CN1374534A - 激光测距的信号处理方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种激光测距的信号处理方法及装置,其方法包含有下列步骤:A.设定量测区块数及激光发射次数:B.自第一量测区块开始,依序于每一区块针对激光反射信号取样统计,藉以找出目标物位于那一区块;C.在目标物所在的区块,发射预定延迟时间的激光光,对反射的激光信号加以取样运算处理,藉以更精密计算出激光测距仪与该目标物的距离。

Description

激光测距的信号处理方法及装置
本发明是与激光测距仪有关，特别是提供一种激光测距仪的信号处理方法及装置，其是在不提高取样频率及取样次数的前提下，有效提升激光测距仪的精确度，并节省激光测距仪所须的存储器。
激光测距仪(Laser Range Finde)是测量距离的重要装置之一，习用的激光测距仪是使用一脉冲(pulse)型态的激光发射器来发射约10ns-20ns的激光脉冲(laser pulse)至一目标物上。由该目标物来反射的激光信号经由一激光接收器(laser receiver)来接收，并藉由下列公式(1)来计算出距离：
Td＝2L/C………………………………………………(1)
公式(1)式中L代表该激光测距仪与目标物间的距离，C代表光速，Td代表发射激光脉冲与接收到的激光脉冲间的延迟时间。根据公式(1)来测量Td可计算出精确的距离。为了要精确的测量Td，需要尽可能的将激光发射功率增强，或是将激光接收器所接收到由日光及阳光所产生的杂讯排除掉。美国专利第3,644,740号案是揭露一接收电路，藉由控制该接收电路的电路偏压来取得错误警报，进而改善该接收电路的信号-杂讯比。美国专利第4,569,599号案是揭露一计时(counting)控制技术，用以侦测距离信号。美国专利第4,770,526号案是揭露一技术，藉由放大时间延迟信号来增加距离侦测的结果值。另外，一数字测距的技术亦揭露于美国专利第3,959,641号案中，用以降低激光接收器的临界电压，藉以增加测量距离。
为了因应不同的状况，美国专利5,612,779中还揭出一种可自动调整门槛电压(Threshold Voltage)的设计。在该前案中，门槛电压可随目标物的反射信号强度变化，务使在不同环境中，仍可设定出一介于杂讯及目标物信号强度之间的门槛电压。上述专利案件的主要功效在于增加测量距离以及精准度。
欲提升激光测距仪的接收能力及量测的精确度，常见的作法为采用高速取样统计法和提高取样频率及取样次数，以使取样所得的时间点更接近于实际接收反射激光信号的时间点，利用该时间资料进行计算即可得到更精确的距离资料；然此法却有下列缺点：
1.在取样过程中须将取样的各个参考点记录下来，故对相同测距区间而言，取样频率越高须设置存储器容量越大，而增加取样次数亦会占用较大的储存空间，故须较大容量的存储器，此亦提高了制造成本；
2.提高取样频率及取样次数须使用更高速的元件，其成本较高且耗电量较大。
本发明的主要目的即在提供一种激光测距的信号处理方法及装置，其可在相同测距区间，不提高取样频率的前提下，大幅提升测距精确度。
本发明的次一目的乃在提供一种激光测距的信号处理方法及装置，其可在相同测距区间中，分割多块量测区间，使所需的存储器容量大量降低，进而节省成本。
缘是，依据本发明所提供的一种激光测距的信号处理方法及装置，其方法包含有下列步骤：A.设定量测区块数及激光发射次数：B.自第一量测区块开始，依序于每一区块针对激光反射信号取样统计，藉以找出目标物位于那一区块；C.在目标物所在的区块，发射预定延迟时间的激光光，对反射的激光信号加以取样运算处理，藉以更精密计算出激光测距仪与该目标物的距离；藉此，在不提高取样频率及取样次数的前提下，可有效提升激光测距仪的精确度，并节省激光测距仪所须的存储器。
其中步骤3的详细步骤为：b1.以激光测距仪发射预定次数的激光光：b2.于每一发射事件中，以取样频率Ts持续取样的方式，找出激光反射信号；b3.累积各个发射事件的激光反射信号，判断出目标物是否位于该区块。
其中步骤C的详细步骤为：c1.发射激光光，取样得出激光反射信号；c2.至少一次延迟预定时间Tk发射激光光，取样得出激光反射信号，其中Tk的时间间隔是小于取样间隔时间Ts；c3藉由上述不同时间的发射事件所得的激光反射信号，得出目标物与激光测距仪间的距离。
其中于步骤C中，是以每次延迟Ts/4的周期来发射激光信号，而可得出入，Ts/4，Ts/2，3Ts/4四种不同的激光发射时间，将各该发射事件的激光反射信号予以比对，即可得出由目标物所反射的激光信号。
