基于FPGA的激光回波甄别方法技术

一种脉冲式激光测距的基于FPGA的激光回波甄别方法，装置包含一个恒比定时甄别模块和一个高速DA模块、一个FPGA模块和一个测距模块，本发明专利技术在屏蔽无效的杂散光回波的同时，能保证远距离的弱信号及近距离信号被有效甄别，以增加最远测距距离，减小最近测距距离。同时由于杂散光回波被屏蔽，该部分数据量无需存储和传输，能节省系统资源。该方法可应用于激光测距、三维激光扫描中。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的激光回波甄别方法
本专利技术涉及激光测距回波甄别，特别是一种脉冲式激光测距的基于FPGA的激光回波甄别方法。
技术介绍
目前，激光测距技术主要基于飞行时间的脉冲测距法和相位测量法。其中，相位测量法精度高，但受功率、能量的影响，测量距离较短；脉冲测距法，测量距离较远。距离越远需要的脉冲激光功率越高，而激光进入光学系统中，光学系统内壁和光学元件的反射会不可避免的产生杂散光，这就导致光路系统内部的杂散光会随着功率的增加能量也逐渐增大，并被探测器识别产生并不需要的回波，会严重影响真实目标的回波的甄别效果。《激光与红外》2007年第11期“高精度激光测距技术研究”中介绍了一种恒比定时鉴别电路，该恒比定时鉴别器采用的是恒定阈值，这样，若杂散光能量强，则需提高阈值，那么远处的弱信号就无法甄别；若降低阈值，则杂散光回波被甄别出，则该回波脉宽内的近处回波就无法被甄别。如图1，在低阈值TH1情况下，4号近距离回波无法被甄别；在高阈值TH2情况下，远距离2号回波无法被甄别。可见，采用恒定阈值的方法，可测量的最小距离和最大距离都会受限。所以研究可以屏蔽杂散光回波同时远距离弱信号回波可被甄别的方法，在激光测距中具有重要意义和实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种脉冲式激光测距的基于FPGA的激光回波甄别方法，该方法在屏蔽无效的杂散光回波的同时，能保证远距离的弱信号以及近距离信号被有效甄别，以增加最远测距距离，减小最近测距距离。同时由于杂散光回波被屏蔽，该部分数据量无需存储和传输，能节省系统资源，该方法可应用于激光测距、三维激光扫描中。本专利技术的具体解决方案如下一种基于FPGA的激光回波甄别方法，装置包含一个恒比定时甄别模块和一个高速DA模块、一个FPGA模块和一个测距模块，所述的FPGA模块与上位机进行通信，所述的FPGA模块的输出端与所述的高速DA模块输入端相连，所述的高速DA模块的输出端与所述的恒比定时甄别模块的输入端相连，所述的恒比定时甄别模块的输出端与所述的测距模块的输入端相连，其特征在于，该方法包括下列步骤：1)根据激光测距系统确定所述的高速DA模块的选型：根据激光测距系统的激光器、探测器、放大模块的性能指标，确定高速DA的输出范围、更新频率和分辨率:所述的高速DA的输出范围由进入恒比定时甄别模块的输入信号的幅值决定，而该信号是由探测器的输出信号经放大模块放大而来的，所述的高速DA的输出范围的确定要考虑到探测器输出信号的幅值范围及放大模块放大倍数的大小；所述的高速DA模块的更新频率要高于所述的激光器重频的2倍；所述的分辨率根据实际的阈值电压的变化精度确定；2)所述的FPGA产生高速DA的控制信号：以所述的激光器的重频信号为同步参考，所述的FPGA根据杂散光回波的位置、杂散光回波的幅值以及实际回波信号的噪声情况确定或配置所述的高速DA模块产生的动态阈值信号及高阈值、低阈值的转换时刻，所述的动态阈值信号的高阈值由杂散光对应回波信号的幅值决定，所述的高阈值必须大于杂散光回波信号幅值才能保证杂散光回波被有效屏蔽；所述的低阈值不能低于回波信号的噪声；高阈值、低阈值的转换时刻是由杂散光回波的位置决定的，转换时刻需在杂散光回波出现之后，光路系统固定后，则杂散光回波位置相对于激光器重频的位置基本固定，即转换时刻是固定的；3)所述的高速DA模块在所述的FPGA产生高速DA的控制信号的控制下产生的动态阈值信号送入所述的恒比定时甄别模块，将恒比定时甄别模块的输出信号接入示波器，通过示波器记录杂散光回波相对于所述的激光器的重频上升沿的延迟T，通过上位机发送指令给所述的FPGA模块，该FPGA模块根据指令对所述的高速DA模块产生的动态阈值信号的高阈值、低阈值及转换时刻进行调整，直至相对于所述的激光器的重频上升沿延迟T的位置不再输出脉冲信号，即杂散光回波被屏蔽。与传统恒比定时甄别模块相比，本专利技术的优点如下：1、由于是基于动态阈值对回波进行甄别，在杂散光回波处采用高阈值，在其余位置采用低阈值，这样不仅能有效屏蔽杂散光回波，又能保证远距离信号能被有效甄别。2、由于杂散光回波并不会被甄别，故近处的回波信号能够有效甄别，可测最小距离能得到保证。3、由于无效回波被屏蔽掉，则对应该位置的距离信息就不用进行存储及传输，可大大节省系统资源。4、由于FPGA控制，高低阈值的大小及转换时刻可固定也可实现可配置模式。此外，还可以根据需求灵活地添加其它功能，如增加恒比定时甄别模块的脉宽电压可配置功能、指令查询功能等。总之，本专利技术方法在屏蔽无效的杂散光回波的同时，能保证远距离的弱信号以及近距离信号被有效甄别，以增加最远测距距离，减小最近测距距离。同时由于杂散光回波被屏蔽，该部分数据量无需存储和传输，能节省系统资源，该方法可应用于激光测距、三维激光扫描中。附图说明图1是现有恒比定时甄别电路阈值甄别原理图图2是本专利技术激光回波甄别方法的结构框图图3是本专利技术高速DA工作电路图图4是本专利技术的动态阈值时序原理图具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明。但不应以此限制本专利技术的保护范围。参考图2，图2是本专利技术激光回波甄别方法实施例的结构框图，该方法的装置包括上位机、一个恒比定时甄别模块、一个高速DA模块、一个FPGA模块和测距模块，高速DA模块产生动态阈值给恒比定时甄别模块，甄别模块的输出送入测距模块，FPGA模块可与上位机进行通信，实现高低阈值及转换时刻的配置。FPGA与上位机通过串口通信，波特率为115200，通过发送不同指令实现动态阈值及转换时刻的配置。参考图3，图3是本专利技术高速DA的外围电路图，本实施例中，采用的激光器的重频为100KHz，目标返回的激光经过光学系统反射后经探测器，并由放大模块放大后的回波信号最大幅值约为-1.8V。本实施例中采用的高速DA更新速率为20.4MSPS，分辨率12位，配合外围运放可产生-2.5V～0V的电压。参考图4，图4是本专利技术的动态阈值时序图。其中1、3、5杂散光回波相对于重频上升沿延迟基本固定，2、4、6是不同距离不同能量的有效回波。一个激光重频内对应两个甄别阈值电压，FPGA控制高速DA在杂散光回波后立即降低阈值，在该动态阈值的作用下，1、3、5杂散光回波均被屏蔽掉，远处2号弱信号回波被甄别输出；4号近距离回波也被甄别输出。由此可见，该方法可以实现近距离信号以及远处弱信号的有效甄别，并且无需存储及传输杂散光回波的距离数据，具有增加最远测距距离、减小最近测距距离以及节省系统资源的特点，可应用于激光测距及三维扫描中。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的激光回波甄别方法，装置包含一个恒比定时甄别模块和一个高速DA模块、一个FPGA模块和一个测距模块，所述的FPGA模块与上位机进行通信，所述的FPGA模块的输出端与所述的高速DA模块输入端相连，所述的高速DA模块的输出端与所述的恒比定时甄别模块的输入端相连，所述的恒比定时甄别模块的输出端与所述的测距模块的输入端相连，其特征在于，该方法包括下列步骤：1)根据激光测距系统确定所述的高速DA模块的选型：根据激光测距系统的激光器、探测器、放大模块的性能指标，确定高速DA的输出范围、更新频率和分辨率:所述的高速DA的输出范围由进入恒比定时甄别模块的输入信号的幅值决定，而该信号是由探测器的输出信号经放大模块放大而来的，所述的高速DA的输出范围的确定要考虑到探测器输出信号的幅值范围及放大模块放大倍数的大小；所述的高速DA模块的更新频率要高于所述的激光器重频的2倍；所述的分辨率根据实际的阈值电压的变化精度确定；2)所述的FPGA产生高速DA的控制信号：以所述的激光器的重频信号为同步参考，所述的FPGA根据杂散光回波的位置、杂散光回波的幅值以及实际回波信号的噪声情况确定或配置所述的高速DA模块产生的动态阈值信号及高阈值、低阈值的转换时刻，所述的动态阈值信号的高阈值由杂散光对应回波信号的幅值决定，所述的高阈值必须大于杂散光回波信号幅值才能保证杂散光回波被有效屏蔽；所述的低阈值不能低于回波信号的噪声；高阈值、低阈值的转换时刻是由杂散光回波的位置决定的，转换时刻需在杂散光回波出现之后，光路系统固定后，则杂散光回波位置相对于激光器重频的位置基本固定，即转换时刻是固定的；3)所述的高速DA模块在所述的FPGA产生高速DA的控制信号的控制下产生的动态阈值信号送入所述的恒比定时甄别模块，将恒比定时甄别模块的输出信号接入示波器，通过示波器记录杂散光回波相对于所述的激光器的重频上升沿的延迟T，通过上位机发送指令给所述的FPGA模块，该FPGA模块根据指令对所述的高速DA模块产生的动态阈值信号的高阈值、低阈值及转换时刻进行调整，直至相对于所述的激光器的重频上升沿延迟T的位置不再输出脉冲信号，即杂散光回波被屏蔽。...

