CN108303702B - 一种相位式激光测距系统及方法 - Google Patents

一种相位式激光测距系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种相位式激光测距系统及方法，所述系统包括：激光发射单元、第一透镜及相位测距单元，所述激光发射单元包括激光光源和第二透镜，所述第一透镜的中心和所述第二透镜的中心之间相距预设距离；所述相位测距单元包括多个相位测距子单元，所述多个相位测距子单元阵列布置在所述第一透镜的焦平面上，且每个相位测距子单元的测量范围小于所述系统的相位模糊距离，所述相位测距单元用于根据所述第二激光与所述第一激光的相位差，以及每个相位测距子单元的测量范围，得到所述待测物体与所述激光发射单元之间的距离，激光发射单元只需发射一次激光即可完成测距，且改善甚至消除了相位模糊问题。

Description

一种相位式激光测距系统及方法
技术领域
本发明实施例涉及激光测距技术领域，更具体地，涉及一种相位式激光测距系统及方法。
背景技术
常见的激光测距方法有三角法和飞行时间法(Time of flight，TOF)，其中飞行时间法又分为了脉冲法和相位法。三角法和相位测距法成本都比较低，但各有弱点：三角法在测测量距离比较远的时候，精度迅速下降，一般只能在短距离范围内使用；而相位法存在相位模糊的问题，它测距频率越高，精度越高，但出现相位模糊的距离越短，往往需要使用多个频率的激光，通过多次测量，来消除相位模糊并得到比较高的精度，这会导致相位测距的时间变长，在普通的单点测距的时候尚可接受，但在旋转后构成2D或者3D的激光雷达时，会造成分辨率低，以及运动模糊的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的相位式激光测距系统及方法。
一方面本发明实施例提供了一种相位式激光测距系统，所述系统包括：激光发射单元、第一透镜及相位测距单元，所述激光发射单元包括激光光源和第二透镜，所述第一透镜的中心和所述第二透镜的中心之间相距预设距离；其中，
所述激光发射单元用于向待测物体发射具有预设频率的第一激光；
所述第一透镜用于接收所述第一激光经所述待测物体反射或散射后的第二激光，并将所述第二激光会聚至所述相位测距单元上；
所述相位测距单元包括多个相位测距子单元，所述多个相位测距子单元阵列布置在所述第一透镜的焦平面上，且每个相位测距子单元的测量范围小于所述系统的相位模糊距离，所述相位测距单元用于根据所述第二激光与所述第一激光的相位差，以及每个相位测距子单元的测量范围，得到所述待测物体与所述激光发射单元之间的距离。
进一步地，所述相位测距单元为TOF相位测距芯片，所述多个相位测距子单元为所述TOF相位测距芯片上阵列布置的多个像元。
进一步地，所述TOF相位测距芯片为线阵TOF相位测距芯片或面阵TOF相位测距芯片，所述激光光源为点光源，用于测量所述第一激光的光束所在直线上的待测物的距离。
进一步地，所述TOF相位测距芯片为面阵TOF相位测距芯片，所述激光光源为单线光源或者多线光源，且所述单线光源或者所述多线光源与所述面阵TOF相位测距芯片中各行像元平行布置，用于测量所述第一激光的光束所在平面上的待测物的距离。
进一步地，所述激光发射单元的光轴与所述第一透镜光轴之间呈预设角度设置，所述预设角度的取值范围为-40°至40°。。
另一方面本发明实施例提供了一种利用上述测距系统的测量方法，所述方法包括：
S1，通过所述激光发射单元向所述待测物体发射第一激光，利用所述第一透镜将经所述待测物体反射或散射后的第二激光，会聚至所述相位测距单元；
S2，根据所述第二激光与所述第一激光的相位差，以及所述第二激光会聚至的相位测距子单元对应的测量范围，得到所述待测物体与所述激光发射单元之间的距离。
进一步地，步骤S2具体包括：
根据所述第二激光与所述第一激光的相位差得到所述待测物与所述激光发射单元之间的第一距离，并根据所述第二激光会聚至的相位测距子单元对应的测量范围与所述第一距离进行匹配，消除相位模糊，得到所述待测物体与所述激光发射单元之间的距离。
