一种激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统技术方案

本发明专利技术公开一种激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统，实现激光雷达信号波形在线处理与实时测距；激光雷达高速采集与处理单元获取探测与接收单元输出的脉冲信号，高速采集与处理单元的可编程处理器通过波形特征确定目标函数及其拟合参数向量，确定信号有效范围实现波形裁剪；基于裁剪波形在线计算初始拟合目标函数，实时计算初始拟合目标函数和采集信号之差确定残差向量，并行计算残差向量偏导确定雅克比矩阵；基于雅克比矩阵确定残差向量最优情况，在线计算最终拟合目标函数；基于在线拟合参数向量确定脉冲时刻，计算目标距离，将测距数据和波形数据拼合后，上传至上位机显示和存储；本发明专利技术可实现在线波形参数向量提取、距离解算和点云生成。

A laser radar waveform identification method and online ranging system

The invention discloses a method for identifying the time of laser radar waveform and an on-line ranging system, which realizes the on-line processing and real-time ranging of laser radar signal waveform; a high-speed acquisition and processing unit of laser radar obtains the pulse signal output by the detection and reception unit, and a programmable processor of the high-speed acquisition and processing unit passes through the waveform characteristics. The objective function and its fitting parameter vectors are determined to determine the effective range of the signal to achieve waveform clipping; the initial fitting objective function is calculated online based on the clipped waveform, the residual vector is determined by calculating the difference between the initial fitting objective function and the collected signal in real time, and the Jacobian matrix is determined by calculating the deviation of the residual vector in parallel; and the Jacobian moment is used to calculate the Jacobian matrix. The matrix determines the optimal residual vector and calculates the final fitting objective function on-line; determines the pulse time and calculates the target distance based on the on-line fitting parameter vector; after combining the ranging data and waveform data, uploads them to the upper computer for display and storage; the invention can realize on-line waveform parameter vector extraction, distance calculation and point cloud. Generation.

【技术实现步骤摘要】
一种激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统
