CN113189605A - 一种基于不确定度提升激光测距精度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于不确定度提升激光测距精度的方法和系统，方法包括生成调制信号，并根据调制信号生成发射光脉冲；接收发射光脉冲经探测物体返回的反射光脉冲；根据反射光脉冲得到反射光脉冲的上升沿的电荷值为rq22，反射光脉冲的下降沿的电荷值为fq22；设置反射光脉冲中上升沿的置信度pr和下降沿的置信度pf；令发射光脉冲的jitter值为dt，发射光脉冲的脉冲宽度为u，则设置置信因子f；根据置信因子f计算得到激光传感器的测距结果。本发明可有效提高激光测距精度。

Description

一种基于不确定度提升激光测距精度的方法和系统

技术领域

本申请属于测距技术领域，具体涉及一种基于不确定度提升激光测距精度的方法和系统。

背景技术

经典物理中，光在空气中的传播速度c保持不变，这是经典物理学的基本常数。随着激光技术的发展和光电探测技术的进步、以及现场可编程逻辑门阵列(Field ProgramGate Array)性能的飞速提升，激光测距技术逐步迈向了数字化、高精度、和小型化。通过测量光在空气中的飞行时间t，根据距离＝速度*时间可得l＝c*t(l表示飞行距离)，即可计算光的飞行距离。利用光的反射定律，光在飞行过程中，碰到目标物，沿原路返回，则可得到测距装置和被测物体之间的距离：d＝1/2*c*t。

相位法是用一个脉冲开关与反射的光脉冲之间进行卷积以计算反射光脉冲与探测器的脉冲之间的相位关系。当两者之间的相位差小到足以忽略的程度时，计算出来的结果容易出现误差。

当探测脉冲的上升沿与反射光脉冲的上升沿的时间间隔较小时，或者探测脉冲的上升沿或下降沿与反射光脉冲的下降沿的时间间隔比较小，由于背景噪声或者探测器本底噪声会导致这种情况下的测量误差比较大，本发明是为了解决这种情况下测量不精确的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种基于不确定度提升激光测距精度的方法和系统，有效提高激光测距精度。

为实现上述目的，本申请所采取的技术方案为：

一种基于不确定度提升激光测距精度的方法，所述基于不确定度提升激光测距精度的方法，包括：

步骤1、生成调制信号，并根据调制信号生成发射光脉冲；

步骤2、接收发射光脉冲经探测物体返回的反射光脉冲；

步骤3、根据反射光脉冲得到反射光脉冲的上升沿的电荷值为rq22，反射光脉冲的下降沿的电荷值为fq22；

步骤4、设置反射光脉冲中上升沿的置信度pr和下降沿的置信度pf如下：

pr＝(rq22-qb)/qb

pf＝(fq22-qb)/qb

式中，qb为激光传感器测量到的背景光信号的电荷值；

步骤5、令发射光脉冲的jitter值为dt，发射光脉冲的脉冲宽度为u，则设置置信因子f为：

式中，Q为激光传感器测量到的反射光脉冲的最大电荷值；

步骤6、根据置信因子f计算得到激光传感器的测距结果，如下：

若上升沿的置信度pr<f，则利用下降沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D_f为测距结果，c为光速，tN为第一时间变量，tff为第二时间变量，且tN＝u×N，tff＝(fq22-qb)/(Q-qb)，N为反射光脉冲的下降沿到达之前发射光脉冲的发射个数；

若下降沿的置信度pf<f，则利用上升沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D_r为测距结果，c为光速，tM为第三时间变量，trr为第四时间变量，且tM＝u×M，trr＝(rq22-qb)/(Q-qb)，M为反射光脉冲的上升沿到达之前发射光脉冲的发射个数；

若上升沿的置信度pr≥f且下降沿的置信度pf≥f，则利用上升沿和下降沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D为测距结果。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

作为优选，所述调制信号的周期Tc与发射光脉冲的的脉冲宽度为u满足以下关系：

K＝Tc/u，且K为大于等于3的整数；

所述发射光脉冲的信号宽度Tl与发射光脉冲的脉冲宽度为u满足以下关系：

k＝Tl/u，且k为大于等于3的整数。

本申请还提供一种基于不确定度提升激光测距精度的系统，所述基于不确定度提升激光测距精度的系统包括激光信号调制及探测单元、信号处理单元，其中：

所述激光信号调制及探测单元，用于生成调制信号，并根据调制信号生成发射光脉冲；接收发射光脉冲经探测物体返回的反射光脉冲，并将发射光脉冲和反射光脉冲发送至所述信号处理单元；

