CN106908800A - 一种提高脉冲测距精度的方法及脉冲测距设备 - Google Patents

一种提高脉冲测距精度的方法及脉冲测距设备 Download PDF

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CN106908800A CN201710136105.3A CN201710136105A CN106908800A CN 106908800 A CN106908800 A CN 106908800A CN 201710136105 A CN201710136105 A CN 201710136105A CN 106908800 A CN106908800 A CN 106908800A
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Abstract

本发明公开了一种提高脉冲测距精度的方法，其特征在于包含有如下步骤：a.发射激光脉冲，同时开始计时；b.分别记录激光发射信号到回波的上升沿信号之间的时间t1以及回波下降沿信号之间的时间t2；c.得到初始测量的距离x＝(t1*V)/2，回波脉冲宽度y＝(t2‑t1)*v,其中v代表光速，单位m/s；d.通过麦夸特法，利用初始测量距离x,回波脉冲宽度y,基于矩阵数据的非线性曲线拟合出最终测量距离z的函数关系：z＝p1+p2*x+p3*x^2+p4*x^3+p5*x^4+p6*x^5+p7*Ln(y)+p8*(Ln(y))^2+p9*(Ln(y))^3+p10*(Ln(y))^4+p11*(Ln(y))^5)，其中，z的单位为m，P1至P11共11项均为常数，然后在多次检测结果中取平均数。本发明还公开了应用于前述测距方法的设备。它具有检测精度高，可测距离范围大的优点。

Description

一种提高脉冲测距精度的方法及脉冲测距设备
技术领域
本发明涉及光学仪器制造行业，尤其涉及一种提高脉冲测距精度的方法及脉冲测距设备。
背景技术
对于脉冲激光测距的测量精度主要依赖于激光脉冲的上升沿、接收通道的带宽、探测器的信噪比和时间间隔测量的精确度。主要从激光飞行时间t出发考虑距离的精度，其中最关键的技术是如何准确确定t的起止时刻和精确测量时间间隔，他们分别用时刻鉴别法和时间间隔法。
对于时间间隔法，要确定t的起止时刻和精确测量时间间隔存在较大的误差，检测精度还有待提高，如果购买高精度的检测设备则价格昂贵。
对于时刻鉴别方法，回波信号在传输过程中，幅度和上升时间的变化会引起时间漂移误差，这也是影响最终测距精度的原因之一。时刻鉴别的主要作用是对放大电路的输出信号进行实时检测，为系统产生起始信号和同步信号，其性能直接影响着测时精度和系统的距离分辨率。常用的时刻鉴别方法有前沿时刻鉴别法，高通容阻鉴别法，恒比定时法。其中恒比定时法能有效的抑制幅度变化带来的定时误差，脉冲波形形状近似不变时，可以认为脉冲上升沿相同幅度比例点所对应的时间不变，所以可以采取在脉冲的固定比例点触发计数器来提高系统的测量精度。但这种检测方法还存在一些弊端，主要体现在：1、电路复杂，成本较高；2、扛抗噪能力差。
本发明就是在这样的背景下而研制的。
发明内容
本发明的第一个目的是为了解决上述技术问题，提供了一种提高脉冲测距精度的方法，它具有度高，可测距离范围大的优点。
为了实现本发明的第一个目的，本发明采用的技术方案是：
一种提高脉冲测距精度的方法，其特征在于包含有如下步骤：
a.发射激光脉冲，同时开始计时；
b.分别记录激光发射信号到回波的上升沿信号之间的时间ti以及回波下降沿信号之间的时间ti+1，i为自然数；
c.得到初始测量距离xi＝(ti*v)/2，回波脉冲宽度yi＝(ti+1-ti)*v,其中v代表光速，单位m/s，ti+1及ti的单位为s；
d.通过麦夸特法，利用初始测量距离xi,回波脉冲宽度yi,基于矩阵数据的非线性曲线得出拟合距离zi的函数关系；
e.将i次测量得到的拟合距离zi取平均值，得到算数平均数Zi＝
进一步地，在进行步骤d之前，进行数据去毛刺处理。
进一步地，所述拟合距离zi与初始测量距离xi、回波脉冲宽度yi函数关系式为：
zi＝p1+p2*xi+p3*xi^2+p4*xi^3+p5*xi^4+p6*xi^5+p7*Ln(yi)+p8*(Ln(yi))^2+p9*(Ln(yi))^3+p10*(Ln(yi))^4+p11*(Ln(yi))^5)，其中，zi的单位为m，P1至P11共11项均为常数，其分别代表的数值是：
p1 -1161.79634266575
p2 1.02058643936279
