双路互相关时延估计的激光测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双路互相关时延估计的激光测量方法及装置，该方法采用互相关接收方法的双路接收光路，将来自同一目标的光信号到达接收光学系统后，经过前端光路分成两路光路，其中一路专门接收包含有背景光噪声的来自目标光的信号，另一路专门接收背景光噪声。本发明专利技术在光路结构上采用了二路接收光路，其中一路专门用于接收信号(包括噪声在内)，另一路专门用于接收同一场景下的噪声。在电信号处理上，采用接收信号与本地发射信号互相关方法处理，进一步减小各种噪声对测量的影响。提高了接收信号时延的估计精度。本发明专利技术结构简单、方法有效、计算量小、性能稳定可靠，有效提高了激光飞行时延的测量精度。

Laser Measurement Method and Device for Dual-channel Cross-correlation Time Delay Estimation

The invention discloses a laser measurement method and device for estimating the time delay of two-way cross-correlation. The method adopts a two-way receiving optical path of cross-correlation receiving method. After the optical signal from the same target arrives at the receiving optical system, the front-end optical path is divided into two optical paths, one of which receives the signal from the target light containing background light noise, the other receives the back-end optical path specially. Scenery noise. The invention adopts two receiving optical paths in the optical path structure, one of which is specially used to receive signals (including noise) and the other is specially used to receive noise in the same scene. In electrical signal processing, the method of cross correlation between received signal and local transmitted signal is adopted to further reduce the influence of various noises on measurement. The estimation accuracy of received signal delay is improved. The invention has the advantages of simple structure, effective method, small calculation amount, stable and reliable performance, and effectively improves the measurement accuracy of laser flight delay.

