CN107783140A - 高精度的激光测距仪及其测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明高精度的激光测距仪及其测距方法，测距仪含在望远镜壳体内设观察瞄准单元、激光发射单元、激光接收单元、显示投射单元、信号转换单元和包括数据处理器和液晶显示单元的数据处理单元；信号转换单元含设多路比较器的A/D转换电路。测距方法是：将收到的信号模数化并由数据处理单元求各路信号的脉宽；对失真信号进行修正补偿，对非失真信号，数据处理器对A/D转换电路采集的数据进行恢复计算，求得信号函数表达式，经数据处理器恢复成与激光发射脉冲信号匹配的高精度模拟信号，并确定波峰位置。求出经处理的信号波峰位置与发射信号的波峰位置的时间差，求得所测的距离。本发明对接收的信号经处理而达测距高精度。

Description

高精度的激光测距仪及其测距方法
技术领域：
本发明属于激光测距仪技术领域，具体涉及一种提高测距精度的激光测距仪以及测试方法。
背景技术：
现有技术的激光测距仪一般都设有激光发射、激光接收、可见光瞄准三个独立的光学系统，激光发射系统发射一束激光至被测目标，散射后的激光回波被激光接收系统接收，从而利用发射与接收的时间差等测量参数以及光速即可以确定被测目标和观察点之间的距离，这里所述的时间差是针对发射和接收的同一个激光脉冲的波形的相同部位进行对比的，例如同是上升沿，或同是下降沿，或同是波峰顶部的传输时间进行计时；然而，虽然激光在发射时的波形一般是规则的，但是激光在传输途中总会受到外界环境的干扰，造成了所接收到的波形对于发射的波形产生畸变，使得所谓的相同部位产生了实际的偏移，造成实际的时间差存在误差，所测得的距离也就与实际距离存在误差。
例如申请号201310277319.4，名称为“激光测距方法及装置”的发明专利申请，其采用激光发射单元、激光回波接收单元和数据处理单元进行测量，激光发射单元分别发射可见激光束和不可见激光束，可见激光束和不可见激光束以光轴重合发射到目标上，激光回波接收单元接收不可见激光束反射的激光，将光信号转换成电信号，经数据处理单元进行电信号处理后输出测量数据，得到测量目标的距离信息。这种测试装置直接采用回波进行时间计数，未能对回波所受到的干扰予以滤除或补偿，这样必然会存在实际测得的时间差存在偏差，也就会使得测得的距离存在误差。
发明内容：
本发明的目的是，克服现有技术激光测距装置及其测试方法存在的不能滤除噪声，因之影响测距精度的缺陷，提供一种激光测距接收信号经过模数转换并修正补偿以提高信噪比并提高测距精度的装置及其方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种高精度的激光测距仪，其特征在于，所述激光测距仪包括在望远镜壳体内设置有观察瞄准单元、激光发射单元、激光接收单元、显示投射单元、信号转换单元和数据处理单元；信号转换单元包括设有多路比较器的A/D转换电路；数据处理单元包括数据处理器、液晶显示器和计时电路；激光接收单元通过信号转换单元与数据处理器连接，信号转换单元对激光接收单元输出的信号通过A/D转换电路进行从模拟信号到数字信号的转换。
由于设有A/D转换电路，可将信号数字化处理为后续的修正补偿提供条件，进而滤除或抑制干扰信号提高传输质量以提高测距精度。
优选方案，数据处理器包含有D/A转换电路。
一种利用上述的高精度的激光测距仪的测距方法，其特征在于，所述测距方法包括下述步骤：
1）、激光发射单元向目标发射激光脉冲信号；
2）、激光接收单元接收激光脉冲信号的反射回波并输入到信号转换单元，信号转换单元的A/D转换电路对激光接收单元输出的失真信号或非失真信号进行数据数字化采集并输送至数据处理单元；
3）、对于所述失真信号，数据处理单元有多路高精度计时电路对该信号的上升沿和下降沿进行精确的计时，数据处理器从计时电路读出多路比较器中的每一路比较器所输出的信号上升沿至下降沿的时间，进而计算出每一路数字信号的脉冲宽度，通过脉冲宽度的变化对测距结果进行修正补偿从而提高测距精度，由于回波信号容易受到环境干扰，故对每一个信号都需进行多点的数据采集并通过计算剔除干扰数据，再根据测得的脉冲宽度的中间值位置进而求出其与激光发射脉冲的中间值位置的时间差，从而求得所测的距离；
4）、对于非失真信号，数据处理器对A/D转换电路采集的数据进行信号恢复计算，求得信号的函数表达式，然后通过数据处理器恢复成与所述激光发射脉冲信号匹配的高精度的模拟信号，从而消除了由于信号幅度变化导致的测距精度变化所存在的问题，进而确定波峰的位置，再求出其与激光发射脉冲波峰位置的时间差，求得所测的距离。
