CN1094515A - 一种激光测距方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种激光测距方法及其装置，是利用数个“数字 可程式信号延迟发生器”作时间差的精密修正及测 量，以达到高精度的测距，此装置是由激光信号驱动 器及发射器、接收器以及由一微处理器控制的飞行时 间处理单元所组成。

本发明电路结构简单、易于弹性设计精度特性， 受环境温度影响小，可进行动态测量。

Description

本发明属于测距方法与装置。

激光测距的基本原理为：计算激光信号光由测距器射出开始、照射在目标物上、再反射回到测距器的光传感器元件上为止，所需的飞行时间（time-of-fly）△T;利用此飞行时间△T，可直接估算测距器与目标物间的距离D（若不考虑空气折射率，则飞行时间△T约等于激光信号返的之两倍距离2D除以光速）。然而，由于激光信号以光速行进，且光速为一极大的值，欲使距离D的精度达到15cm时，其飞行时间△T的测量精度需达1ns（10^-9秒）。故，如何准确且快速的测量出飞行时间△T，是激光测距的关键技术。

传统的测距方法，是利用电子电路技术，将要测的飞行时间△T的信号宽度拉长以便测量;或将飞行时间△T的信号转换成其他易于测量的电气数值（例如电压等）试图以该电气数值的变化，反推飞行时间△T的大小;然而，无论利用上述哪个方法，都将大大增加电子电路的复杂度与精密电子元件的需求量，且易受温度的影响。当然，也可利用激光信号的相位变化测量飞行时间△T，然而此测量方式的电子电路更加复杂且计算速度更慢。

一般的激光测距器，有利用两个光传感器分别感应发射及接收的激光信号，用此计算激光信号的飞行时间△T;但是，由于使用两个光传感器使得信号处理量加倍，相对地其电路复杂度也为之提高。于是，较进步的激光测距器是利用一个光传感器负责感应由测距器发射及接收的激光信号，这固然简化其电路的复杂度，但此设计因须利用光纤将反馈的激光导至光传感器上，光纤将遮挡部份激光光源的发射面积，导致激光发射信号减少，造成光学设计的难度增加，且光传感器接收信号的效率也为之降低;进一步说，由于一个光传感器须负责感应由测距器发射及接收的激光信号，故其信号处理电路设计的困难度也将因此而大为提高。

一般的激光测距器其测距范围的精度，都因不同的需求而须有不同的设计;并且任何激光测距方式，其测距精度均受其测距方法的解析度（resolution）限制，要改变任一激光测距器的精度，使之适合需求而改变设计，其耗费的人力、物力，无异于开发新的激光测距器，在现阶段无法轻易实现。然而，激光测距器常因应用场合不同，而有不同的精度需求。

有鉴于此，本发明乃提供一种激光测距装置，利用数个数字可程式信号延迟发生器（digitally    programmable    delay    generator，以下简称DPDG）为关键元件，设计出一种较熟知的测距电路简化许多的测距电路。

本发明的主要目的，在于利用DPDG的特性，以数字程式控制手段，使一个脉冲信号（pulse    signal）的上升边界（rising    edge）延迟适当的时间，藉以设计成简化的测距电路;不须将时间信号宽度拉长或作信号形式的转变。

本发明的又一目的，在提供一种激光测距方法，利用DPDG的电路，作时间差的精密修正及测量，可准确而有效地完成测距的功效;且激光信号的发射时间，可直接由激光驱动电路的触发边缘信号提供，故测距电路仅须负责检测返回的激光信号，而无光纤反馈的必要，大大地提高光传感器的效率、减少光学设计的难度，也降低了信号处理电路设计的困难度。且因以数字信号处理，受温度的影响不大。

本发明的另一目的，在于可利用将测量时间差用的DPDG予以串接，而能轻易地增加数倍至数十倍的测距范围精度，以满足各种不同精度需求的场合。

本发明激光测距的方法及装置是包括一激光信号驱动器、一光发射器、一光接受器、一飞行时间处理单元及一微处理器;利用飞行时间处理单元中的一或两个DPDG作发射及接受信号时间差的校正，再以至少一个DPDG配合一数据正反器（data    flip-flop）作时间差的测量，使微处理器可准确而快速地计算激光信号的飞行时间△T，完成测距的功效。

