基于激光雷達信號反卷積重建的測距方法技術

本發明專利技術公開了一種基于激光雷達信號反卷積重建的測距方法，屬于全波形激光雷達測距領域。該方法包括以下步驟：采集激光雷達的發射波形和接收的回波波形；估計噪聲分量的標準差；設置合適的噪聲閾值，根據噪聲閾值選取脈沖回波范圍并加窗得到激光雷達回波；對回波信號濾波降噪；對回波進行波形反卷積重建得到沖激響應；以沖激響應的峰值作為回波到達時刻計算目標距離。本發明專利技術通過波形反卷積重建，消除了激光雷達發射波波形的影響，保留了蘊含目標屬性的沖激響應，與現有技術相比，本發明專利技術有更高的激光雷達測距精度。高的激光雷達測距精度。高的激光雷達測距精度。

【技術實現步驟摘要】
基于激光雷達信號反卷積重建的測距方法


[0001]本專利技術屬于全波形激光雷達信號處理技術，具體為一種基于激光雷達信號反卷積重建的測距方法。

技術介紹

[0002]激光雷達技術發展日益成熟，在機器人導航、自動駕駛、測繪、航空航天和安全監控等領域得到了廣泛的應用。近年來快速發展自動駕駛技術把激光雷達的發展推進到了一個歷史的至高點。傳統激光雷達系統只能獲取少數幾個回波峰值的返回時刻，而全波形激光雷達系統可以記錄完整的回波波形。全波形激光雷達通過對激光回波的數字信號處理獲取目標距離和表面形態特征，相比于傳統模擬信號處理激光雷達能使用更加靈活的信號處理手段，實現更高的測距精度，是目前激光雷達發展的重要方向。
[0003]全波形激光雷達系統的出現使得對其回波波形進行波形反卷積處理成為可能。測距是激光雷達最基礎的功能之一，現有的測距方法有恒閾值法、峰值法及恒定比值法等，而通常這些方法的測距精度較低，有時無法滿足測距要求。因此通過對全波形激光雷達的回波進行反卷積處理，發展測距方法對于改善激光雷達測距精度具有重要意義。