所述信号处理单元，用于接收所述激光信号调制及探测单元发送的发射光脉冲和反射光脉冲并存储，还用于根据反射光脉冲得到反射光脉冲的上升沿的电荷值为rq22，反射光脉冲的下降沿的电荷值为fq22；设置反射光脉冲中上升沿的置信度pr和下降沿的置信度pf；设置置信因子f；根据置信因子f计算得到激光传感器的测距结果；

其中，设置反射光脉冲中上升沿的置信度pr和下降沿的置信度pf，执行如下操作：

pr＝(rq22-qb)/qb

pf＝(fq22-qb)/qb

式中，qb为激光传感器测量到的背景光信号的电荷值；

其中，设置置信因子f，执行如下操作：

令发射光脉冲的jitter值为dt，发射光脉冲的脉冲宽度为u，则置信因子f为：

式中，Q为激光传感器测量到的反射光脉冲的最大电荷值；

其中，根据置信因子f计算得到激光传感器的测距结果，执行如下操作：

若上升沿的置信度pr<f，则利用下降沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D_f为测距结果，c为光速，tN为第一时间变量，tff为第二时间变量，且tN＝u×N，tff＝(fq22-qb)/(Q-qb)，N为反射光脉冲的下降沿到达之前发射光脉冲的发射个数；

若下降沿的置信度pf<f，则利用上升沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D_r为测距结果，c为光速，tM为第三时间变量，trr为第四时间变量，且tM＝u×M，trr＝(rq22-qb)/(Q-qb)，M为反射光脉冲的上升沿到达之前发射光脉冲的发射个数；

若上升沿的置信度pr≥f且下降沿的置信度pf≥f，则利用上升沿和下降沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D为测距结果。

作为优选，所述调制信号的周期Tc与发射光脉冲的脉冲宽度为u满足以下关系：

K＝Tc/u，且K为大于等于3的整数；

所述发射光脉冲的信号宽度Tl与发射光脉冲的脉冲宽度为u满足以下关系：

k＝Tl/u，且k为大于等于3的整数。

现有技术中，在提升激光测距精度时，基本根据计算的测距最终结果来判定本次测量是否有效，从而对本次测距最终结果进行选取或矫正，该方式不仅判断具有延后性且在特定情况下受噪声影响较大。而本申请针对光脉冲的上升沿和下降沿的计算过程，在计算最终的测距结果之前，确定置信度因子，可以实时判断当前结果是否有效，属于实时反馈；同时本申请有效避免了光脉冲的上升沿或下降沿与探测信号脉冲的上升沿时间间隔非常短时由于误差导致的测量结果错误的问题。

附图说明

图1为本申请的一种基于不确定度提升激光测距精度的方法的流程图；

图2为本申请激光收发时序控制的一种实施例示意图；

图3为本申请激光检测器中PD像元一种实施例测量情况示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。

其中一个实施例中，提供一种基于不确定度提升激光测距精度的方法，提出测量不确定度参数，如果该不确定度在阈值区间内，则表明此测量为有效测量，如果不在阈值区间内，则表明此测量为无效测量，摒弃本次测量结果，以及时评估测量结果，克服现有技术中反射光脉冲和发射光脉冲之间的相位差较小时测量不精确的问题。

如图1所示，本实施例中的基于不确定度提升激光测距精度的方法，包括以下步骤：

步骤1、生成调制信号，并根据调制信号生成发射光脉冲。本实施例中为了便于进行时序控制，先生成调制信号再根据调制信号得到发射光脉冲。

步骤2、接收发射光脉冲经探测物体返回的反射光脉冲。

步骤3、根据反射光脉冲得到反射光脉冲的上升沿的电荷值为rq22，反射光脉冲的下降沿的电荷值为fq22.

