CN101349756B - 激光测距仪及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在激光测距仪中对接收到的反射信号进行处理以计算出所述激光测距仪与目标物之间距离的方法。包括接收x组光反射信号，并对所述光反射信号进行数字转换，以获得对应组数字信号。累加所述数字信号以获得累进信号，并对该累进信号进行数字滤波操作，以获得滤波信号。确定该滤波信号的最大信号值，并根据该累进信号设定一门槛值。判断该最大信号值是否小于该门槛值。若该最大信号值不小于该门槛值，则计算出一距离值。本发明还涉及一种可执行上述信号处理方法的激光测距仪。

Description

激光测距仪及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及激光测距技术，且特别涉及在激光测距中对接收到的反射信号进行处理的方法及系统。

背景技术

激光测距仪在量测距离时，所接收到的远距离信号可能非常微弱，甚至仅略大于噪声值。若预设的门槛值(Threshold)太小，则极有可能将噪声值误认为目标信号。但是若门槛值太大，则无法侦测到微弱信号。

因此，本发明提供了一种激光测距仪的信号处理方法，其通过累加多次接收信号的方式提升激光测距仪的测距能力。

发明内容

基于上述目的，本发明实施例揭露了一种信号处理方法。包括：

(a)接收x组光反射信号；

(b)对所述光反射信号进行数字转换，以获得对应的x组数字信号；

(c)累加所述数字信号，获得一累进信号；

(d)对该累进信号进行数字滤波操作，获得一滤波信号；

(e)确定该滤波信号的一最大信号值，并根据该滤波信号设定一门槛值；

(f)判断该最大信号值是否小于该门槛值；以及

(g)若该最大信号值不小于该门槛值，则计算出一距离值。

在本发明所述的方法中，于步骤(a)的前还包括下列步骤：

(a1)预设一最大发射次数y；以及

(a2)根据该最大发射次数，依序发射所述光发射信号。

在本发明所述的方法中，当所接收的所述光反射信号的组数x等于该最大发射次数y，且该最大信号值小于该门槛值，则显示无目标。

在本发明所述的方法中，该门槛值是以x为变量的一第一函数f(x)，其中当x1＞x2，则f(x1)≥f(x2)，且[f(x1)/x1]≤[f(x2)/(x2)]。

在本发明所述的方法中，于步骤(e)中还包括根据该滤波后的累进信号计算出一噪声数据N，并依该噪声数据N设定该门槛值为一第二函数g(x)＝M+k(x)×N，其中M为该累进信号的平均值、k(x)为一预设参数。

在本发明所述的方法中，步骤(d)是利用移动平均的方式对该累进信号进行该滤波操作。

在本发明所述的方法中，于步骤(c)之后还包括一步骤(c’)：将该累进信号减去一固定图像噪声，以得到该累进信号的一修正信号，并以该修正信号进行该数字滤波操作。

本发明实施例还揭露了一种信号处理方法。包括：

(a)设定一最大发射次数y；

(b)发射一第一光发射信号；

(c)接收对应该光发射信号的一第一光反射信号；

(d)对该第一光反射信号进行数字化处理，获得一第一数字信号；

(e)对该数字信号进行滤波操作，获得一滤波信号；

(f)确定该滤波信号中的一最大脉冲信号值，并根据该滤波信号设定一门槛值；

(g)判断该最大脉冲信号值是否小于该门槛值；以及

(h)若该最大脉冲信号值不小于该门槛值，则计算出一距离值。

在本发明所述的方法中，于步骤(g)之后还包括：

(i)若该最大信号值小于该门槛值，则判断信号发射次数x是否等于该最大发射次数y，若是，则显示无目标；

(j)若否，则发射一第二光发射信号，并接收对应该光发射信号的一第二光反射信号；

(k)对该第二光反射信号进行数字化处理，以获得一第二数字信号；以及

(l)累加该第一、第二数字信号，以获得一累进信号，并重复步骤(e)至步骤(h)。

在本发明所述的方法中，该门槛值的设定方法包括：根据该滤波后的累进信号计算出一噪声数据N，并依该噪声数据N设定该门槛值为一函数g(x)＝M+k(x)×N，其中M为该累进信号的平均值、k(x)为一预设参数。

