[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

说明书

技术领域

本发明属于激光雷达信号处理领域，特别是一种测量激光飞行时间的装置及其方法，应用于激光测距，激光成像雷达等用途。

背景技术

激光飞行时间测量技术广泛应用于激光测距、激光成像雷达等激光直接探测应用中，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。

传统的模拟激光飞行时间测量分为时刻判别和时间间隔测量两个步骤。时刻判别一般是对激光发射脉冲和回波脉冲先进行简单的预处理，如高通微分、低通滤波等，然后对预处理后的模拟信号通过高速比较器提取激光开始和截止的数字信号上升沿。时刻判别方法只是简单地使用模拟方法提取时刻，由于激光在飞行的过程中受到大气、固体悬浮颗粒的衰减和干扰，目标表面特性变化等原因的影响，时刻判别存在很大的误差。时间间隔测量普遍使用两种方法：一是使用可编程逻辑器件电子学倍频获得高速的时钟信号以提高测量精度；二是使用专业的计时芯片。这两种方法各有优劣，前者受器件工艺水平制约很难达到超高速的时钟频率，即使达到成本也很高；后者由于器件内部采用模拟技术所以受温度等环境条件影响很大，不同温度下测得的时间值存在误差。

时延估计是信号处理领域一个比较活跃的研究课题，其基本问题是利用接收到的回波信号准确快速地估计接收器之间由于信号传播距离不同而引起的时间延迟。通常用到的时延估计方法有相位法、双谱法、相关法、自适应滤波器参数模型法等。对于激光雷达的回波而言，其信号是类高斯信号，噪声是高斯白噪声，信号和噪声、噪声和噪声互不相关，非常有利于使用相关时延估计方法来估算激光飞行时间。相关时延估计法利用互相关技术比较比较回波信号和参考信号之间的相似性，通过相关函数的峰值来估计回波信号和参考信号之间延迟的时间差。但是目前数字采集单元的采集速度有限，想要提高激光时间测量精度，仅仅通过相关时延估计方法还是不够的。所以，有必要对上述方法进行改进。

发明内容

本发明的发明目的在于提高激光飞行时间的测量精度，提供了一种基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置及其方法，装置简单，计算量小，实现简单，可以有效达到减小误差提高精度的目的。

实现本发明的目的技术方案为：一种基于多通道时延估计的激光飞行时间测量装置，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、第一平面镜和第二平面镜构成，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，第一平面镜和第二平面镜的光学参数相同，第一平面镜置于激光发射器之前，与激光发射器成45°夹角，第二平面镜置于多通道参考信道之前，与多通道参考信道成45°夹角，第一平面镜和第二平面镜成90°夹角；发射光学置于第一平面镜之前，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，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反射、后经第二平面镜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。

一种基于多通道时延估计的激光飞行时间测量方法，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)；