脉冲激光测距信号插值的新算法研究

第40卷　第3期 激光与红外Vol.40,No.3　2010年3月 LASER　&　I N FRARE D March,2010

文章编号:100125078(2010)0320312203?图像与信号处理?脉冲激光测距信号插值的新算法研究

黄巧洁1,邓华秋2

(1.广东农工商职业技术学院电子与信息工程系,广东广州510507;2.华南理工大学理学院,广东广州510640)

摘　要:提出了一种针对脉冲激光测距中非合作目标定位的新算法。该算法采用相关检测所

得的峰值位置附近的若干采样点进行插值运算,并根据采样点距离峰值位置的远近赋予不同

的权重,然后进行加权平均,从而得到非合作目标的准确位置。该算法充分利用了相关检测峰

值位置附近的众多采样信息,避免了单个采样点对定位精度的影响,显著地提高了定位的精确

度和稳定度。实验表明,该算法比直接用相关检测,测量精度约提高了1倍。

关键词:插值;脉冲激光测距;加权平均

中图分类号:T N911.7 文献标识码:A

Study on a new method for weak si gnal i n terpol ati on of

pulsed l aser rangi n g

HUANG Q iao2jie1,DE NG Hua2qiu2

(1.Dep t.of Electr onics and I nf.Engineering,Guangdong A I B Polytechnic College,Guangzhou510507,China;

2.School of Science,South China University of Technol ogy,Guangzhou510640,China)

Abstract:This paper p resents a ne w method for the detecti on of an un2cooperated target in pulsed laser ranging.Sev2

eral nodes near the peak value of the correlati on detecti on are adop ted t o inter polate,are assigned with different weight

based on the distance t o the peak value,and weighted average is carried out s o that the exact positi on of the un2coop2

erated target will be gained finally.This method takes full advantage of the multi p le messages near the peak2value of

correlati on detecti on s o that the influence fr om the single sa mp ling node t o the p recisi on of detecti on can be avoided,

and the p recisi on and stability of l ocati on are enhanced notably.Experi m ents show that the p recisi on can be increased

by about100%compared with that only used correlati on detecti on.

Key words:inter polati on;pulsed laser ranging;weighted average

1　引　言

近年来,随着半导体激光器技术、激光探测技术、精密时间测量电路等几项关键技术的进展,激光测距机的性能得到较大提高。其中,低价、便携式脉冲半导体激光测距望远镜更受到旅游观光、登山、打猎和看球等对测距精度要求不高的消费人群的欢迎。但对于精度要求较高的使用者来说,脉冲半导体激光测距望远镜的测量精度是不能被接受的。目前,相关检测在脉冲激光回波信号检测中较为常见[1-3],该方法主要是利用相关检测的峰值位置确定目标的位置。但该方法仅利用了峰值位置的信息,信息量少,测量精度低。

针对相关检测的缺点,本文提出了一种基于Lagrange二次插值的改进算法———非均匀权重插值法。实验表明,该方法能使测量精度约提高一倍。2　脉冲激光测距基本原理

在激光测距中,使用测量目标反射回来的信号作为终止信号,利用高速数据采集的方法记录激光脉冲的回波波形,通过对所记录的波形进行分析得

作者简介:黄巧洁(1981-),女,硕士,助教,研究方向为嵌入式通信软件开发与数字图像处理。E2mail:qjhuang@https://www.360docs.net/doc/5217761921.html,

收稿日期:2009210212

出时间间隔。实际测量中,由下式计算实际的测量距离R:

R=t

2

?c-S

e

(1)

其中,c为激光在大气中的传播速度,一般用光速带

入计算;S

e

为电路延迟时间折算的距离;t为激光往返时间。

3　Lagrange二次插值算法及其改进算法

采用相关检测计算非合作目标的距离时,一般利用最大相关值所对应的采样点作为目标距离的定位点,这种办法只能定位到单个采样点的级别。为了提高测量精度,可采用多项式插值的办法。考虑到回波信号的波形,采用Lagrange二次插值法[4]。

设相关检测将信号定位到(x

i

,y i)后,以x i-1,x i,x i+1

为插值节点,以y

i-1

,y i,y i+1为插值函数进行La2 grange二次插值,则插值函数f(x)为:

f(x)=

(x-x

i

)(x-x

i+1

)

(x

i-1

-x

i

)(x

i-1

-x

i+1

)

y i-1+

　

(x-x

i-1

)(x-x

i+1

)

(x

i

-x

i-1

)(x

i

-x

i+1

)

y i+

　

(x-x

i-1

)(x-x

i

)

(x

i+1

-x

i-1

)(x

i+1

-x

i

)

y i+1(2)

考虑到所处理的数据是离散数据,x

i

代表某个

采样点,相邻采样点的间隔为1,因而有x

i -x

i-1

=1,

x i+1-x i=1,x i+1-x i-1=2。对式(2)求导,并令f′(x)=0,得:

(x-x

i )(y

i-1

-2y

i

+y

i+1

)+

1

2

(y

i+1

-y

i-1

)=0

(3)

从而可得:

x=x i+1

2

×

y i-1-y i+1

y i-1-2y i+y i+1

(4)