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的激光回波甄别方法，装置包含一个恒比定时甄别模块和一个高速DA模块、一个FPGA模块和一个测距模块，所述的FPGA模块与上位机进行通信，所述的FPGA模块的输出端与所述的高速DA模块输入端相连，所述的高速DA模块的输出端与所述的恒比定时甄别模块的输入端相连，所述的恒比定时甄别模块的输出端与所述的测距模块的输入端相连，其特征在于，该方法包括下列步骤：1)根据激光测距系统确定所述的高速DA模块的选型：根据激光测距系统的激光器、探测器、放大模块的性能指标，确定高速DA的输出范围、更新频率和分辨率:所述的高速DA的输出范围由进入恒比定时甄别模块的输入信号的幅值决定，而该信号是由探测器的输出信号经放大模块放大而来的，所述的高速DA的输出范围的确定要考虑到探测器输出信号的幅值范围及放大模块放大倍数的大小；所述的高速DA模块的更新频率要高于所述的激光器重频的2倍；所述的分辨率根据实际的阈值电压的变化精度确定；2)所述的FPGA产生高速DA的控制信号：以所述的激光器的重频信号为同步参考，所述的F...

【专利技术属性】
技术研发人员：施蕾，吕德亮，贺岩，刘鑫，陈丽明，段鹏飞，
申请(专利权)人：中科光绘上海科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31