CN113671516A - 一种车灯测距装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车灯测距装置及其方法，该装置包括：LED，其安装在车灯的壳体内，用于发出LED光；耦合单元，其用于通过交流调制信号将为所述LED供电的直流信号转化成交流信号，并将交流信号与所述直流信号进行叠加，叠加得到的信号用作参考信号；光电传感器，其用于将所述LED光以平行光束方式出射，以及用于将通过所述LED光照射障碍物后产生的漫反射光信号进行光电转化，获得待测信号；混频单元，其用于获取所述参考信号以及所述待测信号的相位差信号；信号处理单元，其用于根据所述相位差信息，计算所述障碍物与车辆的距离。本发明以LED灯为测距光源，该光源具有亮度高，低功耗，寿命长的特点，行车更易辨识，且能为车辆的前向测距提供有利条件。

Description

一种车灯测距装置及其方法

技术领域

本发明涉及智能网联车辆技术领域，特别是关于一种车灯测距装置及其方法。

背景技术

车辆在给人们的生活带来巨大的改变和经济利益的同时，也带来了更加严峻的交通安全问题。随着道路网的逐渐完善，车辆的速度逐渐提升，数量不断增大，随之而来的就是大量的交通事故。道路交通安全一直是人们关注的热点话题。根据交通管理部门的调查显示，在全国历年的交通事故中，因未与前车保持足够的安全距离引发的交通事故占高速公路事故总量的40％。高速公路中，车辆的行驶速度快，驾驶员的思维容易放松，保证足够的车距是避免事故的基础。交管部门曾经提出高速行车应遵守“两秒原则”，即无论在何种路况，应与前车保持至少两秒的时间差距离。但是，对于经验并不丰富的司机，随时掌握合理的车距并不是件容易的事。所以为了能够提示驾驶员保持车距注意行车安全，车辆前向测距是必要的。能够通过对车距进行测量，并在危险车距时及时给与驾驶员提示，甚至紧急制动。

针对目前逐渐增多的LED车灯技术，可以利用LED光的优越性实现车辆的前向测距功能。LED光源具有亮度高，低功耗，寿命长的特点，行车更易辨识。如果能够利用LED灯光对前灯装置进行微小的改造，将可能实现车辆的前向测距并带来方便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车灯测距装置及其方法来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。

