CN104181544A - 基于脉冲计数和时间拓展的激光测距方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲计数和时间拓展的激光测距方法及系统，包括：在一物体上方设置激光扫描仪作为为坐标原点并建立三维直角坐标系，以激光扫描仪的末端为固定点，做半径逐渐变化的旋转运动，记录发射出的激光脉冲信号的方向向量、发射时刻，以及接收时刻，根据发射时刻和接收时刻得到激光脉冲的飞行时间，并用脉冲计数法和时间拓展法进行优化，得到优化后的飞行时间，根据优化后的飞行时间求出激光扫描仪与被测物的距离进而求得被测物与物体的水平距离。

Description

基于脉冲计数和时间拓展的激光测距方法及系统

技术领域

本发明涉及测试、测量技术领域，特别涉及一种基于脉冲计数和时间拓展的激光测距方法及系统。

背景技术

测距技术在各个领域都有应用，比如在电力传输的过程中，变电站将不同电压等级的输电线路连接在一起。一方面提高了电力传输效率，另一方面也能够满足用户的电压需求，对整个电力系统的稳定运行起到了至关重要的作用。正因如此，对变电站实施保护，保障其自身安全性显得格外重要。

传统的检测变电站的方法是工作人员来回巡视变电站，看其周围是否有动物、违规人员等的非法入侵来保障变电站安全。但是这样的巡检方法不仅低效，而且高压端的电磁辐射会对巡检人员产生诸多的不利影响。此时，如果能设计出一种成像技术，实时检测变电站周边的信息，并且提醒工作人员可能会出现的危险隐患，以便工作人员能够及时得做好应对准备显得尤为重要。

激光测距主要有脉冲法和相位法，而相位法虽然精度较高，但是却有测量距离不远，电路复杂，体积、功耗较大等诸多不满足于实际需求的缺点，因而只能采用测量精度相对较低但测距远的脉冲法来进行测量。近年来，关于如何提高激光脉冲法精度的研究越来越多，提出了大量的改进方法。高通容阻时刻鉴别法、差分延迟法等在提高精度方面虽然取得了一些效果，但都存在电路复杂、灵敏性差、抗干扰能力低等诸多缺点。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种基于脉冲计数和时间拓展的激光测距方法。本发明通过以下技术方案实现：

一种基于脉冲计数和时间拓展的激光测距方法，包括步骤：

S1：在一物体上方设置激光扫描仪，以激光扫描仪为坐标原点，建立三维直角坐标系；

S2、以激光扫描仪的末端为固定点，做半径逐渐变化的旋转运动，激光扫描仪的发射端周期性的发射出具有方向信息的激光脉冲；

S3、记录发射出的激光脉冲信号的方向向量，以及发射时刻；

S4、发射的激光脉冲到达一被测物后发生反射，激光扫描仪的接收端接收反射的激光脉冲；

S5、记录下光电探测器接收到漫反射的激光脉冲的接收时刻；

S6、根据发射时刻和接收时刻得到激光脉冲的飞行时间，并用脉冲计数法和时间拓展法进行优化，得到优化后的飞行时间；

S7、根据优化后的飞行时间求出激光扫描仪与被测物的距离；

S8、根据计算得到的距离以及发射出的激光脉冲信号的方向向量，计算被测物与物体的水平距离；

S9、判断被测物与物体的水平距离是否在一预设距离之内，若判断结果为是，则被测物距离物体过近；

其中，S6中用脉冲计数法和时间拓展法进行优化包括测量：飞行时间T_x、发射时刻相对于下一个脉冲上升沿的时间间隔T₁、接收时刻相对于下一个脉冲上升沿的时间间隔T₂；

根据脉冲计数法，优化前的飞行时间为T_x＝NT₀，其中，N为脉冲计数个数，T₀为量化的脉冲周期；

使用时间拓展法对T₁、T₂进行拓展，先用恒流电流I₁对一电容C进行充电，充电结束后再用恒流电流对电容进行放电，达到起始电平位置，由得到T₁'＝kT₁，将T₁扩展k倍后得到T₁′，对扩展后的T₁′继续采用脉冲计数法进行测量，脉冲计数个数为N₁，得到同理 $T_2=\frac{N_2{T}_0}{k};$

