TW201303533A - 距離量測方法及系統 - Google Patents

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TW201303533A TW100125209A TW100125209A TW201303533A TW 201303533 A TW201303533 A TW 201303533A TW 100125209 A TW100125209 A TW 100125209A TW 100125209 A TW100125209 A TW 100125209A TW 201303533 A TW201303533 A TW 201303533A
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Ching-Feng Hsieh
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Askey Technology Jiangsu Ltd
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Abstract

本發明係揭露一種距離量測方法及系統，利用光速率值及光信號往返待測物之時間值來進行距離的運算，利用與該光信號之發射/接收同步的時脈遮罩，取得該時脈遮罩下之一參考信號的週期數以換算出一時間值，同時利用基於該參考信號而產生的複數個相位移信號來修正前述之時間值，並可隨著相位移信號數量的增加而將誤差進一步地縮小，進而可得到準確之光信號往返待測物的時間值，且具有量測度快、量測系統占用之電路面積小的優點。

Description

距離量測方法及系統
本發明係關於一種距離量測方法及系統，更特別的是關於一種較精確的距離量測方法及系統。
距離量測方法及系統通常分為光信號的收發及時間量測兩部分，再利用光速率值及取得之時間值進行距離運算，以取得與待測物間的距離值。時間的量測是用於量測光信號往返待測物時所經過的時間，基於該時間及光速率值即可估算出距離值，而時間量測則通常是利用一基礎頻率信號(或定義為已知的時間)來換算出光信號於收發之間所經過的時間。
時間量測法是利用該光信號於收與發之間時，該基礎頻率信號之週期次數及該基礎頻率信號之預設頻率值來取得時間值的，而取得該基礎頻率信號的週期次數的精準度就影響著所取得之時間值的準確度。
取得該基礎頻率信號週期次數的作法一般是利用計數法來進行，於一閘門時間也就是光信號的收與發的時間並對閘門時間內之基礎頻率信號進行週期數量的計數。然而，由於閘門時間內之基礎頻率信號的週期數量通常不會是整數值，因此，此種方式容易在閘門時間的開始與結束處造成誤差，例如：少計數半個週期數或多計數半個週期數等。
本發明之一目的在於提高距離量測過程中的運算速度及量測的準確性。
本發明之另一目的在於減少電路占用面積及減少功耗。
為達上述目的及其他目的，本發明提出一種距離量測方法，係利用光信號的光速率值及時間量測法所取得之該光信號往返的時間值，進行與待測物間的距離運算，其特徵在於該時間量測法包含：提供一參考信號；基於該參考信號產生具相同頻率的複數個相位移信號，該等相位移信號間係間隔一固定相位；設定一時脈遮罩，其係起始於發射該光信號時的一發射信號，終止於接收到反射之該光信號的一接收信號；於該時脈遮罩之起始時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內，計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd1；於該時脈遮罩的時間區間內，基於該第一觸發狀態，計數該參考信號發生的週期次數Nb；於該時脈遮罩之終止時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內，計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd2；及依後式取得該光信號往返之時間值t，t=(Nb/Fb)+[Nd1/(Fb/M)]-[Nd2/(Fb/M)]，其中，Fb為該參考信號之頻率，M為該等相位移信號的個數，M≧2。