步骤4、设置反射光脉冲中上升沿的置信度pr和下降沿的置信度pf如下，上升沿和下降沿的置信度即为本申请中计算的不确定度：

pr＝(rq22-qb)/qb

pf＝(fq22-qb)/qb

其中，qb为激光传感器测量到的背景光信号的电荷值。激光传感器包括激光器和激光检测器，背景光信号的电荷值的测量为激光器不给出发射光脉冲的情况下，激光检测器探测到的信号的电荷值。

步骤5、令发射光脉冲的jitter(理想时间偏差)值为dt，探测信号脉冲的脉冲宽度为u，则设置置信因子f为：

其中，Q为激光传感器测量到的反射光脉冲的最大电荷值；

步骤6、根据置信因子f计算得到激光传感器的测距结果，如下：

若上升沿的置信度pr<f，则利用下降沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D_f为测距结果，c为光速，tN为第一时间变量，tff为第二时间变量，且tN＝u×N，tff＝(fq22-qb)/(Q-qb)，N为反射光脉冲的下降沿到达之前发射光脉冲的发射个数，具体为与反射光脉冲对应的发射光脉冲发射之后，反射光脉冲的下降沿到达之前发射光脉冲的发射个数。

若下降沿的置信度pf<f，则利用上升沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D_r为测距结果，c为光速，tM为第三时间变量，trr为第四时间变量，且tM＝u×M，trr＝(rq22-qb)/(Q-qb)，M为反射光脉冲的上升沿到达之前发射光脉冲的发射个数，具体为与反射光脉冲对应的发射光脉冲发射之后，反射光脉冲的上升沿到达之前发射光脉冲的发射个数。

若上升沿的置信度pr≥f且下降沿的置信度pf≥f，则利用上升沿和下降沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D为测距结果。

由于置信因子f根据发射光脉冲的脉冲宽度、反射光脉冲的最大电荷值进行设置，因此不会存在上升沿的置信度pr和下降沿的置信度pf同时小于置信因子的情况。并且D_f、D_r、D均为测距结果，本实施例中为了便于区分不同情况采用不同符号进行表示。

本实施例中同时测量和评估反射光脉冲的上升沿和下降沿，在计算结果之前就已经确定了测量是否准确，并且上升沿或者下降沿的测量中，至少其中一个是测量准确的，因此本申请在反射光脉冲与探测脉冲之间的相位差较小的情况下仍能得到准确的测距结果。

在一个实施例中，设置调制信号的周期Tc与发射光脉冲的的脉冲宽度为u满足以下关系：

K＝Tc/u，且K为大于等于3的整数；

设置发射光脉冲的信号宽度Tl与发射光脉冲的脉冲宽度为u满足以下关系：

k＝Tl/u，且k为大于等于3的整数，以保证进行正常的测距计算。

为了便于对本申请的理解，以下结合附图提供一个具体实例：

如图2所示，为时序控制示意图，图中101表示调制信号有效周期脉冲；201表示发射光脉冲；401表示反射光脉冲；501表示正相发射光脉冲；502表示反相发射光脉冲；Tc表示调制信号的周期；Tl表示发射光脉冲的信号宽度；tr表示反射光脉冲上升沿的到达时间；tf表示反射光脉冲下降沿的到达时间；u表示发射光脉冲的脉冲宽度；tM表示在上升沿到达之前，发射光脉冲的脉冲宽度的M整数时间长度；tN表示在下降沿到达之前，发射光脉冲的脉冲宽度的N整数时间长度；trr表示反射光脉冲上升沿与相交的发射光脉冲上升沿之间的时间间隔；tff表示反射光脉冲下降沿与相交的发射光脉冲下降沿之间的时间间隔。

如图3所示，为激光检测器中PD像元测量情况示意图，图中10表示像元测量到的背景光信号，背景光信号包括：天空背景光、PD本底噪声、电信号本底噪声，干扰信号等；11表示像元测量到的有效信号电荷值；21表示仅背景光信号情况；22表示像元测量光脉冲上升沿或下降沿与发射光脉冲相交的部分测量情况；23表示像元测量最大信号情况，即发射光脉冲全部被反射光脉冲覆盖情况。

本实施例提供的测距方法的具体步骤如下：

1)设定Tc和u的比例关系；

2)设定Tl和u的比例关系；

3)按照时序关系进行探测；

4)用两组存储器分别储存501和502的探测值，若以发射光脉冲为12ns为例说明，假设采样间隔为4ns，则K＝3。即每个返回的反射光脉冲可以采样3次，得到3个测量值。如果发射光脉冲为120ns，则每个返回的反射光脉冲可以测量得到30个值；

