一种基于GABP的脉冲激光测距误差补偿方法技术

本发明专利技术请求保护一种基于GABP的脉冲激光测距误差补偿方法，其包括以下步骤：步骤1、设计硬件电路，所述硬件电路用于对光信号进行探测，将光信号转化为模拟电信号，然后采用固定阈值将模拟信号转化为数字信号；再将数字信号输入到时间测量单元，测量回波信号的脉冲宽度与原始飞行时间参数值；步骤2、设定不同的目标物，利用步骤1的数据获取方式获得回波信号的脉冲宽度和飞行时间误差的参数值；数据分析软件再利用GABP回归分析方法获得校正曲线网络参数；步骤3、将步骤2获取的优化的神经网络参数写入微处理器；在60‑600cm的范围内进行实际测距试验，验证基于GABP补偿算法的测距机的测距精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于GABP的脉冲激光测距误差补偿方法
本专利技术属于激光测距、数据处理技术，具体属于一种基于GABP的脉冲激光测距误差补偿方法。
技术介绍
脉冲激光测距通过测量激光发射到回波的飞行时间，利用光速常量计算出目标距离。其具有作用距离远，速度快，抗干扰强等优点。被广泛应用于军事，航空航天，测绘，交通，国防等诸多领域。脉冲激光测距系统主要包括脉冲激光发射模块、激光接收模块、时刻鉴别模块和信号处理模块四个部分。脉冲激光测距原理主要是鉴别发射信号和回波信号的前沿时刻差来测量目标的实际距离。激光接收模块的带宽、动态范围和时刻鉴别模块的电路设计是影响整个测距系统精度的主要因素，引起的误差主要有：1)抖动误差；2)游走误差；3)饱和漂移误差。1)抖动误差。采用前沿鉴别法的电路中，模拟信号的上升沿上叠加了噪声，使得模拟信号的上升沿穿越比较阈值的时刻发生抖动，由此产生的误差称为抖动误差。此种误差可以通过提高探测器的信噪比和多次平均来避免。2)游走误差。不同信号幅度的回波在固定比较阈值下，由于斜率发生变化，会发生时刻游走。目前解决由幅度变化引起的时刻鉴别误差方法目前主要有两种方法:①半极大法。它将回波信号延时脉冲宽度的一半，与原信号相加之后送入比较器。对于小型化接收机来讲，该种方法电路结构复杂，精度受硬件电路影响较大。②幅度校正法。利用同时采集到的脉冲幅度值对距离进行修正。当不同距离两个目标的回波信号都达到饱和状态时，此种方法失效。3)饱和漂移误差。当回波信号饱和或者深度饱和时，由于电路延迟特性发生改变，会发生微小的时刻漂移。目前尚未有报道来分析和补偿此类误差。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于GABP的脉冲激光测距误差补偿方法。本专利技术的技术方案如下：一种基于GABP的脉冲激光测距误差补偿方法，其包括以下步骤：步骤1、设计硬件电路，所述硬件电路用于对光信号进行探测，将光信号转化为模拟电信号，然后采用固定阈值将模拟信号转化为数字信号；再将数字信号输入到时间测量单元，测量回波信号的脉冲宽度与原始飞行时间；步骤2、设定不同位置的目标物；利用步骤1的数据获取方式获得回波信号的脉冲宽度和飞行时间误差的参数值；数据分析软件再利用GABP回归分析方法获得校正曲线网络参数，具体包括：1)对进行优化前的单BP神经网络进行训练；2)利用遗传算法优化BP神经网络的权值，阈值和方差；3)根据优化的参数建立的BP神经网络进行仿真验证。步骤3、将步骤2获取的优化的神经网络参数写入微处理器；在60-600cm的范围内进行实际测距试验，验证基于GABP补偿算法的测距机的测距精度。进一步的，所述步骤1设计的硬件电路具体包括：基于固定阈值回波探测电路和时间间隔测量电路，地盘多固定阈值回波探测电路的核心部分是光电探测器，其作用探测回波信号，将光信号转化为电信号；时间间隔测量电路的核心部分是高速计时器或者专用时间测量芯片(TDC)，其作用是接收探测电路的信号，触发内部计时开始与停止，输出时间间隔，信号的上升和下降沿同时触发高速计时器或者TDC芯片工作，以能够获取信号脉冲宽度。