CN109597057A - 一种激光回波测距方法及测距装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光回波测距方法及测距装置，其中测距装置包括激光发射模块，控制模块，时间测量模块，回波接收模块，多通道触发模块，回波测距模块。本发明所述的激光回波测距方法及测距装置中，无需提高发射激光峰值功率，也无需增大接收镜头的口径或者采用恒比甄别器，通过多路高速比较器方法完成暗计数噪声和真实回波信号的快速甄别区分，并通过对多个通道同时对回波脉冲电信号进行时间戳测量，可以准确地对当前脉冲进行测距，还有效的降低了设备整体的功耗，且可以有效适用于用于实时性和扫描速率要求较高场合，提高了本发明所述的激光雷达回波测距方法及测距装置的适用性，降低了测量成本，还保障了测量人员的安全。

Description

一种激光回波测距方法及测距装置
技术领域
本发明涉及激光雷达测距技术领域，具体地说，涉及一种激光回波测距方法及测距装置。
背景技术
现有技术中的一种基于激光雷达的主动探测方法，其基本工作原理是通过激光雷达向待探测目标发射激光，激光照射到待探测目标后于待测目标表面发生反射，再通过接收器接收被待测目标反射的激光信号，测量激光信号的往返时间后得出激光雷达与待测目标之间的距离。因激光自身具有的高相干性、方向性以及单色性等特点，使得通过激光雷达主动探测的方式能够实现远距离、高精度测距的功能，并且被广泛运用于自动驾驶、建筑三维建模、地形测绘等诸多方面。
在现有技术中，激光雷达通常采用的飞行时间测距法是一种通过向目标物体连续发送光脉冲，再采用传感器接收从目标物体返回的光束，通过探测光脉冲的飞行往返时间来得到光源距离目标物体的距离。其中，上述的这种连续光脉冲具有短时长、高峰值功率的特点，当得到某一光脉冲的返回时间时，将该返回时间与该光脉冲的发送时间进行比较，得到激光没冲往返目标物体的时长，进而将得到的该飞行时长与光速相乘，得到目标物体距离光源的距离数据。
因为在发射激光峰值功率以及用于接收目标物体反射的光脉冲的接收镜头等其他设备因素保持一定的前提下，被激光雷达接收到的反射光脉冲的光强会随着目标物体与发射光源之间的距离增加而降低，相应的，接收到的回波电信号的幅值也会随着成比例下降，继而，由于光强的减弱和回波电信号的幅值的下降，使得当目标物体距离发射光源的距离较远时候，会较大程度地降低通过飞行时间测距法测距的精度。人们在长期的实践中提出了可以采用提高发射激光峰值功率和增大所述的接收镜头的口径两种方法以解决现有技术中存在的上述技术问题，然而这两种方法也存在各自的缺点：
1)在一种可行的办法中，可以采用提高发射激光峰值功率的方法来提高测距的精度并延伸激光雷达的可探测距离，然而相应的，提高发射光源的峰值功率会使得激光雷达的电功耗也相应增加，这势必会增加激光雷达设备整体设备的系统负担，另外，过高的激光峰值功率所发射的连续激光脉冲对操作人员的视力也造成一定程度的损害，不利于连续测量或者长期测量，显然这样的方法虽然能够解决激光雷达远距离测距的精度不够的问题，但是也限制了该种方式适用性。
2)在另一种可行的方法中，可以采用增大接收镜头的口径来提高测距的精度。然而，增大接收镜头的口径一方面势必会增加设备整体的质量，更重要的是增大接收镜头也必然会使得进入接收视场的背景光增强，这样反而会降低了系统的信噪比。
针对上述的技术问题，现有技术中为了弥补该性能恶化，提出了一种恒比甄别器，恒比甄别器采用专用脉冲边缘提取电路，但是恒比甄别器需要对其参数的设置要求极为严格以保证其正常工作，导致使用这种设备测量队操作人员的要求进一步提升，且因其繁琐的设置过程反而提高了测量的难度。有鉴于此，应当提供一种新的测量方法以及测量装置，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
发明内容
