CN102680980A

CN102680980A - 一种脉冲激光测距方法

Info

Publication number: CN102680980A
Application number: CN201210127880XA
Authority: CN
Inventors: 陈瑞强; 江月松; 谢拥军; 何云涛; 唐华
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开了一种脉冲激光测距方法，采用激光发射系统、激光回波接收系统和数据接收与处理系统进行测量，其特征在于激光发射系统包括脉冲激光器、分束镜和PIN光电探测器，激光回波接收系统包括光学接收子系统和APD光电探测器，数据接收与处理系统包括信号传输转换子系统、时间测量子系统和数据处理子系统；脉冲激光器发射激光脉冲，经分束镜比例分束，大部分激光能量发射到目标，少量激光能量被PIN光电探测器接收；光学接收子系统汇聚激光回波到APD光电探测器上；信号传输转换子系统接收PIN光电探测器与APD光电探测器输出的电信号，经信号处理后传给时间测量子系统，数据处理子系统处理时间测量子系统输出的测量数据，计算出目标距离信息。

Description

一种脉冲激光测距方法

技术领域

本发明涉及脉冲激光测距领域，特别是关于一种激光回波的时刻鉴别方法。

背景技术

脉冲激光测距的基本原理是，主动向目标发射激光脉冲，然后探测该目标上被照射点的激光回波，测量激光脉冲的飞行时间，从而计算出目标的距离信息。由于激光脉冲受大气及目标散射特性的影响，导致激光回波在幅度和形状上有很大差别，由此形成的时间漂移误差给准确确定激光回波时刻带来困难。目前激光回波时刻鉴别方法主要有四种：前沿鉴别法、恒定比值鉴别法、高通容阻鉴别法和误差补偿法。

前沿鉴别法使用单个固定阈值来确定激光回波的停止时刻，虽然电路简单，但无法克服时间漂移误差。

恒定比值鉴别法和高通容阻鉴别法都可以有效的消除时间漂移误差。恒定比值鉴别法以激光回波前沿半高点到达的时刻作为激光回波的停止时刻。高通容阻鉴别法利用高通容阻滤波电路的微分效应，将激光回波的极值点转变为零点，以此作为激光回波的停止时刻。但这两种方法的电路结构复杂，不易实现。

误差补偿法使用多个不同的固定阈值测量同一激光回波，利用测定好的误差补偿曲线，补偿单个固定阈值引起的时间漂移误差，得到准确的激光回波停止时刻。该方法电路结构简单，容易实现，但需要事先测定误差补偿曲线，拟合误差补偿曲线或建立误差补偿表，增加了脉冲激光测距方法的复杂度。

发明内容

为了解决现有技术存在的诸多缺点，本发明提供了一种脉冲激光测距方法，利用激光回波前沿近似线性的特点，使用双阈值测量同一激光回波的前沿，计算出激光回波的初始时刻，以此作为激光回波的停止时刻，消除了时间漂移误差。

本发明提供的一种脉冲激光测距方法采用以下技术方案：

一种脉冲激光测距方法，采用激光发射系统、激光回波接收系统和数据接收与处理系统进行测量，其特征在于所述激光发射系统包括脉冲激光器、分束镜和PIN光电探测器，所述激光回波接收系统包括光学接收子系统和APD光电探测器，所述数据接收与处理系统包括信号传输转换子系统、时间测量子系统和数据处理子系统；所述脉冲激光器发射激光脉冲，经分束镜比例分束，大部分激光能量发射到目标，少量激光能量被PIN光电探测器接收；所述光学接收子系统汇聚激光回波到APD光电探测器上；所述信号传输转换子系统接收PIN光电探测器与APD光电探测器输出的电信号，经信号处理后传给时间测量子系统，数据处理子系统处理时间测量子系统输出的测量数据，计算出目标距离信息。

其中，所述时间测量子系统具有两个测量通道。

其中，所述PIN光电探测器输出的电信号经单个固定阈值产生开始计时信号到时间测量子系统，控制时间测量子系统的两个测量通道同时开始计时。

其中，所述APD光电探测器输出的电信号采用前沿触发方式，经两个不同的固定阈值，产生两个停止计时信号到时间测量子系统，分别控制时间测量子系统的两个测量通道停止计时。

