CN205246876U - 激光雷达测距装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种激光雷达测距装置，包括：激光驱动单元、光电转换单元、前级处理单元、后级处理单元、计时单元以及主控单元；所述激光驱动单元与所述计时单元的第一通道相连；所述光电转换单元与所述前级处理单元相连，所述后级处理单元与所述前级处理单元相连；所述前级处理单元及所述后级处理单元的输出端分别与所述计时单元的第二通道及第三通道相连；所述计时单元与所述主控单元相连。上述装置不仅可以测量远距离物体，又可测量近距离物体，并保证近距离物体及远距离物体的测量精度，提高测距装置能力。

Description

激光雷达测距装置

技术领域

本实用新型涉及激光检测领域，尤其涉及一种激光雷达测距装置。

背景技术

随着激光检测技术的不断发展，激光雷达技术也得到了飞速的发展。激光雷达技术正逐渐的从军事领域向民用领域转化，在机载、无人驾驶、车辆检测、港口防撞、隧道检测、生产制造等行业得到了广泛的应用。激光雷达技术以脉冲式和相位式测量为主要测量方式，其中，脉冲式测量方式以其具有测量距离远、抗干扰性强、不需要合作目标等优势，在厘米级精度要求的检测领域得到了广泛的应用。

脉冲式激光雷达实现测距取决于时刻鉴别电路的脉冲幅值，在幅度能够触发阈值电压时，主控单元根据激光飞行时间以及光速能够获取当前距离，反之则不能获取当前距离。而脉冲式激光雷达的测距能力取决于发射端激光功率、接收端的激光功率、放大电路的放大倍数以及时刻鉴别电路的阈值电压。但是在提高测距能力的同时，近处的杂散光干扰也在不断的增加：光学镜片的反射率及透过率并不是100％、窗口表面长期使用灰尘积累、恶劣天气使得空气透过率变低都有可能导致近处杂散光干扰，因此，测量设备会存在一定的“盲区”，即无法检测近距离目标物的距离。

目前，有一种变基准电压的激光测距方法，在距离较近的情况下，基准电压变高，可以跳过近处杂散光干扰，在距离较远的情况下，基准电压变低，保证测距能力，由于基准电压在由高变低的过程中，是连续的变化，在变化过程中的测距精度很难保证。

实用新型内容

本实用新型提供一种激光雷达测距装置，可测量近距离物体，并保证近距离物体及远距离物体的测量精度，提高测距装置能力。

本实用新型提供一种激光雷达测距装置，包括：

激光驱动单元、光电转换单元、前级处理单元、后级处理单元、计时单元以及主控单元；

所述激光驱动单元与所述计时单元的第一通道相连；所述光电转换单元与所述前级处理单元相连，所述后级处理单元与所述前级处理单元相连；所述前级处理单元及所述后级处理单元的输出端分别与所述计时单元的第二通道及第三通道相连；所述计时单元的输出端与所述主控单元相连。

优选地，所述前级处理单元包括：前级放大电路、前级基准电路及前级比较器；

所述前级放大电路的输出端与所述前级比较器的一个端口相连，所述前级基准电路的输出端与所述前级比较器的另一个端口相连；所述前级比较器的输出端与所述计时单元的第二通道相连。

优选地，所述后级处理单元包括：后级放大电路、后级基准电路及后级比较器；

所述后级放大电路的输出端与所述后级比较器的一个端口相连，所述后级基准电路的输出端与所述后级比较器的另一个端口相连；所述后级比较器的输出端与所述计时单元的第三通道相连。

优选地，所述前级放大电路的输出端与所述后级放大电路的输入端相连。

优选地，所述前级放大电路的放大倍数小于所述前级放大电路与所述后级放大电路级联后的放大倍数。

优选地，所述前级基准电路输出的前级基准电压大于所述后级基准电路输出的后级基准电压。

由上述技术方案可知，本实用新型的激光雷达测距装置，通过计时单元记录前级处理单元和后级处理单元发送各处理信号时的时间信息并将其发送主控单元，主控单元选取接收到各信号的时间信息，并根据该时间信息计算被测物的距离。由此，不仅可以测量远距离物体，又可测量近距离物体，并保证近距离物体及远距离物体的测量精度，提高测距装置能力。

