1、不同密度分布特点下激光测距数据分析系统设计 王莉娜 程冬玲 江苏第二师范学院数学与信息技术学院 河北金融学院信息管理与工程系 摘 要： 针对传统测距数据分析系统运算量大、耗时长等不足, 设计了一种适用于不同密度分布的激光测距数据分析系统, 系统硬件部分由激光调制发射模块、接收模块、粗测相模块、精测相模块、基于 FPGA 的系统控制中心、数据分析处理中心及显示模块等部分组成。在激光测距数据的分析流程方面, 采用经验模态分解法对数据进行预处理并提取出激光测距值的低频项, 基于 lomb-scargle 算法处理激光回波数据, 获取相对应的频谱周期图, 实现对激光测距数据的精确测量与分析。仿真实验结
2、果证明, 提出的系统设计分析精度高、测距误差控制稳定, 具有良好的系统健壮性。关键词： 密度分布; 激光测距; 数据分析; lomb-scargle 算法; 系统设计; 作者简介：王莉娜 (1981-) , 女 (汉族) , 山西侯马市人, 硕士研究生, 讲师, 主要研究方向:计算机网络、数据挖掘、激光技术;作者简介：程冬玲 (1983-) , 女 (汉族) , 山东莱芜人, 硕士研究生, 讲师, 主要研究方向:分布式计算, 大数据。收稿日期：2017-06-19基金：河北省人力资源和社会保障厅课题 (JRS-2015-3064) Data analysis system design of
3、laser ranging under different density distribution characteristicsWANG Lina CHENG Dongling Institute of Mathematics and Information Technology, Jiangsu Second Normal University; Information Management and Engineering Department, Heibei Finance University; Abstract： For the complexity and insufficien
4、t time costing of traditional laser range data analysis system, put forward a new laser raging data analysis system for different density distributions whose hardware consists of laser modulation emission module, receiving module, coarse phase module, precision phase module, control center based on
5、FPGA system, data analysis center and display module, etc. In the analysis process of laser ranging data, using the empirical mode decomposition method to preprocess data and extract the low frequency part of laser range values. Process the echo based on lomb-scargle algorithm to obtain correspondin
6、g spectrum circle image and finally realize accurate measurement and analysis of laser ranging data. Simulation experimental results show that the proposed system design has high precision, stable ranging error and has good robustness.Keyword： density distribution; laser ranging; data analysis; lomb
7、-scargle algorithm; system design; Received： 2017-06-19激光技术在近 30 年取得了长足的进步1-3, 激光束定向发光不扩散、方向性好、能量高、相干性好的诸多优点不断地被深度挖掘和利用4-6。激光测距技术是将激光束的优点与测距技术相结合而形成的一项精密测量技术7-9。基于时间转换数字技术的激光测距仪在提取相关的激光测量数据之后, 要对相对零散、完整度差的数据进行加工处理和数据分析10-12, 但传统的基于正交调制的激光测距数据分析系统多采用分立电路结构, 调试复杂、成本高, 对激光测距数据的频谱分析过程较为复杂、耗时长, 尤其是在不同密度分
8、布下测距数据的分析精度难以满足要求13-14。提出了一种适用于不同激光能量密度分布的激光测距数据分析系统, 并通过仿真实验验证了其适用性和有效性。1 不同密度分布的激光测距数据分析系统1.1 激光测距数据分析系统的硬件构成用于测距的脉冲激光束服从高斯分布, 垂直于光束 x 轴和 y 轴横向分布构成了高斯光束能量场, 设 r0初始光束半径, r (z) 光束半径变化函数, 高斯光束的振幅 可表示为15上式 (1) 表明, 高斯光束的能量密度分布和振幅以 y 轴为对称轴呈现出一种对称的变化趋势, 如图 1 所示:图 1 激光束不同能量密度分布示意图 下载原图设 l 为径向直径的变化量, 表示为:如