优选方案，所述数字化采集以及修正补偿的过程包括，激光发射单元发射一组数量为n个的激光脉冲，A/D转换电路对激光接收单元接收到的该组激光脉冲信号的反射回波的每个激光脉冲信号进行数字化采集，得到一组数据，分别记为数组a1～an ，然后把数组a1～an相加再求其平均值，得到最终的数组b；由于接收信号中的干扰是随机的，而真实目标的回波信号是固定的，通过对数组a1～an中的数字化数据求平均值后会把其中的干扰噪声相对值极大的降低，而真实回波信号不变，因此极大的提高了系统的信噪比，从而也极大的提高了测距精度。
优选方案，所述通过数据处理器恢复成与所述激光发射脉冲信号匹配的高精度的模拟信号，为通过数据处理器的D/A转换电路实现。
优选方案，所述计时电路采用计时精度达60ps的TDC-GP2系列TDC芯片。
本发明的有益效果是：
1、将激光脉冲信号数字化处理后经修正补偿，从而滤除或抑制干扰信号，提高信噪比，优化传输质量以提高测距精度；
2、对于非失真信号，通过模数转换再将信号恢复计算，求得信号的函数表达式，然后通过数据处理器恢复成与所述激光发射脉冲信号匹配的高精度的模拟信号；
3、对于失真信号，经模数转换，并对信号的上升沿至下降沿的时间精密计数，计算出每一路数字信号的脉冲宽度，通过脉冲宽度的变化对测距结果进行修正补偿从而提高测距精度，
4、对经修正补偿的脉冲宽度的中间值位置与激光发射脉冲的中间值位置求得时间差，杂波影响小。
附图说明：
附图1是本发明一种高精度的激光测距仪实施例的结构方框示意图；
附图2为激光接收单元接收的失真波形示意图。
图中，观察瞄准单元1；激光发射单元2；激光接收单元3；显示投射单元4；信号转换单元5；A/D转换电路51；数据处理单元6；数据处理器61；液晶显示器62。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步描述。
实施例1：参见图1，一种高精度的激光测距仪，所述激光测距仪包括在望远镜壳体内设置有观察瞄准单元1、激光发射单元2、激光接收单元3、显示投射单元4、信号转换单元5和数据处理单元6；信号转换单元5包括设有多路比较器的A/D转换电路51；数据处理单元6包括数据处理器61、液晶显示器62和计时电路；激光接收单元3通过信号转换单元5与数据处理器61连接，信号转换单元5对激光接收单元3输出的信号通过A/D转换电路51进行从模拟信号到数字信号的转换。计时电路采用计时精度达60ps的TDC-GP2系列TDC芯片。
由于有了设置多路比较器的A/D转换电路51，可将信号数字化处理为后续的修正补偿提供条件，从而滤除或抑制干扰信号提高传输质量以提高测距精度。
由于脉冲激光器向目标发射一列很窄的光脉冲，其脉冲宽度小于50ns，所以要求相关电路都要满足相应的高速要求，采用计时精度达60ps的元件可满足要求。
实施例2：数据处理器61包含有D/A转换电路，其余结构同实施例1。
实施例3：一种利用所述高精度的激光测距仪的测距方法，其测距方法包括下述步骤：
1）、激光发射单元2向目标发射激光脉冲信号；
2）、激光接收单元3接收激光脉冲信号的反射回波并输入到信号转换单元5，信号转换单元5的A/D转换电路51对激光接收单元3输出的失真信号或非失真信号进行数据数字化采集并输送至数据处理单元6；
3）、对于所述失真信号，数据处理单元6有多路高精度计时电路对该信号的上升沿和下降沿进行精确的计时，数据处理器61从计时电路读出多路比较器中的每一路比较器所输出的信号上升沿至下降沿的时间，进而计算出每一路数字信号的脉冲宽度，通过脉冲宽度的变化对测距结果进行修正补偿从而提高测距精度，由于回波信号容易受到环境干扰，故对每一个信号都需进行多点的数据采集并通过计算剔除干扰数据，再根据测得的脉冲宽度的中间值位置进而求出其与激光发射脉冲的中间值位置的时间差，从而求得所测的距离。如图2所示，图2中的t上是上升沿，t下是下降沿，t中指脉宽的中点；
4）、对于非失真信号，数据处理器61对A/D转换电路51采集的数据进行信号恢复计算，求得信号的函数表达式，然后通过数据处理器61恢复成与所述激光发射脉冲信号匹配的高精度的模拟信号，从而消除了由于信号幅度变化导致的测距精度变化所存在的问题，进而确定波峰的位置，根据最终所得到的高精度的模拟信号的脉冲宽度的中间值，再求出其与激光发射的脉冲宽度中间值的时间差，求得所测的距离。对于非失真信号，数据处理器对A/D转换电路采集的数据进行信号恢复计算，求得信号的函数表达式，然后通过数据处理器恢复成与所述激光发射脉冲信号匹配的高精度的模拟信号，从而消除了由于信号幅度变化导致的测距精度变化所存在的问题，进而确定波峰的位置，再求出其与激光发射脉冲波峰位置的时间差，求得所测的距离。