附图说明

图1为本实用新型一实施例提供的激光雷达测距装置的结构示意图；

图2为本实用新型一实施例提供的激光雷达测距装置的工作流程示意图；

图3为本实用新型另一实施例提供的激光雷达测距装置的工作流程示意图；

图4为本实用新型一实施例提供的信号波形采样示意图；

图5为本实用新型另一实施例提供的信号波形采样示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

图1示出了本实用新型一实施例提供的激光雷达测距装置的结构示意图，如图1所示，本实施例的激光雷达测距装置，包括：激光驱动单元11、光电转换单元12、前级处理单元13、后级处理单元14、计时单元15和主控单元16。

所述激光驱动单元11与所述计时单元15的第一通道相连；所述光电转换单元12与所述前级处理单元13相连，所述后级处理单元14与所述前级处理单元13相连；所述前级处理单元13及所述后级处理单元14的输出端分别与所述计时单元15的第二通道及第三通道相连；所述计时单元15与所述主控单元16相连。

在实际应用中，激光驱动单元11，用于向被测物出射激光脉冲信号；

光电转换单元12，用于接收所述被测物反射的回波信号，并将所述回波信号转换为电脉冲信号；

前级处理单元13，用于对所述电脉冲信号进行前级放大处理，并在经过前级放大处理的电脉冲信号的电压值大于等于前级基准电压时，向计时单元发送前级处理信号；

后级处理单元14，用于对所述经过前级放大处理的电脉冲信号进行后级放大处理，并在经过后级放大处理的电脉冲信号的电压值大于等于后级基准电压时，向所述计时单元发送后级处理信号；

计时单元15，用于记录所述激光脉冲信号出射时的第一时间信息，记录接收到所述前级处理信号时的第二时间信息以及记录接收到所述后级处理信号时的第三时间信息；

主控单元16，用于根据时间信息计算所述被测物的距离。

优选地，上述的前级处理单元13，包括：前级放大电路131、前级基准电路132及前级比较器133；

所述前级放大电路131的输出端与所述前级比较器133的一个端口相连，所述前级基准电路132的输出端与所述前级比较器133的另一个端口相连；所述前级比较器133的输出端与所述计时单元15的第二通道相连。

优选地，上述的后级处理单元14，包括：后级放大电路141、后级基准电路142及后级比较器143；

所述后级放大电路141的输出端与所述后级比较器143的一个端口相连，所述后级基准电路142的输出端与所述后级比较器143的另一个端口相连；所述后级比较器143的输出端与所述计时单元15的第三通道相连。

在实际应用中，所述前级放大电路131的输出端与所述后级放大电路141的输入端相连。

进一步地，前级放大电路131，用于对电脉冲信号进行前级放大处理；

前级基准电路132，用于向前级比较器133输出前级基准电压；

前级比较器133，用于在经过前级放大处理的电脉冲信号的电压值大于等于所述前级基准电压时，向所述计时单元15发送前级处理信号。

后级放大电路141，用于对所述经过前级放大处理的电脉冲信号进行后级放大处理；

后级基准电路142，用于向后级比较器143输出后级基准电压；

后级比较器143，用于在经过后级放大处理的电脉冲信号的电压值大于等于所述后级基准电压时，向所述计时单元15发送后级处理信号。

在实际应用中，上述前级放大电路131的放大倍数小于前级放大电路131与后级放大电路141级联后的放大倍数。上述的前级放大电路131与后级放大电路141为级联的放大电路，即被测物反射的回波光信号经过光电转换单元转换为脉冲电信号后，先经过前级放大电路131初步放大，再经过后级放大电路141进行再一次放大，且前级放大电路131的放大倍数较小，而后级放大电路141的放大倍数较大，即前级放大电路131的放大倍数小于后级放大电路141的放大倍数。

