CN104199042A - 多回波激光测距方法及激光测距仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多回波激光测距方法，应用于激光测距仪中，其包括：激光发射单元发射一始波信号，同时，定时单元启动定时；激光接收单元接收始波信号接触到物体表面时反射回来的回波信号，直至定时时长达到后，关闭定时单元并终止激光接收单元接收；回波信号提取单元依次提取接收到的各个回波信号，并获取各个回波信号的强度值，将强度值满足预设阈值的回波信号作为有效回波信号；时间测量单元分别计算所述各个有效回波信号的接收时间与所述始波信号的发射时间的时间差值；多路选择单元将各个时间差值进行比较，输出最大的时间差值；距离运算单元根据所述最大的时间差值进行运算，得到最终的测距距离值，这样大大便提高了激光测距的准确度。

Description

多回波激光测距方法及激光测距仪

技术领域

本发明涉及激光测距领域，具体涉及一种多回波激光测距方法及激光测距仪。

背景技术

激光由于具有良好的方向性、单向性、高亮性和相干性等特点而被广泛应用在测距领域中，其中激光测距仪便是一种利用激光来测距的设备，其具有精确度高、分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因此被众多行业广泛使用。

激光测距技术可以分为激光飞行时间测距和非飞行时间测距两类，其中飞行时间测距又包括脉冲激光测距和连续波激光测距。

脉冲激光测距的基本原理是，测距仪的激光发射单元在测距点向被测目标物体发射一束强窄激光脉冲(可称为始波信号)，光脉冲传输到目标物体表面以后，其中一小部分激光(可称为回波信号)会反射回测距点被测距仪的激光接收单元所接收，根据激光接收单元接收到回波信号的时间与激光发射单元发射始波信号的时间之差，结合激光在介质(通常中空气)中的传播速度，便可推算出测距点和被测目标物体之间的距离。

但是在飞行时间测距中，激光的传播路径上可能会遇到多种反射率不同的障碍物，如雨，雾，树木的枝干，墙体等，这样，激光便很可能会返回多个与目标物体无关的回波信号，而现有技术的激光测距仪却往往只接收第一个返回的回波信号，而忽略了后续的回波信号，这样得到的回波信号便很可能并不是激光从目标物体表面返回的信号，在后续计算中，由该回波信号得到的距离值自然也不是测距点与目标物体之间的准确的距离值。

发明内容

本发明针对现有技术中的激光测距方法可能导致所测的距离值不准确的技术问题，提出一种多回波激光测距方法。

本发明提出的一种多回波激光测距方法，应用于激光测距仪中，其包括以下步骤：

激光发射单元发射一始波信号，同时，定时单元启动定时；

激光接收单元接收所述始波信号接触到物体表面时反射回来的回波信号，直至所述定时时长达到后，关闭所述定时单元并终止所述激光接收单元接收；

回波信号提取单元依次提取接收到的各个回波信号，并获取各个回波信号的强度值，将强度值满足预设阈值的回波信号作为有效回波信号；

时间测量单元分别计算所述各个有效回波信号的接收时间与所述始波信号的发射时间的时间差值；

多路选择单元将各个时间差值进行比较，输出最大的时间差值；

距离运算单元根据所述最大的时间差值进行运算，得到测距点与目标物体之间的距离值；且所述距离值满足：其中，d为所述距离值，Δt为所述最大的时间差值，c为激光在介质中的传播速度。

作为优选，所述定时单元的定时时长满足：其中，t为定时时长，L为所述激光测距仪的额定量程，c为激光在介质中的传播速度；

具体的，所述时间测量单元包括多个第一时间测量单元，所述时间测量单元分别计算所述各个有效回波信号的接收时间与所述始波信号的发射时间的时间差值的步骤具体包括：

启动计数单元计算所述有效回波信号的数量；

在各个第一时间测量单元中输入所述始波信号的时间信息，同时将所有的有效回波信号的时间信息输入第一个第一时间测量单元中；由第一个第一时间测量单元计算第一个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第一个时间差值；然后将剩余的有效回波信号的时间信息输入第二个第一时间测量单元中，由第二个第一时间测量单元计算第二个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第二个时间差值；以此类推，直至完成所有有效回波信号与所述始波信号的时间差测量完成。

