一種基于激光脈沖波形前沿檢測的測距方法和系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光脈沖測距技術領域，具體涉及一種基于激光脈沖波形前沿檢測的測距方法和系統。
【背景技術】
[0002]激光測距(laser distance measuring)是以激光器作為光源進行測距。根據激光工作的方式分為連續激光器和脈沖激光器。氦氖、氬離子、氪錦等氣體激光器工作于連續輸出狀態，用于相位式激光測距;雙異質砷化鎵半導體激光器，用于紅外測距;紅寶石、釹玻璃等固體激光器，用于脈沖式激光測距。激光脈沖測距技術具有非常廣泛的應用，例如測距應用、物體輪廓掃描應用等。激光測距由于激光的單色性好、方向性強等特點，加上電子線路半導體化集成化，與光電測距相比，不僅可以日夜作業、而且能提高測距精度，顯著減少重量和功耗，使測量到人造地球衛星、月球等遠目標的距離變成現實。
[0003]激光脈沖測距原理是通過測量脈沖發射時間與接收時間差，來計算被測點的距離。現有的時間測量方式，通過檢波器和計時器完成。工作過程如下:激光器啟動，發射激光脈沖，通過分光鏡，一小部分光直接進入接收光路，光電轉換后形成基準波，通過檢波器檢測到，啟動計時器(通常為時鐘脈沖計數器)；另一大部分光發射出去，經測量點反射后，進入接收光路，光電轉換后，放大、整型、濾波形成回波，通過檢波器檢測到，計時完成。
[0004]現有技術中，激光脈沖測距的精度主要受到計時器計時精度和脈沖波形檢測精度的影響。因此，提尚精度的方法為提尚計時精度和提尚波形檢測的精度。提尚計時精度主要靠提高脈沖計數器的頻率，頻率越高，時間分辨率越高，計時精度越高。另一方面，當計時精度提高到一定程度時，測距精度主要受到檢波精度的影響。由于檢波方法為通常為門限檢波，因此對脈沖波形的形狀、幅度有較高的要求，當檢波波形一致時，精度較高。但是由于回波能量動態范圍較大，需要使用自增益控制放大器來保證檢波波形的一致性。然而自增益控制放大器需要一定的跟蹤時間，因此并不適用于基于單次回波測距的動態掃描類應用，因為回波能量變化較快，自增益放大器無法跟上。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種基于激光脈沖波形前沿檢測的測距方法和系統，能夠在利用脈沖波形激光的單次回波進行距離測量的應用中提高測距計算的精度，或是在高速動態掃描過程中實現高精度的輪廓掃描。
[0006]為達到以上目的，本發明采用的技術方案是:一種基于激光脈沖波形前沿檢測的測距方法，該方法包括以下步驟:
[0007](I)采用高速ADC對脈沖信號的基準波和回波進行采樣；
[0008](2)將模擬波形轉換成數字波形信號；
[0009](3)采用數字信號處理的方式進行回波時延計算，從而計算出距離。
[0010]進一步，所述步驟(3)中，采用數字信號處理的方式進行回波時延計算，從而計算出距離的具體方法包括以下步驟:
[0011]I)前沿檢波步驟，檢測基準波和回波的波形前沿，從而標定基準波前沿時刻和回波前沿時刻，
[0012]2)距離差計算步驟，初步計算反射點距離，根據上述回波前沿時刻與基準波前沿時刻的差值的一半，乘以光速，然后減去內部光路的光程，算出回波反射點的待修正距離，
[0013]3)回波寬度計算步驟，計算回波寬度數據，用來修正上述待修正距離，
[0014]4)距離校正步驟，根據上述回波寬度數據，在距離修正表中查找修正值，對待修正距離進行修正，修正后將計算結果輸出，即得到反射點的距離值。
[0015]更進一步，所述步驟I)中，前沿檢波步驟具體包括如下步驟:
[0016]第一步，啟動計算窗口；
[0017]第二步，對連續m個采樣點進行最小二乘直線擬合，并計算出直線的斜率和截距；
[0018]第三步，逐點滑動計算連續m個采樣點所擬合的直線斜率，若小于門限值則繼續計算;若大于門限值，則認為檢測到一個波形，如果是窗口內第一次檢測到，則認為是基準波，如果是第2次檢測到則認為是回波；
[0019]第四步，在斜率計算結果大于門限值條件下，如果本組的斜率計算結果大于前一組的則繼續計算下一組數據;如果小于前一組的，則認為前一組的采樣點集合為檢出波形的前沿采樣點，而且前一組計算得到的斜率和截距為波形前沿擬合直線的斜率和截距；
[0020]第五步，根據斜率和截距，得到一條擬合波形前沿的直線，取波形最高點的一半值作為波形前沿計時的標定位置，計算出前沿時刻;如果是第一個波形則是基準波前沿時刻，如果是第二個波形則是回波前沿時刻；
[0021]第六步，關閉計算窗口。
[0022]更進一步，所述步驟3)中，回波寬度計算步驟具體包括如下步驟:
[0023]第一步，計算回波波形前沿門限值高度處的時刻；
[0024]第二步，計算回波波形后沿門限值高度處的時刻；
[0025]第三步，第一步與第二步結果相減得到波形寬度數據。
[0026]更進一步，步驟4)中，所述距離修正表是在固定距離反射點條件下，根據不同波形寬度測量出來的距離值統計出來的一個測距誤差表。