本发明实施例还揭露了一种激光测距仪，包括发射模块、接收模块、数据处理单元、滤波器与微处理器。该发射模块根据一最大发射次数y依序发出x组光发射信号。该接收模块接收相应于所述光发射信号的光反射信号。该数据处理单元对所述光反射信号进行数字化处理并累加，以获得一累进信号。该滤波器对该累进信号进行滤波操作，获得滤波信号。该微处理器确定该滤波信号中的一最大脉冲信号值，根据该滤波后的累进信号设定一门槛值，并判断该最大脉冲信号值是否小于该门槛值，若否，则计算一距离值。

在本发明所述的激光测距仪中，该门槛值是以x为变量的一第一函数f(x)，其中当若x1＞x2，则f(x1)≥f(x2)，且[f(x1)/x1]≤[f(x2)/(x2)]。

在本发明所述的激光测距仪中，还包括该微处理器根据该滤波后的累进信号计算出一噪声数据N，并依该噪声数据N设定该门槛值为一第二函数g(x)＝M+k(x)×N，其中M为该累进信号的平均值、k(x)为一预设参数。

附图说明

图1所示为本发明一实施例的激光测距仪的信号处理方法的步骤流程图；

图2所示为本发明另一实施例的激光测距仪的信号处理方法的步骤流程图；

图3所示为根据本发明实施例的对接收到的激光反射信号进行二进制处理后的信号示意图；

图4所示为以影像形式显示的多次发射信号(二进制处理后)的示意图；

图5所示为直接模拟累加后的激光接收信号波形的示意图；

图6所示为未经数字滤波处理所得到的目标位置的示意图；

图7所示为利用移动平均处理后所得到的目标位置的示意图；

图8所示为信号极强时累进信号波形的示意图；

图9所示为对图8的信号进行移动平均处理(Moving Average)后的信号波形示意图；

图10所示为本发明实施例的激光测距仪的架构示意图。

主要组件符号说明：

310～激光测距仪       311～发射模块

313～接收模块         315～数据处理单元

317～滤波器           319～微处理器

320～目标

具体实施方式

为了让本发明的目的、特征、及优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合图1至图10做详细的说明。本发明说明书提供不同的实施例来说明本发明不同实施方式的技术特征。其中，实施例中的各组件的配置是为说明本发明，并非用以限制本发明。

本发明揭露了一种信号处理方法，应用于激光测距装置。

本发明的信号处理方法是通过累加多次接收光反射信号的方式来提升激光测距仪的测距能力，其中噪声会因累加平均的过程而逐渐减小，而信号则维持不变。

由于模拟信号无法简单的累加与处理，因此必须先将光反射信号数字化并获得对应的数字信号。在累加的过程中，数字信号可以使用1位(0或1)或是多位信号数据，位数愈高则量化噪声愈低。取样频率则与所要求的精确度有关，频率愈高则量测精确度愈高。其中数字信号可同时使用各种信号处理的技巧来改善系统性能。

将多组数字信号进行累加并获得累进信号，再根据累进信号设定出门槛值，累进信号经数字滤波后得到滤波信号，以判断是否有目标存在且统计出对应于目标的数据。本实施例是以找寻滤波信号的最大值，并判断该最大值是否大于门槛值来确认目标。

图1所示为本发明一实施例的激光测距仪的信号处理方法的步骤流程图。

首先，设定一最大发射次数y，例如最大发射次数为320次，并且利用激光测距仪根据该最大发射次数y依序发射光发射信号(步骤S101)。其中，该最大发射次数为内建的默认值。依序接收目标所反射的光反射信号(步骤S102)。例如，已接收到x组光反射信号，对每一接收到的反射激光信号进行数字化转换，以获得对应的x组数字信号(步骤S103)。接着，累加同一量测的所有数字信号以获得一累进信号(步骤S104)，并且对该累进信号进行滤波操作，以获得一滤波信号(步骤S105)。

接着，统计出该滤波信号的最大的脉冲值，设定为最大信号值(步骤S106)，并且根据该滤波后的累进信号设定一门槛值(步骤S107)。判断该最大信号值是否小于该门槛值(步骤S108)。若否，则依据该最大信号值计算出相应的距离值(步骤S109)。