具体的，时间测量单元分别计算所述各个有效回波信号与所述始波信号的时间差值的步骤具体包括：

启动计数单元计算所述有效回波信号的数量；

将所述始波信号的时间信息输入时间测量单元中；

采用流水线方式，将第一个有效回波信号的时间信息输入第二时间测量单元中，由所述第二时间测量单元测量所述第一个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第一个时间差值；然后将第二个有效回波信号的时间信息输入所述第二时间测量单元中，由时间测量单元测量所述第二个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第二个时间差值，以此类推，直至完成所有有效回波信号与所述始波信号的时间差测量完成。

此外，本发明还提出了一种激光测距仪，其主要包括以下单元：

激光发射单元，用于发射始波信号；

激光接收单元，接收所述始波信号接触到物体表面时反射回来的回波信号；

定时单元，用于设定所述激光接收单元持续接收所述回波信号的定时时长；

回波信号提取单元，依次提取接收到的各个回波信号，并获取各个回波信号的强度值，将强度值满足预设阈值的回波信号作为有效回波信号；

时间测量单元，用于分别计算所述各个有效回波信号的接收时间与所述始波信号的发射时间的时间差值；

多路选择单元，用于将各个时间差值进行比较，输出最大的时间差值；

距离运算单元，用于根据所述最大的时间差值进行运算，得到测距点与目标物体之间的距离值。

作为优选，本发明还提出的激光测距仪还包括：

计数单元：用于计算所述有效回波信号的数量，并输出数量值；

所述时间测量单元根据所述计数单元得到的数量值执行相应次数的时间差计算。

具体的，所述时间测量单元包括多个第一时间测量单元，各个所述第一时间测量单元用于对应计算各个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并分别输出所述时间差值；

具体的，所述时间测量单元具体为以下第二时间测量单元：

第二时间测量单元，用于输入所述始波信号的时间信息，同时采用流水线方式，输入第一个有效回波信号的时间信息，测量所述第一个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第一个时间差值；然后输入第二个有效回波信号的时间信息，测量所述第二个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第二个时间差值，以此类推，直至完成所有有效回波信号与所述始波信号的时间差测量完成。

本发明提出的一种多回波激光测距，通过对激光接收单元进行定时，使其在预定时长内接收所有的可能由目标物体反射回来的回波信号；然后利用强度阈值剔除一些明显无效(例如强度较小)的回波信号，剩下可能性较高的有效回波信号，再将各个有效回波信号的接收时间与始波信号的发射时间进行计算，得到最大的时间差值；在确保前述预定时长比较准确、合理的情况下，根据该最大时间差值结合激光在介质(通常是在空气)中的传播速度便可准确地计算到测距点与目标物体的距离(通常目标物体的体积要比其与激光测距仪之间的障碍物大得多，因此可认为在激光测距仪的量程内，目标物体的表面即为激光传播的终点，因此最晚接收到的有效回波信号便可认为是真正由目标物体返回的信号)。因而，本发明大大提高了激光测距的准确度。

附图说明

图1是本发明提出的一种多回波激光测距方法实施例的流程示意图；

图2是图1中步骤400的具体实现方案一的示意图；

图3是图1中步骤400的具体实现方案二的示意图；

图4是本发明提出的一种激光测距仪实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步描述。

本实施例提出的一种多回波激光测距方法，可应用于激光测距仪中，请参阅图1，其主要包括以下步骤S100至S600：

S100、激光发射单元发射一始波信号，同时，定时单元启动定时。

本实施例中，激光发射单元通过激光脉冲产生一始波信号，该始波信号在传播过程中遇到障碍物便会产生部分反射波信号，也即回波信号。定时单元主要用于为激光接收单元接收回波信号进行定时(可以理解地是，一旦激光发射单元开启，激光接收单元也即开启，进入准备接收回波信号的工作状态)。

S200、激光接收单元接收所述始波信号接触到物体表面时反射回来的回波信号，直至所述定时时长达到后，关闭所述定时单元并终止所述激光接收单元接收。

本实施例中，始波信号在传播过程中遇到的物体可能是需要测距的目标物体，也可能是雨滴、树木的枝干等干扰物，因此可能会返回多个回波信号。而激光接收单元需在定时时长内尽可能地接收所有回波信号，以免漏掉真正需要的(从目标物体返回的)回波信号。本实施例的定时时长可以根据测距人员的经验进行设置，也可根据激光测距仪的特性、测距时的环境情况等可能影响测距的因素进行综合权衡后设置。

