CN106019300A - 一种激光测距装置及其激光测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光测距装置及其激光测距方法。该装置包括：光电转换电路，用于将激光信号转换为第一电信号；放大电路，用于将第一电信号进行放大处理并输出第二电信号；比较电路，用于将第二电信号的前沿期间的电压值以及后沿期间的电压值分别与一预设阈值电压进行实时比较，得到一前沿触发信号与一后沿触发信号；计时电路，用于获取相对应的第一时刻和第二时刻；以及内置算法的处理器，用于根据两时刻之间的时差得到第二电信号的脉冲宽度值。本发明通过前沿时刻鉴别技术得到测量距离的粗略值，同时获取回波信号的脉冲宽度，处理器藉由距离和脉冲宽度之间的关系，调用算法进行补偿，得出高精度测距值的同时还获取目标物体的反射率。

Description

一种激光测距装置及其激光测距方法

技术领域

本发明涉及一种激光测距技术，尤其涉及一种基于前沿时刻鉴别技术的激光测距方法。

背景技术

在现有技术中，激光测距仪主要是通过测量激光脉冲的飞行时间而得到距离信息。例如，脉冲式激光测距仪采用激光器作为光源，以激光作为载波，根据飞行时间原理，通过检测激光发射脉冲与激光回波脉冲之间的时间差来测量距离。具体地，激光测距仪包括激光发射器和激光接收器，由激光发射器向空间发射一脉冲激光，该脉冲激光信号打在目标物体表面后，其回波信号被激光接收器捕获。通过激光发射器发出激光信号的时刻以及激光接收器捕获回波的时刻之间的时间差可以计算出目标物体到激光测距仪的距离，其公式表述为：L＝C*T/2，L为目标物体到激光测距仪的距离，C为光速，T为上述两时刻的时间差。从上面的公式可知，脉冲法的测量速度极快，等同于光速，因此对时间的误差极为敏感。为了消除激光回波信号的上升时间(上升沿)和幅度值(强度)不同而引起的时间游动和噪声引起的时间抖动，脉冲测距仪需要采用时刻鉴别技术。

目前，常用的脉冲激光测距的时刻鉴别技术有三种：一种是前沿时刻法，另一种是恒比定时法，再一种是高通时刻法。以前沿时刻法为例，其将回波模拟信号转换为一个具有时间信息的数字逻辑信号，当信号的幅值低于某一给定阈值时，不输出触发信号；当信号的幅值达到给定阈值时，才输出固定幅值的触发信号。与恒比定时法和高通时刻法相比，时刻鉴别电路结构简单、价格低廉、抗干扰性能强，但发射的激光脉冲与目标物体相互作用后，由于目标表面特征的差异(如粗糙度、倾斜度等)，往往会造成回波脉冲的展宽或变形。同时，激光回波脉冲在传输过程中容易受到空气中灰尘、烟雾、水汽等物体的衰减和干扰，回波波形会被不同程度地展宽和畸变，而且目标物体的表面反射率也使得前沿阈值的到达时间发生变化，使得输出的时间产生差异，最终会影响激光测距仪的测量精度。

有鉴于此，如何设计一种基于前沿时刻鉴别技术的激光测距装置，在不显著增加系统复杂性和成本的基础上改善激光测距时的测量精度，从而克服现有技术的上述缺陷或不足，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。

发明内容

针对现有技术的激光测距装置在测量距离时所存在的上述缺陷，本发明提供一种可改善测距精度的、基于前沿时刻鉴别技术的激光测距装置及其激光测距方法。

依据本发明的一个方面，提供一种基于前沿时刻鉴别技术的激光测距装置，包括：

光电转换电路，用于将所接收的激光信号转换为第一电信号；

放大电路，电性耦接至所述光电转换电路，用于将所述第一电信号进行放大处理，并输出第二电信号，所述第二电信号依次具有一前沿期间以及一后沿期间；

比较电路，电性耦接至所述放大电路，用于将所述第二电信号的前沿期间的电压幅值以及后沿期间的电压幅值分别与一预设阈值电压进行实时比较，得到一前沿触发信号与一后沿触发信号；

