识别，选取激光波形峰...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵毅强，李杰，叶茂，胡凯，薛文佳，周国清，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12