基于Labview的高重頻激光測量方法

賈冰+徐佳

高重頻激光測量傳感器以高速、高精度的測量模式，對(duì)航天航空、工業(yè)計(jì)量、測繪、社會(huì)發(fā)展有著深遠(yuǎn)影響，本文基于Labview提出一種以高重頻激光器為核心的激光測量系統(tǒng)，二軸電子羅盤提供方位信息，方位選通功能，；選用FPGA板作為核心計(jì)算單元，高速處理大量采集數(shù)據(jù)；利用Labview編程環(huán)境高效的進(jìn)行信號(hào)特征提取、選通及存儲(chǔ)，建立了一種新型激光測量方法。

【關(guān)鍵詞】激光測量 Labview 串口通信 數(shù)據(jù)采集

激光測量利用激光較好的單色性、相干性和方向性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高精度測量，根據(jù)不同的測距環(huán)境有相應(yīng)的測距模式，目前被廣泛的用于地形測量、戰(zhàn)場測量等重要軍事裝備上，并且應(yīng)用與工業(yè)測控、礦山、港口等領(lǐng)域。

其中，激光在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測量時(shí)，目標(biāo)面積通常只占被測區(qū)域的一部分，方位選通的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)得到的目標(biāo)輪廓確定掃描范圍，在確定的掃描范圍內(nèi)，只對(duì)特征點(diǎn)采集部分的測量數(shù)據(jù)。這樣做可以使掃描范圍和數(shù)據(jù)處理壓力大大減小，測量效率得以提高。

1 系統(tǒng)組成原理

1.1 測距系統(tǒng)建立

激光測距系統(tǒng)由激光發(fā)射單元、接收單元、系統(tǒng)軟件控制平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。計(jì)算機(jī)通過Labview向激光發(fā)射單元發(fā)送開始測量命令，激光照射到預(yù)置目標(biāo)后隨即產(chǎn)生回波信號(hào)，被激光接收單元接收，通過串行接口與FPGA通信，F(xiàn)PGA板將采集信號(hào)解碼為距離及灰度信息，同時(shí)通過網(wǎng)口傳輸至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)接收，通過對(duì)Labview編程進(jìn)行一定距離范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示。

1.2 激光傳感器

系統(tǒng)選用波長為905nm的半導(dǎo)體紅外激光傳感器測量，具有測距精度高、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好的特點(diǎn)。每秒鐘可得到約30K個(gè)數(shù)據(jù)，測距精度可達(dá)毫米級(jí)。每組數(shù)據(jù)格式由2字節(jié)組成，每字節(jié)首字母為校驗(yàn)位，經(jīng)過FPGA計(jì)算封裝打包由串口向計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)傳輸。計(jì)算機(jī)由WIFI模塊接收數(shù)據(jù)，通過Labview進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及特征提取，得到用戶需要的有效距離信息自定義界面。

2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

2.1 高速數(shù)據(jù)流串行口通信

在測控平臺(tái)研究領(lǐng)域中，虛擬儀器技術(shù)起著舉足輕重的作用。高速串口通信計(jì)算機(jī)與傳感器雙方采用相同的高速波特率921600bps，進(jìn)行握手，主機(jī)和傳感器以相互應(yīng)答的方式確立連接，保證數(shù)據(jù)的有效傳輸，避免丟失。

2.2 Labview控制程序設(shè)計(jì)

首先，與基于特定波特率的串口建立連接，向傳感器發(fā)送開始命令，請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)；其次，Labview接收數(shù)據(jù)并提取出有效數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析；再者，通過Labview中判定范圍并強(qiáng)制轉(zhuǎn)換控件設(shè)置測距選通上下限，有效減少數(shù)據(jù)量的處理及存儲(chǔ)，同時(shí)，將選通的有效數(shù)據(jù)顯示并存儲(chǔ)下來；最后，發(fā)送停止測量命令。

程序框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試

利用該系統(tǒng)進(jìn)行了室外實(shí)驗(yàn)，時(shí)間選擇在夜間進(jìn)行，因?yàn)槿臻g光線較強(qiáng)，通過紅外增強(qiáng)型CCD無法觀察到激光傳感器的測量激光，不利于目標(biāo)的確定，而且日間噪聲較大，激光傳播誤差較大。此外，由于紅外波段對(duì)人眼有一定傷害，所以選擇夜間在一長約100m甬道測量目標(biāo)。

將被測目標(biāo)分別置于約30m、40m、50m、60m、70m距離處進(jìn)行測量，目標(biāo)尺寸為直徑10mm目標(biāo)。將激光器置于轉(zhuǎn)臺(tái)之上，用以控制激光器俯仰及旋轉(zhuǎn)角度。利用自制反光板及紅外增強(qiáng)CCD預(yù)先觀測測量激光束位置。圖2為激光測距試驗(yàn)臺(tái)。

4 結(jié)論

利用本套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)目標(biāo)激光測量，通過Labview其精確的有效距離信息，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)。方位選通大大提高數(shù)據(jù)的處理效率，過濾冗余數(shù)據(jù)，利用FPGA開發(fā)板的高速處理能力減小因數(shù)據(jù)量過大對(duì)計(jì)算機(jī)造成的壓力。

（通訊作者：徐佳）

作者單位

長春理工大學(xué) 吉林省長春市 130022