5)根据探测值的变化情况，评估出当前探测信号分别处于图2中的21、22或23状态，若PD像元测量的信号接近于背景光信号强度，则表示处于21状态，若PD像元测量的信号接近于探测器的满刻度信号，则表示处于23状态，其余情况均处于22状态；

6)令背景光信号测量结果为qb；

7)令激光探测器满信号为Q；

8)上升沿：22表示的结果为rq22；

9)下降沿：22表示的结果为fq22；

10)设置pr表示上升沿的置信度，pf表示下降沿的置信度：

pr＝(rq22-qb)/qb；

pf＝(fq22-qb)/qb；

11)取发射光脉冲信号的jitter值为dt，脉冲信号的宽度为u；

12)计算置信因子

13)如果pr<f，则利用下降沿的计算结果作为最终结果，tff＝(fq22-qb)/(Q-qb)；

如果pf<f，则利用上升沿的计算结果作为最终结果，trr＝(rq22-qb)/(Q-qb)；

如果pr和pf都大于等于f，则将两者的计算结果进行平均，作为最终的距离计算结果。

在另一实施例中，提供一种基于不确定度提升激光测距精度的系统，该系统包括激光信号调制及探测单元、信号处理单元。

其中，激光信号调制及探测单元，用于生成调制信号，并根据调制信号生成发射光脉冲；接收发射光脉冲经探测物体返回的反射光脉冲，并将发射光脉冲和反射光脉冲发送至所述信号处理单元。

信号处理单元，用于接收所述激光信号调制及探测单元发送的发射光脉冲和反射光脉冲并存储，还用于根据反射光脉冲得到反射光脉冲的上升沿的电荷值为rq22，反射光脉冲的下降沿的电荷值为fq22；设置反射光脉冲中上升沿的置信度pr和下降沿的置信度pf；设置置信因子f；根据置信因子f计算得到激光传感器的测距结果。

并且信号处理单元中利用两个存储阵列分别存储正相发射光脉冲和反相发射光脉冲。为了提高信号的有效存储，设置存储阵列为双口随机读取存储器(RAM)，并且存储阵列的深度为调制信号和发射光脉冲的脉宽比值的一半。在信号处理单元进行数据处理时，采用流水线方式读取双口随机读取存储器中的数据，并实时进程测距计算。

具体的，设置反射光脉冲中上升沿的置信度pr和下降沿的置信度pf，执行如下操作：

pr＝(rq22-qb)/qb

pf＝(fq22-qb)/qb

式中，qb为激光传感器测量到的背景光信号的电荷值；

具体的，设置置信因子f，执行如下操作：

令发射光脉冲的jitter值为dt，发射光脉冲的脉冲宽度为u，则置信因子f为：

式中，Q为激光传感器测量到的反射光脉冲的最大电荷值；

具体的，根据置信因子f计算得到激光传感器的测距结果，执行如下操作：

若上升沿的置信度pr<f，则利用下降沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D_f为测距结果，c为光速，tN为第一时间变量，tff为第二时间变量，且tN＝u×N，tff＝(fq22-qb)/(Q-qb)，N为反射光脉冲的下降沿到达之前发射光脉冲的发射个数；

若下降沿的置信度pf<f，则利用上升沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D_r为测距结果，c为光速，tM为第三时间变量，trr为第四时间变量，且tM＝u×M，trr＝(rq22-qb)/(Q-qb)，M为反射光脉冲的上升沿到达之前发射光脉冲的发射个数；

若上升沿的置信度pr≥f且下降沿的置信度pf≥f，则利用上升沿和下降沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D为测距结果。

本实施例中的激光信号调制及探测单元、信号处理单元主要在于完成上述逻辑，对于单元的具体结构不做严格限制。并且关于本实施例中基于不确定度提升激光测距精度的系统的具体限制可参见上述对于基于不确定度提升激光测距精度的方法的限制，这里就不再进行赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种基于不确定度提升激光测距精度的方法，其特征在于，所述基于不确定度提升激光测距精度的方法，包括：