本专利技术涉及到激光雷达测量领域，尤其是一种激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统，该系统基于模数转换器件对激光雷达信号波形进行高速多通道同步采集，通过可编程处理器和波形时刻鉴别方法实现信号波形数据高速在线处理，从而实现目标距离实时高精度测量。
技术介绍
激光雷达技术是一种主动式遥感探测手段，具有全天时、全天候的优势，并且抗干扰能力强，分辨率高，可用于获取目标的三维点云，广泛应用于数字城市、自动驾驶和地形测绘等领域。激光测距是激光雷达技术的核心，其测距精度直接影响获取的目标三维点云的质量。常见的激光雷达测距系统基于脉冲测距法进行目标距离测量，通过激光器向被测目标物发射一束持续时间极短的脉冲，再由望远镜接收目标物的后向反射回波信号，根据发射脉冲和接收脉冲间的时间差计算目标物距激光雷达测距系统的距离。激光雷达测距系统的测距精度包含测距精密度和测距准确度，主要取决于系统的时间测量精度，而时间测量精度与接收信号的信噪比相关，受到系统本身特性、目标特性和环境特性等因素的影响；同时，不同的脉冲时刻鉴别方法也会造成不同程度的偏差，采用合适的探测方式和信号处理方法可以降低激光雷达测距系统测距偏差，实现高精度距离测量。根据所处理脉冲信号的数据类型，现有的激光雷达测距技术可以分为两种：模拟测距技术和数字测距技术。模拟测距技术是目前较为常用的一种脉冲式激光测距技术，基于模拟信号处理原理，通过时间数字转换器(TimeDigitalConverter)实现发射脉冲和回波脉冲间的时间间隔测量。所述模拟测距技术通过自动增益技术对光学系统接收到的脉冲信号进行处理，使回波脉冲的幅值满足恒比定时电路的输入电压要求，减小不同目标距离下回波幅值差异对于系统测距误差的影响，同时提高系统的动态范围；所述恒比定时电路基于恒比定时鉴别技术实现对激光脉冲时刻点的确定，确定的脉冲时刻点对激光脉冲幅值的变化不敏感，从而进一步克服回波幅值差异引起的系统测距误差。所述时间数字转换器实现发射脉冲和回波脉冲间的时间间隔测量，从而计算出目标距离，系统的测距精度受所述时间数字转换器的时间分辨率限制。所述模拟测距技术中采用的所述自动增益控制技术是利用前一时刻的脉冲幅值来控制调整下一时刻的脉冲幅值，无法克服目标距离突变造成的所述自动增益控制技术失效问题，且所述恒比定时电路对信号脉冲波形要求较高，当脉冲波形复杂性较高时，所述恒比定时电路不再适用；同时，模拟测距技术忽略了脉冲波形中包含的目标复杂特性，难以克服多目标识别率低等问题。为克服所述模拟测距技术存在的问题，可采用数字测距技术。所述数字测距技术基于高速采集技术，实现对发射波形和目标回波波形高速同步采集，通过波形分解算法获取低信噪比回波波形中目标的特性参向量，进而实现目标精确位置获取。所述数字测距技术中一般多采用波形分解算法对探测器输出的波形进行处理，在增大系统动态范围的同时，克服了自动增益技术中距离突变问题，且波形分解算法采用拟合方式实现目标距离的提取，可以实现亚采样的测距精度。根据波形分解算法处理终端的不同，所述数字测距技术分为数字测距后处理技术和在线数字测距技术。所述数字测距后处理技术依赖于上位机上的波形分解算法，无法实时提取目标数据；所述在线数字测距技术基于可编程处理器和数字波形处理技术，可实现目标距离的在线测量。本专利技术就属于一种在线数字测距技术。根据现有专利局提供的专利查阅，所述在线数字测距技术可通过基于现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray)分析模块与数字信号处理器(DigitalSignalProcessor)分析模块之一编程实现的波形处理方法，对激光脉冲信号进行时域配准分析，通过分析模块的输出结果，进一步实现实时计算目标距离，上述专利包括在中国专利CN103364790A中公开的“基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统”。但上述方法采用模数转换器件获取波形数据，直接利用采样点进行波形的时刻鉴别，没有采用波形在线拟合方法，测距精度受目标激光脉冲回波波形形状影响。本申请专利所述在线波形拟合方法需要进行非线性指数函数运算，所述非线性指数函数运算常采用指数函数查找表实现，通过建立指数函数与变量地址间的关系构建所述指数函数查找表，实现指数函数运算，上述专利包括在中国专利CN107202979A中公开的“相干对数正态分布雷达杂波实时模拟方法”。但上述方法在建立指数函数查找表时步长固定，未考虑资源问题，占用所述可编程处理器的较多计算资源，无法满足所述在线数字测距技术中波形拟合算法的实时性要求。