结合附图详细说明本发明内容。

图1为本发明系统组成的示意图。本发明包括一激光信号驱动器1，除用以驱动一光发射器2产生经调制的激光脉冲信号光，并提供一发射时间（transmitting time）触发边缘信号T_t至飞行时间处理单元4，以即时反应激光信号的发射时间;一光发射器2，是包含一激光二极管21，用以发出激光信号光，此激光信号光经由光纤22导入透镜23，投射至目标物（未图示）上;一光接收器3，用以将从目标物反射的激光信号光经由透镜31，导入光纤32，接引至一光传感器33，并使之产生另一相当于激光信号光飞行时间△T的反向散射时间（backscatter time）触发边缘信号T_b到飞行时间处理单元4;该飞行时间处理单元4将上述发射及接收的两个触发边缘信号T_t及T_b，在一微处理器5的控制下，作时间差的精密修正及测量，即可计算激光信号光的飞行时间△T，完成测距的功效。

图2为本发明飞行时间处理单元4的组成实施例及信号流程图。此例中，飞行时间处理电路单元4包含三个数字可程式信号延迟发生器DPDG411，412，413及一数据正反器42。首先，激光信号发射及接收的两个触发边缘信号T_t及T_b，按第一图所述产生，分别输入如图示的DPDG411与DPDG413中，此二DPDG依据微处理器5的控制信号，将信号T_t及T_b作延迟时间的精密修正，分别产生适当延迟信号T与R（如图示），使该延迟信号T与R之间的时差恰等于飞行时间△T。微处理器5进一步控制DPDG412将延迟信号T作再次的延迟处理，产生变动的延迟信号TT，变动的延迟信号TT与延迟信号R分别输入数据正反器42延迟，由其输出状态的变化，可使微处理器5准确而快速地得知激光信号的飞行时间△T，此程序将于图4详述。在此说明：延迟信号R的信号脉宽W可由DPDG外加（未图示）的延迟线路（delay    line）调整设定至适当值（DPDG电路为已知技术，如下述），以利计测飞行时间△T;延迟信号T及TT则仅取其上升缘信号（此等作用详于第四图叙述）。

本发明使用的DPDG为熟知元件，基本上含有一线性斜波发生器（linear    ramp    generator），D/A转换器（D/A    converter）及电压比较器，外部输入信号的上升缘首先触发斜波发生器，电压比较器随即监测下降中的斜波电压，当其到达由D/A转换器界定的参考电压值时输出延迟信号。参考电压值可由外界的微处理器等以数字信号输入，因而可程式化地调设。至于斜波的长度，即最大可延迟时段，可用外加的电阻、电容依据本发明所能测量的最大距离范围而调整决定，以下称此最大可延迟时段为FS（full-scale    range），在FS内，利用微处理器的n个位元（bit）的输入，能令DPDG将该FS划分成2n段。例如：n为8位元输入，则FS可划分成256段，亦即，对应的测量距离也认为划分成256段;若微处理器输入DPDG的资料为「1111111」，则延迟信号（其上升缘）产生于FS最远处;又如：若微处理器输入DPDG为「11111000」，则延迟信号发生在FS的第248段处;故经由微处理器n个位元输入的可程式作用，即可指定任一延迟时段，使DPDG产生正确、符合要求的延迟信号。

本发明使用的数据正反器42，具有数值输入端D、时脉输入端CLK及输出端Q，其作用状态为：当CLK端有触发信号输入时，若D端为高位准输入，则Q端为高位准输出;若I）端为低位准输入，则Q端也为低位准输出。亦即，数据正反器42的Q输出端位准的高或低，取决于CLK端触发边缘信号TT输入时，D端延迟信号R位准的高或低。

