[发明专利]基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置及其方法

权利要求书

1.一种基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置，其特征在于包括光学系统和电子学系统两部分，其中光学系统由发射光学、接收光学、第一平面镜[1]和第二平面镜[2]构成，电子学系统由激光发射器、接收信道、多通道参考信道、数字采集单元和数学信号处理单元构成，第一平面镜[1]和第二平面镜[2]的光学参数相同，第一平面镜[1]置于激光发射器之前，与激光发射器成45°夹角，第二平面镜[2]置于多通道参考信道之前，与多通道参考信道成45°夹角，第一平面镜[1]和第二平面镜[2]成90°夹角；发射光学置于第一平面镜[1]之前，接收光学置于接收信道之前，发射光学和接收光学相平行；激光发射器发射激光，一路先透过第一平面镜[1]，然后经过发射光学进行准直，被目标反射后经过接收光学会聚到接收信道，另一路先经第一平面镜[1]反射、后经第二平面镜[2]反射进入多通道参考信道，接收信道和多通道参考信道均与数字采集单元相连接，该数字采集单元一端与接收信道和多通道参考信道相连接，将接收信道的回波模拟信号和多通道参考信道的参考模拟信号进行模数转换并二进制编码，另一端与数字信号处理单元相连接，将采集到的回波数字信号和多通道参考数字信号送入数字信号处理单元，数字信号处理单元将接收到的回波数字信号和多通道参考数字信号进行互相关时延估计并进行线性多项式拟合修正求得最佳时延估计值。

2.根据权利要求1所述的基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置，其特征在于数字采集单元包括ADC采集模块和采集控制模块两部分，ADC采集模块使用六片ADC芯片实现，五片用于采集多通道参考模拟信号，一片用于采集回波模拟信号；采集控制模块集成在一片FPGA中，用于产生ADC控制信号和时钟信号。

3.根据权利要求1所述的基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置，其特征在于数字信号处理单元包括数据缓冲模块、数据处理模块、数据存储模块三部分，数据缓冲模块和采集控制模块集成在同一片FPGA中，将数据缓冲后送入数据处理模块，该数据处理模块集成在一片DSP芯片中，将数据缓冲模块送入的多通道参考数字信号与回波数字信号分别进行互相关时延估计，然后对得到的不同时延估计值进行线性多项式拟合修正求得最佳时延估计值；数据存储模块用于暂时存储数据处理模块得到的数据，通过数据总线与数字处理模块相连，由两片SDRAM实现。

4.根据权利要求1所述的基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置，其特征在于多通道参考信道的形成：多通道参考信道包括参考接收单元和延时单元，延时单元由N-1个延时子单元构成，每个子单元的延时时间均为通过LC滤波电路实现；参考接收单元将经第一、二平面镜1、2反射回来的激光信号转换为参考电信号，延时单元对参考电信号分别进行0、的延时，形成包括原参考电信号在内的N个多通道参考信号，即形成多通道参考信道，其中：T是高速数字采集单元的最小采样间隔。

5.一种利用权利要求1至4任意一项所述的基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

a、在激光发射的瞬间同时打开两个信道，两个信道接收到的参考模拟信号和回波模拟信号分别记为x₁(t)和x₂(t)；

b、多通道参考信道内部的延时单元对参考模拟信号分别进行0、的延时，形成包括原参考模拟信号在内的N个多通道参考信号，分别记为x₁₁(t)、x₁₂(t)…x_1N(t)，其中：T是数字采集单元的最小采样时间间隔，N是多通道参考信道的信道个数；

c、多通道参考信道不同延时时间的参考模拟信号和接收信道的回波模拟信号通过高速数字采集单元进行模数转换并二进制编码转化为数字信号，分别记为x₁₁(n)、x₁₂(n)、…x_1N(n)和x₂(n)；

d、将采集到的回波数字信号x₂(n)和多通道参考数字信号x₁₁(n)、x₁₂(n)、…x_1N(n)分别进行互相关时延估计运算，得到时延估计值：τ₁、τ₂、…τ_N；

e、将得到的不同时延估计值分别增加0、得到激光飞行时间的N个测量值，对离散的N个激光飞行时间测量值进行线性多项式拟合修正可以得到激光飞行时间的拟合曲线，由拟合曲线可得，第一个测量值横坐标对应曲线上的点即为最佳时延估计值，其与真实值之间的误差要远小于单次互相关时延估计值与真实值之间的误差。