步骤1、生成调制信号，并根据调制信号生成发射光脉冲；

步骤2、接收发射光脉冲经探测物体返回的反射光脉冲；

步骤3、根据反射光脉冲得到反射光脉冲的上升沿的电荷值为rq22，反射光脉冲的下降沿的电荷值为fq22；

步骤4、设置反射光脉冲中上升沿的置信度pr和下降沿的置信度pf如下：

pr＝(rq22-qb)/qb

pf＝(fq22-qb)/qb

式中，qb为激光传感器测量到的背景光信号的电荷值；

步骤5、令发射光脉冲的jitter值为dt，发射光脉冲的脉冲宽度为u，则设置置信因子f为：

式中，Q为激光传感器测量到的反射光脉冲的最大电荷值；

步骤6、根据置信因子f计算得到激光传感器的测距结果，如下：

若上升沿的置信度pr<f，则利用下降沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D_f为测距结果，c为光速，tN为第一时间变量，tff为第二时间变量，且tN＝u×N，tff＝(fq22-qb)/(Q-qb)，N为反射光脉冲的下降沿到达之前发射光脉冲的发射个数；

若下降沿的置信度pf<f，则利用上升沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D_r为测距结果，c为光速，tM为第三时间变量，trr为第四时间变量，且tM＝u×M，trr＝(rq22-qb)/(Q-qb)，M为反射光脉冲的上升沿到达之前发射光脉冲的发射个数；

若上升沿的置信度pr≥f且下降沿的置信度pf≥f，则利用上升沿和下降沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D为测距结果。

2.如权利要求1所述的基于不确定度提升激光测距精度的方法，其特征在于，所述调制信号的周期Tc与发射光脉冲的的脉冲宽度为u满足以下关系：

K＝Tc/u，且K为大于等于3的整数；

所述发射光脉冲的信号宽度Tl与发射光脉冲的脉冲宽度为u满足以下关系：

k＝Tl/u，且k为大于等于3的整数。

3.一种基于不确定度提升激光测距精度的系统，其特征在于，所述基于不确定度提升激光测距精度的系统包括激光信号调制及探测单元、信号处理单元，其中：

所述激光信号调制及探测单元，用于生成调制信号，并根据调制信号生成发射光脉冲；接收发射光脉冲经探测物体返回的反射光脉冲，并将发射光脉冲和反射光脉冲发送至所述信号处理单元；

所述信号处理单元，用于接收所述激光信号调制及探测单元发送的发射光脉冲和反射光脉冲并存储，还用于根据反射光脉冲得到反射光脉冲的上升沿的电荷值为rq22，反射光脉冲的下降沿的电荷值为fq22；设置反射光脉冲中上升沿的置信度pr和下降沿的置信度pf；设置置信因子f；根据置信因子f计算得到激光传感器的测距结果；

其中，设置反射光脉冲中上升沿的置信度pr和下降沿的置信度pf，执行如下操作：

pr＝(rq22-qb)/qb

pf＝(fq22-qb)/qb

式中，qb为激光传感器测量到的背景光信号的电荷值；

其中，设置置信因子f，执行如下操作：

令发射光脉冲的jitter值为dt，发射光脉冲的脉冲宽度为u，则置信因子f为：

式中，Q为激光传感器测量到的反射光脉冲的最大电荷值；

其中，根据置信因子f计算得到激光传感器的测距结果，执行如下操作：

若上升沿的置信度pr<f，则利用下降沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D_f为测距结果，c为光速，tN为第一时间变量，tff为第二时间变量，且tN＝u×N，tff＝(fq22-qb)/(Q-qb)，N为反射光脉冲的下降沿到达之前发射光脉冲的发射个数；

若下降沿的置信度pf<f，则利用上升沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D_r为测距结果，c为光速，tM为第三时间变量，trr为第四时间变量，且tM＝u×M，trr＝(rq22-qb)/(Q-qb)，M为反射光脉冲的上升沿到达之前发射光脉冲的发射个数；

若上升沿的置信度pr≥f且下降沿的置信度pf≥f，则利用上升沿和下降沿的电荷值计算最终的测距结果，测距结果为

其中D为测距结果。

4.如权利要求3所述的基于不确定度提升激光测距精度的系统，其特征在于，所述调制信号的周期Tc与发射光脉冲的脉冲宽度为u满足以下关系：

K＝Tc/u，且K为大于等于3的整数；

所述发射光脉冲的信号宽度Tl与发射光脉冲的脉冲宽度为u满足以下关系：

k＝Tl/u，且k为大于等于3的整数。

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