优选地，所述前级基准电压大于所述后级基准电压。由此，可使前级处理单元13输出信号的计算结果能够滤除干扰，从而保证的距离测距精度；使后级处理单元14输出信号的计算结果保证远距离的测距距离，从而提高装置测距能力。

此外，上述的前级比较器133和后级比较器143可为高速比较器。上述的计时单元15可为多路计时单元，可同时对至少两路的信号进行计时。上述的主控单元16可由单片机、ARM、DSP、FPGA等微处理器组成。

本实施例的激光雷达测距装置，通过计时单元记录前级处理单元和后级处理单元发送各处理信号时的时间信息并将其发送主控单元，主控单元选取接收到各信号的时间信息，并根据该时间信息计算被测物的距离。由此，不仅可以测量远距离物体，又可测量近距离物体，并保证近距离物体及远距离物体的测量精度，提高测距装置能力。

本实施例还提供一种基于图1所示的激光雷达测距装置进行激光测距的方法，如图2所示，本实施例的激光雷达测距方法如下所述。

201、激光驱动单元向被测物出射激光脉冲信号，计时单元记录所述激光脉冲信号出射时的第一时间信息。

应该说明的是，本实施例的第一时间信息包括以激光脉冲信号出射的时刻。优选地，可以激光脉冲信号的上升沿对应的时刻作为第一时间信息，当然还可采用激光脉冲信号的下降沿或激光脉冲信号的幅度极值作对应的时刻作为第一时间信息，本实施例不对其进行限定。

在实际应用中，还可采用激光驱动发光使能脉冲，或采用分光镜将发射激光中的一束在测距装置内部进行接收作为起始脉冲，再者可以转镜形式检测装置内部固定位置的回波信号作为起始脉冲，从而记录起始脉冲对应的时刻作为第一时间信息。本实施例不对采集激光脉冲的形式进行限定。

202、光电转换单元接收经所述被测物反射的回波信号，并将所述回波信号转换为电脉冲信号。

举例来说，上述的光电转换单元可为光电转换器，或者直接以光电二极管作为光电转换单元，本实施例不对其进行限定。

在实际应用中，由于杂散光干扰或被测物被其它物体遮挡，因此接收到的回波信号不唯一，此时需要根据回波次数对接收到的回波信号进行选择，选择出被测物对应的回波信号。

举例来说，在向一被测物出射激光脉冲时，被测物被位于其前方的植被部分遮挡，使激光脉冲没有全部出射在被测物上，有少部分的光出射在该植被上，由此，光电转换单元接收到的回波信号不仅包括被测物反射的回波信号，还包括该植被反射的回波信号。而由于该植被位于被测物前方，因此光电转换单元先接收到由该植被反射的回波信号，再接收到由被测物反射的回波信号，在不考虑其它因素的情况下，上述的被测物反射的回波信号即为第二次回波。因此需要选择第二次回波信号作为待处理信号。

203、前级处理单元对所述电脉冲信号进行前级放大处理，并在经过前级放大处理的电脉冲信号的电压值大于等于前级基准电压时，向计时单元发送前级处理信号。

在实际应用时，上述的前级处理单元可包括：前级放大电路及前级整形电路，前级整形电路可包括：前级比较器和前级基准电路。

前级放大电路对上述的电脉冲信号进行前级放大处理，再将经过前级放大处理的信号输入前级比较器，在经过前级放大处理的信号的电压值大于等于前级基准电路提供的前级基准电压时，向计时单元发送前级处理信号。

204、后级处理单元对经过前级放大处理的电脉冲信号进行后级放大处理，并在经过后级放大处理的电脉冲信号的电压值大于等于后级基准电压时，向所述计时单元发送后级处理信号。

在实际应用中，上述的后级放大处理的放大倍数大于前级放大处理的放大倍数；而上述的前级基准电压大于后级基准电压。由此，在根据前级处理单元输出信号的计算被测物距离时能够滤除干扰，从而保证的距离测距精度；在根据后级处理单元输出信号的计算被测物距离时，保证远距离的测距距离，从而提高装置测距能力。进一步地，可根据前级处理单元输出的信号测量近距离目标物，根据后级处理单元输出的信号测量远距离目标物。