p3 9.07483635272553E-5
p4 -2.92121318593416E-5
p5 -1.18338581541675E-9
p6 6.86918878691231E-9
p7 1569.18417162218
p8 -846.284328981365
p9 227.456869050678
p10 -30.446137025306
p11 1.6233145223763
其中E表示科学计数法符号。
本发明第一技术方案所产生的有益效果是：通过麦夸特法，利用初始测量距离x,回波脉冲宽度y,基于矩阵数据的非线性曲线拟得出拟合距离zi的函数关系，测得的距离精度高，成本低。
本发明的第二个目的是为了解决上述技术问题，提供一种脉冲测距设备。
为了实现本发明的第二个目的，本发明采用的技术方案是：
一种脉冲测距设备，其特征在于包含控制模块，激光发射模块，回波接收模块，时刻鉴别单元模块，回波宽度鉴别模块，回波前沿时刻时间鉴别模块，函数拟合模块；激光发射模块，回波接收模块，时刻鉴别单元模块，回波宽度鉴别模块，回波前沿时刻时间鉴别模块，函数拟合模块均与控制模块控制连接，其中，所述函数拟合模块的拟合规则是：
zi＝p1+p2*xi+p3*xi^2+p4*xi^3+p5*xi^4+p6*xi^5+p7*Ln(yi)+p8*(Ln(yi))^2+p9*(Ln(yi))^3+p10*(Ln(yi))^4+p11*(Ln(yi))^5)，其中，zi的单位为m，P1至P11共11项均为常数，其分别代表的数值是：
p1 -1161.79634266575
p2 1.02058643936279
p3 9.07483635272553E-5
p4 -2.92121318593416E-5
p5 -1.18338581541675E-9
p6 6.86918878691231E-9
p7 1569.18417162218
p8 -846.284328981365
p9 227.456869050678
p10 -30.446137025306
p11 1.6233145223763
其中E表示科学计数法符号。
由于本发明第二个技术方案采用第一个方案所涉及的方法，因此它也具有第一个有方案的优点，同时，本方案还具备结构简单，性能可靠的优点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1为本发明所指检测方法的测距原理框图。
图2为本发明所指检测方法中同一时刻同相位的两个脉冲回波示意图。
图3是本发明所脉冲测距设备的结构框架示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
参考图1及图2所示，一种提高脉冲测距精度的方法，其特征在于包含有如下步骤：
a.发射激光脉冲，同时开始计时；
b.分别记录激光发射信号到回波的上升沿信号之间的时间ti以及回波下降沿信号之间的时间ti+1，i为自然数；
c.得到初始测量距离xi＝(ti*v)/2，回波脉冲宽度yi＝(ti+1-ti)*v,其中v代表光速，单位m/s，ti+1及ti的单位为s；
d.通过麦夸特法，利用初始测量距离xi,回波脉冲宽度yi,基于矩阵数据的非线性曲线得出拟合距离zi的函数关系；
e.将i次测量得到的拟合距离zi取平均值，得到算数平均数Zi＝
作为本发明的优选实施方式，在进行步骤d之前，进行数据去毛刺处理，这样可以去除一些干扰数据。
作为本发明的优选实施方式，拟合距离zi与初始测量距离x、回波脉冲宽度y函数关系式为：
zi＝p1+p2*xi+p3*xi^2+p4*xi^3+p5*xi^4+p6*xi^5+p7*Ln(yi)+p8*(Ln(yi))^2+p9*(Ln(yi))^3+p10*(Ln(yi))^4+p11*(Ln(yi))^5)，其中，z的单位为m，P1至P11共11项均为常数，其分别代表的数值是：
p1 -1161.79634266575
p2 1.02058643936279
p3 9.07483635272553E-5
p4 -2.92121318593416E-5
p5 -1.18338581541675E-9
p6 6.86918878691231E-9
p7 1569.18417162218
p8 -846.284328981365
p9 227.456869050678
p10 -30.446137025306
p11 1.6233145223763
其中E表示科学计数法符号，例如，E-5代表10^-5。
如表1.1所示，通过实际试验数据检测，在未进行函数拟合补偿的情况下，得到的检测数据精度不够。