本发明是为了解决上述技术问题而做出的，其目的是提供一种易于实现、且能够降低反射过程中回波信号幅值变化造成的测距误差，具有更小的功耗，且能够降低幅值变化造成的回波接收抖动，适用于实时性和扫描速率要求较高场合的激光回波测距方法及测距装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种激光雷达回波测距方法，该方法包括以下步骤：S1、激光雷达发射激光脉冲至目标物体，获取激光脉冲发射触发信号，并将触发电信号转化为触发数字信号，记录触发时间，构筑测距的基准时间戳组TSbase；S2、接收所述目标物体返回的回波信号，并将回波信号转化为回波电信号；S3、采用多通道比较器对所述回波电信号进行过阈值触发，获得触发信号，所述触发信号经过转换得到通道触发时间戳组；S4、通过所述通道触发时间戳组计算获得接收回波时间戳；S5、根据所述接收回波时间戳和所述通道触发时间戳组计算获得所述目标物体的真实测距值。
优选地，在所述步骤S1之前，可以预先于所述多通道比较器内记录激光脉冲发射功率对应的脉冲幅值。
优选地，在所述步骤S1之前，可以预先根据所述激光雷达发射激光脉冲的功率，对所述多通道比较器进行阈值设置，所述阈值按照所述激光脉冲的幅值可以按比例设置，所述阈值的分布可以为线性分布或非线性分布。
优选地，在所述步骤S1中，可以通过光束分光得到发射主波信号进行光电转换后利用所述多通道比较器触发得到。
优选地，在所述步骤S2中，可以通过光电信号传感器将所述回波信号转化为回波电信号。
优选地，在所述步骤S3中，所述多通道比较器的通道数可以为多道。
优选地，在所述步骤S4中，可以通过对所述通道触发时间戳组中的有效数据进行筛选后，对所述有效数据进行加权后回归，得到所述接收回波时间戳。
进一步优选地，在所述步骤S4中，所述通道触发时间戳组内，可以将未产生触发的信号对应的时间标记为无穷大，可以在所述通道触发时间戳组中剔除标记为无穷大的数据，以得到有效数据，而后可以选择信号回归到0幅值的信号对应的时间作为所述回波接收时间戳。
相应的，本发明还提供了一种基于上述内容的激光回波测距装置，该装置包括：
激光发射模块，控制模块，时间测量模块，回波接收模块，多通道触发模块和回波测距模块，所述控制模块跟激光发射模块电性连接，激光发射模块再跟时间测量模块连接，时间测量模块再跟回波接收模块连接，回波接收模块再跟回波测距模块连接，回波测距模块再跟多通道触发模块连接。
进一步的，该装置包括：激光发射模块，该激光发射模块包括电控振镜和激光器；控制模块，该控制模块通过控制器实现控制逻辑，以控制所述激光器的发射并产生同步信号；时间测量模块，该时间测量模块用于提取基准时间，所述时间测量模块包括时钟计数电路与延迟链高分辨时间内插电路；回波接收模块，该回波接收模块包括接收光学与光电传感器；多通道触发模块，该多通道触发模块包括多通道电压阈值设定电路和多通道电压比较电路；回波测距模块，该回波测距模块对接收到的所述时间戳组信号进行回归计算得到所述回波接收时间戳，并最终得到测距结果，其中，当所述激光回波测距装置工作时，在一个测量开始时，所述激光发射模块发射出的光信号并同时记录下所述发射信号的时间作为基准时间戳，所述激光信号经过目标反射后传输到接收信号的所述回波接收模块，所述激光信号转变成电信号后进入所述多通道触发模块，所述多通道触发模块在信号的电压幅值大于预设电压阈值时输出触发信号，将触发信号输入所述时间测量模块得到时间戳组，将所述时间戳组进行筛选和回归计算后提取出回波接收时间戳，继而换算成目标距离。