205、所述计时单元记录接收到所述前级处理信号时的第二时间信息，以及接收到所述后经处理信号时的第三时间信息。

应该说明的是，由光电转换单元输出的电脉冲信号经过前级处理单元处理后，其携带的时间信息并不会发生变化，并且前级处理单元及后级处理单元采用高速处理元件，因此，计时单元接收上述的前级或后级处理信号的时间信息即为测距装置接收到回波信号的时间信息。

206、主控单元根据时间信息计算所述被测物的距离。

具体地，在经过前级放大处理的电脉冲信号的电压值大于等于所述前级基准电压时，所述主控单元根据所述第一时间信息及第二时间信息，计算所述被测物的距离。

在经过前级放大处理的电脉冲信号的电压值小于所述前级基准电压时，所述主控单元根据所述第一时间信息及第三时间信息，计算所述被测物的距离。

本实施例的激光雷达测距装置，通过计时单元记录前级处理单元和后级处理单元发送各处理信号时的时间信息并将其发送主控单元，主控单元选取接收到各信号的时间信息，并根据该时间信息计算被测物的距离。由此，不仅可以测量远距离物体，又可测量近距离物体，并保证近距离物体及远距离物体的测量精度，提高测距装置能力。

图3示出了本实用新型的激光雷达测距装置实现的激光测距，包括：

301、激光驱动单元向被测物出射激光脉冲信号，计时单元记录所述激光脉冲信号出射时的第一时间信息。

302、光电转换单元接收经所述被测物反射的回波信号，并将所述回波信号转换为电脉冲信号。

303、前级处理单元对所述电脉冲信号进行前级放大处理，并判断经过前级放大处理的信号的电压值是否大于等于前级基准电压，在判断为是时，执行步骤304；在判断为否时，执行步骤306。

304、在经过前级放大处理的信号的电压值大于等于前级基准电压时，所述前级处理单元向计时单元发送前级处理信号，所述计时单元记录接收到所述前级处理信号时的第二时间信息。

305、主控单元验证所述前级处理信号的上升沿及下降沿个数是否一致，所述上升沿和下降沿对应的时间间隔是否小于预设时间间隔，且所述上升沿的时刻是否超前于所述下降沿的时刻，在验证为是时，执行步骤306；在验证为否时，执行步骤307。

应该说明的是，在实际测量时，由于电路处理错误可能会出现处理信号上升沿和下降个数不一致，或下降沿时刻超前于上升沿时刻的情况，又或者上升沿和下降沿的时间超出了预设范围，在以上情况出现时，测量参数为异常。因此，该处理信号对应的时间信息也为无效的时间信息。只有在处理信号对应的时间信息为有效时间信息时，才能根据该时间信息确定被测物的距离。

306、主控单元根据所述第一时间信息及第二时间信息，计算所述被测物的距离。

307、后级处理单元对经过前级放大处理的电脉冲信号进行后级放大处理，并在经过后级放大处理的电脉冲信号的电压值大于后级基准电压时，向所述计时单元发送后级处理信号，所述计时单元记录接收到所述后级处理信号时的第三时间信息。

308、主控单元根据所述第三时间信息确定所述回波信号的回波次数，在所述回波信号为至少第二次回波信号时，执行步骤309。

309、主控单元根据所述第一时间信息及第三时间信息，计算所述被测物的距离。

应该说明的是，在所述后级处理信号为第一次回波信号时，根据所述第一时间信息及第三时间信息计算第一距离；

在所述第一距离大于预设距离时，将所述第一距离作为被测物的距离。

可理解的是，激光测距装置都在近距离区域存在杂散光的干扰，而第三时间信息对应的回波信号经过后级放大处理的信号，而后级放大的倍数较高，杂散光造成的回波信号也被放大处理。由于杂散光通常只在激光出射镜头附近，因此，杂散光造成的回波信号为第一次回波信号，被测物的回波信号为第二次回波以上的回波信号，即至少第二次回波信号为被测物的回波信号。而在具体应用时，还要根据实际测量情况，是否被其它物体遮挡等确定第几次回波信号为被测物的回波信号。