图3，为本发明作飞行时间补尝校正的信号延迟时脉图。测距系统中，由于电子元件、电路及光纤…等因素造成的反应时间延迟，使得飞行时间△T计算的不准度提高;现有的激光测距技术却因必须作时间补尝校正而增加测距电路的复杂度。本发明运用DPDG可程式控制延迟信号的作用，使输入脉冲信号T_t、T_b的上升缘，各延迟一指定的时间△t1、△t3而输出，成为延迟的信号T及R。亦即，本发明可在对已知距离的测定下，校正DPDG411与DPDG413的延迟时间△t1及△t3，使延迟信号T与R之间的时差恰为飞行时间△T，亦即，系统反应时间的延迟，均可由DPDG411与DPDG413作一次总补尝（需注意信号T应在信号R之前）。这样不必变更测距电路，即可轻易解决系统反应时间延迟的问题。进一步言之，若本发明的应用场合固定，即触发边缘信号T_t与T_b信号延迟状况可利用多次实验而获得一较稳定的结果，则可预先调设一固定的延迟时间，使之适合测距全程的信号补尝，则DPDG411与DPDG413可舍去其一，即仅利用一DPDG作上述的总补尝校正，达到精简构件的目的。

图4为本发明中飞行时间处理单元计算激光信号飞行时间的信号时脉图。在本实施例中，微处理器5即依据前述的补尝校正目的，调整DPDG411与DPDG413延迟时间，使之分别将激光信号发射及接收的两个触发边缘信号T_t及T_b延迟为适当的延迟信号T与R，使其间的时间差为所要测量的飞行时间△T;接着，微处理器5依据后述的二分搜寻法（binary search），随着后续各次激光信号的发射、接收，不断地发出控制指令改变DPDG412的延迟时间C值（如图示之C₁、C₂等），使得DPDG412在如图示的FS内，将延迟信号T尝试作多次不同的延迟处理，并分别产生对应的TT₁、TT₂…等延迟信号;数据正反器42依据由输入端D及CLK输入的信号R及TT而作用其输出，可供微处理器5寻得正确的C值，以计算对应的量测距离，其作用如下：

如图4所示，假设DPDG412已设定其适当的最大延迟范围FS，则由DPDG413输出的延迟信号R的信号脉宽W亦被适当调设至大于FS的一半，以便下述分析程序的进行。在此假设DPDG412对FS的分段数为16（＝2⁴），而信号R的上升缘（即△T的末端）位于FS第5段与第6段之间，则微处理器5利用二分搜寻法，藉正反器42输出端Q的信号状态即可在n（在此为4）次搜寻后，得知适当一延迟时间C值，使之与飞行时间△T极为近似，以计算对应的测量距离。即首先，微处理器5令第一次延迟时间C₁＝FS/2（即C₁＝8），使DPDG412产生如图示的延迟信号TT₁，则因其上升缘在延迟信号R之后，故数据正反器42之输出端Q为高位准，可将之定义为Q₁＝1，故微处理器5令第二次延迟时间C₂＝C₁-FS/4（即C₂＝4），使DPDG412产生如图示的延迟信号TT₂，则因其上升缘在延迟信号R之前，故正反器42之输出端Q为低位准，定义为Q₂＝-1，故微处理器5令第三次延迟时间C₃＝C₂+FS/8（即C₃＝6），使DPDG412产生如图示的延迟信号TT₃，则因其上升缘位于延迟信号R之后，正反器42之输出Q₃＝1，于是微处理器5令第四次延迟时间C₄＝C₃-FS/16，同理得Q₄＝-1。至此即可得知延迟信号R，亦即飞行时间△T位于延迟时间C₃（5）与C₄（6）之间，可取中间值5.5表示，藉以计算距离值。当然，若DPDG412对FS的分段数提高为2⁸（即n＝8），则测量的单位精度也提高，而此时二分搜寻需8次。上述程序可以概括方程式表示如下：

$\mathrm{\ΔT}\≈\frac{\mathrm{FS}}{2}-\underset{x=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{FS}*Q_X}{2^{X+1}}$

