[发明专利]基于拟牛顿算法的飞秒激光测距脉冲峰值检测方法

说明书

本发明公开一种基于拟牛顿算法的飞秒激光测距脉冲峰值检测方法，包括步骤：采用ASPOS技术展宽测距激光脉冲信号，在时间上拉伸超短激光脉冲；使用光电探测器采样时间尺度扩展的信号，使用模数转换器将模拟信号转换为数字信号；采用拟牛顿算法中的BFGS‑QN算法，计算拟合参数，对离散采样点进行高斯拟合并重构飞秒激光脉冲的原始高斯信号包络，以获得峰值时刻。本发明使用BFGS‑QN算法具有更高的拟合精度，可以降低测距系统的精度损失。

技术领域

本发明涉及信号处理及激光测距领域，具体涉及一种基于拟牛顿算法的飞秒激光测距脉冲峰值检测方法。

背景技术

双飞秒激光测距是一种实现绝对距离测量的技术，具有测量精度高、更新速度快、测距范围大等优点。其主要应用于依赖高精度、高实时性距离测量的研究领域，例如卫星编队飞行、天基合成孔径成像、激光雷达等。

在双飞秒激光测距系统中，通过测量脉冲飞行时间来得到测距结果。根据参考脉冲峰值时刻和目标脉冲峰值时刻的差值可以计算得到脉冲飞行时间，因此峰值检测是双飞秒激光测距系统的一个关键模块，其性能直接影响测距系统的精度和实时性。

发明内容

本发明针对双飞秒激光测距系统的关键模块——峰值检测模块，提出了一种峰值检测方法。通过重构采样的参考脉冲和目标脉冲的脉冲包络，即对非线性曲线拟合进行重复在线求解，既满足了双飞秒激光测距系统高精度和实时性要求，又兼顾了星载平台对系统成本、尺寸和功耗的限制。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

第一步：展宽测距激光脉冲信号

为了使信号激光抵达目标位置并反射回参考位置的时间可被高速光电探测器所检测，需在时间上拉伸超短激光脉冲，因此采用ASPOS技术展宽测距激光脉冲信号。

具体步骤为：

使用一对飞秒激光器作为系统光源，分别是频率为f_r的测量激光器和频率为f_r-Δf_r的采样激光器，二者频率差Δf_r。

基于光学互相关技术，使用LO激光在每个重复周期中遍历信号脉冲，并且在多个重复周期中完成完整采样，等效采样过程是将参考脉冲和目标脉冲拉伸倍。

测距结果可以由以下公式得到：

其中，L表示测距结果，c表示真空中的光速，n_g表示空气的折射率，t_TOF表示脉冲飞行时间，N表示脉冲展宽倍数，表示等效脉冲飞行时间，f_r表示激光器的重复频率，Δf_r表示重复频率差。

为了计算测距仪和目标之间的距离，只需要确定在拉伸时间尺度中的参考脉冲，目标脉冲和下一周期参考脉冲的峰值时刻，分别表示为t_ref1，t_tar，t_ref2。

第二步：采样

使用光电探测器采样时间尺度扩展的信号，使用模数转换器将模拟信号转换为数字信号。以采样信号数据的平均值上浮1.75倍作为阈值，将采样信号数据划分为噪声区域和脉冲区域，舍弃噪声区域，保存脉冲区域中的数据用于计算拟合参数。

第三步：计算拟合参数A、μ、σ、y₀

采用拟牛顿算法中的BFGS-QN算法，对离散采样点进行高斯拟合并重构飞秒激光脉冲的原始高斯信号包络，以获得更准确的峰值时刻，拟合公式为：

其中，t为采样时刻，y(t)表示在t时刻的采样值，A、μ、σ、y₀是需要拟合的参数，表示为p：