本发明实施例提供的一种相位式激光测距系统及方法，通过将相位测距单元设置为多个阵列布置的相位测距子单元，并将每个相位测距子单元对应的测量范围设置为小于系统的相位模糊距离，使得在每个相位测距子单元上都不会发生相位模糊，并利用每个相位测距子单元对应的测量范围对通过相位法得到的距离进行匹配得到待测物体与激光发射单元之间的精确距离。激光发射单元只需发射一次激光即可完成测距，且消除了相位模糊问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种相位式激光测距系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种利用上述测距系统的测量方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种相位式激光测距系统的结构示意图，如图1所示，所述系统包括：激光发射单元、第一透镜及相位测距单元，所述激光发射单元包括激光光源和第二透镜，所述第一透镜的中心和所述第二透镜的中心之间相距预设距离。其中：
所述激光发射单元用于向待测物体发射具有预设频率的第一激光。所述第一透镜用于接收所述第一激光经所述待测物体反射或散射后的第二激光，并将所述第二激光会聚至所述相位测距单元上。所述相位测距单元包括多个相位测距子单元，所述多个相位测距子单元阵列布置在所述第一透镜的焦平面上，且每个相位测距子单元的测量范围小于所述系统的相位模糊距离，所述相位测距单元用于根据所述第二激光与所述第一激光的相位差，以及每个相位测距子单元的测量范围，得到所述待测物体与所述激光发射单元之间的距离。
其中，根据所述激光发射单元发射的第一激光的预设频率fmod，可以确定所述系统的相位模糊距离为c/2fmod，其中c为光速。所述相位测距单元中的多个相位测距子单元阵列布置，一方面每个相位测距子单元的形状规则且相同，另一方面多个相位测距子单元阵列布置，即相邻两个相位测距子单元之间的距离相等，多个相位测距子单元既可以呈线阵排列，也可以呈面阵排列。根据述第一透镜的中心和所述第二透镜的中心之间相距预设距离D、所述第一透镜的有效焦距f及以及每个相位测距子单元的中心与所述第一透镜的光轴之间的距离X，利用激光三角法测距原理，得出每个相位测距子单元的测量范围。下面通过一个线阵相位测距单元来说明得到相位测距单元中每个相位测距子单元的过程。设测距单元上第n个相位测距子单元的中心位置，即第n个相位测距子单元中心与所述第一透镜的光轴之间的距离为Xn，相邻的下一个相位测距子单元的中心位置为Xn+1，设待测物体到激光发射单元之间的距离为Z，则相位测距单元上Xn到Xn+1对应的测量范围Zn+1为：
Df/Xn+1-Df/Xn
可以理解地，由于相位测距单元中的多个相位测距子单元阵列排布，故两个相邻的相位测距子单元中心距对应的测量范围的求法，与单个相位测距子单元的长度对应的测量范围的求法是相同的。
另外，在本发明实施例在具体实施时，所述系统中的激光发射单元也可以由LED光源替代，通过具体设置使得LED光源能够达到相应功率即可满足测距要求。
具体地，激光发射单元发射的第一激光经待测物体反射或散射形成第二激光，第一激光和第二激光实质上是同一激光，第二激光是第一激光经待测物体反射或散射后方向发生了改变。第二激光再经第一透镜会聚至相位测距单元上，相位测距单元上接收到第二激光的相位测距子单元根据第二激光与第一激光之间的相位差，根据相位测距法，得出待测物体的第一距离。又由于每个相位测距子单元对应一个测量范围，且这个测量范围小于所述系统的相位模糊距离，也就是在单个相位测距子单元进行相位测距时不会发生相位模糊。并利用每个相位测距子单元对应的测量范围与第一距离进行匹配，可消除相位模糊，即可得到待测物体与激光发射单元之间的精确距离。