【技术实现步骤摘要】
双路互相关时延估计的激光测量方法及装置
本专利技术属于激光雷达信号处理领域。特别是一种在强背景光干扰下激光飞行时延测量的装置及其方法，应用与激光测距、激光成像雷达等用途。
技术介绍
在现代科学技术的很多领域及至人们的日常生活中，如工业测量、道路勘探、家装设计等，非接触测距有很重要的应用价值。现代测距方法中，激光飞行时间测量技术广泛应用于激光测距、激光飞行时间测量精度的优劣直接关系到距离测量的精度和距离成像的清晰度。然而，自然界和人类的生产生活活动中，往往会造成很复杂的光、电干扰环境。如自然光及反射光，工业生产中的强电弧光、高压汞灯等各种发光源的存在，会影响光电探测的接收灵敏度，造成测量的不准确或是测量的误差。目前，大多数的手持激光测距常采用在探测器的光学窗口前段加装窄带滤光片，在电路的信号检测方法上主要采用FFT频谱分析法。然而，这些方法都有一定的局限性，主要表现在所能检测信号的信/噪比门限较高，不能检测出强背景光下微弱信号(信/噪比较低的信号)。有些检测方法中，应用单路自相关检测电路时，窄带滤光片存在非线性以及同窗内的背景光干扰存在相关性，使得检测信号的能力受到限制。在采用FFT分析进行滤波时，由于信号集中在低频部分，而噪声分布在较高频率部分。所以，可用低通滤波器进行滤除，但对于信号的高频分量则将和噪声混叠在一起不宜区分，倘若低通滤波器带宽太宽，则滤波后信号中仍会存在大量噪声。若低通滤波器带宽较窄，则可能会将一部分有用信号被当作噪声而滤除。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本次专利技术提出了在前段端光路上采用两路探测单元。其中一路用来接收目标信号(其中可能包含强背景光干扰)，另一路专门接收背景光，以抵消或削弱背景光噪声的影响。本专利技术采用如下技术方案：双路互相关时延估计的激光测量方法，采用互相关接收方法的双路接收光路，将来自同一目标的光信号到达接收光学系统后，经过前端光路分成两路光路，其中一路专门接收包含有背景光噪声的来自目标光的信号，另一路专门接收背景光噪声。更进一步地，所述互相关接收方法的抗干扰性能为：由于参考信号S2(t)与信号S1(t)有某种相关性，而S2(t)与噪声n(t)没有相关性，且噪声的均值为零，则更进一步地，所述互相关接收方法采用快速互相关接收方法，包括：取步长为n(n＝2k)，以n为步长在Rxy(n)中取出元素，组成新的序列RxyN(n)，找出新的序列RxyN(n)中的最大值MN及其位置LMN；取步长为在Rxy(n)中以LMN为中心，以n1为间隔，取出元素组成新序列RxyN1(n)找出RxyN1(n)中的最大值MN1及位置LMN1；取步长为在Rxy(n)中以LMN1为中心，以n2为间隔，取出元素组成新序列RxyN2(n)，找出序列RxyN2(n)中的最大值MN2及其位置LMN2；以此类推，直至间隔为1的序列搜索到最大值为止，即可确定互相关函数的最大值。本专利技术还提供一种双路互相关时延估计的激光测量装置，包括目标光信号、接收光学系统、分光器、第一探测器、第二探测器、第一光电转换器、第二光电转换器，所述第一探测器和第二探测器前端均加装窄带滤光片，在所述第二探测器上加装的窄带滤光片上镀有全反射膜，所述第一探测器的光信号通过第一光电转换器转换为电信号，第二探测器的光信号通过第二光电转换器转换为电信号，两个电信号在电路上进行减法运算后，输出为第一探测器中工作重心波长的信号。更进一步地，该装置包括：平面镜胶合件、物镜一、物镜胶合件、主棱镜胶合件、调焦镜胶合件、棱镜胶合件、分划板胶合件、目镜胶合件、目镜单片、准直镜单片、准直镜胶合件、分光镜、反射镜、光纤部件、滤光片、分光棱镜，所述平面镜胶合件、物镜一、物镜胶合件、主棱镜胶合件、调焦镜胶合件、棱镜胶合件、分划板胶合件、目镜胶合件、目镜单片依次设置于同一中心线上，光纤的光经分光棱镜进入主棱镜胶合件，经平面镜胶合件的光通过反射镜和分光镜后与光纤发射至分光镜上的光依次经过准直镜胶合件和准直镜单片，从发射管发出。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术针对在强背景光干扰测量时、通常的测量技术无法实现有效测量的情况下，提出了一种双路互相关时延估计的激光测量装置。该装置在光路结构上采用了二路接收光路，其中一路专门用于接收信号(包括噪声在内)，另一路专门用于接收同一场景下的噪声。在电信号处理上，采用接收信号与本地发射信号互相关方法处理，进一步减小各种噪声对测量的影响。提高了接收信号时延的估计精度。本专利技术提出了一种完全数字化的激光飞行时延测量装置及其方法。装置结构简单、方法有效、计算量小、性能稳定可靠，有效提高了激光飞行时延的测量精度。附图说明图1是前端光学系统原理框图；图2是实现自相关检测的电路原理框图；图3是实现互相关检测的电路原理框图；图4是双路接收光路原理框图；图5是接收双路光-电转换原理框图；图6是x(n)与y(n)相关函数波形的x(n)输出序列图；图7是x(n)与y(n)相关函数波形的y(n)为x(n)延迟30+随机噪声的输出序列图；图8是x(n)与y(n)相关函数波形的互相关序列图；图9是延迟加噪声序列与原序列的相关输出图；图10是快速互相关算法的算法流程图；图11是本专利技术的光学示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术提出了在前段端光路上采用两路探测单元，其中一路用来接收目标信号(其中可能包含强背景光干扰)，另一路专门接收背景光，以抵消或削弱背景光噪声的影响。前端光学系统原理框图如图1所示。一、设计方案1、背景光干扰影响分析在一些光电环境下，探测器接收到的背景光十分复杂，可能有太阳光辐射、反射光，还有各种工业生产活动所产生的强瞬时强背景光干扰。其中，背景光噪声的频谱一般属于白噪声，噪声之间是相互独立，不相关的。而在相同试场内的瞬时背景光干扰则在时间上具有相关性。在现实应用中，目标信号光与背景噪声光同时经窄带光学滤光片后进入光电探测器。然而，窄带光学滤光片对其工作中心波长以外的背景光并不能完全滤除，而是具有一定的透过率，使得干扰背景光有一部分仍然能通过光学前端进入光电探测器。当背景光干扰项对目标信号较强时，这种非理想性对探测器的影响就会凸显出来，影响探测器的测量效果和精度。在二元自相关检测系统中，强背景光干扰之间在时间上具有相关性，倘若直接作自相关处理，会造成这种背景光干扰相关增强，产生假信号，造成测量系统的工作不稳定，测量结果的数据不正确。针对以上的问题，可采用调节两路信号之间的延时时间。使得两路信号不同时进入相关处理器，来削弱这种相关性到来的不利影响。但是，实际应用中的目标激光脉冲宽度通常是不可预测的，怎样适当地选择延时时间是难点，延时时间过长，会造成窄脉冲目标信号的峰值交错，造成输出信噪比下降，无法检测出目标信号。延时时间过短，则不足以克服两路背景光干扰之间的相关性带来的不利影响。2、相关检测性利用信号之间具有相关性，噪声之间与相关性这样的特点，将一个与被测信号规律性(二信号之间也有相关性)部分相同的已知信号来探测出被测信号，达到去除噪声的目的，这就是相关检测的原理。相关检测技术就是根据相关性原理，通过自相关或互相关运算，以最大限度地压缩带宽，抑制噪声，达到检测微弱信号的一种技术。(1)自相关检测自相关函数是指同一个函本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.双路互相关时延估计的激光测量方法，其特征在于，采用互相关接收方法的双路接收光路，将来自同一目标的光信号到达接收光学系统后，经过前端光路分成两路光路，其中一路专门接收包含有背景光噪声的来自目标光的信号，另一路专门接收背景光噪声。

【技术特征摘要】
1.双路互相关时延估计的激光测量方法，其特征在于，采用互相关接收方法的双路接收光路，将来自同一目标的光信号到达接收光学系统后，经过前端光路分成两路光路，其中一路专门接收包含有背景光噪声的来自目标光的信号，另一路专门接收背景光噪声。2.根据权利要求1所述的双路互相关时延估计的激光测量方法，其特征在于，所述互相关接收方法的抗干扰性能为：由于参考信号S2(t)与信号S1(t)有某种相关性，而S2(t)与噪声n(t)没有相关性，且噪声的均值为零，则3.根据权利要求1所述的双路互相关时延估计的激光测量方法，其特征在于，所述互相关接收方法采用快速互相关接收方法，包括：取步长为n(n＝2k)，以n为步长在Rxy(n)中取出元素，组成新的序列RxyN(n)，找出新的序列RxyN(n)中的最大值MN及其位置LMN；取步长为在Rxy(n)中以LMN为中心，以n1为间隔，取出元素组成新序列RxyN1(n)找出RxyN1(n)中的最大值MN1及位置LMN1；取步长为在Rxy(n)中以LMN1为中心，以n2为间隔，取出元素组成新序列RxyN2(n)，找出序列RxyN2(n)中的最大值MN2及其位置LMN2；以此类推，直至间隔为1的序列搜索到最大值为止，即可确定互相关函数的最大值。4.双路互相关时延估计的激光测量装置，其特征在于，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋依青，陈佳媛，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32