优化后的飞行时间为 $T_x={\mathrm{NT}}_0+T_1-T_2=(N+\frac{N_1-N_2}{k})T_0.$

较佳的，在步骤S9之后还包括步骤：

S10、判断此次激光脉冲的方向向量是否与第一次发射的激光脉冲的方向向量相同，若判断结果为是，则执行步骤S11，反之则返回S2；

S11、显示三维图像，并标识出距离物体过近的被测物。

较佳的，激光扫描仪所在的水平面为X轴和Y轴，垂直于激光扫描仪所在的水平面的方向为Z轴，三者满足右手定则。

本发明另提供一种基于脉冲计数和时间拓展的激光测距系统，包括以下技术方案：

激光扫描仪，设置在一物体上方，激光扫描仪以末端为固定点，做半径逐渐变化的旋转运动，激光扫描仪的发射端周期性的发射出具有方向信息的激光脉冲，接收端接收经被测物反射的激光脉冲；

时刻鉴别模块，通过一第一通道连接发射端，通过一第二通道连接接收端，分别记录激光脉冲的发射时刻以及接收时刻；

时间间隔测量模块，连接时刻鉴别模块，根据测得的发射时刻以及接收时刻，计算激光脉冲的飞行时间；

控制部分，连接时间间隔测量模块以及激光扫描仪，用以发出控制指令，控制激光扫描仪周期性的发射激光脉冲，以及根据计算得到的飞行时间，采用脉冲计数法和时间扩展法对飞行时间进行优化，并计算被测物与物体的水平距离，包括：

根据脉冲计数法，优化前的飞行时间为T_x＝NT₀，其中，N为脉冲计数个数，T₀为量化的脉冲周期；

使用时间拓展法对T₁、T₂进行拓展，先用恒流电流I₁对一电容C进行充电，充电结束后再用恒流电流对电容进行放电，达到起始电平位置，由得到T₁'＝kT₁，将T₁扩展k倍后得到T₁′，对扩展后的T₁′继续采用脉冲计数法进行测量，脉冲计数个数为N₁，得到同理 $T_2=\frac{N_2{T}_0}{k};$

优化后的飞行时间为 $T_x={\mathrm{NT}}_0+T_1-T_2=(N+\frac{N_1-N_2}{k})T_0.$

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

第一，本发明可以显示出变电站周边物体的三维成像，并可以直观地看出是否有危险隐患区域。

第二，本发明易于运用到实际工程中。

附图说明

图1所示的是本发明的流程图；

图2所示的是系统结构框图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

一种基于脉冲计数和时间拓展的激光测距方法，其流程如图1所示，在本实施例中，以背景技术中所述的变电站保护为例进行说明：

S1：在变电站上方设置激光扫描仪，以激光扫描仪为坐标原点，建立三维直角坐标系；

相对于水平面与检测台上激光扫描仪的距离而言，激光扫描仪的尺寸可以忽略不计。因而可以将其等效成一个点，以激光扫描仪所在平面设置X、Y轴，垂直于扫描仪平面向上的方向为Z轴建立空间直角坐标系。三者需要满足右手定则。

S2、以激光扫描仪的末端为固定点，做半径逐渐变化的旋转运动，激光扫描仪的发射端周期性的发射出具有方向信息的激光脉冲；

S3、记录发射出的激光脉冲信号的方向向量(x,y,z)，以及发射时刻T₁；

激光扫描仪的尾部固定住，发射端做半径逐渐变化的旋转运动，以便能够扫描到变电站周边所有的区域，尽量减少盲区。由于激光具有很强的方向性，因而发射出的每一束激光都可以得到其关于坐标系的一个向量。在第一次发射时，记录下此次的方向向量(x₀,y₀,z₀)。

S4、发射的激光脉冲到达一被测物后发生反射，激光扫描仪的接收端接收反射的激光脉冲；

S5、记录下光电探测器接收到漫反射的激光脉冲的接收时刻T₂；

S6、根据发射时刻和接收时刻得到激光脉冲的飞行时间，并用脉冲计数法和时间拓展法进行优化，得到优化后的飞行时间；

通过记录发射时刻与接收时刻，能够得到激光在从激光发射器到被测物所需要的时间(飞行时间)。但由于激光在空气中的传播速度为30Km/s，因而整个传播过程所需要的时间非常短。所以很小的绝对误差也会是很大的相对误差，将给后续的距离计算带来巨大的误差。因此，在本发明中，采用脉冲计数法与时间拓展法的结合得到较为精确的时间。