为了能够克服所述模拟测距技术的距离突变带来的所述自动增益控制技术失效问题，实现实时提取所述目标特性参数向量，提高目标距离测量精度。本专利技术公开一种激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统，基于模数转换器件实现脉冲信号高速多通道同步采集，通过在开放式可编程处理器上编程实现时刻鉴别方法，进行回波信号高速在线处理，进而实现目标距离实时测量。所述系统开发性强，可以通过设计不同的算法，探测目标更丰富的信息，同时通过对信号波形进行波形分解的方式提取低信噪比回波中目标的特性函数，提高了系统的测距精度和动态范围，实现了目标距离在线高精度测量。本专利技术在激光雷达测量领域具有广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术公开一种激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统，其特征在于，基于多通道高速模数转换器件和可编程处理器，实现脉冲信号数字化在线处理的激光雷达波形时刻鉴别方法和测距系统；所述脉冲信号包含所述激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统中的发射脉冲信号和回波脉冲信号；所述多通道高速模数转换器件由多个可配置的模数转换器件(Analog-to-DigitalConverter)组成，对所述脉冲信号进行数字化采集，记录发射脉冲波形和回波脉冲波形，实现多通道激光脉冲信号高速同步采集；所述可编程处理器包括但不限于，现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray)，和/或复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevice)，和/或ARM处理器(AdvancedRISCMachines)，和/或数字信号处理器(DigitalSignalProcessor)，基于编译后的所述波形时刻鉴别方法，实现对所述脉冲波形信号的高速在线处理；所述激光雷达时刻鉴别方法与测距系统包括三个部分：探测与接收单元，高速采集与处理单元，上位机单元；所述探测与接收单元用于探测所述发射脉冲信号、所述回波脉冲信号及触发脉冲信号；所述高速采集与处理单元包括所述多通道高速模数转换器件、所述可编程处理器、板载内存和高速计算机并行接口；所述上位机单元包括高性能计算处理系统和接收存储软件系统；所述激光雷达在线测距系统的工作过程：首先所述可编程处理器配置所述多通道模数转换器件，使其工作在特定的采样频率下，所述探测与接收单元产生所述触发脉冲信号，实现触发所述可编程处理器，在设定的采样长度Nl内同步采集所述发射脉冲信号和回波脉冲信号，然后所述可编程处理器通过所述波形时刻鉴别方法裁剪采样波形，采用目标函数分别对所述发射脉冲波形和回波脉冲波形进行在线拟合，从而实时提取得到所述发射脉冲波形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统，其特征在于，基于多通道高速模数转换器件和可编程处理器，实现脉冲信号数字化在线处理的激光雷达波形时刻鉴别方法和测距系统；所述脉冲信号包含所述激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统中的发射脉冲信号和回波脉冲信号；所述多通道高速模数转换器件由多个可配置的模数转换器件(Analog‑to‑Digital Converter)组成，对所述脉冲信号进行数字化采集，记录发射脉冲波形和回波脉冲波形，实现多通道激光脉冲信号高速同步采集；所述可编程处理器包括但不限于，现场可编程门阵列(Field‑Programmable Gate Array)，和/或复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device)，和/或ARM处理器(Advanced RISC Machines)，和/或数字信号处理器(Digital Signal