计时电路，电性耦接至所述比较电路，用于获取与所述前沿触发信号相对应的第一时刻以及与所述后沿触发信号相对应的第二时刻；以及

处理器，用于接收并处理所述第一时刻和所述第二时刻，并根据所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间差值得到所述第二电信号的脉冲宽度值，从而利用所述脉冲宽度值的不同对激光测距值进行补偿。

在其中的一实施例，所述处理器以所述第一时刻为基准而得到激光测距值，并根据所述时间差值的不同对所述激光测距值进行补偿。

在其中的一实施例，所述处理器根据多组第二电信号各自对应的第一时刻和第二时刻分别获得不同的激光测距值，并利用这些激光测距值的差值对实际的距离值进行补偿。

在其中的一实施例，所述光电转换电路为光探测器件，所述光探测器件为光电二极管(PIN)、雪崩式光电二极管(APD)或光电倍增管(PMT)。

在其中的一实施例，放大电路为跨阻放大器或差分放大器。

在其中的一实施例，所述放大电路为单级放大器或多个级联的放大器。

在其中的一实施例，当所述第二电信号的前沿期间的某点的电压幅值升至所述预设阈值电压时，所述比较电路输出所述前沿触发信号；当所述第二电信号的后沿期间的某点的电压幅值降至所述预设阈值电压时，所述比较电路输出所述后沿触发信号。

在其中的一实施例，所述激光测距装置还包括D触发器，设置于所述比较电路与所述处理器之间。

在其中的一实施例，所述处理器还根据所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间差值获取所述激光信号的强度。

在其中的一实施例，所述处理器为数字信号处理器、微控制单元、现场可编程门阵列或复杂可编程逻辑器件，且所述处理器内置对激光测距值进行补偿以及计算目标物体反射率的固件。

依据本发明的另一个方面，提供一种基于前沿时刻鉴别技术的激光测距方法，适于对激光测距值进行补偿，该激光测距方法包括以下步骤：

接收一激光信号并将其转换为第一电信号；

对所述第一电信号进行放大处理以输出第二电信号，所述第二电信号依次具有一前沿期间以及一后沿期间；

将所述第二电信号的前沿期间的电压幅值以及后沿期间的电压幅值分别与一预设阈值电压进行实时比较，得到一前沿触发信号与一后沿触发信号；

获取与所述前沿触发信号相对应的第一时刻以及与所述后沿触发信号相对应的第二时刻；以及

接收并处理所述第一时刻和所述第二时刻，并根据所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间差值得到所述第二电信号的脉冲宽度值，从而利用所述脉冲宽度值的不同对激光测距值进行补偿。

在其中的一实施例，当所述第二电信号的前沿期间的某点的电压幅值升至所述预设阈值电压时，输出所述前沿触发信号；当所述第二电信号的后沿期间的某点的电压幅值降至所述预设阈值电压时，输出所述后沿触发信号。

在其中的一实施例，该激光测距方法还包括：根据所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间差值获取所述激光信号的强度。

在其中的一实施例，该激光测距方法还包括：根据所述激光测距值和脉冲宽度值计算反射激光信号的物体的表面反射率。

采用本发明的激光测距装置及其激光测距方法，光电转换电路将所接收的激光信号转换为第一电信号，放大电路将第一电信号进行放大并输出第二电信号，比较电路将第二电信号的前沿期间的电压幅值以及后沿期间的电压幅值分别与预设阈值电压进行实时比较，得到前沿触发信号与后沿触发信号，计时电路获取与上述触发信号相对应的第一时刻以及第二时刻，处理器根据第二时刻与第一时刻间的时间差得到第二电信号的脉冲宽度值，从而利用脉冲宽度值的不同对激光测距值进行补偿。相比于现有技术，本发明通过前沿时刻鉴别技术得到测量距离的粗略值，并获取激光回波信号的脉冲宽度，藉由不同距离的脉冲宽度之间的关系算出准确的距离值。此外，本发明还可得到目标物体的表面反射率，电路结构简单、适应性强，可广泛应用于激光雷达或测距仪。