若是，则再进一步地判断所接收的所述光反射信号的组数x是否等于该最大发射次数y(步骤S110)。若是，表示无法获得目标信号，则显示无目标(步骤S111)。若否，即再次发出光发射信号，以重新执行上述步骤S101至步骤S110。

在图1的流程中，门槛值是根据累加次数及累进信号计算而得。在本发明另一实施例中，每发射一次激光信号，即根据相应的该光反射激光信号与先前已接收的光反射激光信号的至少一累进信号来计算出门槛值。

图2所示为本发明另一实施例的激光测距仪中进行信号处理的方法的步骤流程图。

首先，设定一最大发射次数y，并发射一第一光发射信号(步骤S201)。接收该第一光发射信号的第一光反射信号(步骤S202)，并且对该第一反射信号进行数字化处理以获得第一数字信号(步骤S203)。接着，对该第一数字信号后进行滤波操作，以获得一滤波信号(步骤S204)。

接着，确定该滤波信号中的一最大脉冲信号值(步骤S205)，并根据该滤波后的累进信号设定一门槛值(步骤S206)，其中，该门槛值是根据该滤波信号的一噪声数据N计算而得。

判断该最大脉冲信号值是否小于该门槛值(步骤S207)。如否，则计算出一距离值(步骤S208)。如是，则接着判断已发出的光发射信号的次数x是否等于该最大发射次数y(步骤S209)。如是，则显示无目标(步骤S210)。若否，则发射一第二光发射信号(步骤S211)，并接收对应该光发射信号的一第二光反射信号(步骤S212)。对该第二光反射信号进行数字化处理，以获得一第二数字信号(步骤S213)。累加该第一、第二数字信号，以获得一累进信号(步骤S214)，并再由步骤S204重复流程。

如上述的两实施例，其中数字滤波可以包括以下几种方式：

方法一：利用移动平均(Moving Average)的方式来进行数字滤波，其可以减小单纯依照最大值来判断目标所造成目标精确度降低的影响，且在近距离反射信号较强的情形下找到脉波中心点的位置，可避免单纯因选择最大值而造成精确度降低的情形。

方法二：若因模拟信号不理想等因素而造成该累进信号呈现预料之外的脉波形状，可以选择如匹配滤波器(Matched Filter)的数字滤波器来提高讯杂比。

方法三：可使用内插法(Interpolation)提高数字数据的量测精确度。

借助预先量测无目标时的累进信号可以找出固定图像噪声(FixedPattern Noise)，在实际量测时便可据此去除固定图像噪声，进一步降低系统噪声以改善灵敏度。

并且，所述门槛值是可根据累进信号或滤波信号而得，且根据计算所得的门槛值来判断目标是否存在。本发明中，门槛值的计算可以采用以下几种方法：

方法一：将门槛值设定为一常数。当累进信号值大于该门槛值时，即认为有目标存在。

方法二：门槛值是以所述光反射信号的组数x为变量的一第一函数f(x)，其中，累加次数愈多时，门槛值虽然愈大，但是门槛值除以发射次数的值会较小，举例而言，当x1＞x2时，f(x1)＞f(x2)，且[f(x1)/x1]≤[f(x2)/x2]。

方法三：根据该滤波信号计算出该噪声的噪声数据N，且设定门槛值为噪声数据N的固定倍数。并以该噪声数据N设定该门槛值为一第二函数g(x)。更具体而言，该第二函数为g(x)＝M+k×N，其中，M为该累进信号的平均值，

k为一预设参数，且Acc(i)为累进信号中的各信号值，n为累进信号中信号值的数目。以及，该噪声数据N可以是该累进信号减去M的均方根(Root Mean Square)值， $N=\sqrt{\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}{(\mathrm{Acc}\left(i\right)-M)}^2},$ 或是该累进信号减去M的平均偏差(Mean Divergence)值， $N=\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}|\mathrm{Acc}\left(i\right)-M|.$

方法四：沿用上述第二函数g(x)计算门槛值。所应用的k值为k’，其中k’是依据所述光反射信号的组数x为变量的函数(即，k’＝k’(x))，且随着累加次数增加而逐渐减小，亦即，当x1＞x2，则k’(x1)＜k’(x2)。