根据脉冲计数法，将时间用固定频率为f，周期为T₀的脉冲来等分。发射端的发射时刻并不一定就是正好处于脉冲上升沿，一般都在在两个上升沿之间，那么发射时刻与下一个上升沿之间的时间间隔设为T₁；T₂同理。

优化前的飞行时间为T_x＝NT₀，其中，N为脉冲计数个数，T₀为量化的脉冲周期；

使用时间拓展法对T₁、T₂进行拓展，先用恒流电流I₁对一电容C进行充电，充电结束后再用恒流电流对电容进行放电，达到起始电平位置，由得到T₁'＝kT₁，将T₁扩展k倍后得到T₁′，对扩展后的T₁′继续采用脉冲计数法进行测量，脉冲计数个数为N₁，得到同理 $T_2=\frac{N_2{T}_0}{k};$

优化后的飞行时间为 $T_x={\mathrm{NT}}_0+T_1-T_2=(N+\frac{N_1-N_2}{k})T_0.$

因为时间扩展了k倍，最后测得的时间间隔测量误差可以缩小k倍，当k＝100时，测量的误差就减小了百倍。

S7、根据优化后的飞行时间求出激光扫描仪与被测物的距离为激光脉冲的速度；

S8、根据计算得到的距离以及发射出的激光脉冲信号的方向向量，计算被测物与激光扫描仪所在物体的水平距离；

由L、x、y、z这四个信息可以计算出该被测物与变电站的水平距离，并与该变电站要求的安全距离相比，对于已经不在安全区域的发射点，要特别标识出；

通过建立的空间直角坐标系和测得的L、x、y、z可以得出反射点的坐标，即(xL,yL,zL)，通过立体几何的知识可以得到该反射点与变电站的水平距离将这个距离与该变电站要求的安全距离相比，判断该反射点是否距离变电站太近。

S9、判断被测物与物体的水平距离是否在一预设距离之内，若判断结果为是，则被测物距离物体过近；

S10、判断此次激光脉冲的方向向量是否与第一次发射的激光脉冲的方向向量相同，若判断结果为是，则执行步骤S11，反之则返回S2；

通过比较每一时刻发射激光的方向向量(x,y,z)和初始向量，即(x₀,y₀,z₀)可以判断出扫描仪是否已经完成了对规定区域的扫描。如果两向量一样，说明扫描仪已经回到了原始地方，完成了对规定区域的扫描，这样就可以集中处理所得到的数据，显示出三维图像。

S11、显示三维图像，并标识出距离物体过近的被测物。

对于接收到的一系列的数值点，数据处理部分将还原这些点相对于激光扫描仪的三维图像，对于包含有红色警醒指令的点，在还原图像时需要把它着色。这样将所有的数据处理完成之后，也就绘制出了一幅有红色区域的三维图像。工作人员通过定期查看图像，就可以清晰看见具有危险隐患的地区，并且提前做好应对准备，减少损失。

设置k＝100，通过测量一组数据来显示该方法对于提高测距时间精度的效果，如表1所示：

表1

由表1可见，利用计数法和时间拓展法结合的方法确实很大程度的提高了测距精度。这样在软件绘制三维图像时，能够更清晰得显示出反射物表面的轮廓信息，方便工作人员直观看到影响变电站安全运行的物体，做出更为有效得应对措施。

如图2所示，本发明另提供一种基于脉冲计数和时间拓展的激光测距系统，包括以下技术方案：

激光扫描仪，设置在一物体上方，激光扫描仪以末端为固定点，做半径逐渐变化的旋转运动，激光扫描仪的发射端2周期性的发射出具有方向信息的激光脉冲，接收端接收经被测物8反射的激光脉冲；

时刻鉴别模块4，通过一第一通道6连接发射端2，通过一第二通道7连接接收端3，分别记录激光脉冲的发射时刻以及接收时刻；

时间间隔测量模块5，连接时刻鉴别模块4，根据测得的发射时刻以及接收时刻，计算激光脉冲的飞行时间；

控制部分1，连接时间间隔测量模块以及激光扫描仪，用以发出控制指令，控制激光扫描仪周期性的发射激光脉冲，以及根据计算得到的飞行时间，采用脉冲计数法和时间扩展法对飞行时间进行优化，优化原理同前一实施例，再次不做赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于脉冲计数和时间拓展的激光测距方法，其特征在于，包括步骤：

