CN108333594A - 一种激光脉冲测距装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光脉冲测距装置和方法，该装置包括一处理器；一激光发射模块，由所述处理器触发工作向被测目标发射一窄脉冲激光；一激光接收模块，用于接收从被测目标反射回来的回波信号并转换成电流信号；一信号处理模块，连接所述激光接收模块，用于将所述电流信号转换成电压信号并放大，然后与一固定阈值比较，得到一触发信号；一计时模块，连接处理器和信号处理比较模块，用于获得初始发射时刻t0，以及对触发信号的上升沿和下降沿分别计时，得到所述回波信号的前沿时刻t1和后沿时刻t2；处理器还用于根据前沿时刻t1和后沿时刻t2得到所述回波信号的脉冲宽度δt，并利用该脉冲宽度对初始测距值进行修正补偿，得到修正测距值。
Description
技术领域
本发明涉及测距技术领域，具体涉及一种激光脉冲测距装置和方法。
背景技术
激光测距即是以激光作为媒介进行的距离测量方法。具体地，当处理器向激光驱动器发射一个触发信号的同时，也同步使能计时器开始工作。当激光驱动器驱动激光器发出一个脉冲激光，此脉冲激光射向被测目标，通过目标表面的漫反射，一部分能量反射回来，被激光接收器所捕获。经信号处理与放大后，得到一个回波触发信号，此回波信号会使计时器停止计时。此期间所测得时间为T,激光传播速度为光速C,则根据TOF(time offlight)飞行时间法，该距离为:D＝C*T/2。由于光速C基本可以视为一常数，因此，飞行时间法主要的误差来源于计时误差。更进一步地，主要来源于计时结束触发信号。由于激光在传输过程受大气影响，以及目标物距离的不同，反射率的差异，入射角的大小均不相同，使回波信号波形和幅度会有很大的变化，导致时刻点判断出现明显的漂移误差。
激光测距时刻鉴别方式，可以归纳为以下三种形式：1)前沿时刻法；2)恒定比例法；3)高通容值法。与恒定比例法和高通容值法相比，前沿时刻法具有结构简单，造价低，易于实现的特点，目前广泛使用在米级精度测距领域。但由于具有明显的漂移误差，使该方法在高精度场合的应用受到了很大局限。
中国专利申请[CN 102221631 A]和[CN 106054205 A]均提出了一种使用双阈值，得到回波信号上升沿的斜率信息，利用此斜率信息对前沿时刻法进行校正的方法，可以改善前沿时刻法漂移误差的问题。但该方法存在的一个无法克服的问题是：由于要使用双阈值来获得脉冲前沿斜率的信息，因此两个阈值的选取存在这样一个无法调和的矛盾，若双阈值间隔过小，则斜率的变化不明显，校正点太少使得校正精度不高；若双阈值的间隔设计过大，则因比较弱的回波信号无法超过第二个高的阈值，而导致该方法不能获得斜率信息，也即降低了其测距能力。
综合以上因素,如何设计一种既能维持前沿时刻法的测距能力，又能显著提高其测距精度的测距装置和方法，是业内研究人员亟需解决的重要课题.
