[发明专利]一种基于波形时域匹配的激光测距系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于波形时域匹配的脉冲激光测距系统和方法，系统包括软件和硬件。FPGA发送控制信号给激光窄脉冲发射电路，发射电路控制激光发射器发射脉冲激光。物体反射激光通过光学准直系统和窄带滤光片将回波光信号发射到光电转换系统，光电转换系统将光信号转换成回波电信号，再通过模拟放大电路变成定幅度回波模拟信号进入信号合路系统。在FPGA发射控制信号控制激光发射的同时，FPGA将时间参考脉冲同时发送到信号合路系统，合路系统将时间参考脉冲和定幅度回波模拟信号整合成带时间参考的回波信号。带时间参考的回波信号在ADC采样系统中量化为数字检测信号，发送给FPGA进行数据分析，通过软件部分的波形时域匹配分析后测距结果由FPGA输出。

技术领域

本发明涉及测量仪器技术领域，尤其涉及一种脉冲激光测距系统及方法。

背景技术

脉冲激光测距的基本原理是主动向目标发射脉冲激光，然后探测该目标上被照射点的激光回波，测量脉冲激光的飞行时间，可获得目标到测距仪的距离。脉冲激光测距的测距精度由对激光飞行时间的测量精度决定。由于脉冲激光受大气及目标散射特性的影响，导致激光回波在幅度和形状上有很大差别，由此形成的时间漂移误差给准确确定激光回波时刻带来困难。目前激光回波时刻鉴别方法主要有四种：前沿鉴别法、恒定比值鉴别法、高通容阻鉴别法和误差补偿法。前沿鉴别法使用单个固定阈值来确定激光回波的停止时刻，虽然电路简单，但无法克服时间漂移误差。恒定比值鉴别法和高通容阻鉴别法都可以有效的消除时间漂移误差。恒星比值鉴别法以激光回波前沿半高点到达的时刻作为激光回波的停止时刻。高通容阻鉴别法利用高通容阻滤波电路的微分效应，将激光回波的极值点转变为零点，以此作为激光回波的停止时刻。但这两种方法的电路结构复杂，不易实现。误差补偿法使用多个不同的固定阈值测量同一激光回波，利用测定好的误差补偿曲线，补偿单个固定阈值引起的时间漂移误差，得到准确的激光回波停止时刻。该方法电路结构简单，容易实现，但需要事先测定误差补偿曲线，拟合误差补偿曲线或建立误差补偿表，增加了脉冲激光测距方法的复杂度。

发明人发现，专利文献1(CN 103364790 A)也给出了一种基于波形时域配准分析的脉冲激光测距系统和方法，但是，该方案存在系统的触发门限随回波幅度大小不同导致触发时间波动较大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于波形时域匹配的激光测距系统及方法，有效的克服了基于TDC(时间数字间隔转换器)系统的触发门限随回波幅度大小不同导致触发时间波动较大的问题，也解决了低中频相位式测距方法的测试速率问题。

为实现上述目的，本发明的基于波形时域匹配的激光测距系统，所述系统包括软件部分和硬件部分；硬件部分包括光学准直系统、FPGA、滤光片、光电转换系统、模拟放大电路、激光发射器、信号合路系统、ADC采样系统和激光窄脉冲发射电路；所述FPGA发送控制信号给激光窄脉冲发射电路，所述发射电路控制激光发射器发射脉冲激光；所述激光通过光学准直系统发射到物体上，物体反射激光通过光学准直系统和滤光片将回波光信号传输到光电转换系统；所述光电转换系统将光信号转换成回波电信号，再通过模拟放大电路变成定幅度回波模拟信号进入信号合路系统；在所述FPGA发射控制信号控制激光发射的同时，所述FPGA将时间参考脉冲同时发送到所述信号合路系统，所述信号合路系统将时间参考脉冲和定幅度回波模拟信号整合成带时间参考的回波信号；所述带时间参考的回波信号在ADC采样系统中转换为数字检测信号，发送给所述FPGA进行数据分析，通过波形时域匹配的分析后测距结果由FPGA输出。所述的软件部分包括波形时域匹配分析算法、波形压缩算法、光路衰减估计，插值算法。

优选地，所述软件部分还包括高速模数转换器件结合算法，利用所述高速模数转换器件结合算法，完成对回波脉冲时间间隔的高速、高精度测量，从而提高激光测距每秒测试频率。

优选地，所述滤光片为窄带滤光片。

本发明还基于上述系统提出了一种基于波形时域匹配的脉冲激光测距方法，包括以下步骤：

步骤1，发射控制部分控制发射阵充能；