本发明实施例提供的一种相位式激光测距系统，通过将相位测距单元设置为多个阵列布置的相位测距子单元，并将每个相位测距子单元对应的测量范围设置为小于系统的相位模糊距离，使得在每个相位测距子单元上都不会发生相位模糊，并利用每个相位测距子单元对应的测量范围对通过相位法得到的距离进行模糊匹配得到待测物体与激光发射单元之间的精确距离。激光发射单元只需发射一次激光即可完成测距，且消除了相位模糊问题。
基于上述实施例，所述相位测距单元为TOF相位测距芯片，所述多个相位测距子单元为所述TOF相位测距芯片上阵列布置的多个像元。
具体地，TOF相位测距芯片包括m个像元(线阵)或者m×n个像元(面阵)，包括控制发射光源频率和相位的同步线，以及内部控制周期性曝光的高速快门。测距芯片每个像元独立曝光，调节曝光的相位和光源相位之间的相位差可以得到不同的强度信号，通过相位差和强度的关系得到每个像素接收到光信号相位与光源发射相位之间的相位差，然后根据该相位差得到每个像素对于目标物的距离。
基于上述实施例，所述TOF相位测距芯片为线阵TOF相位测距芯片或面阵TOF相位测距芯片，所述激光光源为点光源，用于测量所述第一激光的光束所在直线上的待测物的距离。
具体地，在所述激光光源为点光源时，所述TOF相位测距芯片上像元的布置方式可以为线阵，也可以为面阵。
基于上述实施例，所述TOF相位测距芯片为面阵TOF相位测距芯片，所述激光光源为单线光源或者多线光源，且所述单线光源或者所述多线光源与所述面阵TOF相位测距芯片中各行像元平行布置，用于测量所述第一激光的光束所在平面上的待测物的距离。
具体地，当所述激光光源为线光源，无论是单线光源还是多线光源，所述TOF相位测距芯片上的像元布置方式为面阵。所述第一激光的光束所在平面即为所述单线光源或者多线光源发射的光束所在平面。
基于上述实施例，所述激光发射单元的光轴与所述第一透镜光轴之间呈预设角度设置，所述预设角度的取值范围为-40°至40°。
具体地，将所述激光发射单元的光轴与所述第一透镜光轴之间呈预设角度设置，可以使得TOF的芯片位于所述第一透镜光轴两侧的像元都能接收到反射光或散射光，进一步提高TOF芯片的利用率。所述预设角度的取值范围为-40°至40°，在具体操作时，可以根据实际情况来选定预设角度的大小。
图2为本发明实施例提供的一种利用上述测距系统的测量方法的流程图，如图2所示，所述方法包括：S1，通过所述激光发射单元向所述待测物体发射第一激光，利用所述第一透镜将经所述待测物体反射或散射后的第二激光，会聚至所述相位测距单元；S2，根据所述第二激光与所述第一激光的相位差，以及所述第二激光会聚至的相位测距子单元对应的测量范围，得到所述待测物体与所述激光发射单元之间的距离。
进一步地，步骤S2具体包括：
根据所述第二激光与所述第一激光的相位差得到所述待测物与所述激光发射单元之间的第一距离，并根据所述第二激光会聚至的相位测距子单元对应的测量范围与所述第一距离进行匹配，消除相位模糊，得到所述待测物体与所述激光发射单元之间的距离。
具体地，激光发射单元发射的第一激光经待测物体反射或散射形成第二激光，第一激光和第二激光实质上是同一激光，第二激光是第一激光经待测物体反射或散射后方向发生了改变。第二激光再经第一透镜会聚至相位测距单元上，相位测距单元上接收到第二激光的相位测距子单元根据第二激光与第一激光之间的相位差，根据相位测距法，得出待测物体的第一距离。又由于每个相位测距子单元对应一个测量范围，且这个测量范围小于所述系统的相位模糊距离，也就是在单个相位测距子单元进行相位测距时不会发生相位模糊。并利用每个相位测距子单元对应的测量范围与第一距离进行匹配，即可消除相位模糊，得到待测物体与激光发射单元之间的精确距离。
本发明实施例提供的一种相位式激光测距方法，通过将相位测距单元设置为多个阵列布置的相位测距子单元，并将每个相位测距子单元对应的测量范围设置为小于系统的相位模糊距离，使得在每个相位测距子单元上都不会发生相位模糊，并利用每个相位测距子单元对应的测量范围对通过相位法得到的距离进行模糊匹配得到待测物体与激光发射单元之间的精确距离。激光发射单元只需发射一次激光即可完成测距，且消除了相位模糊问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种相位式激光测距系统，其特征在于，所述系统包括：激光发射单元、第一透镜及相位测距单元，所述激光发射单元包括激光光源和第二透镜，所述第一透镜的中心和所述第二透镜的中心之间相距预设距离；其中，
