一种远目标激光测距方法技术

本发明专利技术公开了一种远目标激光测距方法，首先将单频回波信号经过窄带滤波进行预放大处理，由欠采样转换为数字信号并进行数字相关处理，恢复出被噪声淹没的信号；基于所获得的信号，利用周期信号重构技术构造出相位估计函数，计算出目标距离值；再利用发射半连续正弦调制激光信号和游标原理，来解决单一高频测距过程中的距离模糊问题。上述方法能有效提高信噪比和测程，并对无合作目标进行高精度远距离测量，在大型工程结构、建筑结构、工业现场等方面具有重要的应用。

A Laser Ranging Method for Far Target

【技术实现步骤摘要】
一种远目标激光测距方法
本专利技术涉及激光测距
，尤其涉及一种远目标激光测距方法。
技术介绍
目前用于工程测量的无合作目标光学测距方法主要有相位法和脉冲法，相位法使用周期信号对激光光强进行调制，通过测量周期信号的相移来间接计算距离，精度可以达到毫米量级，测量精度高，但测程短；而脉冲法通过测量激光脉冲在目标与测距仪之间的飞行时间来计算距离，因激光脉冲持续时间短、能量集中和瞬时功率大，容易实现较长距离测量，但测距精度低。随着近年来大型或超大型结构(如桥梁、高层建筑等)日益增多，工程测量上有了高精度和远目标的要求，而上述两种方法显然都不能同时满足。现有技术中的相位式激光测距仪，要求激光发射平均功率不能超过1mw(1级安全激光)，而接收系统受到光学接收口径(一般为φ50mm)和探测电路噪声的限制，由测距方程计算出的无合作目标测程为十几米。提高测程的最直接方法是提高接收系统的信噪比，在相位式测距系统的设计中，为了获得毫米级距离测量精度，调制频率往往设置在60MHz以上，对应的不模糊距离仅为2.5m，目前是通过双频或多个调制频率来解模糊，因而要求探测器前置放大器带宽要大于这个最高调制频率，但噪声也同时经过前置宽带放大器被放大，导致接收系统的最小可探测光功率受到限制，从而影响测程。而采用数字相关检测方法可以提高信噪比，它是基于信号与噪声的统计特性进行检测的。在远目标时，由目标漫反射回来的信号很弱，且电路的噪声幅值和频谱是基本不变的，使得其信噪比小于1，此时利用数字相关检测可以提取出被噪声淹没的信号。但是，当回波信号的幅值小于ADC的输入范围时，这个信号将无法检测到，因此采用数字方法来提高测程是有限的。另一方面，对于数字相移测距系统，增大采样频率可以提高相位估算精度。在一个信号周期内采样点增加后，波形变得更细致，相对于原信号波形的失真就小，从而可获得期望的距离估算精度。在测距仪设计中，一个信号周期内需要数十甚至上百个采样数据。例如对于50MHz的高频调制信号，要求ADC的转换速率达到数百MHz甚至几个GHz以上，不仅ADC价格昂贵，而且后续处理的数据量也较大，使整个系统复杂化。由此可见，随着近年来大型或超大型结构(如桥梁、高层建筑等)日益增多，工程测量上有了高精度和远目标的要求，而现有测距方法显然都不能同时满足。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种远目标激光测距方法，该方法能有效提高信噪比和测程，并对无合作目标进行高精度远距离测量。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种远目标激光测距方法，所述方法包括：步骤1、首先将单频回波信号经过窄带滤波进行预放大处理，由欠采样转换为数字信号并进行数字相关处理，恢复出被噪声淹没的信号；步骤2、基于步骤1所获得的信号，利用周期信号重构技术构造出相位估计函数，计算出目标距离值；步骤3、再利用发射半连续正弦调制激光信号和游标原理，来解决单一高频测距过程中的距离模糊问题。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，上述方法能有效提高信噪比和测程，并对无合作目标进行高精度远距离测量，在大型工程结构、建筑结构、工业现场等方面具有重要的应用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的远目标激光测距方法流程示意图；图2为本专利技术实施例所述完整周期信号的重构及精测过程示意图；图3为本专利技术实施例所述对半连续正弦调制信号的重建及粗测过程示意图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。下面将结合附图对本专利技术实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本专利技术实施例提供的远目标激光测距方法流程示意图，所述方法包括：步骤1、首先将单频回波信号经过窄带滤波进行预放大处理，由欠采样转换为数字信号并进行数字相关处理，恢复出被噪声淹没的信号；在该步骤中，由于采用单一正弦波频率，其回波信号可以通过前置窄带滤波放大器进行预放大滤波处理，以提高信噪比，前置放大器的带宽越窄，抑制噪声能力越强，信噪比越高。例如当带宽为600kHz时，与现有的相位测距仪相比(取带宽60MHz)，最小可探测光电流将降低约10～14倍。然后再利用欠采样技术对前置窄带滤波放大器输出电压进行采样，再利用数字相关处理进一步提高信噪比，设测量次数为N，则信噪比改善了例如测量次数为10000时，信噪比可以提高100倍。通过上述窄带滤波预处理和数字相关处理后，就可以恢复出被噪声淹没的信号。步骤2、基于步骤1所获得的信号，利用周期信号重构技术构造出相位估计函数，计算出目标距离值；如图2所示为本专利技术实施例所述完整周期信号的重构及精测过程示意图，设步骤1所获得的信号为正弦周期信号u(t)，其周期为T0＝1/f0，选取模数转换器ADC的采样时间间隔为：其中，L、M均为整数；在上式中，采样时间对应于u(t)信号的L+1/M个周期，其中L表示u(t)信号的整周期数，1/M为周期的小数；连续M个采样值等效于在一个周期内采得的，即等效采样间隔为：将模数转换器ADC的采样过程看作是一个狄拉克δ脉冲调制过程，则通过一次(设第i次)采样连续M个值就能重构出u(t)的一个完整周期信号为：上述所构建的函数Ai(k)相当于一个正弦波周期被细分为M等分，通过欠采样构建的一个整周期的回波信号如图2所示；若以正弦信号的过零时刻(相位为0)为定时特征点，则在激光发射时刻tstart的采样序列数为0，在返回时刻tstop对应的采样序列数为nP，则通过插值处理可求出目标距离精测值为：其中，0≤nP＜M；ΔnP为不足一个等效采样间隔的部分，且0≤ΔnP＜1。步骤3、再利用发射半连续正弦调制激光信号和游标原理，来解决单一高频测距过程中的距离模糊问题。这里，在单一高频测距中存在距离模糊问题，例如取f0＝60MHz，则最大不模糊距离仅为2.5m。另一方面，在目标较远时，由目标漫反射回来的信号很微弱，信号将被噪声淹没，仅通过窄带滤波放大预处理不一定能够得到数字触发器的输入电平信号，很显然，采用传统的脉冲计数方法[2]将无法获得粗测值Ncoar。本专利技术实施例将采用发射半连续正弦调制波和游标原理来解模糊，具体过程为：如图3所示为本专利技术实施例所述对半连续正弦调制信号的重建及粗测过程示意图，设激光器发射的是一个半连续的高频正弦调制信号，发射周期为mc(mc为整数，表示高频正弦波的周期数)，即在前mc/2半个周期内发射高频正弦信号，后半个mc/2周期内不发射信号，依次循环；将该高频正弦调制信号作为主时钟，对前半个周期进行游标内插处理，这样游标总长度为mc/2，两相邻刻度之间的间隔为1，将采样时钟作为游标时钟，采样周期设置为：msamp＝mc+1对回波信号进行采样，采样点序列号k1＝0,1,2，...，mc/2-1，经多次重复测量后取平均以恢复信号，再以第一次采样到信号的时刻点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种远目标激光测距方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、首先将单频回波信号经过窄带滤波进行预放大处理，由欠采样转换为数字信号并进行数字相关处理，恢复出被噪声淹没的信号；步骤2、基于步骤1所获得的信号，利用周期信号重构技术构造出相位估计函数，计算出目标距离值；步骤3、再利用发射半连续正弦调制激光信号和游标原理，来解决单一高频测距过程中的距离模糊问题。