為達上述目的及其他目的，本發明提出一種距離量測系統，其包含：一光信號產生單元，係用於發射一光信號及接收自一待測物反射的該光信號，並基於該光信號的發射與接收對應產生一發射信號及一接收信號；一信號輸入端，係用於接收該發射信號及該接收信號；一距離量測器，係連接該信號輸入端以接收該發射信號及該接收信號，以及用於產生頻率值為Fb的一參考信號，並基於該參考信號產生具相同頻率且彼此互相間隔一固定相位的M個相位移信號，以及用於產生起始於該發射信號且終止於該接收信號的一時脈遮罩，以及用於在該時脈遮罩之起始時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd1，以及用於在該時脈遮罩的時間區間內基於該第一觸發狀態計數該參考信號發生的週期次數Nb，以及用於在該時脈遮罩之終止時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd2，以及用於輸出該等數值Fb、M、Nb、Nd1、及Nd2；及一運算裝置，係連接該距離量測器，用於接收該等數值並依下式進行運算以取得該光信號往返該待測物的時間值t，以及用於根據該時間值t及光速率值c(3×108m/s)進行與待測物間的距離運算，t=(Nb/Fb)+[Nd1/(Fb/M)]-[Nd2/(Fb/M)]，其中，M≧2。
於一實施例中，該距離量測器包含：一基頻產生單元，係用於產生一基頻信號；一倍頻單元，係連接該基頻產生單元，用於將該基頻信號倍頻為該參考信號；及一可編程閘陣列，其係連接該信號輸入端以接收該發射信號及該接收信號，以及連接該倍頻單元以接收該參考信號，以及用於產生該等數值M、Nb、Nd1、及Nd2並輸出該等數值Fb、M、Nb、Nd1、及Nd2。
於一實施例中，該運算裝置可為一控制單元及一電腦裝置之二者中的其中之一。
於一實施例中，該第一觸發狀態可為上緣觸發狀態及下緣觸發狀態之二者中的其中之一；該第二觸發狀態可為上緣觸發狀態及下緣觸發狀態之二者中的其中之一。
於一實施例中，所產生之該等相位移信號的個數可為4個或8個。
於一實施例中，該參考信號之頻率Fb可直接被取代為一預設值。
藉此，本發明之距離量測方法及系統利用快速且精準的多相位處理方式消除了時間量測時會產生的誤差，並隨著相位移信號的產生數量倍增量測準確度，並可達到較小電路占用面積及降低功耗的功效。
為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：本發明之距離量測方法的具體實施例中所述之各步驟除特別指明外，其餘步驟係可相互對調而並非依所排列之說明次序來定步驟執行的先後順序；此外，本發明之距離量測系統的具體實施例中所述之「連接」一詞，係非限定於直接連接，中間亦可連接其他單元。再者，所述之「第一觸發狀態」、「第二觸發狀態」一詞係包含上緣觸發狀態及下緣觸發狀態之二者中的其中之一，第一觸發狀態與第二觸發狀態並不互斥，亦即，第一觸發狀態與第二觸發狀態可同時為上緣觸發狀態或同時為下緣觸發狀態。
本發明之實施例中係基於光信號往返待測物與量測系統間的歷程來進行時間量測值的量測，並藉由多相位處理法及預定公式來取得時間量測值，最後基於光信號的光速率值及該時間量測值來取得與待測物間的距離量測值。
首先請參閱第1圖，係本發明於一實施例中之距離量測方法的運作時序圖。於此實施例中係以8個相位移信號來作為示例，熟悉該項技術者應了解的是，只要有2個以上的相位移信號即能消除時間量測誤差進而提升時間值的準確度。
於本發明實施例中之距離量測方法可包含以下步驟：如第1圖所示，於待測物的距離量測過程中，光信號產生單元在發射該光信號及接收到自待測物反射回來的光信號時，會對應產生一發射信號SS及一接收信號ES。本發明實施例中之時間量測法於量測動作開始前會先提供一參考信號Fb，以及基於該參考信號產生具相同頻率的多階相位移信號Fb-p1~Fb-p8，每一階相位移信號Fb-p1~Fb-p8間係間隔一固定相位。
該參考信號Fb用來作為一個基礎的頻率。相位移信號則是從該參考信號Fb來產生的，通常可利用可編程閘陣列(FPGA)中的數位時脈管理器(DCM)來完成信號的相位移。以本實施例來說，係具有8個相位移信號Fb-p1~Fb-p8，因此可利用兩組的數位時脈管理器來達成，其中，一組數位時脈管理器係可將參考信號Fb分解成4個相位移信號。然而熟悉該項技術者應了解的是，即使僅使用一組的數位時脈管理器，使用者仍可對其中之4個相位移分解動作進行選擇性的關閉，亦即，僅使用一組的數位時脈管理器之下仍可將參考信號Fb分解成2個或3個相位移信號，因此，使用者可根據需求並搭配數位時脈管理器的運用來選擇所需的相位移信號數量。至於相位移信號間的間隔則是由數位時脈管理器來將360度的相位等分給各個相位移信號，例如：相位移信號的數量為M個，則間隔相位為360/(M-1)。
