距信號中影響距離測量精度。
[0038] 如圖2所示為本發(fā)明的流程圖，從圖2可知，本發(fā)明提出的一種Ξ維激光掃描儀數(shù) 據(jù)濾波方法，其特征在于步驟如下：
[0039] (1)利用Ξ維激光掃描儀的信號源產(chǎn)生一個(gè)恒定的激光信號，該激光信號通過光 電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，并經(jīng)過放大和整形后，采用高頻設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，首先通過高 頻時(shí)鐘忍片測量出信號的飛行時(shí)間，然后利用飛行時(shí)間計(jì)算出距離信息進(jìn)行保存;本發(fā)明 中Ξ維激光掃描儀可W采用脈沖式激光掃描儀，脈沖式激光掃描儀的激光重復(fù)頻率需大于 等于5KHz。
[0040] (2)模擬出一個(gè)理想數(shù)字信號作為預(yù)設(shè)信號，利用該預(yù)設(shè)信號計(jì)算預(yù)設(shè)距離信息， 并將預(yù)設(shè)距離信息與步驟(1)保存的距離信息進(jìn)行作差運(yùn)算，獲得距離信息差值；
[0041] (3)利用步驟(2)中的距離信息差值和數(shù)據(jù)頻率采用均值聚類計(jì)算出電路噪聲的 特征信息，所述電路噪聲的特征信息包括噪聲頻率和噪聲強(qiáng)度；
[0042]所述聚類采用K均值聚類進(jìn)行噪聲特征信息的提取;在本發(fā)明中，采用的是聚類算 法計(jì)算噪聲的分量頻率;首先從η個(gè)數(shù)據(jù)對象任意選擇k個(gè)對象作為初始聚類中屯、；而對于 所剩下其它對象，則根據(jù)它們與運(yùn)些聚類中屯、的相似度(距離），分別將它們分配給與其最 相似的（聚類中屯、所代表的）聚類;然后再計(jì)算每個(gè)所獲新聚類的聚類中屯、（該聚類中所有 對象的均值）；不斷重復(fù)運(yùn)一過程直到標(biāo)準(zhǔn)測度函數(shù)開始收斂為止。一般都采用均方差作為 標(biāo)準(zhǔn)測度函數(shù)。k個(gè)聚類具有W下特點(diǎn)：各聚類本身盡可能的緊湊，而各聚類之間盡可能的 分開。依據(jù)聚類的結(jié)果計(jì)算出不同強(qiáng)度噪聲分量的產(chǎn)生頻率；
[0043](4)根據(jù)步驟(3)中的電路噪聲特征信息，設(shè)計(jì)一個(gè)噪聲濾波器;所述噪聲濾波器 為低通噪聲濾波器，本發(fā)明中可W使用己特沃斯低通噪聲濾波器，具體實(shí)現(xiàn)方法為：
[0044](4-1)給出己特沃斯低通噪聲濾波器的表達(dá)式，具體由公式：
[0045]
[0046] 給出，其中，Ha(jA)為信號幅度，N為濾波器的階數(shù)，且為整數(shù);C為一個(gè)常數(shù)參數(shù);λ 為頻率；
[0047](4-2)根據(jù)步驟(3)中的電路噪聲特征信息，確定通帶截止頻率和阻帶起始頻率， 并對通帶截止頻率和阻帶起始頻率進(jìn)行歸一化；
[004引（4-3)利用歸一化后的通帶截止頻率和阻帶起始頻率，W及預(yù)先給定的通帶衰減 和阻帶衰減，計(jì)算己特沃斯低通噪聲濾波器表達(dá)式中的C和Ν，從而確定己特沃斯低通噪聲 濾波器。
[0049](5)利用步驟(4)設(shè)計(jì)的噪聲濾波器對步驟(1)中的數(shù)字信號進(jìn)行濾波后計(jì)算距離 信息，并與步驟(2)中的預(yù)設(shè)距離信息作差;若差值大于預(yù)設(shè)的闊值(一般取距離精度均方 差的3倍），則返回步驟(3)，重新計(jì)算特征信息;否則，進(jìn)入步驟(6);
[0050](6)保持步驟（1)中信號源頻率不變，改變激光信號的強(qiáng)度，重復(fù)步驟（1)~步驟 (5);
[0051](7)重復(fù)步驟(1)~步驟(6)Ν次，選擇濾波后數(shù)學(xué)信號計(jì)算得到的距離信息與預(yù)設(shè) 距離信息之間差值最小時(shí)對應(yīng)的噪聲濾波器為最終的噪聲濾波器，利用該噪聲濾波器對Ξ 維激光掃描儀數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。
[0052]具體實(shí)施例
[0053]本發(fā)明為防止掃描目標(biāo)反射率的變化W及大氣擾動導(dǎo)致信號的干擾，在噪聲測量 過程中，設(shè)定一組激光器的信號參數(shù):激光頻率設(shè)置為100Κ，激光電流設(shè)置為0.2Α，
[0054]進(jìn)行測量數(shù)字信號的濾波處理得到濾波后的測量信號作為濾波結(jié)果;將濾波后的 數(shù)字信號與軟件生產(chǎn)的模擬數(shù)字信號進(jìn)行匹配，檢查其相似性情況;若過濾波后的效果不 明顯，例如濾波后的距離信號數(shù)據(jù)噪聲引起的精度〉3mm，則可W認(rèn)為噪聲剔除精度不夠高， 需要重新計(jì)算噪聲特征信息，若有效，則修改激光器信號源的相關(guān)參數(shù)，讓信號源在保持頻 率不變的情況下，改變信號的強(qiáng)度，采集更多的激光信號檢驗(yàn)濾波器的濾波效果，通過反復(fù) 迭代達(dá)到一個(gè)最優(yōu)解，選擇信號保真度最高的一組參數(shù)作為最后的濾波參數(shù)。將最后定型 的濾波器參數(shù)作為Ξ維激光掃描儀掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測量所采用的參數(shù)進(jìn)行濾波。
[0055] 如圖3所示，波浪線的數(shù)據(jù)為測量的數(shù)字信號，中間的細(xì)線為軟件所模擬出來的理 想的測量結(jié)果成圖，中間點(diǎn)狀信號為濾波后的真實(shí)測距信號；可W看出經(jīng)過去噪后數(shù)據(jù)大 都和軟件生成的模擬信號符合的較好；剔除了各個(gè)電路板產(chǎn)生噪聲給數(shù)據(jù)帶來的毛刺問 題。