【技术特征摘要】
1.一种远目标激光测距方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、首先将单频回波信号经过窄带滤波进行预放大处理，由欠采样转换为数字信号并进行数字相关处理，恢复出被噪声淹没的信号；步骤2、基于步骤1所获得的信号，利用周期信号重构技术构造出相位估计函数，计算出目标距离值；步骤3、再利用发射半连续正弦调制激光信号和游标原理，来解决单一高频测距过程中的距离模糊问题。2.根据权利要求1所述远目标激光测距方法，其特征在于，所述步骤2的过程具体为：设步骤1所获得的信号为正弦周期信号u(t)，其周期为T0＝1/f0，选取模数转换器ADC的采样时间间隔为：其中，L、M均为整数；在上式中，采样时间对应于u(t)信号的L+1/M个周期，其中L表示u(t)信号的整周期数，1/M为周期的小数；连续M个采样值等效于在一个周期内采得的，即等效采样间隔为：将模数转换器ADC的采样过程看作是一个狄拉克δ脉冲调制过程，则通过一次采样连续M个值就能重构出u(t)的一个完整周期信号为：上述所构建的函数Ai(k)相当于一个正弦波周期被细分为M等分，若以正弦信号的过零时刻为定时特征点，则在激光发射时刻tstart的采样序列数为0，在返回时刻tstop对应的采样序列数为nP，则通过插值处理可求出目标距离精测值为：其中，0≤nP＜M；ΔnP为不足一个等效采样间隔的部分，且0≤ΔnP＜1。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄民双，
申请(专利权)人：北京石油化工学院，
类型：发明
国别省市：北京,11