为实现上述目的，本发明提供一种车灯测距装置，该装置包括：

LED，其安装在车灯的壳体内，用于发出LED光；

耦合单元，其用于通过交流调制信号将为所述LED供电的直流信号转化成交流信号，并将交流信号与所述直流信号进行叠加，叠加得到的信号用作参考信号；

光电传感器，其用于将所述LED光以平行光束方式出射，以及用于将通过所述LED光照射障碍物后产生的漫反射光信号进行光电转化，获得待测信号；

混频单元，其用于获取所述参考信号以及所述待测信号的相位差信号；

信号处理单元，其用于根据所述相位差信息和式(1)，计算所述障碍物与车辆的距离D：

式中，λ为所述交流调制信号的波长，

为所述相位差信息中的未到一个波长的相位差，N为所述

的整数倍数。

进一步地，所述混频单元用于将所述参考信号与所述待测信号进行混频操作，得到直流电平，进而获得所述相位差信息。

进一步地，所述耦合单元用于输出为所述LED供电的直流信号。

进一步地，所述耦合单元包括：

直流驱动电源，其用于输出直流偏置信号，为所述直流信号；

交流调制子单元，其用于产生预设调制深度和预设调制频率范围的交流调制信号，并将所述交流调制信号与所述直流偏置信号进行叠加，叠加得到的信号为所述参考信号。

进一步地，所述预设调制深度m满足式(2)：

式中，ΔI为所述LED两端交变电流的峰峰值，I_偏置为所述直流偏置信号的强度。

进一步地，所述预设调制频率范围根据式(3)的确定得到：

式中，f₀为所述预设调制频率，c为光在真空中传播的速度，

为相位差信息测量时的误差，D_δ为测距精度。

进一步地，所述耦合单元包括激光控制器，其具有：

直流供电端口，其用于输出直流电流信号，为所述直流信号；

频率信号输出端，其用于输出交流电压信号，所述交流电压信号与所述直流信号进行叠加，叠加得到的信号为所述参考信号。

进一步地，所述光电传感器采用探照灯反光碗收集漫反射光信号的能量，并且，所述探照灯反光碗设置在所述壳体内。

本发明还提供一种车灯测距方法，该方法包括：

在车灯的壳体内安装LED；

将所述LED以平行光束方式出射的LED光照射障碍物后产生的漫反射光信号进行光电转化，获得待测信号；

通过交流调制信号将为所述LED供电的直流信号转化成交流信号，并将所述交流信号与所述直流偏置信号进行叠加，叠加得到的信号用作参考信号；

获取所述参考信号以及所述待测信号的相位差信号；

根据所述相位差信息和式(1)，计算所述障碍物与车辆的距离D：

式中，λ为所述交流调制信号的波长，

为所述相位差信息中的未到一个波长的相位差，N为所述

的整数倍数。

进一步地，“获取所述参考信号以及所述待测信号的相位差信号”的步骤具体包括：

将所述参考信号与所述待测信号进行混频操作，得到直流电平，进而得到所述相位差信息；

“通过交流调制信号将为所述LED供电的直流信号转化成交流信号”的步骤具体包括：

通过直流驱动电源输出直流偏置信号，作为所述直流信号；

产生预设调制深度和预设调制频率范围的交流调制信号，并将所述交流调制信号与所述直流偏置信号进行叠加，叠加得到的信号为所述参考信号。

本发明以LED灯为测距光源，该光源具有亮度高，低功耗，寿命长的特点，行车更易辨识，且能为车辆的前向测距提供有利条件。

附图说明

图1为本发明实施例提供的LED光相位法测距原理示意图。

图2为本发明实施例提供的探照灯反光碗的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的相位式LED光测距的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的车灯测距装置包括LED(Light EmittingDiode；发光二极管)1、耦合单元、光电传感器2、混频单元和信号处理单元。

LED1安装在车灯的壳体内，既可以安装到前灯，也可以安装在后灯。在本实施例中，LED1发出的LED光，例如图2中的黑色点示意的是LED，其向四周发射出红外线形式的LED光。其作用主要体现在两个方面：一方面是用于车辆行驶过程中的照明，更重要的方面是，用于测量车辆与其前方障碍物之间距离。本实施例利用LED光具有较好的调制性能及单色性，对LED光的发射和接收过程进行分析，用以测量车辆与其前方障碍物之间距离。

耦合单元用于通过交流调制信号将为LED1供电的直流信号转化成交流信号，并将交流信号与所述直流信号进行叠加，叠加得到的信号用作参考信号。优选地，耦合单元用于输出为所述LED供电的直流信号。

作为耦合单元的一种优选实施方式，其包括直流驱动电源和交流调制子单元。

直流驱动电源用于输出直流偏置信号，为所述直流信号。直流驱动电源可以选用带有直流偏置的信号发生器或晶体管驱动器等进行供电，并采用不等分功率比的耦合器进行分路。将大部分功率分配至LED1供电，使LED发射强度较高的光信号，小部分功率分配至参考信号路。交流调制子单元设在参考信号路中，用于产生预设调制深度和预设调制频率范围的交流调制信号，并将所述交流调制信号与所述直流偏置信号进行叠加，叠加得到的信号为所述参考信号。

优选地，所述预设调制深度m可以描述成式(2)，但不限于此：

式中，ΔI为所述LED两端交变电流的峰峰值，I_偏置为所述直流偏置信号的强度。

在一个实施例中，所述预设调制频率范围可以根据式(3)的确定得到，也可以根据现有的其它方式确定：

式中，f₀为所述预设调制频率；c为光在真空中传播的速度；

为相位差信息测量时的误差，一般是0.1左右；D_δ为测距精度，其与精度要求有关系，比如根据我国刚刚颁布的《道路交通法》规定，高速公路中，两车的车距在100Km/s速度时应至少保证与前车100米的车距，故本装置所选择的测量范围在100米左右即可，可以在50米内的车距向驾驶员进行报警提示。同时不需要精确度很高，能够达到1m左右的精度即可。而且在城市行车工况中，也可进行粗略的测距并起提示作用。

作为耦合单元的另一种优选实施方式，其包括激光控制器，其具有直流供电端口和频率信号输出端。直流供电端口用于输出直流电流信号，为所述直流信号。频率信号输出端用于输出交流电压信号，所述交流电压信号与所述直流信号进行叠加，叠加得到的信号为所述参考信号。