发明内容
本发为了解决现有方法存在的不足，提出了利用单阈值比较器结合脉冲前沿时刻鉴别和脉冲宽度信息，对前沿时刻法之初始测量值进行修正的测距装置和方法，从而达到提高测量精度的目的。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种激光脉冲测距装置，包括一处理器；
一激光发射模块，由所述处理器触发工作向被测目标发射一窄脉冲激光；
一激光接收模块，用于接收从被测目标反射回来的回波信号并转换成电流信号；
一信号处理模块，连接所述激光接收模块，用于将所述电流信号转换成电压信号并放大，然后与一固定阈值比较，得到一触发信号；
一计时模块，连接所述处理器和信号处理比较模块，用于获得初始发射时刻t0，以及对所述触发信号的上升沿和下降沿分别计时，得到所述回波信号的前沿时刻t1和后沿时刻t2；
所述处理器还用于根据所述前沿时刻t1和后沿时刻t2得到所述回波信号的脉冲宽度δt，并利用该脉冲宽度对初始测距值进行修正补偿，得到修正测距值。
进一步的，所述信号处理模块包括：
一前置转阻放大器，用于将激光接收模块输出的电流信号转换成电压信号；
一信号放大器，用于将前置转阻放大器输出的电压信号进一步放大；
一阈值比较器，用于将信号放大器输出的电压信号与一固定阈值比较，得到触发信号。
可选的，所述阈值比较器采用单端输出或是互补输出的形式。
可选的，所述计时模块对单一输入通道的上升沿和下降沿同时计时；或者具有两个同时对上升沿计时的通道；或者具两个计时通道，一个通道为对上升沿计时，另外一个通道对下降沿计时。
进一步的，所述处理器还包括一存储单元，所述存储单元用于预先存储修正补偿参数供处理器提取，以加快处理速度。
本发明还提供了一种激光脉冲测距方法，包括如下步骤：
S1、处理器触发激光发射模块向被测目标发射一窄脉冲激光，同时计时模块获得初始发射时刻t0；
S2、激光接收模块接收从被测目标反射回来的回波信号并转换成电流信号；
S3、通过信号处理模块将所述电流信号转换成电压信号并放大，然后与一固定阈值比较，得到一触发信号；
S4、通过计时模块对所述触发信号的上升沿和下降沿分别计时，得到所述回波信号的前沿时刻t1和后沿时刻t2；
S5、处理器根据所述前沿时刻t1和后沿时刻t2得到所述回波信号的脉冲宽度δt＝t2-t1，并利用该脉冲宽度对初始测距值进行修正补偿，得到修正测距值。
进一步的，步骤S5中，利用该脉冲宽度对前沿时刻t1进行修正补偿具体包括：
S51、设定n个具有同样标定距离D0但具有不同反射率的目标物T1,T2,…,Tn，并向n个目标物分别发射一激光脉冲信号；
S52、接收回波信号并处理得到n个不同目标物对应的回波信号的脉冲宽度δt1,δt2,…,δtn，其中，δtn＝t2n-t1n；
S53、根据第n个目标物对应的初始发射时刻t0和前沿时刻，通过TOF法计算得到n个目标物的初始测距值D1,D2,…,Dn；
S54、得到n个目标物初始测距值D1,D2,…,Dn和标定距离D0的距离误差值δd1,δd2,…,δdn，其中，δdn＝Dn-D0，并建立δdn和δtn之间的对应关系；
S55、通过所述对应关系，得到当前被测目标的脉冲宽度δtx对应的距离误差值δdx，并利用δdx对初始测距值DX进行修正补偿，得到修正测距值。
可选的，步骤S54中，建立δdn和δtn之间的对应关系的方法包括但不限于分段逼近法、多项式拟合法或查表法。
优选的，步骤S5中，所述处理器利用所述前沿时刻t1和后沿时刻t2的平均值作为所述回波信号的峰值时刻。
进一步的，所述初始测距值DX通过如下公式计算：
DX＝c(t1-t0)/2，
或者DX＝c((t2-t1)/2-t0)/2,c为光速。
本发明的激光脉冲测距装置和测距方法，利用单阈值比较器结合脉冲前沿时刻鉴别和脉冲宽度信息，对前沿时刻法之初始测量值进行修正，克服了现有的方法中使用双阈值来获得脉冲前沿斜率信息的固有矛盾和不足，既能维持前沿时刻法的测距能力，又能显著提高其测距精度，能够适用于高精度测距场合。本发明的测距装置结构简单，实用性强，具有良好的市场前景和商业价值。
