[发明专利]一种激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统

摘要

本发明公开一种激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统，实现激光雷达信号波形在线处理与实时测距；激光雷达高速采集与处理单元获取探测与接收单元输出的脉冲信号，高速采集与处理单元的可编程处理器通过波形特征确定目标函数及其拟合参数向量，确定信号有效范围实现波形裁剪；基于裁剪波形在线计算初始拟合目标函数，实时计算初始拟合目标函数和采集信号之差确定残差向量，并行计算残差向量偏导确定雅克比矩阵；基于雅克比矩阵确定残差向量最优情况，在线计算最终拟合目标函数；基于在线拟合参数向量确定脉冲时刻，计算目标距离，将测距数据和波形数据拼合后，上传至上位机显示和存储；本发明可实现在线波形参数向量提取、距离解算和点云生成。

主权项

1.一种激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统，其特征在于，基于多通道高速模数转换器件和可编程处理器，实现脉冲信号数字化在线处理的激光雷达波形时刻鉴别方法和测距系统；所述脉冲信号包含所述激光雷达波形时刻鉴别方法与在线测距系统中的发射脉冲信号和回波脉冲信号；所述多通道高速模数转换器件由多个可配置的模数转换器件(Analog‑to‑Digital Converter)组成，对所述脉冲信号进行数字化采集，记录发射脉冲波形和回波脉冲波形，实现多通道激光脉冲信号高速同步采集；所述可编程处理器包括但不限于，现场可编程门阵列(Field‑Programmable Gate Array)，和/或复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device)，和/或ARM处理器(Advanced RISC Machines)，和/或数字信号处理器(Digital Signal Processor)，基于编译后的所述波形时刻鉴别方法，实现对所述脉冲波形信号的高速在线处理；所述激光雷达时刻鉴别方法与测距系统包括三个部分：探测与接收单元，高速采集与处理单元，上位机单元；所述探测与接收单元用于探测所述发射脉冲信号、所述回波脉冲信号及触发脉冲信号；所述高速采集与处理单元包括所述多通道高速模数转换器件、所述可编程处理器、板载内存和高速计算机并行接口；所述上位机单元包括高性能计算处理系统和接收存储软件系统；所述激光雷达在线测距系统的工作过程：首先所述可编程处理器配置所述多通道模数转换器件，使其工作在特定的采样频率下，所述探测与接收单元产生所述触发脉冲信号，实现触发所述可编程处理器，在设定的采样长度Nl内同步采集所述发射脉冲信号和回波脉冲信号，然后所述可编程处理器通过所述波形时刻鉴别方法裁剪采样波形，采用目标函数分别对所述发射脉冲波形和回波脉冲波形进行在线拟合，从而实时提取得到所述发射脉冲波形和回波脉冲波形的脉冲参数信息，包括发射脉冲强度a1，发射脉冲峰值时刻位置b1和发射脉冲宽度c1，回波脉冲强度a2，回波脉冲峰值时刻位置b2和回波脉冲宽度c2；基于所述波形时刻鉴别方法，通过在所述可编程处理器对所述脉冲参数信息进行在线处理，分别确定所述发射脉冲信号和所述回波脉冲信号的时刻鉴别位置，计算所述脉冲信号间的时刻位置差，实时计算得到目标距离l，最后将所述目标距离，所述脉冲参数信息，以及采集的所述发射脉冲波形和回波脉冲波形进行拼接，并通过所述高速计算机并行接口上传至所述上位机单元完成显示和存储；所述波形时刻鉴别方法包括寻找拟合初始值，发射和回波波形裁剪，指数函数计算，雅克比矩阵及残差向量计算，矩阵乘法，解矩阵求迭代步长，收敛条件判断，目标距离计算和数据拼接及上传步骤；所述发射脉冲波形和回波脉冲波形的算法一致，以回波脉冲波形拟合为例介绍所述波形时刻鉴别方法步骤如下：1)拟合初始值确定：根据所述激光雷达在线测距系统所接收的回波脉冲波形(xi,yi)特点，确定一个所述目标函数f(xi,βk)＝f(xi,(ak,bk,ck)T)还原目标特性，所述