经发明人长期的研究与探索，本实施例针对上述定时时长提供了一个科学、合理的设置方案，将定时时长设置为：其中，t为定时时长，L为所述激光测距仪的额定量程，c为激光在介质中的传播速度(如果是在露天空气中测距，则该介质可指空气，如果是在其他介质中测距，则c应指激光在其他介质的传播速度)。

参照此设置方案，即使目标物体正好位于激光测距仪的额定量程的终点处，始波信号在接触到目标物体后，其回波信号返回到激光接收器的时间通常也不会大于这个时间。因此设置定时时长为基本可保证在定时时长内便能接收到从目标物体上返回的回波信号，当定时时长到达时，激光接收单元便可不用再进行回波信号的接收。

S300、回波信号提取单元依次提取接收到的各个回波信号，并获取各个回波信号的强度值，将强度值满足预设阈值的回波信号作为有效回波信号。

由于接收到的回波信号在强度上会存在差别，因此本实施例中利用强度阈值剔除一些明显无效(例如强度较小)的回波信号，该强度阈值可根据具体情况进行设置，例如结合激光发射单元发出激光的强度、测距时的环境情况、目标物体可能返回的回波信号强度值门限等进行设置。

S400、时间测量单元分别计算所述各个有效回波信号的接收时间与所述始波信号的发射时间的时间差值。

本实施例中，根据回波信号的接收时间与始波信号的发射时间的时间差值便可计算测距点与物体之间的距离值，因此需要对各个有效回波信号的接收时间与所述始波信号的发射时间的时间差值进行测量。

S500、多路选择单元将各个时间差值进行比较，输出最大的时间差值。

本实施例中，由于通常目标物体的体积要比其与激光测距仪之间的雨滴、树木的枝干等障碍物大得多，因此可认为在激光测距仪的量程内，目标物体的表面即为激光传播的终点，因此最晚接收到(时间差值最大)的有效回波信号便可认为是真正由目标物体表面返回的信号。

S600、距离运算单元根据所述最大的时间差值进行运算，得到测距点与目标物体之间的距离值；且所述距离值满足：其中，d为所述距离值，Δt为所述最大的时间差值，c为激光在介质中的传播速度。

本实施例中，根据上述最大的时间差值结合激光在介质中的传播速度便可计算到得到测距点与目标物体之间的距离值。

综上所述，本实施例提出的一种多回波激光测距，通过对激光接收单元进行定时，使其在预定时长内接收所有的可能由目标物体反射回来的回波信号；然后利用强度阈值剔除一些明显无效(例如强度较小)的回波信号，剩下可能性较高的有效回波信号，再将各个有效回波信号的接收时间与始波信号的发射时间进行计算，得到最大的时间差值；在确保前述预定时长比较准确、合理的情况下，根据该最大时间差值结合激光在介质(通常是在空气)中的传播速度便可准确地计算到测距点与目标物体的距离。因而，本发明大大提高了激光测距的准确度。

本实施例中步骤S400可以利用逻辑电路来实现，以下提供两种利用逻辑电路来实现的方案以供参考。

方案一中，上述步骤S400具体包括：

S401、启动计数单元计算所述有效回波信号的数量；

S402、在各个第一时间测量单元中输入所述始波信号的时间信息，同时将所有的有效回波信号的时间信息输入第一个第一时间测量单元中；由第一个第一时间测量单元计算第一个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第一个时间差值；然后将剩余的有效回波信号的时间信息输入第二个第一时间测量单元中，由第二个第一时间测量单元计算第二个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第二个时间差值；以此类推，直至完成所有有效回波信号与所述始波信号的时间差测量完成。

以上方案一请参考图2，假设始波信号为Start,回波信号序列为Stop，该回波信号序列Stop包括Sp1、Sp2……SpN共N个回波信号(为方便起见，这里假设所有回波信号均为有效回波信号)，步骤S400中对该回波信号序列Stop进行依次处理，例如，第一次处理的回波序列Stop1为Sp1、Sp2……SpN，将Stop1输入第一时间单元1中，由第一时间单元1测量回波信号Sp1与始波信号Start的时间差值1；剩余的回波序列Stop2为Sp2……SpN，将Stop2输入第一时间单元2中，由第一时间单元2测量回波信号Sp2与始波信号Start的时间差值2，以此类推，直至处理到剩余的回波序列StopN(也即仅包括回波信号SpN)，最后将StopN输入第一时间单元N中，由第一时间单元N测量回波信号SpN与始波信号Start的时间差值N。