所述激光发射单元用于向待测物体发射具有预设频率的第一激光；
所述第一透镜用于接收所述第一激光经所述待测物体反射或散射后的第二激光，并将所述第二激光会聚至所述相位测距单元上；
所述相位测距单元包括多个相位测距子单元，所述多个相位测距子单元阵列布置在所述第一透镜的焦平面上，且每个相位测距子单元的测量范围小于所述系统的相位模糊距离，所述系统的相位模糊距离为c/2fmod，其中c为光速，fmod为所述激光发射单元发射的第一激光的预设频率；每个所述相位测距子单元的测量范围的确定方法为：设所述测距单元上第n个相位测距子单元的中心位置，即第n个相位测距子单元中心与所述第一透镜的光轴之间的距离为Xn，相邻的下一个相位测距子单元的中心位置为Xn+1，设所述待测物体到所述激光发射单元之间的距离为Z，则所述相位测距单元上Xn到Xn+1对应的测量范围Zn+1为：
Df/Xn+1-Df/Xn
其中，D为所述第一透镜的中心和所述第二透镜的中心之间相距预设距离，f为所述第一透镜的有效焦距；
所述相位测距单元用于根据所述第二激光与所述第一激光的相位差，基于相位测距法，得出所述待测物体的第一距离；利用每个所述相位测距子单元对应的测量范围与所述第一距离进行匹配，消除相位模糊，得到所述待测物体与所述激光发射单元之间的距离。
2.根据权利要求1所述测距系统，其特征在于，所述相位测距单元为飞行时间TOF相位测距芯片，所述多个相位测距子单元为所述TOF相位测距芯片上阵列布置的多个像元。
3.根据权利要求2所述测距系统，其特征在于，所述TOF相位测距芯片为线阵TOF相位测距芯片或面阵TOF相位测距芯片，所述激光光源为点光源，用于测量所述第一激光的光束所在直线上的待测物的距离。
4.根据权利要求2所述测距系统，其特征在于，所述TOF相位测距芯片为面阵TOF相位测距芯片，所述激光光源为单线光源或者多线光源，且所述单线光源或者所述多线光源与所述面阵TOF相位测距芯片中各行像元平行布置，用于测量所述第一激光的光束所在平面上的待测物的距离。
5.根据权利要求1所述测距系统，其特征在于，所述激光发射单元的光轴与所述第一透镜光轴之间呈预设角度设置，所述预设角度的取值范围为-40°至40°。
6.一种利用如权利要求1-5任一项所述测距系统的测量方法，其特征在于，所述方法包括：
S1，通过所述激光发射单元向所述待测物体发射第一激光，利用所述第一透镜将经所述待测物体反射或散射后的第二激光，会聚至所述相位测距单元；
S2，根据所述第二激光与所述第一激光的相位差，以及所述第二激光会聚至的相位测距子单元对应的测量范围，得到所述待测物体与所述激光发射单元之间的距离。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
根据所述第二激光与所述第一激光的相位差得到所述待测物与所述激光发射单元之间的第一距离，并根据所述第二激光会聚至的相位测距子单元对应的测量范围与所述第一距离进行匹配，消除相位模糊，得到所述待测物体与所述激光发射单元之间的距离。
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"On the Unambiguous Distance of Multi-Carrier Phase Ranging with Random Hopped Frequence";Peng Liu etc.;《IEEE Access》;20170228;1-8 *
"基于微波雷达的位移/距离测量技术";陈伟民等;《电子测量与仪器学报》;20150930;第29卷(第9期);1251-1265 *

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