本发明实施例的数字信号处理方法可提升激光测距仪的测距能力。激光测距仪接收到远距离信号可能非常微弱，甚至仅略大于噪声值，如果门槛值太小，则极有可能将噪声值误认为目标信号。但是若门槛值太大，则无法侦测微弱信号。但因噪声是随机出现，故会随着多次累加而逐渐减小，而信号则会因多次累加而逐渐突显。本发明采用的信号处理方法通过累加多次接收信号的方式来改善此问题。

以下借助图3-9更具体地说明本发明。

图3为将接收到的光反射信号进行二进制处理的结果。

图4为所接收的320次光反射信号，依据图3所述的二进制处理后，以影像的方式呈现。其中，纵轴表示光反射信号的组次；横轴表示时间。其中的虚线代表各组次的光反射信号的脉冲相应于时间的标记数据，需再说明的是，所述脉冲的标记数据是来自于目标信号或噪声。藉此，由图4中可明显看出于各组次中，绝大部分时间点都会出现的脉冲即是目标信号。

图5是将上述320次光反射信号直接做模拟累加后的结果，可以看出累加后的信号的最大信号值即是目标信号。并且，由于模拟滤波器本身特性，可以看到在目标出现后会有一极小值出现。亦可借此来帮助确认目标，同时还可以依据累加后的结果设计滤波器，以达到接近匹配滤波器所产生的效果。

图6为未进行数字滤波处理所得到的目标位置。

图7为利用移动平均处理后所得到的目标位置。对比图6后可知，借助数字滤波处理可再次过滤部分的噪声，使量测的误差减小。

图8是当光反射信号极强时可能出现的累进信号。由于包含多个最大信号值，因而增加辨识目标信号的困扰。

图9是将图8的累进信号执行移动平均处理，可更明确地看出最大信号值的中心位置。

另外，若电路设计布局不够缜密，有可能造成其它的固定图像噪声(FixedPattern Noise)。当以数字化方式处理光反射信号时，可以在产生数字化信号时预先量测固定图像噪声的波形并加以记录。在实际测距时，累加的结果必须先扣除相对的固定图像噪声(其因累加次数不同而有不同)，如此可进一步改善测距能力。

图10所示为本发明一实施例的激光测距仪的架构示意图。

本发明实施例的激光测距仪310包括发射模块311、接收模块313、数据处理单元315、滤波器317与微处理器319。发射模块311设定一最大发射次数y依序发出光发射信号。接收模块，接收自目标320所反射的x组光反射信号。数据处理单元315对所述光反射信号进行数字化处理并累加，以获得一累进信号。滤波器317对该累进信号进行滤波操作，以获得滤波信号。微处理器319确定该滤波信号中的最大脉冲信号值，并根据该滤波信号设定一门槛值，然后判断该最大脉冲信号值是否小于该门槛值。若否，则计算一距离值。若是，则显示无目标，然后发射另一光发射信号，并重新执行上述流程。其中，亦可于微处理器319中内建运算程序，以软件计算的方式来执行所述光反射信号的累加及滤波等操作，而不用以限定本发明。

本发明还提供一种记录媒体(例如光盘片、磁盘片与抽取式硬盘等等)，其是记录一计算机可读取的权限签核程序，以便执行上述的数字信号处理方法。在此，储存于记录媒体上的权限签核程序，基本上是由多数个程序代码片段所组成的(例如建立组织图程序代码片段、签核窗体程序代码片段、设定程序代码片段、以及部署程序代码片段)，并且这些程序代码片段的功能是对应到上述方法的步骤与上述系统的功能方块图。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书中的权利要求所界定者为准。

Claims (8)

1.一种信号处理方法，其特征在于，包括下列步骤：

(a1)预设一最大发射次数y；

(a2)根据该最大发射次数，依序发射所述光发射信号；以及

(a)接收x组光反射信号；

(b)对所述光反射信号进行数字转换，以获得对应组数字信号；

(c)累加所述数字信号，获得一累进信号；

(d)对该累进信号进行数字滤波操作，获得一滤波信号；

(e)确定该滤波信号的一最大信号值，并根据该滤波信号设定一门槛值，该门槛值是以x为变量的一第一函数f(x)，其中当x1＞x2，则f(x1)≥f(x2)，且[f(x1)/x1]≤[f(x2)/(x2)]；