[0056] 本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種三維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法，其特征在于步驟如下： (1) 利用三維激光掃描儀的信號源產(chǎn)生一個(gè)恒定的激光信號，該激光信號通過光電探 測器轉(zhuǎn)化為電信號，并經(jīng)過放大和整形后，采用高頻設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，計(jì)算出距離信息 進(jìn)行保存； (2) 模擬出一個(gè)理想數(shù)字信號作為預(yù)設(shè)信號，利用該預(yù)設(shè)信號計(jì)算預(yù)設(shè)距離信息，并將 預(yù)設(shè)距離信息與步驟(1)保存的距離信息進(jìn)行作差運(yùn)算，獲得距離信息差值； (3) 利用步驟(2)中的距離信息差值和數(shù)據(jù)頻率采用均值聚類計(jì)算出電路噪聲的特征 信息，所述電路噪聲的特征信息包括噪聲頻率和噪聲強(qiáng)度； (4) 根據(jù)步驟(3)中的電路噪聲特征信息，設(shè)計(jì)一個(gè)噪聲濾波器； (5) 利用步驟(4)設(shè)計(jì)的噪聲濾波器對步驟（1)中的數(shù)字信號進(jìn)行濾波后計(jì)算距離信 息，并與步驟(2)中的預(yù)設(shè)距離信息作差;若差值大于預(yù)設(shè)的閾值，則返回步驟(3)，重新計(jì) 算特征信息;否則，進(jìn)入步驟(6); (6) 保持步驟(1)中信號源頻率不變，改變激光信號的強(qiáng)度，重復(fù)步驟(1)~步驟(5); (7) 重復(fù)步驟（1)~步驟(6)N次，選擇濾波后數(shù)學(xué)信號計(jì)算得到的距離信息與預(yù)設(shè)距離 信息之間差值最小時(shí)對應(yīng)的噪聲濾波器為最終的噪聲濾波器，利用該噪聲濾波器對三維激 光掃描儀數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法，其特征在于:所述激光掃 描儀為脈沖式激光掃描儀。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法，其特征在于:所述均值聚 類為K均值聚類。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種三維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法，其特征在于:所述的脈沖 式激光測距儀的激光重復(fù)頻率大于等于5KHz。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法，其特征在于:所述計(jì)算距 離信息和預(yù)設(shè)距離信息的方法具體為:首先通過高頻時(shí)鐘芯片測量出信號的飛行時(shí)間，然 后利用飛行時(shí)間計(jì)算出距離信息和預(yù)設(shè)距離信息。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法，其特征在于:所述噪聲濾 波器為巴特沃斯低通噪聲濾波器。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法，其特征在于：所述步驟 (5)中的閾值為距離精度均方差的3倍。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種三維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法，其特征在于：所述步驟 (4)中根據(jù)步驟(3)中的電路噪聲特征信息，設(shè)計(jì)一個(gè)噪聲濾波器;具體為： (4-1)給出巴特沃斯低通噪聲濾波器的表達(dá)式，具體由公式：給出，其中，Ha(jA)為信號幅度，N為濾波器的階數(shù)，且為整數(shù);C為一個(gè)常數(shù)參數(shù);λ為頻 率； (4-2)根據(jù)步驟(3)中的電路噪聲特征信息，確定通帶截止頻率和阻帶起始頻率，并對 通帶截止頻率和阻帶起始頻率進(jìn)行歸一化； (4-3)利用歸一化后的通帶截止頻率和阻帶起始頻率，以及預(yù)先給定的通帶衰減和阻 帶衰減，計(jì)算巴特沃斯低通噪聲濾波器表達(dá)式中的C和N，從而確定巴特沃斯低通噪聲濾波 器。
【專利摘要】一種三維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法，通過實(shí)際激光信號與理想激光信號作差獲取噪聲信號，并對噪聲信號進(jìn)行分類和特征提取，利用提取的噪聲特征設(shè)計(jì)一個(gè)噪聲濾波器，并利用預(yù)設(shè)的閾值確定所設(shè)計(jì)的噪聲濾波器是否合理，改變激光信號的強(qiáng)度產(chǎn)生一系列噪聲濾波器，最后從一系列噪聲濾波器中選取最優(yōu)的噪聲濾波器作為最終的濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，本發(fā)明中的方法實(shí)現(xiàn)了三維激光掃描儀在數(shù)據(jù)高速采集過程中，對影響精度的電子類等噪聲的濾除，提高了三維激光掃描儀的測距精度，且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)濾波，最大程度上滿足了三維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波的需求。
【IPC分類】G01S7/48
【公開號】CN105445719
【申請?zhí)枴緾N201510780441
【發(fā)明人】李光偉, 才長帥, 閆海, 高其嘉, 曹原, 王曉莉, 陳京平, 李建勛, 冀鑫煒, 石海天, 劉建平, 李靜
【申請人】中國人民解放軍空軍裝備研究院雷達(dá)與電子對抗研究所
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年11月13日