附图说明
图1为不同幅度回波信号产生的前沿时刻差异示意图。
图2为现有技术中的双阈值前沿时刻法测距原理示意图。
图3脉冲宽度与测距误差之间的关系曲线。
图4是本发明的激光脉冲测距装置较佳实施例的模块组成示意图。
图5是本发明的激光脉冲测距装置采用一般的阈值比较器的信号处理模拟示意图。
图6是本发明的激光脉冲测距装置采用具有互补输出功能的阈值比较器的信号处理模拟示意图。
图7是本发明的激光脉冲测距方法中脉冲发射接收时刻示意图。
图8是本发明的激光脉冲测距方法实施例的流程示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
如前面的背景技术所述，TOF(time of flight)飞行时间法激光测距方式，其测距距离D＝C*T/2主要的误差来源于计时误差尤其是计时结束触发信号。现有的计时结束时刻鉴别方式，主要是采用前沿时刻法，其原理是通过设定一个阈值，将回波信号前沿超过该阈值的时刻作为计时结束时刻。由于激光在传输过程中受大气影响，以及目标物距离的不同，反射率的差异，入射角的大小均不相同，使回波信号波形和幅度会有很大的变化，导致结束时刻点判断出现明显的漂移误差，使该方法在高精度场合的应用受到了很大局限。
如附图1所示，相同距离下，不同被测目标的回波信号P1与P2波形和幅度明显不同，在设置同样的阈值时，会有明显的结束时刻点判断误差，从而带来较大的测距误差。
为了克服上述误差，现有技术对上述方法进行了改进，其主要原理如图2所示：预先对不同测量目标进行测量，使用双阈值，得到不同回波信号对应的上升沿的斜率信息。然后，在实际测量中，利用此对应关系及实际回波信号的斜率信息对前沿时刻法进行校正，以改善前沿时刻法漂移误差。
然而，上述的方法存在如下缺点：
首先，该方法依赖于测量回波脉冲的斜率，当回波脉冲较窄，相应的斜率较大时，测量得到的斜率的误差也相应的变大，其回波脉冲宽度与测距误差的关系如图3所示，回波脉冲宽度越宽，测距误差越小；而当回波脉冲较窄时，该方法依旧存在较大的测距误差。
其次，该方法由于要使用双阈值来获得脉冲前沿斜率的信息，因此两个阈值的选取存在这样一个无法调和的矛盾，若双阈值间隔过小，则斜率的变化不明显，校正点太少使得校正精度不高；若双阈值的间隔设计过大，则因比较弱的回波信号无法超过第二个高的阈值，而导致该方法不能获得斜率信息，也即降低了其测距能力。
为了解决上述问题，本发明新提供了一种激光脉冲测距装置。如图4所示为本发明的激光脉冲测距装置较佳实施例的模块组成示意图，其包括：
由激光器驱动模块、激光器、透镜等组成的激光发射模块，该激光发射模块由处理器触发工作向被测目标发射一窄脉冲激光；
由光电器件组成的激光接收模块，用于接收从被测目标反射回来的回波信号并转换成电流信号；
由前置转阻放大器、信号放大器(主放单元)及阈值比较器组成的信号处理模块；其中，前置转阻放大器用于将激光接收模块输出的电流信号转换成电压信号，信号放大器用于将前置转阻放大器输出的电压信号进一步放大，阈值比较器用于将信号放大器输出的电压信号与一固定阈值比较，得到触发信号；
计时模块，连接处理器和信号处理比较模块，用于获得初始发射时刻t0，以及对触发信号的上升沿和下降沿分别计时，得到回波信号的前沿时刻t1和后沿时刻t2；
以及，处理器还用于根据前沿时刻t1和后沿时刻t2得到回波信号的脉冲宽度δt，并利用该脉冲宽度对初始测距值进行修正补偿，得到修正测距值。
上述实施例中的激光脉冲测距装置，通过测量回波信号的脉冲宽度对初始测距值进行矫正，从而克服了前述斜率修正方法在回波脉冲较窄时测量不精准且测距范围(能力)受到限制的缺陷，进一步提高了测距精度和测量范围。同时，相比于现有技术中的测距装置，其只使用了一个阈值比较器及计时模块，结构更简单且成本低，具有更好的市场竞争力。