本发明一种激光测距装置，其特征在于，包含有：一时序区间产生电路，用以产生系统时脉；一微处理机单元，连接于该时序区间产生电路；一可程序延迟单元，连接于该微处理机单元及该时序区间产生电路，得受该徵处理机单元的控制而决定是否发出延迟控制信号；一激光发射电路，连接于该可程序延迟单元，受该可程序延迟单元的控制而发出激光光；一激光接收电路，用以接收反射的激光信号；一比较电路，连接于该激光接收电路，用以对该激光接收电路所接收的信号进行比较，并用以将的放大、整形；一存储器，连接于该微处理机单元，用以供其计算统计之用。
其中还包含有：一高速移位暂存器，连接于该比较电路及该时序区间产生电路，用以快速储存该比较电路的信号。
藉此，在不提高取样频率及取样次数的前提下，可有效提升激光测距仪的精确度，并节省激光测距仪所须的存储器。
有关本发明的详细结构，特征及功效，以下兹举一较佳实施例，并配合图式作进一步的说明，其中：
图1是本发明一较佳实施例的步骤图；
图2是本发明一较佳实施例的分割区块取样示意图；
图3是本发明一较佳实施例的针对目标物所在的第三区块的取样说明；
图4是本发明一较佳实施例的另一取样说明图，显示延迟Ts/4时间发射激光光后的取样状态；
图5是本发明一较佳实施例的另一取样说明图，显示延迟Ts/2时间发射激光光后的取样状态；
图6是本发明一较佳实施例的另一取样说明图，显示延迟3Ts/4时间发射激光光后的取样状态；
图7是本发明一较佳实施例关于步骤B的动作流程图；
图8是本发明一较佳实施例关于步骤C的动作流程图；
图9是本发明一较佳实施例的电路方块图。
请参阅图1至图6，本发明一较佳实施例所提供的一种激光测距的信号处理方法，包含有下列步骤：
A.设定量测区块数及激光发射次数：
将激光测距的总取样时间TT分为四区块，并设定每一区块中发射10次激光光；
B.如图2所示，自第一量测区块开始，依序于每一区块中对激光反射信号取样统计，藉以找出目标物位于那一区块，以下为在每一区块中的详细步骤：
b1.以激光发射器发射10次激光光：
b2.在每一次发射事件中，以取样频率Ts持续取样的方式，取得激光反射信号，其中，激光反射信号有可能是目标物所反射的激光信号，亦有可能是杂讯；
b3.将取得的激光反射信号依其对应地址累加至存储器中；
在步骤B，的该10次发射事件中，由于杂讯几乎不会一直出现在固定位置，藉由统计及相关性计算，即可判断出目标物是否位于该区块；
C.在目标物所在的区块，发射预定延迟时间的激光光，对反射的激光信号加以运算处理，藉以判断出激光测距仪与该目标物的距离，其详细步骤为：
c1，发射激光光，取样得出激光反射信号，并记录于存储器，图3是为一时序图，显示发射激光光301、所接收的反射激光信号302、大于预定强度的信号303、第三区块的取样信号304、以及取样后储存于存储器中的距离信号对应位置305；
c2.延迟Ts/4时间(即Tk)发射激光光，取样得出激光反射信号，取得的反射信号是如图4所示，图中403是代表第三区块的信号，404是代表第三区块的取样信号，405是代表取样后储存于存储器中的距离信号对应位置；如此反复延迟Ts/4时间(即Tk)发射激光光，藉由统计及相关性求出信号所在的储存位置M10；
再延迟Ts/2时间(即2Tk)发射激光光，取样得出激光反射信号，取得的反射信号是如图5所示：藉由统计及相关性，求出信号所在的储存位置M10；
再延迟3Ts/4时间(即3Tk)发射激光光，取样得出激光反射信号，取得的反射信号是如图6所示；藉由统计及相关性，求出信号所在的储存位置M10；
c3.比较图3至图6的305、405、505、605可归纳出，图3的距离信号的时间差为(B3+8)×Ts，而图4至图6的距离信号的时间差均为(B3+9)×Ts，其中B3是指第三区块；
再将该未延迟、延迟Ts/4时间、延迟Ts/2间、延迟3Ts/4时间的信号以下列算式2算出距离：
L＝(4×B3+8+9+9+9)×Ts/4×C/2-ΔL……(2)
其中B3为第三区块的起始位置；Ts为取样周期；C为光速；ΔL为距离修正量；
藉此，可算出目标物与激光测距仪间的距离L。
图7是本发明关于步骤B的执行工作流程，其中，704是指设定发射次数为 0次，708-712是指将累加值与最大值相比较，而决定出目标物是否位于该区块。
图8则是本发明关于步骤C的执行工作流程，其中。802是指设定延迟时间，803是指设定发射次数，809是指判断目标物位于该区块的何位置，811则是指依算式(2)计算出目标物距离。
请再参阅图9，是为一种激光测距装置900，乃本发明所提供方法的实际应用，该激光测距装置900主要是由一时序区间产生电路913、一微处理机单元911、一可程序延迟单元912、一激光发射电路903、一激光接收电路904、一比较电路905、以及一存储器915所组成，其中：
该时序区间产生电路913，用以产生系统时序量测区间，及时脉取样周期Ts的信号，于本实施例中的系统时脉是取样周期Ts；