进一步的，所述步骤2根据实际系统设定四种目标物，用于后面校正试验获取的工具；校正试验数据获取的主要步骤如下：(1)搭建实验平台，系统包括激光发射模块、接收模块、步骤1的硬件电路和信号处理模块，专用时间测量芯片TDC获取的时刻信息通过上位机保存；(2)获取start信号时刻，采用905半导体激光器作为信号发射源，其电脉冲驱动信号的前沿时刻输入到TDC芯片，获取激光发射start信号时刻t0；(3)在距离激光发射60cm处，分别放置目标1、2、3、4，通过TDC芯片测得回波信号的stop1前沿ti11和stop2后沿时刻ti12(i＝1,2,3,4)；(4)根据步骤(3)分别测量120cm、180cm、240cm、300cm、360cm、420cm、480cm、540cm和600cm处，目标1、2、3、4的不同回波信号的前沿tij1和后沿时刻tij2；(i＝1,2,3,4；j＝1,2,…,10)(5)将目标物放置于接收窗口处，测量系统的固定延迟时间Δt；进一步的，所述步骤2的数据分析软件再利用GABP回归分析方法获得校正曲线网络参数主要步骤如下：1)获取原始数据后，整理数据如下：回波信号的脉冲宽度wij＝tij2-tij1，误差偏移量Offset＝tij1-Δt-R/30。(i＝1,2,3,4；j＝1,2,…,10)2)将原始数据分为两部分，train集和test集，train集用来做网络模型训练，test集数据用于测试网络性能；train集的脉冲宽度和误差偏移量作为BP神经网络的输入和输出进行回归分析，获取其网络参数(训练次数、目标误差精度、学习率、中间层传递函数、网络训练函数等参数)；所述BP网络由输入层、隐含层和输出层组成，其学习算法由信息的正向传播和误差的反向传播两个过程组成：信息从输入层经隐含层处理后到达输出层，当实际输出与期望不相符时，进入误差的反向传播阶段；误差通过输出层，按梯度下降的方式修正各层权值，向隐含层、输入层逐层反传；两个过程不断迭代是各层权值不断调整的过程，也是BP网络学习训练的过程，直至输出误差降低到可接受的程度，或预先设定的学习次数为止。同时利用GA遗传算法对BP网络的初始值进行训练，得到最优的网络参数(包括遗传种群大小、遗传代数等参数)，再利用test集数据进行仿真验证；其中所述GA遗传算法步骤为：从任意初始群体出发，按照选择的适应度函数，通过随机选择、交叉和变异三项基本操作对个体进行筛选，适应度较好的个体获得较高生存率而被保留，适应度较差的获得较低生存率而被淘汰，从而产生更适应环境的后生代种群，这种过程不断迭代，直至最后收敛获取最适应环境的种群。进一步的，所述步骤3将步骤2获取的优化的神经网络参数写入微处理器；在60-600cm的范围内进行实际测距试验，验证基于GABP补偿算法的测距机的测距精度。其特征在于，搭建实际测距系统，获取测距数据，并分析对比未校正、分段校正和GABP校正三种方法的测距精度。所述的分段校正方法为：在回波信号未饱和之前采用线性拟合公式，回波信号饱和以后采用对数拟合公式。具体为：y＝-0.2x+19(x＜100)y＝-3.02lgx+18.3(x≥100)其中，y代表误差补偿量，x代表脉冲宽度。本专利技术的优点及有益效果如下：本专利技术为了解决在脉冲法测距系统中，采用固定阈值比较电路的情况下，由于信号幅度变化而引起的游走误差和信号饱和电路产生的饱和漂移误差，本专利技术设计了一种基于遗传算法的BP神经网络的补偿方法，通过测量回波信号的脉冲宽度和实际误差偏移量，利用GABP的回归分析方法补偿以上两种误差，提高测距精度。通过补偿实验，时刻鉴别误差精度可达390ps；实际测距实验，可发现，在60cm～600cm的近距离测距范围内，测距精度达到6cm。