技術實現思路

[0004]為了解決現有技術中的上述技術缺陷，本專利技術通過了一種基于激光雷達信號反卷積重建的測距方法。
[0005]實現本專利技術目的的技術方案為：一種基于激光雷達信號反卷積重建的測距方法，包括以下步驟：
[0006]步驟1：采集激光雷達的發射波形和接收的回波波形；
[0007]步驟2：估計噪聲分量的標準差；
[0008]步驟3：設置噪聲閾值，根據噪聲閾值選取脈沖回波范圍并加窗得到激光雷達回波；
[0009]步驟4：對回波信號進行濾波降噪；
[0010]步驟5：對濾波降噪后的回波進行波形反卷積重建得到沖激響應；
[0011]步驟6：以沖激響應的峰值作為回波到達時刻計算目標距離。
[0012]優選地，步驟1中的激光雷達發射波和回波采集的時間分辨率不大于1ns。
[0013]優選地，步驟2中的噪聲估計選取發射之前接收到的信號進行估計。
[0014]優選地，步驟3中選取信號幅度大于噪聲閾值，且持續時間至少對應于幅度高度一半的發射脈沖的長度的脈沖回波。
[0015]優選地，步驟4中的濾波降噪采用SG濾波方法。
[0016]優選地，步驟5中對濾波降噪后的回波進行波形反卷積重建得到沖激響應的具體方法為：
[0017][0018]式中，H為沖激響應的矩陣形式，Y為回波的矩陣形式，X為發射波組成的模糊矩陣，μ和χ為正則化參數；
[0019]采用廣義交叉驗證選取正則化參數，求解出H。
[0020]優選地，步驟6中的目標距離采用沖激響應峰值位置進行計算，激光雷達發射脈沖時刻開始計時，峰值位置作為結束計時時刻，目標距離計算公式為：
[0021][0022]式中，c為光速，t1和t2分別為計時時刻和結束計時時刻。
[0023]本專利技術與現有技術相比，其顯著優點為：本專利技術采用回波波形反卷積重建，消除了發射波形的影響，得到與目標屬性有關的沖激響應，以激光發射時刻作為計時時刻，測距結果不再受到發射波脈寬和形狀的影響，測距精度更高且不用考慮測距偏移量。
[0024]本專利技術的其他特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本專利技術而了解。本專利技術的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
附圖說明
[0025]附圖僅用于示出具體實施例的目的，而并不認為是對本專利技術的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。
[0026]圖1為本專利技術的流程圖。
[0027]圖2為本專利技術的沖激響應峰值點。
具體實施方式
[0028]容易理解，依據本專利技術的技術方案，在不變更本專利技術的實質精神的情況下，本領域的一般技術人員可以想象出本專利技術的多種實施方式。因此，以下具體實施方式和附圖僅是對本專利技術的技術方案的示例性說明，而不應當視為本專利技術的全部或者視為對本專利技術技術方案的限制或限定。相反，提供這些實施例的目的是為了使本領域的技術人員更透徹地理解本專利技術。下面結合附圖來具體描述本專利技術的優選實施例，其中，附圖構成本申請一部分，并與本專利技術的實施例一起用于闡釋本專利技術的創新構思。
[0029]本專利技術構思為，一種基于激光雷達信號反卷積重建的測距方法，圖1為本專利技術的實現流程圖，該方法包括以下步驟：
[0030]步驟1：采集激光雷達的發射波形和接收的回波波形，時間分辨率為0.1ns，具體時間分辨率需要根據實際發射脈沖的脈寬選擇。
[0031]步驟2：估計噪聲分量的標準差，使用未接收到脈沖回波時的信號部分進行計算。
[0032]步驟3：設置噪聲閾值為S
th
，根據噪聲閾值S
th
選取脈沖回波范圍，對選取范圍加窗得到激光雷達回波信號。在加窗時，要注意確保以足夠的窗長考慮存在有用信號的整個信號范圍。
[0033]步驟4：對回波信號進行SG濾波降噪。SG濾波方法能夠更有效地保留信號信息，避免波形失真。
[0034]步驟5：根據采集到的發射波和回波構造矩陣X和矩陣Y，反卷積重建求解寫為：
[0035][0036]式中，H為沖激響應的矩陣形式，Y為回波的矩陣形式，X為發射波組成的模糊矩陣。μ和χ為正則化參數。采用廣義交叉驗證選取合適的正則化參數，求解出H。
[0037]步驟6：激光雷達發射脈沖時刻開始計時，沖激響應的峰值作為結束計時時刻，如圖2為沖激響應峰值點，計算目標距離，計算公式為：
[0038][0039]式中，c為光速，t1和t2分別為計時時刻和結束計時時刻。
[0040]如圖2所示，激光雷達回波反卷積重建得到的目標沖激響應反映了目標屬性，且沖激響應的寬度較回波的寬度小，因此使用重建響應計算激光時延具有更好的精度。沖激響應峰值點表示目標對激光雷達波形影響最大的位置，選取重建響應峰值點作為計時截至時刻來表示目標的距離。
[0041]以上所述，僅為本專利技術較佳的具體實施方式，但本專利技術的保護范圍并不局限于此，
[0042]任何熟悉本
的技術人員在本專利技術揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本專利技術的保護范圍之內。
[0043]應當理解，為了精簡本專利技術并幫助本領域的技術人員理解本專利技術的各個方面，在上面對本專利技術的示例性實施例的描述中，本專利技術的各個特征有時在單個實施例中進行描述，或者參照單個圖進行描述。但是，不應將本專利技術解釋成示例性實施例中包括的特征均為本專利權利要求的必要技術特征。
[0044]應當理解，可以對本專利技術的一個實施例的設備中包括的模塊、單元、組件等進行自適應性地改變以把它們設置在與該實施例不同的設備中。可以把實施例的設備包括的不同模塊、單元或組件組合成一個模塊、單元或組件，也可以把它們分成多個子模塊、子單元或子組件。
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【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種基于激光雷達信號反卷積重建的測距方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：采集激光雷達的發射波形和接收的回波波形；步驟2：估計噪聲分量的標準差；步驟3：設置噪聲閾值，根據噪聲閾值選取脈沖回波范圍并加窗得到激光雷達回波；步驟4：對回波信號進行濾波降噪；步驟5：對濾波降噪后的回波進行波形反卷積重建得到沖激響應；步驟6：以沖激響應的峰值作為回波到達時刻計算目標距離。2.根據權利要求1所述的基于激光雷達信號反卷積重建的測距方法，其特征在于，步驟1中的激光雷達發射波和回波采集的時間分辨率不大于1ns。3.根據權利要求1所述的基于激光雷達信號反卷積重建的測距方法，其特征在于，步驟2中選取發射信號之前接收到的信號進行噪聲估計。4.根據權利要求1所述的基于激光雷達信號反卷積重建的測距方法，其特征在于，步驟3中選取信號幅度大于噪...

【專利技術屬性】
技術研發人員：來建成，吳寒，嚴偉，王春勇，李振華，紀運景，趙艷，吳志祥，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：