Processor)，基于编译后的所述波形时刻鉴别方法，实现对所述脉冲波形信号的高速在线处理；所述激光雷达时刻鉴别方法与测距系统包括三个部分：探测与接收单元，高速采集与处理单元，上位机单元；所述探测与接收单元用于探测所述发射脉冲信号、所述回波脉冲信号及触发脉冲信号；所述高速采集与处理单元包括所述多通道高速模数转换器件、所述可编程处理器、板载内存和高速计算机并行接口；所述上位机单元包括高性能计算处理系统和接收存储软件系统；所述激光雷达在线测距系统的工作过程：首先所述可编程处理器配置所述多通道模数转换器件，使其工作在特定的采样频率下，所述探测与接收单元产生所述触发脉冲信号，实现触发所述可编程处理器，在设定的采样长度Nl内同步采集所述发射脉冲信号和回波脉冲信号，然后所述可编程处理器通过所述波形时刻鉴别方法裁剪采样波形，采用目标函数分别对所述发射脉冲波形和回波脉冲波形进行在线拟合，从而实时提取得到所述发射脉冲波形和回波脉冲波形的脉冲参数信息，包括发射脉冲强度a1，发射脉冲峰值时刻位置b1和发射脉冲宽度c1，回波脉冲强度a2，回波脉冲峰值时刻位置b2和回波脉冲宽度c2；基于所述波形时刻鉴别方法，通过在所述可编程处理器对所述脉冲参数信息进行在线处理，分别确定所述发射脉冲信号和所述回波脉冲信号的时刻鉴别位置，计算所述脉冲信号间的时刻位置差，实时计算得到目标距离l，最后将所述目标距离，所述脉冲参数信息，以及采集的所述发射脉冲波形和回波脉冲波形进行拼接，并通过所述高速计算机并行接口上传至所述上位机单元完成显示和存储；所述波形时刻鉴别方法包括寻找拟合初始值，发射和回波波形裁剪，指数函数计算，雅克比矩阵及残差向量计算，矩阵乘法，解矩阵求迭代步长，收敛条件判断，目标距离计算和数据拼接及上传步骤；所述发射脉冲波形和回波脉冲波形的算法一致，以回波脉冲波形拟合为例介绍所述波形时刻鉴别方法步骤如下：1)拟合初始值确定：根据所述激光雷达在线测距系统所接收的回波脉冲波形(xi,yi)特点，确定一个所述目标函数f(xi,βk)＝f(xi,(ak,bk,ck)T)还原目标特性，所述目标特性由所述目标函数的特性参数确定，而所述特性参数与所述脉冲参数信息相关；所述波形时刻鉴别方法通过选择一个特定的所述目标函数，基于迭代方法在线拟合逼近所述回波脉冲波形(xi,yi)，所述目标函数的特性参数向量β包括但不限于，脉冲强度a，脉冲峰值时刻位置b和脉冲宽度c；在拟合算法开始前，首先需要确定所述拟合初始值，通过离散的在线峰值位置快速搜索算法寻找所述脉冲强度a0和所述脉冲峰值时刻位置b0作为所述脉冲强度a和所述脉冲峰值时刻位置b的所述拟合初始值，所述脉冲宽度c的所述拟合初始值由经验值c0确定；2)波形裁剪：所述波形裁剪可以剔除所述回波脉冲波形中无用的噪声信息，从而精确获取所述特性参数向量，节省所述可编程处理器的计算资源，提高所述波形时刻鉴别方法的运行效率；所述波形裁剪的进行是在步骤1中所述脉冲峰值时刻位置b0左边寻找N/2‑1个采样点，在步骤1中所述脉冲峰值时刻位置右边寻找N/2个采样点，总共N个采样点来进行拟合；裁剪长度N由所述探测与接收单元输出的所述脉冲信号的参数特性决定；3)指数函数计算：用于拟合的所述目标函数中通常会包含以自然常数为底的指数函数exp(‑x)，在拟合迭代的过程中需要循环计算所述以自然常数为底的指数函数，所述波形时刻鉴别方法采用基于所述可编程处理器的变步长在线指数函数查找表法，实时求解以自然常数为底的指数函数以满足运算速度的要求；4)雅克比矩阵(Jacobi matrix)及残差向量计算：在第k次拟合迭代的过程中计算裁剪的N个采样点中的每一个所述采样点的残差，其中第i个所述采样点的残差计算式：ri＝yi‑f(xi,βk)    (1)接着，通过所述变步长在线指数函数查找表法，分别在...

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统，其特征在于，基于多通道高速模数转换器件和可编程处理器，实现脉冲信号数字化在线处理的激光雷达波形时刻鉴别方法和测距系统；所述脉冲信号包含所述激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统中的发射脉冲信号和回波脉冲信号；所述多通道高速模数转换器件由多个可配置的模数转换器件(Analog-to-DigitalConverter)组成，对所述脉冲信号进行数字化采集，记录发射脉冲波形和回波脉冲波形，实现多通道激光脉冲信号高速同步采集；所述可编程处理器包括但不限于，现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray)，和/或复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevice)，和/或ARM处理器(AdvancedRISCMachines)，和/或数字信号处理器(DigitalSignalProcessor)，基于编译后的所述波形时刻鉴别方法，实现对所述脉冲波形信号的高速在线处理；所述激光雷达时刻鉴别方法与测距系统包括三个部分：探测与接收单元，高速采集与处理单元，上位机单元；所述探测与接收单元用于探测所述发射脉冲信号、所述回波脉冲信