作为优选的实施方案，如图5所示，本发明的一种实施例中，阈值比较器选用一般的快速比较器；此时，可以采用具有单一输入通道的计时器对比较器输出的触发信号的上升沿和下降沿均计时，或者采用具两个计时通道的计时器，一个通道对上升沿计时，另外一个通道对下降沿计时。
或者，作为另一种优选实施方案，如图6所示，本发明的另一种实施例中，阈值比较器采用具有互补输出功能的快速比较器；此时，可采用双通道计时器对互补输出触发信号的上升沿同时计时。
作为进一步的优选实施方案，上述实施例中的处理器，还设有存储单元，用于预先存储修正补偿参数供处理器提取，以加快处理速度。
本发明的另一方面提供了一种激光脉冲测距方法，该方法与上述的测距装置相互对应，如图8所示为其基本流程示意图。下面详细说明该方法的各个步骤：
第一步，处理器触发激光发射模块向被测目标发射一窄脉冲激光，同时计时模块获得初始发射时刻t0。
第二步，激光接收模块接收从被测目标反射回来的回波信号并转换成电流信号。
第三步，通过信号处理模块将上述电流信号转换成电压信号并放大，然后通过阈值比较器与一固定阈值比较，得到一触发信号。
第四步，通过计时模块对上述触发信号的上升沿和下降沿分别计时，得到回波信号的前沿时刻t1和后沿时刻t2。
此处可以是具有单一输入通道的计时器对比较器输出的触发信号的上升沿和下降沿均计时，或者是具两个计时通道的计时器，一个通道对上升沿计时，另外一个通道对下降沿计时。
另一方面，第三步中的阈值比较器也可以是具有互补输出功能的快速比较器；此时，第四步中可采用双通道计时器对互补输出触发信号的上升沿同时计时。
第五步，处理器根据前沿时刻t1和后沿时刻t2得到回波信号的脉冲宽度δt＝t2-t1，并利用该脉冲宽度对初始测距值进行修正补偿，得到修正测距值。
上述的各个计时时刻，可以参考图7以得到更好的理解。本发明的测距方法，采用回波信号的脉冲宽度对初始测距值进行矫正，从而克服了现有技术的方法中斜率修正方法在回波脉冲较窄时测量不精准且测距范围(能力)受到限制的缺陷，进一步提高了测距精度和测量范围。
下面对上述方法中利用脉冲宽度对前沿时刻进行修正补偿的具体步骤进行详细说明。应当指出的是，下述说明仅仅是一种较佳实施方式，使本领域技术人员更好地理解本发明，但不构成对本发明技术方案的限制。
首先，可以设定n个具有同样标定距离D0但具有不同反射率的目标物T1,T2,…,Tn，并向n个目标物分别发射一激光脉冲信号。
之后，接收回波信号并处理，得到n个不同目标物对应的回波信号的脉冲宽度δt1,δt2,…,δtn；其中，δtn＝t2n-t1n，t2n和t1n分别为第n个回波信号的后沿时刻和前沿时刻。脉冲宽度本身代表了回波脉冲强度，可以反映被测目标的反射率等信息。
另一方面，根据第n个目标物对应的初始发射时刻t0和前沿时刻，通过TOF飞行时间法计算得到n个目标物的初始测距值D1,D2,…,Dn。
然后，根据n个目标物的初始测距值D1,D2,…,Dn和标定距离D0,得到相应的距离误差值δd1,δd2,…,δdn；其中，δdn＝Dn-D0，并建立δdn和δtn之间的对应关系。
作为优选实施方案，上述的对应关系可以通过分段逼近法或多项式拟合法建立，也可以建立对应关系表通过查表法实现。
最后，实际测量时，当得到当前被测目标回波信号的脉冲宽度δtx后，即可通过上述对应关系，得到δtx对应的距离误差值δdx，并利用δdx对初始测距值DX进行修正补偿，进而得到修正测距值D＝DX+δdx。
优选的，通过前述对应关系得到的修正补偿参数可以预先存储在存储单元中供处理器提取，以加快处理速度。
上述步骤中，初始测距值通过如下公式计算：DX＝c(t1-t0)/2。
或者，作为另一种优选实施方案，初始测距值也可通过如下公式计算：DX＝c((t2-t1)/2-t0)/2,c为光速。
此处，(t2-t1)/2为前沿时刻和后沿时刻的平均值，即为信号的峰值时刻。利用不同大小信号峰值点不变的特性，可以直接得到精准的距离。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种激光脉冲测距装置，其特征在于，包括一处理器；