根据上面的描述和实践可知，本发明所述的激光回波测距方法及测距装置中，通过数字时间转换器记录激光脉冲的发射时间，并构筑测距的基础时间戳值，而后通过光电传感器将接收装置接收到的目标物体反射后的回波信号转化为电信号，然后通过多通道比较器对回波电信号进行过阈值触发，得到多路触发信号，得到通道触发时间戳组，对所述通道触发时间戳组进行进一步的筛选，以筛选出有效数据后进行加权后回归，得到接收回波时间戳，最后根据接收回波时间戳与触发时间戳按照光速飞行时间-距离公式得到与目标物体之间的距离值。综上所述，与现有技术相比，本发明所述的激光回波测距方法及测距装置中，无需提高发射激光峰值功率，也无需增大接收镜头的口径或者采用恒比甄别器，通过多路高速比较器方法完成暗计数噪声和真实回波信号的快速甄别区分，并通过对多个通道同时对回波脉冲电信号进行时间戳测量，可以准确地对当前脉冲进行测距，还有效的降低了设备整体的功耗，且可以有效适用于用于实时性和扫描速率要求较高场合，提高了本发明所述的激光雷达回波测距方法及测距装置的适用性，降低了测量成本，还保障了测量人员的安全。
附图说明
图1为流程图，示出了本发明的一个实施例中所述的激光回波测距方法的流程；
图2为示意图，示出了本发明的一个实施例中所述的激光回波测距装置的框架结构；
图3为示意图，示出了图1中所示的激光回波测距方法中，对回波进行多通道触发的示意图；
图4为示意图，示出了图1中所示的激光回波测距方法中，进行回归计算提取回波接收时间的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的激光回波测距方法及测距装置的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
图1为流程图，示出了本发明的一个实施例中所述的激光回波测距方法的流程。如图1所示，在本发明的该实施例中所述的激光回波测距方法包括以下步骤：S1、激光雷达发射激光脉冲至目标物体，获取激光脉冲发射触发信号，并将触发电信号转化为触发数字信号，记录触发时间，构筑测距的基准时间戳组TSbase；S2、接收所述目标物体返回的回波信号，并将回波信号转化为回波电信号；S3、采用多通道比较器对所述回波电信号进行过阈值触发，获得触发信号，所述触发信号经过转换得到通道触发时间戳组；S4、通过所述通道触发时间戳组计算获得接收回波时间戳；S5、根据所述接收回波时间戳和所述通道触发时间戳组计算获得所述目标物体的真实测距值。
具体地说，在步骤S1之前，预先于多通道比较器内记录激光脉冲发射功率与对应的脉冲幅度值，并且，预先根据激光雷达发射激光脉冲的功率，对多通道比较器进行阈值设置，设置阈值时，根据记录的激光脉冲发射功率与对应的脉冲幅度值按照比例设置。在本发明的该实施例中，多通道比较器的通道数为至少两道，并且，阈值的分布可以为线性分布或非线性分布。相应的，在本发明的该实施例中，触发阈值组按照多通道比较器的通道数，可以记为[TH(1)，...，TH(n)]，其中n为多通道比较器的通道个数。然后在步骤S1中，通过光束分光得到发射主波信号进行光电转换后利用多通道比较器得到激光脉冲发射的触发信号，在本发明的其他实施例中，也可以通过控制逻辑提供触发信号以获得触发信号。
在步骤S2中，通过光电信号传感器将回波信号转化为回波电信号。
在步骤S3中，多通道触发时间戳组可以记为[TStrig(1)，...，TStrig(n)]，其中n为多通道比较器的通道个数，并且，当某一个通道未产生触发信号时，则对应的时间戳标记为无穷大。
在步骤S4中，对通道触发时间戳组中的有效数据进行筛选，在通道触发时间戳组内，剔除标记为无穷大的数据，以得到有效数据后，对有效数据进行加权后再回归，并选择信号回归到0幅值的信号对应的时间构筑回波接收时间戳。
在步骤S5中，按照光速飞行时间-距离公式，根据接收回波时间戳计算出目标物体的真实距离。
相应的，本发明还提供了一种基于上述方法的激光回波测距装置，图2为示意图，示出了本发明的一个实施例中所述的激光回波测距装置的框架结构。如图2所示，在本发明的该实施例中所述的激光回波测距装置包括激光发射模块1、控制模块2、时间测量模块3、回波接收模块4、多通道触发模块5、回波测距模块6。
其中所述控制模块跟激光发射模块电性连接，激光发射模块再跟时间测量模块连接，时间测量模块再跟回波接收模块连接，回波接收模块再跟回波测距模块连接，回波测距模块再跟多通道触发模块连接。