在一种可能出现的情况中，光电转换单元接收到的回波信号只有一个，即上述的后级处理信号为第一次回波信号，此时，可根据该后级处理信号的时间信息(即上述的第三时间信息)和激光脉冲出射的时间信息(即上述的第一时间信息)计算第一距离，在该第一距离大于预设距离时，认为该时间信息对应的回波信号为被测物反射的回波信号，将该第一距离作为测距装置到被测物的距离；在该第一距离小于等于预设距离时，则认为该回波信号为杂散光造成的干扰回波信号。

举例来说，将预设距离设置为2米，在上述的第一距离大于2米时，输出该第一距离作为测距装置至被测物的距离；在第一距离小于等于2米时，则输出异常提示，本次测量无效。

本实施例的激光雷达测距装置，通过计时单元记录前级处理单元和后级处理单元发送处理信号的时间信息，并将其发送主控单元，主控单元在前级处理信号的时间信息为有效时间信息时，根据该时间信息和激光脉冲出射的时间信息计算被测物的距离；在该时间信息为无效时间信息时，根据后级处理信号的时间信息及激光脉冲出射的时间信息计算被测物的距离。由此，不仅可以测量远距离物体，又可测量近距离物体，并保证近距离物体及远距离物体的测量精度，提高测距装置能力。

为详细说明上述的激光雷达测距装置的工作流程，以下举例实际应用时的波形与时间的关系图，对图2和图3所示的激光雷达测距流程进行说明。

图4示出了杂散光干扰脉冲与被测物回波信号脉冲无时间重叠时的信号采样示意图。如图4所示，S401与S405为由激光驱动单元出射的激光脉冲；S402为前级处理单元输出的杂散光干扰脉冲，S403为前级处理单元输出的近距离被测物的回波信号脉冲，S404为前级处理单元输出的远距离被测物的回波信号脉冲；S406为后级处理单元输出的杂散光干扰脉冲，S407为后级处理单元输出的近距离被测物的回波信号脉冲，S408为后级处理单元输出的远距离被测物的回波信号脉冲。

如图4所示，激光雷达测量光路上存在远近两个目标物，首先确认以哪个目标物为被测物，并对测距装置输入相应信息。在前级处理单元及后级处理单元对被测物的回波信号进行处理，并经过计时单元向主控单元提供回波信号及出射激光脉冲的时间信息。

在选择近距离目标物为被测物时，由于距离越近，回波信号的强度越大，且前级放大电路的放大倍数较小，而前级基准电路提供的前级基准电压较高，经过前级放大处理的信号幅度足以触发前级基准电压，杂散光干扰脉冲幅度不足以触发前级基准电压，因此，计时电路获得的时间值t1即为激光脉冲出射到反射光接收的激光飞行的时间，由此可得近距离被测物至测距装置的距离S1＝c×t1/2，其中c为光速，将S1作为最终距离输出，此时无需再对后级处理单元输出的后级处理信号的时间信息进行计算。

在选择远距离目标物为被测物时，由于距离越远，回波信号的强度越小，且前级放大电路的放大倍数较小，此时，经过前级放大处理的信号幅度不足以触发前级基准电压，因此前级处理单元无输出信号，从而对后级处理单元的输出信号进行处理。

后级处理单元为了测量距离更远的被测物，将后级放大电路的放大倍数设置较高，而将后级基准电压设置较低，因此杂散光干扰以及远距离被测物的回波信号均能够触发后级基准电压，计时电路接收后级处理单元可以输出的三个处理信号，从而获得两个时间间隔t1、t2和t3，其中，t1对应前级处理单元输出的处理信号，不对其进行处理；而对于后级处理单元来说杂散光干扰必然存在，因此第一次回波信号对应的时间间隔t2为杂散光干扰的计时值，故取时间间隔t3计算被测物至测距装置的距离S3＝c×t3/2，将S3作为最终距离输出。