接著是設定一時脈遮罩mk，其係起始於發射該光信號時的該發射信號SS，終止於接收到反射之該光信號的該接收信號ES。亦即，該時脈遮罩mk可與SS信號及ES信號同步觸發，使得時間量測區間等同於該光信號往返待測物與量測系統間所經歷的時間。第1圖所示係以上緣觸發之SS信號及ES信號來做示例，所屬技術領域中具通常知識者可了解到，該SS信號及ES信號亦可以下緣觸發狀態來代表該光信號的發送時點與接收時點。
當時脈遮罩mk一被設定起始值時，時間的量測動作隨即展開。請參考第1圖，由於參考信號Fb並不與時脈遮罩mk同步，因此於所量測到之參考信號Fb的週期次數Nb中，其所經過的時間實際上是與時脈遮罩mk的範圍不符合的，此即會造成前端誤差及後端誤差。
因此，本發明之實施例中即利用該等相位移信號來消除時間量測過程中造成的前端及後端誤差。
於前端誤差中，係於時脈遮罩mk之起始時序點至參考信號Fb發生第一觸發狀態的時間區間內，計數該等相位移信號Fb-p1~Fb-p8發生第二觸發狀態(上緣或下緣觸發狀態)的次數Nd1。
於後端誤差中，係於時脈遮罩mk之終止時序點至參考信號Fb發生第一觸發狀態的時間區間內，計數該等相位移信號Fb-p1~Fb-p8發生第二觸發狀態(上緣或下緣觸發狀態)的次數Nd2。
所述的「該等相位移信號Fb-p1~Fb-p8發生第二觸發狀態」係指當前端誤差區間內選擇上緣觸發狀態作為該第二觸發狀態時，後端誤差區間內就必須同樣選擇上緣觸發狀態作為該第二觸發狀態；反之，當前端誤差區間內選擇下緣觸發狀態作為該第二觸發狀態時，於後端誤差區間內就必須同樣選擇下緣觸發狀態作為該第二觸發狀態。以第1圖之示例來說，其係選擇上緣觸發狀態作為該第二觸發狀態，因此，於第1圖中的Nd1的計數值係為「3」，Nd2係為「5」。
由第1圖可知，光信號往返待測物與量測系統間實際上所經歷的時間為「t」，而時間值t會符合式(1)的運算：
t=tb+td1-td2　(1)
因此，於後續之計算中，Nd1的次數與Nd2的次數會用來取得前端誤差時間td1及後端誤差時間td2，進而消除前端及後端誤差。
Nb為參考信號Fb在時脈遮罩mk的時間區間內，基於第一觸發狀態所被量測到的週期次數；Fb亦用來代表參考信號Fb的頻率值；M為相位移信號的數量。其中，所述之「基於第一觸發狀態」係指參考信號Fb之週期次數的計數基礎會與前端誤差時間區間(td1)的終點狀態一致，亦即，以第1圖之示例來說，參考信號Fb之週期次數的計數起始點即為從上緣觸發處開始計數，而非從下緣觸發處開始計數參考信號Fb的週期次數；反之，若td1的時間區間改變為：自時脈遮罩mk之起始時序點至參考信號Fb發生下緣觸發狀態(第一觸發狀態)的時間區間時，前端誤差時間區間(td1)的終點狀態即變成下緣觸發狀態，參考信號Fb之週期次數的計數起始點即需改變為從下緣觸發處作為計數基礎。因此，由時間與頻率及次數的關係式可知，時脈遮罩時間tb可由下式(2)來取得：
tb=(Nb/Fb)　(2)
前端誤差時間td1可由下式(3)來取得：
td1=[Nd1/(Fb/M)]　(3)
後端誤差時間td2可由下式(4)來取得：
td2=[Nd2/(Fb/M)]　(4)
據此，實際所經歷時間值t可由下式(5)來取得：
t=(Nb/Fb)+[Nd1/(Fb/M)]-[Nd2/(Fb/M)]　(5)
其中，M為該等相位移信號的個數，M≧2，亦即所產生之該等相位移信號的個數係至少為2個。
進一步地，由式(5)亦可了解到相位移信號的數量越多，能提升的準確度倍數就越高，亦即，本發明第1圖實施例中之方法相較於未進行前端誤差及後端誤差校正的方法共至少提升了8倍的準確度。相位移信號的數量越多就相當於時間間隔越小，能消除更細小的誤差。