9、果公式 (1) 采用柱坐标来表示, 可以改写为:用半径为 r 的圆定义高斯光束光斑的大小, 设 I 为距离圆形中心的光强, I 0圆心处最大光强, 因此可获得激光测距时的激光能量密度分布概况16:基于激光束能量密度分布的概况和规律, 设计激光测距数据分析系统的硬件结构, 硬件部分主要由激光调制发射模块、接收模块、粗测相模块、精测相模块、系统控制中心、数据分析处理中心及显示模块等组成, 硬件系统的结构简图, 如图 2 所示:图 2 激光测距数据分析系统硬件结构简图 下载原图激光调制发射模块将激光束投射到目标物体, 接收模块负责接收经由标的物反射回来的激光束, 并将携带的距离信息输入到粗测相模块。
10、粗测相模块的基本工作原理是提取激光束中包含的从发射原点到目标物体的距离信息, 并基于自动数字测相技术对距离信息进行分析和处理, 在粗测相时先将不同相位、相同频率的光波信号输入信号触发装置, 转换成具有一定相位差的激光脉冲信号, 提高激光脉冲的频率填充相位差, 而相位差的大小通过激光脉冲的数量来判定17。获取激光脉冲相位差之后, 由精测相模块填充脉冲, 当激光脉冲信号的电平处于高位时, 统计输入端进入模块的脉冲数量。精测相模块从本质上说是一种频率合成器, 向基于 FPGA 的系统控制中心提供时钟频率的变化情况。当两端的输入信号保持一致时, 锁定的一端保持高电平输出, 否则保持低电平输出。其中精测
11、相控制模块的相位差, 用输出信号的多次测相结果来表示, 这样操作可以降低激光测距数据的分析误差。基于 FPGA 的系统控制中心负责处理粗测相和精测相环节提取的相位信息18, 并完成从相位差信息到测距信息的转化。而数据处理中心是整个硬件系统的核心模块, 包括对光波信号数据格式转换部分, 及对测距数据的合成, 达到激光测距分析的目的。光波信号数据的格式转换是从二进制转换为十进制, 整数部分采用移位法简化运算难度;而小数部分采用了溢出法保证数据格式转换的精度。由于在精测相环节激光脉冲的填充频率是调制频率的 100 倍, 因此在一个调制周期内最多添加的脉冲数量不能超过 100, 精测相结果为 16 个
12、相位差内的激光脉冲数量之和。激光测距数据的分析既要求符合激光测程的标准, 又要保证分析的精度, 这就需要综合分析全部的测量结果, 获取准确的测距值。粗测相和精测相结果的合成, 需要符合十进制规则, 并以精测相的结果为准, 最大限度地降低合成误差, 最后的激光测距分析结果通过 LED 显示系统输出。1.2 不同密度分布下的激光测距数据分析系统实现在激光测距数据的预处理采用 EMD 算法提取激光测距值的低频项, 并依据lomb-scargle 算法得到与激光回波信号的相对应的频谱周期图, 提高测距数据的分析精度, 完整的分析流程, 如图 3 所示。图 3 完整的激光测距数据分析流程 下载原图EMD
13、 算法提取激光测距值低频项的优势在于不需要先验知识, 基于激光回波信号本身的特征即可实现对激光测距低频项的分析和处理, 设提取的原始激光回波 s (t) 含有的信号点数量为 m, 对序列 s (t) 做经验模式分解可得:式中: (t) 是从序列 s (t) 分解出来的趋势项, (t) 是对序列 s (t) 分解而得到的 n 层叠加信号, 包括原始信号中的周期性型号和高频噪声。设 i为叠加信号 (t) 的零点数目, 基于 EMD 算法得到的零点数目比 i, 可以表示为:基于 EMD 算法得到的 n 层叠加信号的特性, 在零点数目方面 i是 i+1的两倍, (t) 的能量水平 Ei可以定义为:由于
14、序列 s (t) 仅由周期性信号和高斯白噪声组成, 其能量也呈现出一种逐级递减的趋势, 这样可以实现对激光回波信号的预处理。假设在 tj的时间点上, 分别基于 lomb-scargle 算法去记录激光测距数据的观测值 j (t) , 那么在第tj观测得到的均值 珋 j (t) 和方差 分别表示为:若观测值的角频率为 i, 则第 tj+1个时间偏移量 的正切值为:最后求解激光回波信号的周期图:2 实验结果与分析当激光测距数据收集后, 采用本文提出系统设计对原始激光测距数据分析处理前后的对比图, 如图 4 和图 5 所示:如图 4 和图 5 对比结果所示, 在不同密度和各种大气干扰的影响下, 原始
15、激光测距数据点的分布零散且无规律, 而经本文提出系统设计进行数据分析和处理之后, 不仅达到了激光测距数据聚类的目的, 而且有利于提高数据的分析精度。图 4 原始激光测距数据点分布 下载原图图 5 经本文系统设计分析处理后的数据点分布 下载原图根据上述内容可知, 随着脉冲升高时间的上升因回波的幅度不均匀导致的时刻鉴别误差会随之上升。所以想要降低时刻鉴别的误差, 就需要应用某种措施在发射系统中来缩短脉冲的升高时间。激光测距数据分析系统提高了发射驱动技术从而将脉冲的上升时间减小。这种方法能够使激光器的脉冲升高的时间下降到几纳秒之内, 脉冲的宽度能够减小到 10ns 以内, 能够最大限度的增强激光测距
16、数据分析系统的时间鉴别精度。此外通过提高激光测距数据分析时间间隔测量精度的方法, 也对数据综合分析误差的减小做出了贡献。计数器的时钟频率随着脉冲激光测距数据分析系统的时间间隔测量精度的提高而上升, 随着时间间隔测量精度的下降而下降。同理时钟频率越低与时间间隔测量的精度成正比例关系。然而要是增加计数器的时钟频率, 其电路板的电磁兼容性也会随之增加, 这样就会导致整体电路的设计难度增大。如果提高时间间隔测量精度的同时, 能够使计数器时钟频率不增加, 这样所采用的有效的方法就是本文所提的并行计数法。为了验证不同密度分布下的激光测距数据分析系统的数据精度, 应用于实际测距仪对山上的一铁杆做了实测记录,