具体地说，激光发射模块用于完成激光发射，其包括电控振镜和激光器；控制模块2通过控制器实现控制逻辑，用于控制激光器的发射并产生同步信号；时间测量模块3用于提取基准时间，其包括时钟计数电路与延迟链高分辨时间内插电路；回波接收模块4包括接收光学与光电传感器；多通道触发模块5包括多通道电压阈值设定电路和多通道电压比较电路；回波测距模块6对接收到的时间戳组信号进行回归计算得到回波接收时间戳，并最终得到测距结果。
其中，当上述的激光回波测距装置工作时，在一个测量开始时，激光发射模块1发射出的光信号并同时记录下发射信号的时间作为基准时间戳，激光信号经过目标反射后传输到接收信号的回波接收模块4，激光信号转变成电信号后进入多通道触发模块5，多通道触发模块5在信号的电压幅值大于预设电压阈值时输出触发信号，将触发信号输入时间测量模块3得到时间戳组，将时间戳组进行筛选和回归计算后提取出回波接收时间戳，继而换算成目标距离。
图3为示意图，示出了图1中所示的激光回波测距方法中，对回波进行多通道触发的示意图。图4为示意图，示出了图1中所示的激光回波测距方法中，进行回归计算提取回波接收时间的示意图。在本发明的一个实施例所述的激光回波测距方法的一次运用中，采用激光雷达进行测距，光电探测器采用硅光电倍增管，光敏元大小6mm*6mm。激光器采用905m，峰值功率1W。通过峰值保持电路测得约50cm处回波信号幅值为1v。
脉冲发射后得到基准时间戳10.01ns，共采用8路比较器进行回波触发信号产生，每路比较器的触发阈值分别设置为[0.01 0.015 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.08]V，得到触发阈值组[TH(1)，...，TH(n)]。接收到回波后分别记录对应的触发时间[13.96，14.20，14.24，14.76，15.04，15.72，16.04，17.44]ns，得到触发时间戳组。剔除0.08V对应的触发时间，将其余的数据进行线性回归计算出幅度值零位点为13.446ns，作为回波接收时间戳。将基准时间戳与回波接收时间戳计算出距离0.5154m，共处理8820个不同反射率的波形，绘制距离计算分布直方，测量标准差为0.016m。
根据上面的描述和实践可知，本发明所述的激光回波测距方法及测距装置中，通过数字时间转换器记录激光脉冲的发射时间，并构筑测距的基础时间戳值，而后通过光电传感器将接收装置接收到的目标物体反射后的回波信号转化为电信号，然后通过多通道比较器对回波电信号进行过阈值触发，得到多路触发信号，得到通道触发时间戳组，对所述通道触发时间戳组进行进一步的筛选，以筛选出有效数据后进行加权后回归，得到接收回波时间戳，最后根据接收回波时间戳与触发时间戳按照光速飞行时间-距离公式得到与目标物体之间的距离值。综上所述，与现有技术相比，本发明所述的激光回波测距方法及测距装置中，无需提高发射激光峰值功率，也无需增大接收镜头的口径或者采用恒比甄别器，通过多路高速比较器方法完成暗计数噪声和真实回波信号的快速甄别区分，并通过对多个通道同时对回波脉冲电信号进行时间戳测量，可以准确地对当前脉冲进行测距，还有效的降低了设备整体的功耗，且可以有效适用于用于实时性和扫描速率要求较高场合，提高了本发明所述的激光雷达回波测距方法及测距装置的适用性，降低了测量成本，还保障了测量人员的安全。
如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明所述的激光回波测距方法及测距装置。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的激光回波测距方法及测距装置，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种激光雷达回波测距方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、激光雷达发射激光脉冲至目标物体，获取激光脉冲发射触发信号，并将触发电信号转化为触发数字信号，记录触发时间，构筑测距的基准时间戳组TSbase；