目标特性由所述目标函数的特性参数确定，而所述特性参数与所述脉冲参数信息相关；所述波形时刻鉴别方法通过选择一个特定的所述目标函数，基于迭代方法在线拟合逼近所述回波脉冲波形(xi,yi)，所述目标函数的特性参数向量β包括但不限于，脉冲强度a，脉冲峰值时刻位置b和脉冲宽度c；在拟合算法开始前，首先需要确定所述拟合初始值，通过离散的在线峰值位置快速搜索算法寻找所述脉冲强度a0和所述脉冲峰值时刻位置b0作为所述脉冲强度a和所述脉冲峰值时刻位置b的所述拟合初始值，所述脉冲宽度c的所述拟合初始值由经验值c0确定；2)波形裁剪：所述波形裁剪可以剔除所述回波脉冲波形中无用的噪声信息，从而精确获取所述特性参数向量，节省所述可编程处理器的计算资源，提高所述波形时刻鉴别方法的运行效率；所述波形裁剪的进行是在步骤1中所述脉冲峰值时刻位置b0左边寻找N/2‑1个采样点，在步骤1中所述脉冲峰值时刻位置右边寻找N/2个采样点，总共N个采样点来进行拟合；裁剪长度N由所述探测与接收单元输出的所述脉冲信号的参数特性决定；3)指数函数计算：用于拟合的所述目标函数中通常会包含以自然常数为底的指数函数exp(‑x)，在拟合迭代的过程中需要循环计算所述以自然常数为底的指数函数，所述波形时刻鉴别方法采用基于所述可编程处理器的变步长在线指数函数查找表法，实时求解以自然常数为底的指数函数以满足运算速度的要求；4)雅克比矩阵(Jacobi matrix)及残差向量计算：在第k次拟合迭代的过程中计算裁剪的N个采样点中的每一个所述采样点的残差，其中第i个所述采样点的残差计算式：ri＝yi‑f(xi,βk)    (1)接着，通过所述变步长在线指数函数查找表法，分别在线计算所述残差r_i其对于所述脉冲强度a，所述脉冲峰值时刻位置b和所述脉冲宽度c的偏导数；根据计算得到的所述残差和所述偏导数，组合得到所述残差向量和所述雅克比矩阵J：5)矩阵乘法：分别计算矩阵A＝J^TJ和为下一步求解迭代步长h奠定计算基础；6)解矩阵求迭代步长：在线求解方程Ah＝B，实时得到所述波形时刻鉴别方法中所述迭代步长h；由步骤5)可知A是一个3元方阵，B是一个3元向量，对于所述方程Ah＝B的求解就是求解三元一次方程；基于所述可编程处理器包括但不限于，高斯消元法，和/或三角分解法，和/或雅可比迭代法，和/或高斯‑赛德尔迭代法，在线求解所述三元一次方程组，求解的结果就是所述迭代步长7)收敛条件判断：每一次迭代，迭代计数器k自动加1，迭代收敛条件为：(1)迭代次数小于迭代次数最大限制值km；(2)所述迭代步长达到收敛值ε，即判断||h||<ε是否满足；若达到所述收敛条件之一，则迭代停止，转移到步骤8)，否则计算下一步迭代中所述特性参数向量βk+1＝βk+h，转步骤3)，进行所述下一次迭代计算；8)目标距离计算：所述波形时刻鉴别方法，分别对所述发射脉冲波形和回波脉冲波形进行在线拟合处理，实时计算所述特性参数向量，分别得到所述发射脉冲强度a₁，所述发射脉冲峰值时刻位置b₁，所述发射脉冲宽度c₁，所述回波脉冲强度a₂，所述回波脉冲峰值时刻位置b₂和所述回波脉冲宽度c₂，时刻鉴别方法包括但不限于，峰值时刻鉴别法(Peak Discriminator)，和/或过零时刻鉴别法(Inflection Discriminator)，和/或前沿时刻鉴别法(Leading Edge Discriminator)，和/或重心时刻鉴别法(Center of Gravity Discriminator)，和/或恒比定时鉴别法(Constant Fraction Discriminator)确定所述发射脉冲信号和所述回波脉冲信号的时刻位置t₁和t₂，实时计算所述时刻位置差△t＝t₂‑t₁，进一步求得所述目标距离9)数据拼接及上传：最后进行所述数据拼接及上传工作，将以上步骤计算得到的所述目标距离数据l，所述发射脉冲强度a1，所述发射脉冲峰值时刻位置b1和所述发射脉冲宽度c1，所述回波脉冲强度a2，所述回波脉冲峰值时刻位置b2，所述回波脉冲宽度c2，及所述发射脉冲波形和所述回波脉冲波形进行拼接，再通过所述高速并行接口上传至所述上位机单元，进行显示和存储操作。