该可程序延迟单元912，连接于该微处理机单元911，受该微处理机单元911的控制而决定是否发出延迟控制信号及延迟时间；
该激光发射电路903，连接于该可程序延迟单元912，受该可程序延迟单元912的控制而发出预设延迟激光光；
该激光接收电路904，用以接收反射的激光信号；
该比较电路905，连接于该激光接收电路904，用以对该激光接收电路904所接收的信号进行比较，并用以将的放大、整形；
一高速移位暂存器914，连接于该比较电路905及该时序区间产生电路913，用以快速储存该比较电路的信号；
该存储器915，连接于微处理机单元911与该高速移位暂存器914，该微处理机单元911得将该高速移位暂存器914内部资料，经过计算累加后储存于该存储器915中；
藉此，于工作时，是由该微处理机单元911控制该激光发射电路903来发射激光光于目标物，而后透过该激光接收电路904来接收目标物所反射的激光信号及杂讯信号，再经由该比较电路905将大于预定强度的信号整形如图3的303所示，图中TN1-6为杂讯，TS为目标信号；再以取样周期Ts取样，读入该高速移位暂存器914中，并依序累计存入该存储器915内，其内容是如图3的305所示：在需要延迟时，该微处理机单元是设定该延迟单元的延迟时间分别为Ts/4、Ts/2、以及3Ts/4，藉以控制该发射器延迟预定时间发射激光光，进而让接收的距离信号产生一时间差，而得以上述的方法计算出较为精准的距离。
综合以上所述可知，本发明的优点在于：
一、节省存储器成本：由于本发明是将总取样时间分割为若干区块，因此所需的存储器空间为习用者的一半以下，亦即，本发明所需的存储器较习用者为少，所需的成本亦相对较低。
二、提高精度但不增加成本：本发明利用延迟发射激光光的方式取得距离信号的时间差，进而得出较为精准的目标物距离，换言之，本发明并非以提高取样频率和换装更高速的元件来达到提升精度的目的，而是利用现有的元件，巧妙的以延迟发射的方式取得时间差后经由计算取得更为精确的距离值，故本发明是在不提高成本的前提下提升了测距精度，明显具有功效上的增进。
综上所述，本发明的激光测距的信号处理方法及装置，其具有前述优于习用者的各项优点，实用性及进步性自己毋庸置疑，此外，其亦从来未被公开使用或揭露于各种文献资料，揆诸发明专利要件，本案应已具备。

Claims (6)

1.一种激光测距的信号处理方法，其特征在于，包含有下列步骤：
A.设定量测区块数及激光发射次数：将激光测距的总取样时间TT分为若干区块，并设定每一区块中的激光发射总次数；
B.自第一量测区块开始，依序于每一区块针对激光反射信号取样统计，藉以找出目标物位于那一区块；
C.在目标物所在的区块发射预定延迟时间的激光光，对反射的激光信号加以取样运算处理，藉以计算出激光测距仪与该目标物的距离；
藉此，在不提高取样频率及取样次数的前提下，可有效提升激光测距仪的精确度，并节省激光测距仪所须的存储器。
2.根据权利要求1所述的激光测距的信号处理方法，其特征在于，其中步骤3的详细步骤为：
b1.以激光测距仪发射预定次数的激光光：
b2.于每一发射事件中，以取样频率Ts持续取样的方式，找出激光反射信号；
b3.累积各个发射事件的激光反射信号，判断出目标物是否位于该区块。
3.根据权利要求1所述的激光测距的信号处理方法，其特征在于，其中步骤C的详细步骤为：
c1.发射激光光，取样得出激光反射信号；
c2.至少一次延迟预定时间Tk发射激光光，取样得出激光反射信号，其中Tk的时间间隔是小于取样间隔时间Ts；
c3藉由上述不同时间的发射事件所得的激光反射信号，得出目标物与激光测距仪间的距离。
4.根据权利要求1所述的激光测距的信号处理方法，其特征在于，其中于步骤C中，是以每次延迟Ts/4的周期来发射激光信号，而可得出入，Ts/4，Ts/2，3Ts/4四种不同的激光发射时间，将各该发射事件的激光反射信号予以比对，即可得出由目标物所反射的激光信号。
5.一种激光测距装置，其特征在于，包含有：
一时序区间产生电路，用以产生系统时脉；
一微处理机单元，连接于该时序区间产生电路；
一可程序延迟单元，连接于该微处理机单元及该时序区间产生电路，得受该徵处理机单元的控制而决定是否发出延迟控制信号；
一激光发射电路，连接于该可程序延迟单元，受该可程序延迟单元的控制而发出激光光；
一激光接收电路，用以接收反射的激光信号；
一比较电路，连接于该激光接收电路，用以对该激光接收电路所接收的信号进行比较，并用以将的放大、整形；
一存储器，连接于该微处理机单元，用以供其计算统计之用。
6.根据权利要求5所述的一种激光测距装置，其特征在于，其中还包含有：一高速移位暂存器，连接于该比较电路及该时序区间产生电路，用以快速储存该比较电路的信号。
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