1)本专利技术创新之一：通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于GABP的脉冲激光测距误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、设计硬件电路，所述硬件电路用于对光信号进行探测，将光信号转化为模拟电信号，然后采用固定阈值将模拟信号转化为数字信号；再将数字信号输入到时间测量单元，测量回波信号的脉冲宽度与原始飞行时间；/n步骤2、设定不同位置的目标物；利用步骤1的数据获取方式获得回波信号的脉冲宽度和飞行时间误差的参数值；数据分析软件再利用GABP回归分析方法获得校正曲线网络参数，具体包括：1)对进行优化前的单BP神经网络进行训练；2)利用遗传算法优化BP神经网络的权值，阈值和方差；3)根据优化的参数建立的BP神经网络进行仿真验证；/n步骤3、将步骤2获取的优化的神经网络参数写入微处理器；在60-600cm的范围内进行实际测距试验，验证基于GABP补偿算法的测距机的测距精度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于GABP的脉冲激光测距误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、设计硬件电路，所述硬件电路用于对光信号进行探测，将光信号转化为模拟电信号，然后采用固定阈值将模拟信号转化为数字信号；再将数字信号输入到时间测量单元，测量回波信号的脉冲宽度与原始飞行时间；
步骤2、设定不同位置的目标物；利用步骤1的数据获取方式获得回波信号的脉冲宽度和飞行时间误差的参数值；数据分析软件再利用GABP回归分析方法获得校正曲线网络参数，具体包括：1)对进行优化前的单BP神经网络进行训练；2)利用遗传算法优化BP神经网络的权值，阈值和方差；3)根据优化的参数建立的BP神经网络进行仿真验证；
步骤3、将步骤2获取的优化的神经网络参数写入微处理器；在60-600cm的范围内进行实际测距试验，验证基于GABP补偿算法的测距机的测距精度。


2.根据权利要求1所述的一种基于GABP的脉冲激光测距误差补偿方法，其特征在于，所述步骤1设计的硬件电路具体包括：基于固定阈值回波探测电路和时间间隔测量电路，基于固定阈值回波探测电路的核心部分是光电探测器，其作用为探测回波信号，将光信号转化为电信号；时间间隔测量电路的核心部分是高速计时器或者专用时间测量芯片(TDC)，其作用是接收探测电路的信号，触发内部计时开始与停止，输出时间间隔，信号的上升和下降沿同时触发高速计时器或者TDC芯片工作，以能够获取信号脉冲宽度。


3.根据权利要求1所述的一种基于GABP的脉冲激光测距误差补偿方法，其特征在于，所述步骤2根据实际系统设定四种目标物，用于后面校正试验获取的工具；校正试验数据获取的主要步骤如下：
(1)搭建实验平台，系统包括激光发射模块、接收模块、步骤1的硬件电路和信号处理模块，专用时间测量芯片TDC获取的时刻信息通过上位机保存；
(2)获取start信号时刻，采用905半导体激光器作为信号发射源，其电脉冲驱动信号的前沿时刻输入到TDC芯片，获取激光发射start信号时刻t0；
(3)在距离激光发射60cm处，分别放置目标1、2、3、4，通过TDC芯片测得回波信号的stop1前沿ti11和stop2后沿时刻ti12(i＝1,2,3,4)；
(4)根据步骤(3)分别测量120cm、180cm、240cm、300cm、360cm、420cm、480cm、540cm和600cm处，目标1、2、3、4的不同回波信号的前沿tij1和后沿时刻tij2；(i＝1,2,3,4...

【专利技术属性】
技术研发人员：亓林，刘宇，邹新海，曹加昇，田健，刘茄鑫，杨勇，路永乐，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50