图5示出了杂散光干扰脉冲与被测物回波信号脉冲存在时间重叠时的信号采样示意图。如图5所示，S501与S504为由激光驱动单元出射的激光脉冲；S502为前级处理单元输出的杂散光干扰信号与近距离被测物回波信号的叠加脉冲，S503为前级处理单元输出的远距离被测物的回波信号脉冲；S505为后级处理单元输出的杂散光干扰信号与近距离被测物回波信号的叠加脉冲，S506为后级处理单元输出的远距离被测物的回波信号脉冲。

在选择近距离目标物为被测物时，由于距离越近，回波信号的强度越大，且前级放大电路的放大倍数较小，而前级基准电路提供的前级基准电压较高，经过前级放大处理的信号幅度足以触发前级基准电压。此时由于杂散光干扰脉冲与被测物的回波信号脉冲在时间上无法分开，但前级基准电压较高，杂散光干扰脉冲幅度不足以触发前级基准电压，因此，计时电路只能获得的时间间隔t4，计算可得被测物至测距装置的距离S4＝c×t4/2，将S4作为最终距离输出，此时无需再对后级处理单元输出的后级处理信号的时间信息进行计算。

在选择远距离目标物为被测物时，由于距离越远，回波信号的强度越小，且前级放大电路的放大倍数较小，此时，经过前级放大处理的信号幅度不足以触发前级基准电压，因此前级处理单元无输出信号，从而对后级处理单元的输出信号进行处理。

后级处理单元为了测量距离更远的被测物，将后级放大电路的放大倍数设置较高，而将后级基准电压设置较低，因此杂散光干扰以及远距离被测物的回波信号均能够触发后级基准电压。由于杂散光干扰脉冲与近距离被测物的回波信号叠加，因此计时电路接收到后级处理单元输出的两个信号，可以获得两个时间间隔t4和t5，在此情况下，采用距离信息对杂散光脉冲和被测物回波信号脉冲进行区分，计算所得S5＝c×t5/2，若S5大于2米，则将S5作为最终距离输出；若S5小于等于2米，则说明S5可能为杂散光信号的距离值，则输出异常状态。

针对图4所示的激光雷达测量中的实际波形情况，通过本实用新型图2所示的激光雷达测距装置的工作流程，可在杂散光干扰信号与被测物回波信号无法区分的情况下，通过设置较高的前级基准电压，使杂散光干扰信号无法产生前处理信号输出，从而去除杂散光的干扰，用于测量距离较近的目标物；当测量距离较远的目标物时，由于前级基准电压设置较高，前级处理单元无法输出前级处理信号，此时，则采用后级处理单元进行信号的处理。由于测量距离较远，处于近处的杂散光信号与被测物的回波信号在时间上能够分离，此时，计算第2次以上的回波信号的时间信息计算被测物的距离。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型的权利要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种激光雷达测距装置，其特征在于，所述装置包括：

激光驱动单元、光电转换单元、前级处理单元、后级处理单元、计时单元以及主控单元；

所述激光驱动单元与所述计时单元的第一通道相连；所述光电转换单元与所述前级处理单元相连，所述后级处理单元与所述前级处理单元相连；所述前级处理单元及所述后级处理单元的输出端分别与所述计时单元的第二通道及第三通道相连；所述计时单元的输出端与所述主控单元相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述前级处理单元包括：前级放大电路、前级基准电路及前级比较器；

所述前级放大电路的输出端与所述前级比较器的一个端口相连，所述前级基准电路的输出端与所述前级比较器的另一个端口相连；所述前级比较器的输出端与所述计时单元的第二通道相连。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述后级处理单元包括：后级放大电路、后级基准电路及后级比较器；

所述后级放大电路的输出端与所述后级比较器的一个端口相连，所述后级基准电路的输出端与所述后级比较器的另一个端口相连；所述后级比较器的输出端与所述计时单元的第三通道相连。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述前级放大电路的输出端与所述后级放大电路的输入端相连。

5.根据权利要求3至4任一项所述的装置，其特征在于，所述前级放大电路的放大倍数小于所述前级放大电路与所述后级放大电路级联后的放大倍数。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述前级基准电路输出的前级基准电压大于所述后级基准电路输出的后级基准电压。