其中    △T＝飞行时间

FS＝DPDG412的最大可延迟时段

n＝FS的分段数

Q_X（X＝1，2，…n）＝第X次 数值正反器42之Q端输出;

定义为：高位准输出值为1，低位准输出值为-1。

更进一步说，上述的微处理器n个位元的数字输入方式，乃因DPDG硬件的选用决定，n越大即分段越多，对测量的单位精度有帮助。其次，测量的距离范围的需求，对应FS范围的大小，也决定激光测距装置的单位精度。即FS愈大，其划分的2n段当然愈疏，其单位精度亦相对降低，反之，若FS愈小，其划分的2n段愈密，其单位精度相对提高;由此可发现：若以串接至少两个DPDG的方式（即DPDG412之后再附加另一个DPDG），使前者为较低单位精度，后者为较高单位精度，则可经由低单位精度的DPDG先于其FS内，快速寻得涵括延迟信号R（升缘信号部份）的一较窄时域范围，再利用高单位精度的DPDG于该较窄的时段区间内，以较细密的时域划分作精确的逼近，如此，便可于两个或更多DPDG搭配下，轻易地增加数倍至数十倍的测距精度。

本发明的测距装置电路构造简单，易于弹性设计其精度特性，且微处理器以数值方式控制测距电路的运作，受环境温度的影响较小，可适用于如汽车上对障碍物的动态测量，可快速测取相对移动的速度。

附图说明：

图1本发明系统组成的示意图。

1-激光信号驱动器    3-光接收器

2-光发射器    31-透镜

21-二极体    32-光纤

22-光纤    33-光传感器

23-透镜

4-飞行时间处理单元    5-微处理器

图2本发明中的飞行时间处理单元的组成及信号流程图。

42-数据正反器

411-数字可程式信号延迟发生器

412-数字可程式信号延迟发生器

413-数字可程式信号延迟发生器

图3本发明作飞行时间补尝校正的信号延迟时脉图。

图4本发明中的飞行时间处理单元计算激光信号飞行时间的信号时脉图。

Claims (4)

1、一种激光测距方法及其装置，它是由激光信号驱动器及发射器、接收器以及由一微处理器控制的飞行时间处理单元所构成，其特徵在于：

该激光信号驱动器，在驱动发射器输出激光脉冲时，同时提供发射时间触发信号至该飞行时间处理单元；

该接收器，依据从目标物反射的激光信号产生对应于激光信号飞行时间的反向散射时间触发信号至该飞行时间处理单元；

该飞行时间处理单元，包含至少两个数位可程式信号延迟发生器及一数据正反器，将上述的发射时间及反向散射时间的两个触发信号，于该微处理器的控制下，作时间差的适当修正，并输入该数据正反器；

该微处理器，控制上述时间差的修正，并依据数据正反器输出的状态，判断激光信号的飞行时间。

2、如权利要求1所述的一种激光测距方法及其装置，其特征在于该飞行时间处理单元中，至少一个数位可程式信号延迟发生器，首先将上述发射及反向散射时间触发信号的至少其一作延迟，使其间的时间差恰为正确的飞行时间，亦即，将系统反应时间的延迟，依据已知距离作一次总补尝。

3、如权利要求2所述的一种激光测距方法及其装置，其特征在于该飞行时间处理单元中的至少一个数位可程式信号延迟发生器将依据该微处理器的控制已校正为飞行时间差的两信号中较提前者，再作变动的时间延迟，使之逐次趋近两信号中较落后者;该微处理器藉该数据正反器输出的状态，判断得知一与该飞行时间最接近的延迟时间以代表该飞行时间。

4、如权利要求3所述的一种激光测距方法及其装置，其特征在于该飞行时间处理单元中含有两个数位可程式信号延迟发生器作变动时间的延迟，其中之一在一较大的时间范围内，分段延迟寻得粗略的飞行时间所在范围，另一在该粗略分段范围内，作较细密分段延迟的精确逼近，以增进测距精度。

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