附图说明

读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，

图1示出依据本发明的一实施方式，基于前沿时刻鉴别技术的激光测距装置的结构框图；

图2示出图1的激光测距装置的一示意性实施例的电路连接示意图；

图3示出现有激光测距装置利用前沿鉴别时刻进行激光测距的波形示意图；

图4示出本发明的激光测距装置利用前沿鉴别时刻进行激光测距的波形示意图；以及

图5示出依据本发明的另一实施方式，基于前沿时刻鉴别技术的激光测距方法的流程框图。

具体实施方式

为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。

下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。

图1示出依据本发明的一实施方式，基于前沿时刻鉴别技术的激光测距装置的结构框图。

如背景技术部分所述，现有的时刻鉴别电路虽然结构简单、价格低廉、抗干扰性能强，但发射的激光脉冲与目标物体相互作用后，由于目标表面特征的差异(如粗糙度、倾斜度等)，往往会造成回波脉冲的展宽或变形。并且，激光回波脉冲在传输过程中容易受到空气中灰尘、烟雾、水汽等物体的衰减和干扰，回波波形会被不同程度地展宽和畸变，同时，目标物体的表面反射率也使得前沿阈值的到达时间发生变化，也使得输出的时间产生差异，影响测距精度。

针对上述问题，本发明提供了一种基于前沿时刻鉴别技术的脉宽补偿式激光测距转置。参照图1，在该实施方式中，本发明的激光测距装置包括光电转换电路10、放大电路12、比较电路14、计时电路16和处理器18。

详细而言，光电转换电路10作为光电转换器件，用于将所接收的激光信号转换为第一电信号。例如，光电转换电路10可为光探测器件，诸如光电二极管(PIN)、雪崩式光电二极管(APD)或光电倍增管(PMT)。放大电路12耦接至光电转换电路10的输出端。放大电路12用于将第一电信号进行放大处理并输出第二电信号。第二电信号依次具有一前沿期间及一后沿期间。

比较电路14耦接至放大电路12的输出端，用于将第二电信号的前沿期间的电压幅值以及后沿期间的电压幅值分别与一预设阈值电压进行实时比较，得到一前沿触发信号与一后沿触发信号。较佳地，当第二电信号的上升期间前沿期间的某点的电压幅值升至预设阈值电压时，比较电路14输出前沿触发信号；当第二电信号的后沿期间的某点的电压幅值降至预设阈值电压时，比较电路14输出后沿触发信号。

计时电路16电性耦接至比较电路14，用于获取与前沿触发信号相对应的第一时刻(或称为“前沿时刻”)以及与后沿触发信号相对应的第二时刻(或称为“后沿时刻”)。处理器18用于接收并处理第一时刻和第二时刻，并根据第二时刻与第一时刻之间的时间差值得到第二电信号的脉冲宽度值(pulse width)，从而利用脉冲宽度值的不同对激光测距值进行补偿。例如，处理器18可为数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、微控制单元(MicroController Unit，MCU)、现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)或复杂可编程逻辑器件(Complex ProgrammableLogic Device，CPLD)，且处理器18内置有对激光测距值进行补偿以及计算目标物体反射率的固件。

在一具体实施例，处理器18以第一时刻为基准而得到激光测距值，并根据时间差值的不同对激光测距值进行补偿。或者，处理器18根据多组第二电信号各自对应的第一时刻和第二时刻分别获得不同的激光测距值，并利用这些激光测距值的差值对实际的距离值进行补偿。

在一具体实施例，放大电路12为跨阻放大器或差分放大器。进一步，放大电路12为单级放大器或多个级联的放大器。

此外，处理器18还根据第二时刻与第一时刻之间的时间差值获取激光信号的强度。为避免出现信号误触发的不良现象，本发明的激光测距装置还可设置D触发器，设置于比较电路14与处理器18之间。