S2、接收所述目标物体返回的回波信号，并将回波信号转化为回波电信号；
S3、采用多通道比较器对所述回波电信号进行过阈值触发，获得触发信号，所述触发信号经过转换得到通道触发时间戳组；
S4、通过所述通道触发时间戳组计算获得接收回波时间戳；
S5、根据所述接收回波时间戳和所述通道触发时间戳组计算获得所述目标物体的真实测距值。
2.如权利要求1所述的激光雷达回波测距方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，预先于所述多通道比较器内记录激光脉冲发射功率对应的脉冲幅值。
3.如权利要求1所述的激光雷达回波测距方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，预先根据所述激光雷达发射激光脉冲的功率，对所述多通道比较器进行阈值设置，所述阈值按照所述激光脉冲的幅值按比例设置，所述阈值的分布为线性分布或非线性分布。
4.如权利要求1所述的激光雷达回波测距方法，其特征在于，在所述步骤S1中，通过光束分光得到发射主波信号进行光电转换后利用所述多通道比较器触发得到所述激光脉冲发射的触发信号。
5.如权利要求1所述的激光雷达回波测距方法，其特征在于，在所述步骤S2中，通过光电信号传感器将所述回波信号转化为回波电信号。
6.如权利要求1所述的激光雷达回波测距方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述多通道比较器的通道数为多道。
7.如权利要求1所述的激光雷达回波测距方法，其特征在于，在所述步骤S4中，通过对所述通道触发时间戳组中的有效数据进行筛选后，对所述有效数据进行加权后回归，得到所述接收回波时间戳。
8.如权利要求7所述的激光雷达回波测距方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述通道触发时间戳组内，未产生触发的信号对应的时间标记为无穷大，在所述通道触发时间戳组中剔除标记为无穷大的数据，以得到有效数据，而后选择信号回归到0幅值的信号对应的时间作为所述回波接收时间戳。
9.一种基于权利要求1至8任一项所述的激光回波测距装置，其特征在于，该装置包括：
激光发射模块，控制模块，时间测量模块，回波接收模块，多通道触发模块和回波测距模块，所述控制模块跟激光发射模块电性连接，激光发射模块再跟时间测量模块连接，时间测量模块再跟回波接收模块连接，回波接收模块再跟回波测距模块连接，回波测距模块再跟多通道触发模块连接。
10.根据权利要求9所述的激光回波测距装置，其特征在于：激光发射模块，该激光发射模块包括电控振镜和激光器；
控制模块，该控制模块通过控制器实现控制逻辑，以控制所述激光器的发射并产生同步信号；
时间测量模块，该时间测量模块用于提取基准时间，所述时间测量模块包括时钟计数电路与延迟链高分辨时间内插电路；
回波接收模块，该回波接收模块包括接收光学与光电传感器；
多通道触发模块，该多通道触发模块包括多通道电压阈值设定电路和多通道电压比较电路；
回波测距模块，该回波测距模块对接收到的所述时间戳组信号进行回归计算得到所述回波接收时间戳，并最终得到测距结果，其中，
当所述激光回波测距装置工作时，在一个测量开始时，所述激光发射模块发射出的光信号并同时记录下所述发射信号的时间作为基准时间戳，所述激光信号经过目标反射后传输到接收信号的所述回波接收模块，所述激光信号转变成电信号后进入所述多通道触发模块，所述多通道触发模块在信号的电压幅值大于预设电压阈值时输出触发信号，将触发信号输入所述时间测量模块得到时间戳组，将所述时间戳组进行筛选和回归计算后提取出回波接收时间戳，继而换算成目标距离。
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