CN119001734A - 一种基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升方法、系统、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升方法，所述方法包括：通过选择不同的延时通路，采集回波信号进行预处理；基于预处理后的回波信号，利用波形拟合算法得到更贴近实际的回波波形，并通过峰值位置判断激光雷达与探测目标之间的相对距离。本发明能有效解决现有技术中低采样下测距精度不足的问题，具有显著的技术进步和实际应用价值。

Description

一种基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升方法、系统、 设备及介质

技术领域

本发明属于激光雷达测距技术领域，具体涉及一种基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升方法、系统、设备及介质。

背景技术

激光雷达技术在三维空间感知与测绘领域发挥着至关重要的作用。其核心测距原理为：雷达光源接收到触发信号后向被探测目标发射激光脉冲，激光脉冲到达目标后被反射或散射并由探测单元接收。通过计算触发信号和接收信号峰值的时间差可以得到激光脉冲的飞行时间，从而计算出激光雷达和被探测目标的相对距离。

激光脉冲到达时间通常由接收端采集的脉冲峰值位置决定，系统的数据采样率是决定脉冲峰值位置精度的主要因素之一。高数据采样率会缩小数据采集间隔，采集的回波信号逼近真实波形，确保峰值定位的极高精准度。当激光雷达受到采集单元性能限制，低采样率导致数据采样时间间隔接近激光脉冲宽度，采集的回波信号数据点不足，导致采集峰值与真实峰值时间节点出现偏差，进一步恶化激光雷达的距离探测精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升方法、系统、设备及介质。

本发明的技术方案如下：

一种基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升方法，所述方法包括：

通过选择不同的延时通路，采集回波信号进行预处理；

基于预处理后的回波信号，利用波形拟合算法得到更贴近实际的回波波形，并通过峰值位置判断激光雷达与探测目标之间的相对距离。

进一步地，所述预处理具体为对回波信号进行放大、滤波、数字化。

进一步地，所述不同的延时通路不小于四个。

进一步地，所述激光雷达与探测目标之间的相对距离的公式为：

其中，c为光速。

一种基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升系统，所述系统包括：

激光器单元，用于产生激光脉冲信号；

光纤链路，用于将激光脉冲信号从激光器单元传输到光时延单元；

光时延单元，用于对激光脉冲进行时间延迟处理，使其在时间域上产生特定的平移；

共轴发射接收系统，用于负责同步发射激光脉冲并接收来自目标的回波信号。

触发信号单元，用于产生上升沿的触发信号，控制激光器单元的激发和光时延单元的选择；

信号采集处理单元，用于负责接收、处理并存储来自探测目标的回波信号。

进一步地，，所述激光脉冲信号的脉冲宽度为τ和重复频率为f。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述的激光测距分辨率提升方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行上述激光测距分辨率提升方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出了一种基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升方案，能有效解决现有技术中低采样下测距精度不足的问题，具有显著的技术进步和实际应用价值。

附图说明

附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所发明的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。

图1示出了本发明的利用光学延迟发生单元提升测距分辨率的激光雷达结构示意图；

图2示出了本发明的低采样率激光回波信号于真实波形差异对比示意图；

图3示出了本发明的异步光延时提升激光回波信号采样精度的原理示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明实施例提供一种基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升方法,包括以下步骤：

1.数据采集

激光雷达的脉冲激光光源单元在接收到信号触发单元发出的触发信号T1后，产生脉冲宽度为τ和重复频率为f的激光脉冲，并通过光纤链路传输到光学时延发生单元。光学时延发生单元在触发信号T1下选择无延时的光学通道1，经过光延时单元后，通过光纤链路传输到激光发射单元，向被探测目标射出激光脉冲，由包括光电探测器和相关电路的回波信号采集单元接收经目标反射或散射返回的激光脉冲，并将其转换为电信号。信号处理单元在触发信号同步下对接收电信号进行放大、滤波、数字化预处理并存储。

激光雷达的脉冲激光光源单元在再次接收到信号触发单元发出的触发信号T2后，激光脉冲通过光纤链路传输到光时延单元，光时延单元在触发信号T2下选择延时为t1的光学通道2，延时通路使发射的激光脉冲在时域上产生t₁的位移，并通过激光发射单元向探测目标射出激光信号。接收单元接收经目标反射返回的激光脉冲，并将其转换为电信号。最后经过已存储触发信号的信号采集单元的信号采集处理单元对接收的电信号进行处理保存。

重复上述步骤，经由触发单元选择不少于四个延迟通路，并采集回波信号。

2.数据拟合

通过不少于四次异步采样的数据，利用波形拟合算法得到更贴近实际的回波波形，并通过峰值位置判断激光雷达与探测目标之间的相对距离，从而在数据采样时间间隔等于或者大于激光时域脉冲宽度的背景下依然保持较高的距离分辨性能。