图2示出图1的激光测距装置的一示意性实施例的电路连接示意图。

参照图2，在该实施例中，光电转换电路的功能由光电二极管予以实现。放大电路12包括两个级联的放大器，即，前级放大器和主放大器级联，主放大器的输入端电性连接至前级放大器的输出端。比较电路14由单个的运算放大器构成，主放大器的输出端电性连接至运算放大器的正相输入端，预设阈值电压通过分压电阻实现并电性耦接至运算放大器的反相输入端。计时电路16与比较电路14相连接，用于根据前沿触发信号和后沿触发信号来记录对应的两个时刻点。处理器18再根据时刻点之间的时间间隔来计算信号的脉冲宽度。较佳地，计时电路16可集成在处理器18的内部，如此一来，计时电路16与处理器18之间的信号传输可在器件或芯片内部进行，从而可提升信号的传输速度和处理效率。

图3示出现有激光测距装置利用前沿鉴别时刻进行激光测距的波形示意图。图4示出本发明的激光测距装置利用前沿鉴别时刻进行激光测距的波形示意图。

研究表明，当激光测距装置与目标物体相距同一距离时，目标物体的表面反射率越大，激光回波越强，脉冲宽度也越宽。如图3所示，在现有技术中，激光测距采用固定阈值电压，通过回波信号的前沿时刻与起始时刻之间的时间差来计算装置与目标物体之间的距离。然而，从图3(a)～图3(d)可以看出，不同回波强度的前沿鉴别时刻存在较大误差，而这种误差对极大地影响测距精度。相比之下，如图4所示，本发明的激光测距电路采用固定阈值来分别得到同一回波信号的前沿时刻t1和后沿时刻t2，通过前沿时刻t1与后沿时刻t2之间的时间差值获取回波信号的脉冲宽度，并藉由不同距离的脉冲宽度之间的关系计算得到装置与目标物体之间的实际距离值，从而可提高测距精度。

图5示出依据本发明的另一实施方式，基于前沿时刻鉴别技术的激光测距方法的流程框图。参照图5并结合图1，在该实施方式中，本发明的激光测距方法通过步骤S1～步骤S9予以实现。

详细而言，在步骤S1中，光电转换电路10接收一激光信号并将其转换为第一电信号。在步骤S3中，放大电路12对来自光电转换电路10的第一电信号进行放大处理以输出第二电信号。第二电信号依次具有一前沿期间以及一后沿期间。接着，在步骤S5中，比较电路14将第二电信号的前沿期间的电压幅值以及后沿期间的电压幅值分别与一预设阈值电压进行实时比较，得到一前沿触发信号与一后沿触发信号。然后，在步骤S7中，计时电路16获取与前沿触发信号相对应的第一时刻以及与后沿触发信号相对应的第二时刻。最后，在步骤S9中，处理器18接收并处理第一时刻和第二时刻，并根据第二时刻与第一时刻之间的时间差值得到第二电信号的脉冲宽度值，从而利用脉冲宽度值的不同对激光测距值进行补偿。此外，该方法还可根据激光测距值和脉冲宽度值计算反射激光信号的目标物体的表面反射率。例如，当装置与目标物体之间的距离确定时，若获得的脉冲宽度值较大，则说明回波信号较强，亦说明目标物体的表面反射率较高；反之，若获得的脉冲宽度值较小，则说明回波信号较弱，此时的目标物体的表面反射率较低。

采用本发明的激光测距装置及其激光测距方法，光电转换电路将所接收的激光信号转换为第一电信号，放大电路将第一电信号进行放大并输出第二电信号，比较电路将第二电信号的前沿期间的电压幅值以及后沿期间的电压幅值分别与一预设阈值电压进行实时比较，得到一前沿触发信号与一后沿触发信号，计时电路获取与上述触发信号相对应的第一时刻以及第二时刻，处理器根据第二时刻与第一时刻间的时间差得到第二电信号的脉冲宽度值，从而利用脉冲宽度值的不同对激光测距值进行补偿。相比于现有技术，本发明通过前沿时刻鉴别技术得到测量距离的粗略值，并获取激光回波信号的脉冲宽度，藉由不同距离的脉冲宽度之间的关系算出准确的距离值。此外，本发明还可得到目标物体的表面反射率，电路结构简单、适应性强，可广泛应用于激光雷达或测距仪。