(f)判断该最大信号值是否小于该门槛值；以及

(g)若该最大信号值不小于该门槛值，则计算出一距离值；

(h)若该最大信号值小于该门槛值，则进一步判断所接收的所述光反射信号的组数x是否等于该最大发射次数y，且

当所接收的所述光反射信号的组数x等于该最大发射次数y，则显示无目标；

当所接收的所述光反射信号的组数x不等于该最大发射次数y，返回步骤(a)。

2.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，于步骤(e)中还包括根据该滤波后的累进信号计算出一噪声数据N，并依该噪声数据N设定该门槛值为一第二函数g(x)＝M+k(x)×N，其中M为该累进信号的平均值、k(x)为一预设参数。

3.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，步骤(d)是利用移动平均的方式对该累进信号进行该滤波操作。

4.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，于步骤(c)之后还包括一步骤(c’)：将该累进信号减去一固定图像噪声，以得到该累进信号的一修正信号，并以该修正信号进行该数字滤波操作。

5.一种信号处理方法，其特征在于，包括下列步骤：

(a)预设一最大发射次数y；

(b)发射一第一光发射信号；

(c)接收对应该光发射信号的一第一光反射信号；

(d)对该第一光反射信号进行数字化处理，获得一第一数字信号；

(e)对该数字信号进行滤波操作，获得一滤波信号；

(f)确定该滤波信号中的一最大脉冲信号值，并根据该滤波信号设定一门槛值，根据该滤波后的累进信号计算出一噪声数据N；

(g)判断该最大脉冲信号值是否小于该门槛值；以及

(h)若该最大脉冲信号值不小于该门槛值，则计算出一距离值；

(i)若该最大信号值小于该门槛值，则判断信号发射次数x是否等于该最大发射次数y，若是，则显示无目标；

(j)若否，则发射一第二光发射信号，并接收对应该光发射信号的一第二光反射信号；

(k)对该第二光反射信号进行数字化处理，以获得一第二数字信号；以及

(l)累加该第一、第二数字信号，以获得一累进信号，并重复步骤(e)至步骤(h)。

6.根据权利要求5所述的信号处理方法，其特征在于，该门槛值的设定方法包括：依该噪声数据N设定该门槛值为一函数g(x)＝M+k(x)×N，其中M为该累进信号的平均值、k(x)为一预设参数。

7.一种激光测距仪，其特征在于，包括：

发射模块，用于依序发出x组光发射信号；

接收模块，用于接收相应于所述光发射信号的光反射信号；

数据处理单元，用于对所述光反射信号进行数字化处理并累加，以获得累进信号；

滤波器，用于对该累进信号进行滤波操作，获得滤波信号；以及

微处理器，用于确定该滤波信号中的一最大脉冲信号值、根据该滤波后的累进信号设定一门槛值，并判断该最大脉冲信号值是否小于该门槛值，若否，则计算一距离值；

其中，该门槛值是以x为变量的一第一函数f(x)，其中当x1＞x2，则f(x1)≥f(x2)，且[f(x1)/x1]≤[f(x2)/(x2)]。

8.一种激光测距仪，其特征在于，包括：

发射模块，用于依序发出x组光发射信号；

接收模块，用于接收相应于所述光发射信号的光反射信号；

数据处理单元，用于对所述光反射信号进行数字化处理并累加，以获得累进信号；

滤波器，用于对该累进信号进行滤波操作，获得滤波信号，并根据该滤波后的累进信号计算出一噪声数据N；以及

微处理器，用于确定该滤波信号中的一最大脉冲信号值、根据该滤波后的累进信号设定一门槛值，并判断该最大脉冲信号值是否小于该门槛值，其中：

若否，则计算一距离值；

若是，则进一步地判断所接收的所述光反射信号的组数x是否等于最大发射次数y，

若是，表示无法获得目标信号，则显示无目标；

若否，则再次发出光发射信号；

其中，该微处理器依该噪声数据N设定该门槛值为一第二函数g(x)＝M+k(x)×N，其中M为该累进信号的平均值、k(x)为一预设参数。

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