[0027]進一步，步驟(I)中，所述ADC的采樣速率大于脈沖信號帶寬7倍以上，采樣數據位寬7比特以上。
[0028]本發明還提供了一種基于激光脈沖波形前沿檢測的測距系統，該系統包括以下模塊:
[0029]采樣模塊，用于采用高速ADC對脈沖信號的基準波和回波進行采樣；
[0030]信號轉換模塊，用于將模擬波形轉換成數字波形信號；
[0031]距離計算模塊，用于采用數字信號處理的方式進行回波時延計算，從而計算出距離。
[0032]進一步，所述距離計算模塊包括以下單元:
[0033]前沿檢波單元，用于檢測基準波和回波的波形前沿，從而標定基準波前沿時刻和回波前沿時刻；
[0034]距離差計算單元，用于初步計算反射點距離，根據上述回波前沿時刻與基準波前沿時刻的差值的一半，乘以光速，然后減去內部光路的光程，算出回波反射點的待修正距離；
[0035]回波寬度計算單元，用于在適當的波形高度門限值下，計算回波寬度數據，用來修正上述待修正距離；
[0036]距離校正單元，用于根據上述回波寬度數據，在距離修正表中查找修正值，對待修正距離進行修正，修正后將計算結果輸出，即得到反射點的距離值。
[0037]更進一步，所述前沿檢波單元包括如下子單元:
[0038]啟動子單元，用于啟動計算窗口；
[0039]直線擬合子單元，用于對連續m個采樣點進行最小二乘直線擬合，并計算出直線的斜率和截距；
[0040]波形檢測子單元，用于逐點滑動計算連續m個采樣點所擬合的直線斜率，若小于一定門限值則繼續計算;若大于一個門限值，則認為檢測到一個波形，如果是窗口內第一次檢測到，則認為是基準波，如果是第2次檢測到則認為是回波；
[0041]前沿采樣點檢測子單元，用于在斜率計算結果大于門限值條件下，如果本組的斜率計算結果大于前一組的則繼續計算下一組數據；如果小于前一組的，則認為前一組的采樣點集合為檢出波形的前沿采樣點，而且前一組計算得到的斜率和截距為波形前沿擬合直線的斜率和截距；
[0042]前沿時刻計算子單元，用于根據斜率和截距，得到一條擬合波形前沿的直線，取波形最高點的一半值作為波形前沿計時的標定位置，計算出前沿時刻；如果是第一個波形則是基準波前沿時刻，如果是第二個波形則是回波前沿時刻；
[0043]關閉子單元，用于關閉計算窗口。
[0044]更進一步，所述回波寬度計算單元包括如下子單元:
[0045]前沿時刻計算子單元，用于計算回波波形前沿門限值高度處的時刻；
[0046]后沿時刻計算子單元，用于計算回波波形后沿門限值高度處的時刻；
[0047]波形寬度數據計算子單元，用于將所述前沿時刻計算子單元和后沿時刻計算子單元的結果相減得到波形寬度數據。
[0048]本發明的效果在于:采用本發明所述的方法和系統，提高了脈沖波形激光的單次回波測距精度，在高速動態掃描過程中，在利用激光脈沖測距方式進行物體輪廓掃描時，可以實現高精度的輪廓掃描。
【附圖說明】
[0049]圖1為本發明所述的一種基于激光脈沖波形前沿檢測的測距方法的原理示意圖。
[0050]圖2為本發明所述的一種基于激光脈沖波形前沿檢測的測距方法的【具體實施方式】的流程圖。
[0051]圖3為本發明所述的一種基于激光脈沖波形前沿檢測的測距系統的【具體實施方式】的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0052]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
[0053]本發明適用于激光脈沖波形前沿檢測和利用基準波與回波間脈沖波形前沿的時間差進行距尚計算。
[0054]如圖1所示，一種基于激光脈沖波形前沿檢測的測距方法，包括以下步驟:
[0055](I)采用高速ADC對脈沖信號的基準波和回波進行采樣；
[0056](2)將模擬波形轉換成數字波形信號；
[0057](3)采用數字信號處理的方式來進行回波時延計算，從而計算出距離。
[0058]步驟(I)中，所述ADC的采樣速率大于脈沖信號帶寬7倍以上，采樣數據位寬7比特以上。
[0059]所述步驟(3)中，進行回波時延計算，從而計算出距離的具體方法包括以下步驟:
[0060]I)前沿檢波，檢測基準波和回波的波形前沿，從而標定基準波的前沿時刻和回波的前沿時刻，具體方法如圖2所示:
[0061]步驟SI，第一步，啟動計算窗口；
[0062]步驟S2，第二步，對第一組連續m個采樣點進行最小二乘直線擬合，并計算出直線的斜率和截距；
[0063]步驟S3，第三步，逐點滑動計算連續m個采樣點所擬合的直線斜率，若小于門限值則繼續計算；
[0064]步驟S4，若大于門限值，則認為檢測到一個波形，如果是窗口內第一次檢測到，則認為是基準波，如果是第2次檢測到則認為是回波；
[0065]步驟S5，第四步，在斜率計算結果大于門限值條件下，如果本組的斜率計算結果大于前一組的則繼續計算下一組數據；
[0066]步驟S6，如果小于前一組的，則認為前一組的采樣點集合為檢出波形的前沿采樣點，而且前一組計算得到的斜率和截距為波形前沿擬合直線的斜率和截距；
[0067]步驟S7-步