17、 测量结果得到如下一组数据, 如表 1 所示。表 1 实测数据记录 下载原表 通过上述测量结果, 分为两组数据, 一组为 2910.1m 至 2912.1m, 另一组为2910.0m 至 2912.5m。测量的测距在同一目标上反而得出两种不同的结果, 原因包括, 第一:应用相同的信号源共同发射给两个扩展器来完成调试模拟扩展器过程, 致使扩展器接收信号间相差很小;第二:因为中间要人为读取数据, 就是通过人的肉眼来分辨展宽前后的脉宽来完成调节信号的操作, 这就使得信号在人为所导致的误差下达不到规定的 100 倍, 然而还有实际信号和调试信号有所不同, 这就使得模拟扩展器对任意信号都达到规定的扩展
18、100 倍的要求难以达到, 因此这种误差较小。即本文提出的不同密度分布下的激光测距数据分析系统的数据分析精度较高。分别采用基于传统激光测距数据方法设计而成的测距数据分析系统和本文系统设计进行了仿真实验, 分别提取 6 组测距实验数据, 对比两种系统设计在综合分析误差控制方面的表现, 数据统计结果如下表所示:表 2 两种系统在综合分析误差方面的数据对比 下载原表 由两种系统在综合分析误差方面的数据可以看出, 应用传统测距数据分析系统的数据综合分析误差在 0.146%-0.253%之间, 误差波动了 0.107%, 其平均综合分析误差为 0.192%。而应用本文提出的激光测距数据分析系统的数据综合
19、分析误差在 0.049%-0.056%之间, 误差波动了 0.007%, 其平均综合分析误差为0.052%。该实验数据表明, 本文提出的激光测距数据分析系统在数据综合分析误差方面, 误差波动相对较小, 且系统稳定可靠, 传统方法综合分析误差接近是本文系统的 4 倍。3 结束语为提高不同密度分布下激光测距数据分析的精度, 提出了基于 EMD 算法和lomb-scargle 算法相结合的数据分析系统设计, 分别阐述了系统的硬件构成和实现流程, 实验结果表明提出系统设计在测距数据漫反射的抑制及综合分析误差控制方面的有效性和健壮性。参考文献1邓永涛, 李旭, 颜凡江.一种星载激光测距仪姿态的确定方法及
20、误差分析J.航天返回与遥感, 2015, 36 (3) :86-91. 2闫赫.激光测距传感器的原理分析及应用J.湘潭大学自然科学学报 2013, 35 (4) :101-10. 3乔卫东, 赵敏, 刘康, 等.手持式激光测距仪检定方法及系统研究J.计量学报, 2016, 23 (7) :100-106. 4王茂鑫, 王静环, 袁加勇.红外激光光声光谱中的弱信号检测J.分析仪器, 2009, 33 (1) :23-27. 5聂春燕, 石要武.基于互相关检测和混沌理论的弱信号检测方法研究J.仪器仪表学报, 2001, 22 (1) :32-35. 6王宇, 茹宁, 张大治, 等.激光与原子的相干
21、性在计量测试领域中的应用进展J.计测技术, 2014, 8 (5) :1-7. 7张少平, 隋尚, 明宪良, 等.激光修复 GH4169 高温合金的组织与力学性能J.应用激光, 2015, 35 (3) :277-281. 8王艳萍, 王茜蒨, 马冲.影响基于 CCD 相机激光光束宽度精确测量的因素J.中国激光, 2014, 41 (2) :303-308. 9李丽, 韩学勤, 赵士伟, 等.基于均匀度和平稳度的激光光束匀化性评价J.激光与光电子学进展, 2014, 51 (1) :113-118. 10刘志辉, 石振东, 杨欢, 等.衍射微透镜阵列用于半导体激光光束匀化J.红外与激光工程,
22、2014, 43 (7) :2092-2096. 11孙立宁, 刘彦武, 曲东升等.ICF 靶支撑定位机器人系统研究J.强激光与粒子束, 2007, 19 (8) :1303-1307. 12崔智高, 李艾华, 苏延召, 等.大视场双目主动视觉传感器的协同跟踪方法J.光电子激光, 2014 (4) :784-791. 13唐慧强, 蒋钱, 印晶.基于时间转换数字技术的激光测距仪设计J.计算机测量与控制, 2014, 22 (11) . 14赵文成, 许贤泽, 刘盼盼, 等.基于正交调制的激光测距系统和解模糊方法J.光谱学与光谱分析, 2017 (2) :659-664. 15黄巧洁.数字式平均
23、在激光脉冲回波弱信号检测中的应用J.广东农工商职业技术学院学报, 2009, 25 (3) :73-76. 16田海军, 杨婷, 赵杨辉.高精度脉冲式激光测距系统的设计J.机床与液压, 2017 (3) :118-122. 17MAHMOUD H A, ARSLAN H, OZDEMIR M K.An efficient initial ranging algorithm for Wi MAX OFDMAJ.Computer Communications, 2009, 32 (1) :159-168.0. 18KEZHAO, ZHANG, ZHENG Long, et al.Spectral characteristics of arc plasma during laser-arc double-sided welding for aluminum alloyJ.Chinese Optics Letters, 2015, 13 (6) :52-56.