方案二中，上述步骤S400具体包括：

S410、启动计数单元计算所述有效回波信号的数量；

S420、将所述始波信号的时间信息输入时间测量单元中；

S430、采用流水线方式，将第一个有效回波信号的时间信息输入第二时间测量单元中，由所述第二时间测量单元测量所述第一个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第一个时间差值；然后将第二个有效回波信号的时间信息输入所述第二时间测量单元中，由时间测量单元测量所述第二个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第二个时间差值，以此类推，直至完成所有有效回波信号与所述始波信号的时间差测量完成。

请参考图3，同样假设始波信号为Start,回波信号序列为Stop，该回波信号序列Stop包括Sp1、Sp2……SpN共N个回波信号(为方便起见，这里假设所有回波信号均为有效回波信号)，步骤S400对各回波信号采用流水线方式，当提取到第一个回波信号Sp1时，将第一个回波信号Sp1的输入时间测量单元中(为与方案一相区别，这里时间测量单元可称为第二时间测量单元，图3未示出)，由所述时间测量单元测量第一个回波信号Sp1与所述始波信号Start的时间差值，并得到时间差值1；当提取到第二个回波信号Sp2时，将第二个回波信号Sp2的输入时间测量单元中，由时间测量单元测量所述第二个回波信号Sp2与所述始波信号Start的时间差值，并得到时间差值2，以此类推，直至完成所有回波信号与所述始波信号Start的时间差的测量，并输出这些时间差值。

此外，本发明还得出了一种激光测距仪，请参阅图4，其实施例主要包括以下各单元：

激光发射单元100，用于发射始波信号；

激光接收单元200，接收所述始波信号接触到物体表面时反射回来的回波信号；

定时单元300，用于设定所述激光接收单元持续接收所述回波信号的定时时长；

回波信号提取单元400，依次提取接收到的各个回波信号，并获取各个回波信号的强度值，将强度值满足预设阈值的回波信号作为有效回波信号；

时间测量单元500，用于分别计算所述各个有效回波信号的接收时间与所述始波信号的发射时间的时间差值；

多路选择单元600，用于将各个时间差值进行比较，输出最大的时间差值；

距离运算单元700，用于根据所述最大的时间差值进行运算，得到测距点与目标物体之间的距离值。

以上激光发射单元100、激光接收单元200、定时单元300、回波信号提取单元400、时间测量单元500、多路选择单元600和距离运算单元700所执行的功能和流程与上述多回波激光测距方法实施例中步骤S100至S600对应，；因此各单元所执行的功能及流程的分析和解释、有益效果均可参考前述多回波激光测距方法实施例步骤S100至S600的分析和解释、有益效果的描述，这里不再赘述。

同样，本实施例中时间测量单元500的功能可以利用逻辑电路来实现，当其利用逻辑电路来实现时，激光测距仪还可包括：

计数单元800：用于计算所述有效回波信号的数量，并输出数量值；

所述时间测量单元500根据所述计数单元800得到的数量值执行相应次数的时间差计算。

也即有多少有效回波信号，便需进行多少次时间差值的计算。

以下提供两中利用逻辑电路来实现时间测量单元500的功能的方案以供参考。

方案一中，所述时间测量单元500包括多个第一时间测量单元，各个所述第一时间测量单元用于对应计算各个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并分别输出所述时间差值；

方案二中，所述时间测量单元500具体为以下第二时间测量单元：

第二时间测量单元，用于输入所述始波信号的时间信息，同时采用流水线方式，输入第一个有效回波信号的时间信息，测量所述第一个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第一个时间差值；然后输入第二个有效回波信号的时间信息，测量所述第二个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第二个时间差值，以此类推，直至完成所有有效回波信号与所述始波信号的时间差测量完成。

综上所述可知，以上多回波激光测距方法实施例及激光测距仪实施例，分别解决了现有技术中激光测距方法及激光测距仪中存在的技术缺陷，从而提高了激光测距方法及激光测距仪的测距准确度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种多回波激光测距方法，应用于激光测距仪中，其特征在于，包括： 