表1.1
测量距离(单位m) 回波宽度(单位m) 真实距离(单位m) 误差(单位m)
2.7 21.8 1.7581 0.9419
2.7 53.2 2.4267 0.2733
3.8 80.9 3.7267 0.0733
4.8 86 4.79 0.01
5.7 84.8 5.6625 0.0375
6 83.9 6 0
7.8 78.1 7.72 0.08
8.4 77 8.41 -0.01
9.5 73.1 9.47 0.03
10.4 68.7 10.36 0.04
11.6 66.3 11.51 0.09
12.6 62.6 12.6 0
13.6 59.3 13.57 0.03
14.6 55.9 14.56 0.04
15.7 50.4 15.68 0.02
16.9 48.8 16.68 0.22
17.9 47 17.74 0.16
19 44.7 18.86 0.14
19.9 42.4 19.63 0.27
20.8 40.4 20.49 0.31
21.9 37.4 21.57 0.33
23.2 21.7 22.4 0.8
23.9 33.3 23.5 0.4
25 26.4 24.42 0.58
26 27 25.35 0.65
27.2 27 26.54 0.66
28.2 26.2 27.5 0.7
29.4 23.7 28.54 0.86
30.3 24.6 29.5 0.8
通过利用函数关系式：
zi＝p1+p2*xi+p3*xi^2+p4*xi^3+p5*xi^4+p6*xi^5+p7*Ln(yi)+p8*(Ln(yi))^2+p9*(Ln(yi))^3+p10*(Ln(yi))^4+p11*(Ln(yi))^5)，将i次测量得到的拟合距离zi取平均值，得到算数平均数
最终拟合出的检测情况如表1.2所示。
表1.2
测量距离x 回波宽度y 真实距离s 拟合距离Zi 误差
2.7 21.8 1.7581 1.760447 -0.002347
2.7 53.2 2.4267 2.433575 -0.006875
3.8 80.9 3.7267 3.702907 0.023793
4.8 86 4.79 4.79483 -0.00483
5.7 84.8 5.6625 5.688073 -0.025573
6 83.9 6 5.978825 0.021175
7.8 78.1 7.72 7.757497 -0.037497
8.4 77 8.41 8.362669 0.047331
9.5 73.1 9.47 9.469052 0.000948
10.4 68.7 10.36 10.37189 -0.01189
11.6 66.3 11.51 11.57935 -0.06935
12.6 62.6 12.6 12.57279 0.02721
13.6 59.3 13.57 13.55971 0.01029
14.6 55.9 14.56 14.53742 0.02258
15.7 50.4 15.68 15.58252 0.09748
16.9 48.8 16.68 16.7659 -0.0859
17.9 47 17.74 17.74263 -0.00263
19 44.7 18.86 18.8085 0.0515
19.9 42.4 19.63 19.67073 -0.04073
20.8 40.4 20.49 20.53386 -0.04386
21.9 37.4 21.57 21.57382 -0.00382
23.2 21.7 22.4 22.40757 -0.00757
23.9 33.3 23.5 23.47045 0.02955
25 26.4 24.42 24.37067 0.04933
26 27 25.35 25.37271 -0.02271
27.2 27 26.54 26.54901 -0.00901
28.2 26.2 27.5 27.50091 -0.00091
29.4 23.7 28.54 28.57914 -0.03914
30.3 24.6 29.5 29.49184 0.00816
31.5 21.9 30.5 30.54414 -0.04414
32.4 22 31.5 31.42348 0.07652
33.4 21.6 32.4 32.37517 0.02483
34.5 21.6 33.45 33.44241 0.00759
35.6 21.4 34.5 34.49943 0.00057
36.7 21.2 35.5 35.55636 -0.05636
39.4 21.3 38.2 38.18379 0.01621