光电传感器2设置在反射光的焦点或附近位置，用于将LED1发出的LED光以平行光束方式出射，以及用于将通过所述LED光照射障碍物后产生的漫反射光信号(如图2中示出的可见光)进行光电转化，获得待测信号。本实施例中，可以采用APD雪崩二极管探测漫反射回光。选择压控电压源式二阶滤波电路滤除低频的光信号。

例如：光电传感器2可以采用图2所示探照灯反光碗结构，收集漫反射光信号的能量，并且，所述探照灯反光碗设置在所述壳体内。反光碗为标准抛物面，并且内表面镀制精密光学冷光膜，可以高反射可见光，高透红外光。测量时仅需要将光感应件置于焦点位置，即可汇聚返回光。为根据回光测量相位信息，需要对漫反射光进行定量的表征。选用光电探测器收集回光并转化为电信号处理。由于漫反射回光能量小，本发明采用APD雪崩二极管探测光信号。在APD两端加入约100V的反向电压，即可形成APD雪崩，使内部增益达到1000，同时增快响应速度，检测到微弱光源。接收到信号后，对信号进行放大和滤波操作。采用低噪声放大器直接对输入信号进行放大操作，调节放大增益，再用具有较高信噪比的滤波电路对低频信号噪声进行过滤。滤波电路选用压控电压源二阶巴特沃斯高通滤波器，实现通相输出功能。光电传感器2收集到的信号经过放大滤波后，即为待测信号。

混频单元用于接收耦合单元输出的参考信号以及光电传感器2输出的待测信号，并获取参考信号和待测信号之间的相位差信号。具体地，混频单元用于将所述参考信号与所述待测信号进行混频操作，得到直流电平。

优选地，可以采用模拟鉴相方法检测相位差信号，输出一个高频信号和直流电平，并采用一阶低通滤波器滤除混频后得到的高频信号。模拟鉴相方法具体包括：

将参考信号的函数表达式设置为下式(4)，并通过混频单元的本振端口输入：

式中，T_参为参考信号，a为参考信号的振幅，f₁表示参考信号的频率，

表示参考信号的相角，其中的a、f₁和

的具体数值均可以采用现有方法预先设置得到。

将待测信号的函数表达式设置为下式(5)，并通过混频单元的射频端口输入：

式中，T_返表示为待测信号，b表示待测信号的振幅，f₂表示待测信号的频率，

表示待测信号的相位差。

经过混频单元中的乘法器后，得到的输出信号T_终描述为式(6)：

当中频是直流耦合时，混频单元可作为鉴相器使用，也就是说，两个频率相同的信号，分别加到混频单元的本振及射频端口，中频端根据上式就会输出一个高频信号和一个直流电平，如下式(7)所示：

其中，高频信号表达式为(8)：

式中，f表示测量得到的输出信号的频率。

直流电平描述为式(9)，通过测量直流电平T_直获得

需要说明的是，也可以采用数字鉴相法或现有的其它方法检测相位差信号。

信号处理单元用于接收混频单元输出的相位差信号，并根据所述相位差信息和式(1)，具体地，根据所述直流电平的所述相位差信息，计算所述障碍物与车辆的距离D：

式中，λ为所述交流调制信号的波长，

为所述相位差信息中的未到一个波长λ的相位差，N为所述

的整数倍数。如图3所示，A点可以理解为光信号的始点，B点可以理解为光信号的终点，从图3可以看出：从左往右，A至B之间的距离D为往程，B至A之间的距离D为返程，右侧的A点临近的未到一个波长λ的距离为

本实施例中，N取0。

本发明实施例还提供一种车灯测距方法，该方法包括：

在车灯的壳体内安装LED；

将所述LED以平行光束方式出射的LED光照射障碍物后产生的漫反射光信号进行光电转化，获得待测信号；

将为所述LED供电的直流信号转化成交流信号，并将所述交流信号与所述直流偏置信号进行叠加，叠加得到的信号用作参考信号；

获取所述参考信号以及所述待测信号的相位差信号；

根据所述相位差信息和式(1)，计算所述障碍物与车辆的距离D：

式中，λ为所述交流调制信号的波长，

为所述相位差信息中的未到一个波长的相位差，N为所述

的整数倍数。

在一个实施例中，“获取所述参考信号以及所述待测信号的相位差信号”的步骤具体包括：

将所述参考信号与所述待测信号进行混频操作，得到直流电平，进而得到所述相位差信息；

“将为所述LED供电的直流信号转化成交流信号”的步骤具体包括：

通过直流驱动电源输出直流偏置信号，作为所述直流信号；

产生预设调制深度和预设调制频率范围的交流调制信号，并将所述交流调制信号与所述直流偏置信号进行叠加，叠加得到的信号为所述参考信号。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：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；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 (10)