所述数字化采集以及修正补偿的过程包括，激光发射单元2发射一组数量为n个激光脉冲，A/D转换电路51对激光接收单元3接收到的该组激光脉冲信号的反射回波的每个激光脉冲信号进行数字化采集，得到一组数据，分别记为数组a1～an ，然后把数组a1～an相加再求其平均值，得到最终的数组b；由于接收信号中的干扰是随机的，而真实目标的回波信号是固定的，通过对数组a1～an中的数字化数据求平均值后会把其中的干扰噪声相对值极大的降低，而真实回波信号不变，因此极大的提高了系统的信噪比，从而也极大的提高了测距精度。
实施例4：所述通过数据处理器51恢复成与所述激光发射脉冲信号匹配的高精度的模拟信号，为通过数据处理器61的D/A转换电路实现。
用D/A转换电路实现数模转换具有技术成熟的优点，转换为模拟信号以后可以在数据处理器61附带的液晶显示器62上显示处理结果，直观。其余同实施例3。
实施例5：所述“把数组a1～an相加再求其平均值”的过程为，先将数组a1～an按从小到大顺序排列，再去掉最小和最大的数各2个或各3个，然后求余下的数的平均值，其余同实施例3。
本发明高精度的激光测距仪及其测距方法，该激光测距仪中具有模数转换以及对信号修正补偿功能，能滤除或抑制接收信号中的干扰信号，提高传输质量以提高测距精度。本领域的技术人员如果对上述发明内容作简单的修改或替换，这样的改变不能认为是脱离本发明的权利要求保护的范围，所有这样对所属领域的技术人员显而易见的修改将包括在本发明的权利要求的范围之内。

Claims (6)

1.一种高精度的激光测距仪，其特征在于，所述激光测距仪包括在望远镜壳体内设置有观察瞄准单元、激光发射单元、激光接收单元、显示投射单元、信号转换单元和数据处理单元；信号转换单元包括设有多路比较器的A/D转换电路；数据处理单元包括数据处理器、液晶显示器和计时电路；激光接收单元通过信号转换单元与数据处理器连接，信号转换单元对激光接收单元输出的信号通过A/D转换电路进行从模拟信号到数字信号的转换。
2.根据权利要求1所述的高精度的激光测距仪，其特征在于，数据处理器包含有D/A转换电路。
3.一种利用权利要求1或2所述的高精度的激光测距仪的测距方法，其特征在于，所述测距方法包括下述步骤：
1）、激光发射单元向目标发射激光脉冲信号；
2）、激光接收单元接收激光脉冲信号的反射回波并输入到信号转换单元，信号转换单元的A/D转换电路对激光接收单元输出的失真信号或非失真信号进行数据数字化采集并输送至数据处理单元；
3）、对于所述失真信号，数据处理单元有多路高精度计时电路对该信号的上升沿和下降沿进行精确的计时，数据处理器从计时电路读出多路比较器中的每一路比较器所输出的信号上升沿至下降沿的时间，进而计算出每一路数字信号的脉冲宽度，通过脉冲宽度的变化对测距结果进行修正补偿从而提高测距精度，由于回波信号容易受到环境干扰，故对每一个信号都需进行多点的数据采集并通过计算剔除干扰数据，再根据测得的脉冲宽度的中间值位置进而求出其与激光发射脉冲的中间值位置的时间差，从而求得所测的距离；
4）、对于非失真信号，数据处理器对A/D转换电路采集的数据进行信号恢复计算，求得信号的函数表达式，进而确定波峰的位置，再求出其与激光发射脉冲波峰位置的时间差，求得所测的距离，从而消除了由于信号幅度变化导致的测距精度变化所存在的问题。
4.根据权利要求3所述的测距方法，其特征在于，所述数字化采集以及修正补偿的过程包括，激光发射单元发射一组数量为n个的激光脉冲，A/D转换电路对激光接收单元接收到的该组激光脉冲信号的反射回波的每个激光脉冲信号进行数字化采集，得到一组数据，分别记为数组a1～an ，然后把数组a1～an相加再求其平均值，得到最终的数组b；由于接收信号中的干扰是随机的，而真实目标的回波信号是固定的，通过对数组a1～an中的数字化数据求平均值后会把其中的干扰噪声相对值极大的降低，而真实回波信号不变，因此极大的增加了系统的信噪比，从而极大的提高了测距精度。
5.根据权利要求4所述的测距方法，其特征在于，所述通过数据处理器恢复成与所述激光发射脉冲信号匹配的高精度的模拟信号，为通过数据处理器的D/A转换电路实现。
6.根据权利要求4所述的提测距方法，其特征在于，所述计时电路采用计时精度达60ps的TDC-GP2系列TDC芯片。
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