其中，所述数据处理子系统处理时间测量子系统输出的测量数据，计算出激光回波的初始时刻，由此得到激光脉冲飞行时间，并根据距离公式得到目标距离信息。

本发明的主要特色：消除了由激光回波幅度和形状变化引起的时间漂移误差，既提高了脉冲激光测距的单次测量精度，又降低了测距系统的复杂度，从而降低了系统的成本，在激光测距及激光三维测量方面提供了新方法。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的脉冲激光测距原理图

图2为本发明的激光回波时刻鉴别方法示意图

具体实施方式

图1显示了脉冲激光测距的原理，脉冲激光器1发射激光脉冲，经分束镜2比例分束，大部分激光能量发射到目标4，少量激光能量被PIN光电探测器3接收。激光脉冲照射到目标4表面产生漫反射，激光回波被光学接收子系统5汇聚到APD光电探测器6上。

信号传输转换子系统7接收并处理PIN光电探测器3和APD光电探测器6输出的电信号。由于脉冲激光器1发射的激光脉冲的幅度和形状稳定，所以PIN光电探测器3输出的电信号的幅度和形状也是稳定的，经过单个固定阈值得到的开始计时信号不存在时间漂移误差。APD光电探测器6输出的电信号采用前沿触发方式，经两个不同的固定阈值，产生两个停止计时信号。开始计时信号控制时间测量子系统8的两个测量通道同时开始计时，两个停止计时信号分别控制时间测量子系统8的两个测量通道停止计时。数据处理子系统9处理时间测量子系统8输出的测量数据，计算出激光回波的初始时刻，由此得到激光脉冲飞行时间，并根据距离公式得到目标4的距离信息。

图2显示了激光回波的时刻鉴别方法，假设APD光电探测器输出的电信号为S，受APD器件本身特性影响，前沿近似认为是线性的，而后沿是非线性的。设置电压比较阈值V_th1和V_th2(V_th1＜V_th2)，则通过电压比较阈值V_th1得到的时间测量值为t₁，通过电压比较阈值V_th2得到的时间测量值为t₂，根据两点确定一条直线的原则，可以计算出激光回波的初始时刻t₀：

t_{0} = t_{1} - V_{th 1} \frac{t_{2} - t_{1}}{V_{th 2} - V_{th 1}}

可见，使用激光回波前沿近似线性的特点，计算得到激光回波的初始时刻，以此作为激光回波的停止时刻，根据测距公式即可计算出目标4的距离信息。

综上所述，该方法即克服了激光回波幅度和形状变化引起的时间漂移误差，又具有计算简单的优点。

以上所述为本发明的实施例，依据本发明公开的内容，所做的均等变化与修饰，均应落于本发明的保护范围。

Claims

1.一种脉冲激光测距方法，采用激光发射系统、激光回波接收系统和数据接收与处理系统进行测量，其特征在于所述激光发射系统包括脉冲激光器、分束镜和PIN光电探测器，所述激光回波接收系统包括光学接收子系统和APD光电探测器，所述数据接收与处理系统包括信号传输转换子系统、时间测量子系统和数据处理子系统；所述脉冲激光器发射激光脉冲，经分束镜比例分束，大部分激光能量发射到目标，少量激光能量被PIN光电探测器接收；所述光学接收子系统汇聚激光回波到APD光电探测器上；所述信号传输转换子系统接收PIN光电探测器与APD光电探测器输出的电信号，经信号处理后传给时间测量子系统，数据处理子系统处理时间测量子系统输出的测量数据，计算出目标距离信息。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲激光测距方法，其特征在于所述时间测量子系统具有两个测量通道。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲激光测距方法，其特征在于所述PIN光电探测器输出的电信号经单个固定阈值产生开始计时信号到时间测量子系统，控制时间测量子系统的两个测量通道同时开始计时。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲激光测距方法，其特征在于所述APD光电探测器输出的电信号采用前沿触发方式，经两个不同的固定阈值，产生两个停止计时信号到时间测量子系统，分别控制时间测量子系统的两个测量通道停止计时。

5.根据权利要求1所述的种脉冲激光测距方法，其特征在于所述数据处理子系统处理时间测量子系统输出的测量数据，计算出激光回波的初始时刻，由此得到激光脉冲飞行时间，并根据距离公式得到目标距离信息。