上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (14)

1.一种基于前沿时刻鉴别技术的激光测距装置，其特征在于，所述激光测距装置包括：

光电转换电路，用于将所接收的激光信号转换为第一电信号；

放大电路，电性耦接至所述光电转换电路，用于将所述第一电信号进行放大处理，并输出第二电信号，所述第二电信号依次具有一前沿期间以及一后沿期间；

比较电路，电性耦接至所述放大电路，用于将所述第二电信号的前沿期间的电压幅值以及后沿期间的电压幅值分别与一预设阈值电压进行实时比较，得到一前沿触发信号与一后沿触发信号；

计时电路，电性耦接至所述比较电路，用于获取与所述前沿触发信号相对应的第一时刻以及与所述后沿触发信号相对应的第二时刻；以及

处理器，用于接收并处理所述第一时刻和所述第二时刻，并根据所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间差值得到所述第二电信号的脉冲宽度值，从而利用所述脉冲宽度值的不同对激光测距值进行补偿。

2.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述处理器以所述第一时刻为基准而得到激光测距值，并根据所述时间差值的不同对所述激光测距值进行补偿。

3.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述处理器根据多组第二电信号各自对应的第一时刻和第二时刻分别获得不同的激光测距值，并利用这些激光测距值的差值对实际的距离值进行补偿。

4.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述光电转换电路为光探测器件，所述光探测器件为光电二极管(PIN)、雪崩式光电二极管(APD)或光电倍增管(PMT)。

5.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述放大电路为跨阻放大器或差分放大器。

6.根据权利要求1或5所述的激光测距装置，其特征在于，所述放大电路为单级放大器或多个级联的放大器。

7.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，当所述第二电信号的前沿期间的某点的电压幅值升至所述预设阈值电压时，所述比较电路输出所述前沿触发信号；当所述第二电信号的后沿期间的某点的电压幅值降至所述预设阈值电压时，所述比较电路输出所述后沿触发信号。

8.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述激光测距装置还包括D触发器，设置于所述比较电路与所述处理器之间。

9.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述处理器还根据所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间差值获取所述激光信号的强度。

10.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述处理器为数字信号处理器、微控制单元、现场可编程门阵列或复杂可编程逻辑器件，且所述处理器内置对激光测距值进行补偿以及计算目标物体反射率的固件。

11.一种基于前沿时刻鉴别技术的激光测距方法，适于对激光测距值进行补偿，其特征在于，该激光测距方法包括以下步骤：

接收一激光信号并将其转换为第一电信号；

对所述第一电信号进行放大处理以输出第二电信号，所述第二电信号依次具有一前沿期间以及一后沿期间；

将所述第二电信号的前沿期间的电压幅值以及后沿期间的电压幅值分别与一预设阈值电压进行实时比较，得到一前沿触发信号与一后沿触发信号；

获取与所述前沿触发信号相对应的第一时刻以及与所述后沿触发信号相对应的第二时刻；以及

接收并处理所述第一时刻和所述第二时刻，并根据所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间差值得到所述第二电信号的脉冲宽度值，从而利用所述脉冲宽度值的不同对激光测距值进行补偿。

12.根据权利要求11所述的激光测距方法，其特征在于，当所述第二电信号的前沿期间的某点的电压幅值升至所述预设阈值电压时，输出所述前沿触发信号；当所述第二电信号的后沿期间的某点的电压幅值降至所述预设阈值电压时，输出所述后沿触发信号。

13.根据权利要求11所述的激光测距方法，其特征在于，该激光测距方法还包括：

根据所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间差值获取所述激光信号的强度。

14.根据权利要求11所述的激光测距方法，其特征在于，该激光测距方法还包括：

根据所述激光测距值和所述脉冲宽度值计算反射所述激光信号的物体的表面反射率。