激光发射单元发射一始波信号，同时，定时单元启动定时； 

激光接收单元接收所述始波信号接触到物体表面时反射回来的回波信号，直至所述定时时长达到后，关闭所述定时单元并终止所述激光接收单元接收； 

回波信号提取单元依次提取接收到的各个回波信号，并获取各个回波信号的强度值，将强度值满足预设阈值的回波信号作为有效回波信号； 

时间测量单元分别计算所述各个有效回波信号的接收时间与所述始波信号的发射时间的时间差值； 

多路选择单元将各个时间差值进行比较，输出最大的时间差值； 

距离运算单元根据所述最大的时间差值进行运算，得到测距点与目标物体之间的距离值；且所述距离值满足：其中，d为所述距离值，Δt为所述最大的时间差值，c为激光在介质中的传播速度。 

2.根据权利要求1所述的多回波激光测距方法，其特征在于，所述定时单元的定时时长满足：其中，t为定时时长，L为所述激光测距仪的额定量程，c为激光在介质中的传播速度。 

3.根据权利要求2所述的多回波激光测距方法，其特征在于，所述时间测量单元包括多个第一时间测量单元，所述时间测量单元分别计算所述各个有效回波信号的接收时间与所述始波信号的发射时间的时间差值的步骤具体包括： 

启动计数单元计算所述有效回波信号的数量； 

在各个第一时间测量单元中输入所述始波信号的时间信息，同时将所有的有效回波信号的时间信息输入第一个第一时间测量单元中；由第一个第一时间测量单元计算第一个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第一个时间差值；然后将剩余的有效回波信号的时间信息输入第二个第一时间测量单元中，由第二个第一时间测量单元计算第二个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第二个时间差值；以此类推，直至完成所有有效回波信号与所述始波信号的时间差测量完成。 

4.根据权利要求2所述的多回波激光测距方法，其特征在于，时间测量单元分别计算所述各个有效回波信号与所述始波信号的时间差值的步骤具体包括： 

启动计数单元计算所述有效回波信号的数量； 

将所述始波信号的时间信息输入时间测量单元中； 

采用流水线方式，将第一个有效回波信号的时间信息输入第二时间测量单元中，由所述 第二时间测量单元测量所述第一个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第一个时间差值；然后将第二个有效回波信号的时间信息输入所述第二时间测量单元中，由时间测量单元测量所述第二个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第二个时间差值，以此类推，直至完成所有有效回波信号与所述始波信号的时间差测量完成。 

5.一种激光测距仪，其特征在于，包括： 

激光发射单元，用于发射始波信号； 

激光接收单元，接收所述始波信号接触到物体表面时反射回来的回波信号； 

定时单元，用于设定所述激光接收单元持续接收所述回波信号的定时时长； 

回波信号提取单元，依次提取接收到的各个回波信号，并获取各个回波信号的强度值，将强度值满足预设阈值的回波信号作为有效回波信号； 

时间测量单元，用于分别计算所述各个有效回波信号的接收时间与所述始波信号的发射时间的时间差值； 

多路选择单元，用于将各个时间差值进行比较，输出最大的时间差值； 

距离运算单元，用于根据所述最大的时间差值进行运算，得到测距点与目标物体之间的距离值。 

6.如权利要求5的一种激光测距仪，其特征在于，还包括： 

计数单元：用于计算所述有效回波信号的数量，并输出数量值； 

所述时间测量单元根据所述计数单元得到的数量值执行相应次数的时间差计算。 

7.如权利要求6的一种激光测距仪，其特征在于，所述时间测量单元包括多个第一时间测量单元，各个所述第一时间测量单元用于对应计算各个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并分别输出所述时间差值。 

8.如权利要求6的一种激光测距仪，其特征在于，所述时间测量单元具体为以下第二时间测量单元： 

第二时间测量单元，用于输入所述始波信号的时间信息，同时采用流水线方式，输入第一个有效回波信号的时间信息，测量所述第一个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第一个时间差值；然后输入第二个有效回波信号的时间信息，测量所述第二个有效回波信号与所述始波信号的时间差值，并输出第二个时间差值，以此类推，直至完成所有有效回波信号与所述始波信号的时间差测量完成。