号及触发脉冲信号；所述高速采集与处理单元包括所述多通道高速模数转换器件、所述可编程处理器、板载内存和高速计算机并行接口；所述上位机单元包括高性能计算处理系统和接收存储软件系统；所述激光雷达在线测距系统的工作过程：首先所述可编程处理器配置所述多通道模数转换器件，使其工作在特定的采样频率下，所述探测与接收单元产生所述触发脉冲信号，实现触发所述可编程处理器，在设定的采样长度Nl内同步采集所述发射脉冲信号和回波脉冲信号，然后所述可编程处理器通过所述波形时刻鉴别方法裁剪采样波形，采用目标函数分别对所述发射脉冲波形和回波脉冲波形进行在线拟合，从而实时提取得到所述发射脉冲波形和回波脉冲波形的脉冲参数信息，包括发射脉冲强度a1，发射脉冲峰值时刻位置b1和发射脉冲宽度c1，回波脉冲强度a2，回波脉冲峰值时刻位置b2和回波脉冲宽度c2；基于所述波形时刻鉴别方法，通过在所述可编程处理器对所述脉冲参数信息进行在线处理，分别确定所述发射脉冲信号和所述回波脉冲信号的时刻鉴别位置，计算所述脉冲信号间的时刻位置差，实时计算得到目标距离l，最后将所述目标距离，所述脉冲参数信息，以及采集的所述发射脉冲波形和回波脉冲波形进行拼接，并通过所述高速计算机并行接口上传至所述上位机单元完成显示和存储；所述波形时刻鉴别方法包括寻找拟合初始值，发射和回波波形裁剪，指数函数计算，雅克比矩阵及残差向量计算，矩阵乘法，解矩阵求迭代步长，收敛条件判断，目标距离计算和数据拼接及上传步骤；所述发射脉冲波形和回波脉冲波形的算法一致，以回波脉冲波形拟合为例介绍所述波形时刻鉴别方法步骤如下：1)拟合初始值确定：根据所述激光雷达在线测距系统所接收的回波脉冲波形(xi,yi)特点，确定一个所述目标函数f(xi,βk)＝f(xi,(ak,bk,ck)T)还原目标特性，所述目标特性由所述目标函数的特性参数确定，而所述特性参数与所述脉冲参数信息相关；所述波形时刻鉴别方法通过选择一个特定的所述目标函数，基于迭代方法在线拟合逼近所述回波脉冲波形(xi,yi)，所述目标函数的特性参数向量β包括但不限于，脉冲强度a，脉冲峰值时刻位置b和脉冲宽度c；在拟合算法开始前，首先需要确定所述拟合初始值，通过离散的在线峰值位置快速搜索算法寻找所述脉冲强度a0和所述脉冲峰值时刻位置b0作为所述脉冲强度a和所述脉冲峰值时刻位置b的所述拟合初始值，所述脉冲宽度c的所述拟合初始值由经验值c0确定；2)波形裁剪：所述波形裁剪可以剔除所述回波脉冲波形中无用的噪声信息，从而精确获取所述特性参数向量，节省所述可编程处理器的计算资源，提高所述波形时刻鉴别方法的运行效率；所述波形裁剪的进行是在步骤1中所述脉冲峰值时刻位置b0左边寻找N/2-1个采样点，在步骤1中所述脉冲峰值时刻位置右边寻找N/2个采样点，总共N个采样点来进行拟合；裁剪长度N由所述探测与接收单元输出的所述脉冲信号的参数特性决定；3)指数函数计算：用于拟合的所述目标函数中通常会包含以自然常数为底的指数函数exp(-x)，在拟合迭代的过程中需要循环计算所述以自然常数为底的指数函数，所述波形时刻鉴别方法采用基于所述可编程处理器的变步长在线指数函数查找表法，实时求解以自然常数为底的指数函数以满足运算速度的要求；4)雅克比矩阵(Jacobimatrix)及残差向量计算：在第k次拟合迭代的过程中计算裁剪的N个采样点中的每一个所述采样点的残差，其中第i个所述采样点的残差计算式：ri＝yi-f(xi,βk)(1)接着，通过所述变步长在线指数函数查找表法，分别在线计算所述残差ri其对于所述脉冲强度a，所述脉冲峰值时刻位置b和所述脉冲宽度c的偏导数；根据计算得到的所述残差和所述偏导数，组合得到所述残差向量和所述雅克比矩阵J：5)矩阵乘法：分别计算矩阵A＝JTJ和为下一步求解迭代步长h奠定计算基础；6)解矩阵求迭代步长：在线求解方程Ah＝B，实时得到所述波形时刻鉴别方法中所述迭代步长h；由步骤5)可知A是一个3元方阵，B是一个3元向量，对于所述方程Ah＝B的求解就是求解三元一次方程；基于所述可编程处理器包括但不限于，高斯消元法，和/或三角分解法，和/或雅可比迭代法，和/或高斯-赛德尔迭代法，在线求解所述三元一次方程组，求解的结果就是所述迭代步长7)收敛条件判断：每一次迭代，迭代计数器k自动加1，迭代收敛条件为：(1)迭代次数小于迭代次数最大限制值km；(2)所述迭代步长达到收敛值ε，即判断||h||<ε是否满足；若达到所述收敛条件之一，则迭代停止，转移...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小路，徐立军，谢鑫浩，杨炳伟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11