以上推导就是Lagrange二次插值法在脉冲激光测距望远镜中的目标定位公式。此算法把目标距离定位到(x

i

,y i)后,以(x i,y i)左右两边相邻的采样点

(x

i-1

,y i-1)和(x i+1,y i+1)为节点,通过插值来修正被测量目标的距离。实际上,在确定目标位置时,除了最大相关值的峰值位置及其相邻两个采样点对定位有贡献外,其他许多采样点对目标的准确定位都是有贡献的。为进一步提高定位精度,本论文设计了改进的多项式插值算法,试图尽可能多地利用相关检测中最大相关值附近的采样点对目标进行定位。

设测量目标的位置信号为(x

,y0),(x1,y1),

…,(x

j

,y j),…,(x n,y n),经相关检测把目标定位在x i后,分别选取,,…,

i-m

,x i+m>为插值节点进行插值运算(m=m in (i,n-i))。经此处理后,可以得到m个信号位置

(x

p1

,x p2,…,x p m)的估计,然后对这m个值求算术平

均值即可得到目标所在的位置。x

p1

,x p2,…,x p m的计算公式如下:

x p1=x i+

1

2

×

y i-1-y i+1

y i-1-2y i+y i+1

x p2=x i+

2

2

×

y i-2-y i+2

y i-2-2y i+y i+2

(5)

……

x p m=x i+

m

2

×

y i-m-y i+m

y i-m-2y i+y i+m

因此,被测目标的位置估计为:

x p=

∑

m

i=1

x pi

m

(6)

笔者将该方法称为“平均权重Lagrange二次插值法”。

上述改进算法是对所得到的m个信号位置求和取平均,即所得到的m个信号位置对最终的定位

结果的贡献是一样的。实际上,信号定位到x

i

后,

距离x

i

越近的插值节点对最终定位结果的贡献应

该越大,即插值后所得到的位置序列(x

p1

,x p2,…, x p m),对最终信号位置的贡献依次减小。因此,应当采用加权平均算法更为合理,更加符合实际情况。一种较为简单而可行的权值确定方法如下:

以插值节点距离x

i

的远近作为位置序列(x

p1

,x p2,

…,x

p m

)的权重,即其权重依次为(m,m-1,…,1),

并对权重进行归一化得到(p

1

,p2,…,p m),其中: p k=

(m+1-k)

∑

m

j=1

j

　(1≤k≤m)(7)最后得到的对目标的距离定位为:

x=∑

m

k=1

x pk p k(8)笔者将该方法称为“非均匀权重Lagrange二次插值法”。

4　实验结果分析

将上述改进的插值算法运用到脉冲激光测距望远镜的信号处理中,对同一测量目标进行多次数据采集(原始数据是用80MHz高速数据采集系统[5]采集而来),分别采用相关检测、Lagrange二次插值、平均权重Lagrange二次插值以及非均匀权重La2 grange二次插值来计算被测目标的距离,实验结果如表1所示。其中,相关检测得到的结果是指将原始数据经高通滤波后再进行相关检测的结果,各种

313

激光与红外　No.3　2010 黄巧洁等　脉冲激光测距信号插值的新算法研究

插值结果是在高通滤波、相关检测的基础上,分别用不同的插值方式处理的结果。

表1　相关检测与各种插值算法的结果对比

(单位:m)算法

序号相关检测

Lagrange

二次插值

平均权重

Lagrange

二次插值

非均匀权重

Lagrange

二次插值

11126.8751126.7891126.9281126.896

21125.0001125.8051125.9871125.957

31125.0001125.9061125.8391125.867

41126.8751126.5531126.6641126.629

51126.8751126.7521126.9241126.883

61126.8751126.0611126.1891126.145

71126.8751126.1541126.5171126.428

81126.8751126.3721126.4191126.411

91126.8751126.0671126.3321126.285

101126.8751127.0721126.9051126.859均值1126.5001126.3531126.4701126.436标准差0.750.4020.3710.359

极差 1.875 1.267 1.0660.992

测量精度±0.94±0.63±0.53±0.50

从表1可以看出,相关检测方法的波动较大,已经达到一个采样点,说明单个采样点的随机性对测量结果影响很大。有效地利用最大相关值附近的采样点可以大大减少这种波动,如采用Lagrange二次插值法后波动得到了一定的改善,在此基础上,运用本文所提出的平均权重Lagrange二次插值法和非均匀权重Lagrange二次插值法,可使测量波动进一步减小,从而有效地提高测量精度。从表中可以看出,采用非均匀权重Lagrange二次插值可使测量精度约维持在±0.5m,使测量精度在相关检测(测量精度为±0.94m)的基础上约提高了1倍。这也说明了利用最大相关值附近众多采样点进行插值的方法,可以显著提高稳定性,减小单独采样点的随机性对测量结果的影响。

另一方面,各种方法的均值存在一定差异,这是由各算法原理决定的,可以通过标定来有效地解决,对本文结果没有影响。

5　结　论

本论文在Lagrange二次插值法的基础上提出了新的插值方法:平均权重Lagrange二次插值法和非均匀权重Lagrange二次插值法。实验表明,在相关检测基础上采用非均匀权重插值比直接用相关检测,测量精度约提高了1倍。

参考文献:

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[3]　张小龙,睦晓林,宣飞,等.脉冲式激光水下测距数字

检测技术研究[J].激光与红外,2006,36(2):96-98.

[4]　刘能,徐晓,邓华秋,等.一种新的周期信号的高速数

据采集方法研究[J].仪器仪表学报,2007,28(4):

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[5]　郑咸义.计算方法[M].广州:华南理工大学出版社,

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