1.一种车灯测距装置，其特征在于，包括：

LED，其安装在车灯的壳体内，用于发出LED光；

耦合单元，其用于通过交流调制信号将为所述LED供电的直流信号转化成交流信号，并将交流信号与所述直流信号进行叠加，叠加得到的信号用作参考信号；

光电传感器，其用于将所述LED光以平行光束方式出射，以及用于将通过所述LED光照射障碍物后产生的漫反射光信号进行光电转化，获得待测信号；

混频单元，其用于获取所述参考信号以及所述待测信号的相位差信号；

信号处理单元，其用于根据所述相位差信息和式(1)，计算所述障碍物与车辆的距离D：

式中，λ为所述交流调制信号的波长，

为所述相位差信息中的未到一个波长的相位差，N为所述

的整数倍数。

2.如权利要求1所述的车灯测距装置，其特征在于，所述混频单元用于将所述参考信号与所述待测信号进行混频操作，获得直流电平，进而获得所述相位差信息。

3.如权利要求1所述的车灯测距装置，其特征在于，所述耦合单元用于输出为所述LED供电的直流信号。

4.如权利要求1或2或3所述的车灯测距装置，其特征在于，所述耦合单元包括：

直流驱动电源，其用于输出直流偏置信号，为所述直流信号；

交流调制子单元，其用于产生预设调制深度和预设调制频率范围的交流调制信号，并将所述交流调制信号与所述直流偏置信号进行叠加，叠加得到的信号为所述参考信号。

5.如权利要求4所述的车灯测距装置，其特征在于，所述预设调制深度m满足式(2)：

式中，ΔI为所述LED两端交变电流的峰峰值，I_偏置为所述直流偏置信号的强度。

6.如权利要求4所述的车灯测距装置，其特征在于，所述预设调制频率范围根据式(3)的确定得到：

式中，f₀为所述预设调制频率，c为光在真空中传播的速度，

为相位差信息测量时的误差，D_δ为测距精度。

7.如权利要求1或2或3所述的车灯测距装置，其特征在于，所述耦合单元包括激光控制器，其具有：

直流供电端口，其用于输出直流电流信号，为所述直流信号；

频率信号输出端，其用于输出交流电压信号，所述交流电压信号与所述直流信号进行叠加，叠加得到的信号为所述参考信号。

8.如权利要求1至7中任一项所述的车灯测距装置，其特征在于，所述光电传感器采用探照灯反光碗收集漫反射光信号的能量，并且，所述探照灯反光碗设置在所述壳体内。

9.一种车灯测距方法，其特征在于，包括：

在车灯的壳体内安装LED；

将所述LED以平行光束方式出射的LED光照射障碍物后产生的漫反射光信号进行光电转化，获得待测信号；

通过交流调制信号将为所述LED供电的直流信号转化成交流信号，并将所述交流信号与所述直流偏置信号进行叠加，叠加得到的信号用作参考信号；

获取所述参考信号以及所述待测信号的相位差信号；

根据所述相位差信息和式(1)，计算所述障碍物与车辆的距离D：

式中，λ为所述交流调制信号的波长，

为所述相位差信息中的未到一个波长的相位差，N为所述

的整数倍数。

10.如权利要求1所述的车灯测距方法，其特征在于，“获取所述参考信号以及所述待测信号的相位差信号”的步骤具体包括：

将所述参考信号与所述待测信号进行混频操作，得到直流电平，进而得到所述相位差信息；

“通过交流调制信号将为所述LED供电的直流信号转化成交流信号”的步骤具体包括：

通过直流驱动电源输出直流偏置信号，作为所述直流信号；

产生预设调制深度和预设调制频率范围的交流调制信号，并将所述交流调制信号与所述直流偏置信号进行叠加，叠加得到的信号为所述参考信号。

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