50.2 21.1 48.9 48.8999 1E-04
从表1.1和表1.2的检测结果对比情况来看，采用本发明的检测方法所得到的检测误差大大降低，检测精度大大提高。
参考图3所示，本发明还公开了一种脉冲测距设备，包含控制模块，激光发射模块，回波接收模块，时刻鉴别单元模块，回波宽度鉴别模块，回波前沿时刻时间鉴别模块，函数拟合模块；激光发射模块，回波接收模块，时刻鉴别单元模块，回波宽度鉴别模块，回波前沿时刻时间鉴别模块，函数拟合模块均与控制模块控制连接，其中，所述函数拟合模块的拟合规则是：
zi＝p1+p2*xi+p3*xi^2+p4*xi^3+p5*xi^4+p6*xi^5+p7*Ln(yi)+p8*(Ln(yi))^2+p9*(Ln(yi))^3+p10*(Ln(yi))^4+p11*(Ln(yi))^5)，其中，z的单位为m，P1至P11共11项均为常数，其取值分别与前述相同，控制模块上设有滤除毛刺的滤波电路。
其中E表示科学计数法符号。通过将多次测得的zi进行算术平均，可获得很高的检测精度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (5)

1.一种提高脉冲测距精度的方法，其特征在于包含有如下步骤：
a.发射激光脉冲，同时开始计时；
b.分别记录激光发射信号到回波的上升沿信号之间的时间ti以及回波下降沿信号之间的时间ti+1，i为自然数；
c.得到初始测量距离xi＝(ti*v)/2，回波脉冲宽度yi＝(ti+1-ti)*v,其中v代表光速，单位m/s，ti+1及ti的单位为s；
d.通过麦夸特法，利用初始测量距离xi,回波脉冲宽度yi,基于矩阵数据的非线性曲线得出拟合距离zi的函数关系；
e.将i次测量得到的拟合距离zi取平均值，得到算数平均数
2.根据权利要求1所述的一种提高脉冲测距精度的方法，其特征在于在进行步骤d之前，进行数据去毛刺处理。
3.根据权利要求2所述的一种提高脉冲测距精度的方法，其特征在于所述拟合距离zi与初始测量距离xi、回波脉冲宽度yi函数关系式为：zi＝p1+p2*xi+p3*xi^2+p4*xi^3+p5*xi^4+p6*xi^5+p7*Ln(yi)+p8*(Ln(yi))^2+p9*(Ln(yi))^3+p10*(Ln(yi))^4+p11*(Ln(yi))^5)，其中，zi的单位为m，P1至P11共11项均为常数，其分别代表的数值是：
p1 -1161.79634266575
p2 1.02058643936279
p3 9.07483635272553E-5
p4 -2.92121318593416E-5
p5 -1.18338581541675E-9
p6 6.86918878691231E-9
p7 1569.18417162218
p8 -846.284328981365
p9 227.456869050678
p10 -30.446137025306
p11 1.6233145223763
其中E表示科学计数法符号。
4.基于权利要求1至3任一项所应用的脉冲测距设备，其特征在于包含控制模块，激光发射模块，回波接收模块，时刻鉴别单元模块，回波宽度鉴别模块，回波前沿时刻时间鉴别模块，函数拟合模块；激光发射模块，回波接收模块，时刻鉴别单元模块，回波宽度鉴别模块，回波前沿时刻时间鉴别模块，函数拟合模块均与控制模块控制连接，其中，所述函数拟合模块的拟合规则是：
zi＝p1+p2*xi+p3*xi^2+p4*xi^3+p5*xi^4+p6*xi^5+p7*Ln(yi)+p8*(Ln(yi))^2+p9*(Ln(yi))^3+p10*(Ln(yi))^4+p11*(Ln(yi))^5)，其中，zi的单位为m，P1至P11共11项均为常数，其分别代表的数值是：
p1 -1161.79634266575
p2 1.02058643936279
p3 9.07483635272553E-5
p4 -2.92121318593416E-5
p5 -1.18338581541675E-9
p6 6.86918878691231E-9
p7 1569.18417162218
p8 -846.284328981365
p9 227.456869050678
p10 -30.446137025306
p11 1.6233145223763
其中E表示科学计数法符号。
5.根据权利要求4所述的脉冲测距设备，其特征在于所述控制模块上设有滤除毛刺的滤波电路。
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