S1：在一物体上方设置激光扫描仪，以激光扫描仪为坐标原点，建立三维直角坐标系；

S2、以激光扫描仪的末端为固定点，做半径逐渐变化的旋转运动，激光扫描仪的发射端周期性的发射出具有方向信息的激光脉冲；

S3、记录发射出的激光脉冲信号的方向向量，以及发射时刻；

S4、发射的激光脉冲到达一被测物后发生反射，激光扫描仪的接收端接收反射的激光脉冲；

S5、记录下光电探测器接收到漫反射的激光脉冲的接收时刻；

S6、根据发射时刻和接收时刻得到激光脉冲的飞行时间，并用脉冲计数法和时间拓展法进行优化，得到优化后的飞行时间；

S7、根据优化后的飞行时间求出激光扫描仪与被测物的距离；

S8、根据计算得到的距离以及发射出的激光脉冲信号的方向向量，计算被测物与所述物体的水平距离；

S9、判断被测物与所述物体的水平距离是否在一预设距离之内，若判断结果为是，则被测物距离所述物体过近；

其中，S6中所述用脉冲计数法和时间拓展法进行优化包括测量：飞行时间T_x、发射时刻相对于下一个脉冲上升沿的时间间隔T₁、接收时刻相对于下一个脉冲上升沿的时间间隔T₂；

根据脉冲计数法，优化前的飞行时间为T_x＝NT₀，其中，N为脉冲计数个数，T₀为量化的脉冲周期；

使用时间拓展法对T₁、T₂进行拓展，先用恒流电流I₁对一电容C进行充电，充电结束后再用恒流电流对所述电容进行放电，达到起始电平位置，由得到T₁'＝kT₁，将T₁扩展k倍后得到T₁′，对扩展后的T₁′继续采用脉冲计数法进行测量，脉冲计数个数为N₁，得到同理 $T_2=\frac{N_2{T}_0}{k};$

优化后的飞行时间为 $T_x={\mathrm{NT}}_0+T_1-T_2=(N+\frac{N_1+N_2}{k})T_0.$

2.根据权利要求1所述的基于脉冲计数和时间拓展的激光测距方法，其特征在于，在步骤S9之后还包括步骤：

S10、判断此次激光脉冲的方向向量是否与第一次发射的激光脉冲的方向向量相同，若判断结果为是，则执行步骤S11，反之则返回S2；

S11、显示三维图像，并标识出距离所述物体过近的被测物。

3.根据权利要求1所述的基于脉冲计数和时间拓展的激光测距方法，其特征在于，激光扫描仪所在的水平面为X轴和Y轴，垂直于激光扫描仪所在的水平面的方向为Z轴，三者满足右手定则。

4.一种基于脉冲计数和时间拓展的激光测距系统，其特征在于，包括：

激光扫描仪，设置在一物体上方，所述激光扫描仪以末端为固定点，做半径逐渐变化的旋转运动，激光扫描仪的发射端周期性的发射出具有方向信息的激光脉冲，接收端接收经被测物反射的激光脉冲；

时刻鉴别模块，通过一第一通道连接所述发射端，通过一第二通道连接所述接收端，分别记录激光脉冲的发射时刻以及接收时刻；

时间间隔测量模块，连接所述时刻鉴别模块，根据测得的发射时刻以及接收时刻，计算激光脉冲的飞行时间；

控制部分，连接所述时间间隔测量模块以及所述激光扫描仪，用以发出控制指令，控制所述激光扫描仪周期性的发射激光脉冲，以及根据计算得到的飞行时间，采用脉冲计数法和时间扩展法对飞行时间进行优化，并计算被测物与所述物体的水平距离，包括：

根据脉冲计数法，优化前的飞行时间为T_x＝NT₀，其中，N为脉冲计数个数，T₀为量化的脉冲周期；

使用时间拓展法对T₁、T₂进行拓展，先用恒流电流I₁对一电容C进行充电，充电结束后再用恒流电流对所述电容进行放电，达到起始电平位置，由得到T₁'＝kT₁，将T₁扩展k倍后得到T₁′，对扩展后的T₁′继续采用脉冲计数法进行测量，脉冲计数个数为N₁，得到同理 $T_2=\frac{N_2{T}_0}{k};$

优化后的飞行时间为 $T_x={\mathrm{NT}}_0+T_1-T_2=(N+\frac{N_1-N_2}{k})T_0.$