论文部分内容阅读
激光因其自身良好的性能特点被广泛应用在各行各业,围绕激光应运而生的测距技术在不断完善的过程中逐步取代了传统测量方法。目前,以激光测距技术为基础的三维激光扫描仪,已被大量应用于数字城市、空间三维建模、移动测量等领域,推动着国民经济的快速发展。激光测距精度是衡量激光扫描仪性能优劣的重要指标。近年来,全波形激光测距仪因其测距精度高而广受研究人员的青睐。其原理是利用高速模拟数字转换器件对激光回波信号进行数字量化,通过全波形分析求取激光种子光脉冲和激光回波脉冲之间的时间间隔,最终精确解算被测距离。全波形测距技术还具有记录光强幅度、可进行多次回波分析等诸多优点。然而在实际测量过程中,特别是在远距离测量时,激光回波信号十分微弱,甚至淹没在噪声中导致回波信号失真,造成接收端回波小信号无法识别,给激光测距带来极大困难。针对上述问题展开研究,本文首先分析了全波形激光测距原理,给出信号处理模块设计流程;然后针对远距离测量过程中激光回波信号微弱的问题,提出了一种基于自相关插值的全波形激光测距算法并在MATLAB平台下进行了仿真分析;最后,完成了基于FPGA的算法硬件语言实现和实验分析。本文所提算法首先采用自相关方法进行信号去噪,该方法对激光种子光脉冲和激光回波脉冲叠加后的波形进行自相关运算,获得的三尖峰脉冲波形信噪比得到显著提高。其次选用三次样条插值方法对三尖峰脉冲波形进行曲线拟合,该方法选取插值间隔0.01ns,经插值拟合处理后的曲线变得十分光滑。接着利用峰峰值检测确定时间间隔完成距离解算。在MATLAB平台下进行仿真分析,结果表明,基于采样速率1.25GHz,理论测距精度可达5mm@100m。该算法对于回波信噪比极低的情况也同样适用。最后,以FPGA为核心器件,完成了上述算法的Verilog硬件描述语言实现和实验验证。本文所提出的算法在武汉海达数云技术有限公司自主研发的三维激光扫描仪上得到成功应用,通过实际测试,测距误差同MATLAB仿真结果一致。本文所提算法测距精度较高,并且具有较好的抗干扰能力。