如图1所示，基于光时延单元的激光雷达主要由脉冲激光光源单元、触发信号单元、光纤跳线、光学时延发生单元、信号采集处理单元、脉冲激光发射单元、回波信号接收单元组成。

由触发信号单元产生上升沿的触发信号，控制激光器单元激发产生脉冲宽度为τ和重复频率为f的激光脉冲的脉冲激光光源单元和光学时延发生单元选择对应的光学通道，并送入信号采集处理单元记录触发信号。

激光发射信号由光纤跳线耦合到光学时延发生单元，信号在时间域上产生t时刻的平移，再由与回波信号接收单元共轴的脉冲激光发射单元向探测目标发射。

激光信号与探测目标相互作用形成激光回波信号，通过回波信号接收单元接收回波信号，由信号收集处理单元对接收经目标反射返回的激光回波，并将其转换为电信号、放大、滤波、数字化预处理并存储，计算与存储触发信号的时间差，获得激光雷达的发射-接收时间间隔，实现激光雷达与探测目标的相对测距。

信号采集处理单元的采样率是影响激光雷达精度的主要因素之一。系统采样频率的提升，促使采样间隔缩减，采集到的回波波形更加逼近真实波形，确保精准捕获回波细节。

如图2所示，在实际应用中，受到硬件、功耗与散热、成本和数据处理与传输能力等因素的限制，系统的采样频率存在局限。在低采样(数据采样时间间隔接近激光时域脉冲宽度)的限制下，引发了数据连续性和完整性方面的问题。

激光雷达系统主要采用飞行时间测距进行目标测距。通过计算激光脉冲信号从出发到返回在空间中的飞行时间，即通过激光光源出射的时间和被探测器接收的时间间隔t对被测目标进行距离测量。激光雷达与被测目标的相对距离L可以通过公式(1)来确定：

其中，c为光速。

图3示出异步光时延采样的激光测距分辨率的原理图。

本方法旨在实现低采样率条件下，用异步光时延采样技术来寻求提升系统距离分辨率的解决方案。采样频率越高，重构的激光回波波形越接近于真实波形。而采样频率较低时，信号采集处理单元显示的峰值位置可能与实际回波的峰值位置存在较大误差。当脉冲宽度为τ时，采样频率f即使低至也可使用本方法提升测距精度，还原出实际的激光回波波形。

图3旨在讨论，一种基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升方法适用的极限情况，当系统采样率低的情况下，即数据采样时间间隔接近激光时域脉冲宽度。此时系统的信号采集处理单元重构激光回波信号仅能采集到单个数据点。此时重构的回波波形严重失真，峰值位置可能与实际回波的峰值位置存在较大误差。

为突破采样率上的限制，通过触发信号单元输出触发信号S1控制光时延单元选择无延时的光学通道1，无延时的激光发射信号向探测目标射出。由包括光电探测器和相关电路的回波信号采集单元，接收经目标反射返回的激光脉冲，信号收集处理单元收集、处理并存储激光回波信号。

通过触发信号单元分别输出触发信号S2、S3、S4和S5控制光时延单元选择光学通道2、3、4和5，延时t₂、t₃、t₄和t₅的激光发射信号向探测目标射出。由包括光电探测器和相关电路的回波信号采集单元，接收经目标反射返回的激光脉冲，信号收集处理单元收集、处理并存储激光回波信号。

通过不少于四次异步采样的数据，拟合出更贴近实际的回波波形，通过拟合波形的峰值位置，判断激光雷达与探测目标之间的相对距离，从而在低采样率背景下依然保持较高的距离分辨性能。

以上所述，仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升方法，其特征在于，所述方法包括：

通过选择不同的延时通路，采集回波信号进行预处理；

基于预处理后的回波信号，利用波形拟合算法得到更贴近实际的回波波形，并通过峰值位置判断激光雷达与探测目标之间的相对距离。

2.根据权利要求1所述的基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升方法，其特征在于，所述预处理具体为对回波信号进行放大、滤波、数字化。

3.根据权利要求1所述的基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升方法，其特征在于，所述不同的延时通路不小于四个。

4.根据权利要求1所述的基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升方法，其特征在于，所述激光雷达与探测目标之间的相对距离的公式为：

其中，c为光速。

5.一种基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升系统，其特征在于，所述系统包括：

激光器单元，用于产生激光脉冲信号；

光纤链路，用于将激光脉冲信号从激光器单元传输到光时延单元；

光时延单元，用于对激光脉冲进行时间延迟处理，使其在时间域上产生特定的平移；

共轴发射接收系统，用于负责同步发射激光脉冲并接收来自目标的回波信号。

触发信号单元，用于产生上升沿的触发信号，控制激光器单元的激发和光时延单元的选择；

信号采集处理单元，用于负责接收、处理并存储来自探测目标的回波信号。

6.根据权利要求5所述的基于异步光时延采样的激光测距分辨率提升系统，其特征在于，所述激光脉冲信号的脉冲宽度为τ和重复频率为f。

7.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据权利要求1-4中所述的激光测距分辨率提升方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中所述的激光测距分辨率提升方法。