一激光发射模块，由所述处理器触发工作向被测目标发射一窄脉冲激光；
一激光接收模块，用于接收从被测目标反射回来的回波信号并转换成电流信号；
一信号处理模块，连接所述激光接收模块，用于将所述电流信号转换成电压信号并放大，然后与一固定阈值比较，得到一触发信号；
一计时模块，连接所述处理器和信号处理比较模块，用于获得初始发射时刻t0，以及对所述触发信号的上升沿和下降沿分别计时，得到所述回波信号的前沿时刻t1和后沿时刻t2；
所述处理器还用于根据所述前沿时刻t1和后沿时刻t2得到所述回波信号的脉冲宽度δt，并利用该脉冲宽度对初始测距值进行修正补偿，得到修正测距值。
2.如权利要求1所述的激光脉冲测距装置，其特征在于，所述信号处理模块包括：
一前置转阻放大器，用于将激光接收模块输出的电流信号转换成电压信号；
一信号放大器，用于将前置转阻放大器输出的电压信号进一步放大；
一阈值比较器，用于将信号放大器输出的电压信号与一固定阈值比较，得到触发信号。
3.如权利要求2所述的激光脉冲测距装置，其特征在于，所述阈值比较器采用单端输出或是互补输出的形式。
4.如权利要求3所述的激光脉冲测距装置，其特征在于，所述计时模块对单一输入通道的上升沿和下降沿同时计时；或者具有两个同时对上升沿计时的通道；或者具两个计时通道，一个通道为对上升沿计时，另外一个通道对下降沿计时。
5.如权利要求1-4任一项所述的激光脉冲测距装置，其特征在于，所述处理器还包括一存储单元，所述存储单元用于预先存储修正补偿参数供处理器提取，以加快处理速度。
6.一种激光脉冲测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、处理器触发激光发射模块向被测目标发射一窄脉冲激光，同时计时模块获得初始发射时刻t0；
S2、激光接收模块接收从被测目标反射回来的回波信号并转换成电流信号；
S3、通过信号处理模块将所述电流信号转换成电压信号并放大，然后与一固定阈值比较，得到一触发信号；
S4、通过计时模块对所述触发信号的上升沿和下降沿分别计时，得到所述回波信号的前沿时刻t1和后沿时刻t2；
S5、处理器根据所述前沿时刻t1和后沿时刻t2得到所述回波信号的脉冲宽度δt＝t2-t1，并利用该脉冲宽度对初始测距值进行修正补偿，得到修正测距值。
7.如权利要求6所述的激光脉冲测距方法，其特征在于，步骤S5中，利用该脉冲宽度对前沿时刻t1进行修正补偿具体包括：
S51、设定n个具有同样标定距离D0但具有不同反射率的目标物T1,T2,…,Tn，并向n个目标物分别发射一激光脉冲信号；
S52、接收回波信号并处理得到n个不同目标物对应的回波信号的脉冲宽度δt1,δt2,…,δtn，其中，δtn＝t2n-t1n；
S53、根据第n个目标物对应的初始发射时刻t0和前沿时刻，通过TOF法计算得到n个目标物的初始测距值D1,D2,…,Dn；
S54、得到n个目标物初始测距值D1,D2,…,Dn和标定距离D0的距离误差值δd1,δd2,…,δdn，其中，δdn＝Dn-D0，并建立δdn和δtn之间的对应关系；
S55、通过所述对应关系，得到当前被测目标的脉冲宽度δtx对应的距离误差值δdx，并利用δdx对初始测距值DX进行修正补偿，得到修正测距值。
8.如权利要求7所述的激光脉冲测距方法，其特征在于，步骤S54中，建立δdn和δtn之间的对应关系的方法包括但不限于分段逼近法、多项式拟合法或查表法。
9.如权利要求6所述的激光脉冲测距方法，其特征在于，步骤S5中，所述处理器利用所述前沿时刻t1和后沿时刻t2的平均值作为所述回波信号的峰值时刻。
10.如权利要求7-9任一项所述的激光脉冲测距方法，其特征在于，所述初始测距值DX通过如下公式计算：
DX＝c(t1-t0)/2，
或者DX＝c((t2-t1)/2-t0)/2,c为光速。
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