接著請參閱第2圖，係本發明一實施例中之距離量測方法的運作流程圖。請同時參考第1圖，除了參考信號Fb及其相位移信號Fb-p1~Fb-p8係預先提供外，時間的量測部分係受控於距離的量測部分。時間的量測部分：(S101)提供參考信號Fb、及複數個相位移信號Fb-p1~Fb-p8；(S102)接著基於SS及ES信號設定時脈遮罩mk；接著，(S103)取得前端誤差計數值Nd1；接著，(S104)關閉時脈遮罩mk並取得週期數計數值Nb；接著，(S105)取得後端誤差計數值Nd2；接著，(S106)進行式(5)的結果運算；最後，(S107)利用時間t及光速率值c進行距離運算，即可測出距離值(c×t)。
接著請參閱第3圖，係本發明於一實施例中之距離量測系統的功能方塊圖。該距離量測系統100包含：一光信號產生單元105、一信號輸入端110、一距離量測器120及一運算裝置130。
光信號產生單元105用於用於發射光信號及接收自一待測物反射的該光信號，並基於該光信號的發射與接收對應產生發射信號SS及接收信號ES。
信號輸入端110用於接收該發射信號SS及該接收信號ES。
距離量測器120係連接信號輸入端110以接收該發射信號SS及該接收信號ES，以及距離量測器120用於產生下列信號或數值：前述之參考信號Fb、彼此互相間隔一固定相位的M個相位移信號、起始於該發射信號SS且終止於該接收信號ES的時脈遮罩mk、該等相位移信號於前端誤差區間內發生第二觸發狀態的次數Nd1、在該時脈遮罩mk內該參考信號Fb發生第一觸發狀態的次數Nb、該等相位移信號於後端誤差區間內發生第二觸發狀態的次數Nd2，以及輸出該等數值Fb、M、Nb、Nd1、及Nd2。
於一實施例中，該距離量測器120可包含：一基頻產生單元121、一倍頻單元123、及一可編程閘陣列125。基頻產生單元121用於產生一基頻信號。通常是利用晶體震盪器來產生較低的基頻，如此可降低成本，再由連接該基頻產生單元121的倍頻單元123來將基頻提昇，以作為該參考信號Fb。
可編程閘陣列125可具有：用來作為相位移產生電路的數位時脈管理器、用來進行上或下微分(上緣觸發或下緣觸發)以計數Nd1及Nd2的微分電路、用來產生時脈遮罩mk及對參考信號Fb進行計數的遮罩電路等，據此，該可編程閘陣列125可用於產生該等數值M、Nb、Nd1、及Nd2並輸出該等計數數值Fb、M、Nb、Nd1、及Nd2。
可編程閘陣列係為習知元件，本發明實施例之距離量測系統係利用其內含之各個邏輯元件來達成本發明之目的，並在本發明實施例中使用之方法下可使用較少的邏輯元件，而不需選用大面積的可編程閘陣列晶片，進而可減少電路占用的面積而縮小產品尺寸。舉例來說，若將運算裝置的運算功能也納入可編程閘陣列內的話將會大幅增加所需的邏輯元件數量，進而增加電路占用面積；是因結構上的設計所致，可編程閘陣列要達到相同的運算處理就須用邏輯方式來處理，其速度雖快但邏輯元件需求變的龐大；內含運算結構電路的特殊可編程閘陣列雖可達低邏輯元件空間的使用及高速的運算處理，但其單價過高。
運算裝置130係連接該距離量測器120，用於接收該等數值並依式(5)進行運算以取得量測時間值t，並藉由光速率值c進行距離運算以取得量測系統與待測物間的距離。其中，該運算裝置130可為一控制單元(MCU)或一電腦裝置。若為一控制單元，則該控制單元通常會被設置在與距離量測器120同一塊的電路板上，使得整個距離量測系統100被整合在一模組上；然而，該運算裝置130亦可為外部的電腦裝置，量測模組僅提供各個數據值，所有的計算由該電腦裝置來處理。
進一步地，為了更加降低誤差，亦可對所產生的參考信號Fb進行預先的高精度量測，亦即，為了避免基頻產生器及倍頻器實際上產生之頻率與給予之標示值不同而發生的誤差，可利用解析度高於參考信號Fb頻率之高精密計頻儀來預先對模組上產生之參考信號Fb進行量測，並以此量測值作為一預設值直接儲存於運算裝置130中。如此使得每一次的量測中，參考信號Fb的頻率值都會使用該預設值，而不會選用基頻產生器及倍頻器於規格上所標示之參數。
綜合上述，本發明之距離量測方法及系統利用快速且精準的多相位處理方式消除了時間量測的誤差，並隨著相位移信號的產生數量倍增量測準確度，以本發明之實施例來說係將誤差縮小的8倍(對應8個相位移信號)，進而達到高精度的距離量測，以及達到較小電路占用面積的功效。
本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。
100．．．距離量測系統
105．．．光信號產生單元
110．．．信號輸入端
120．．．距離量測器
121．．．基頻產生單元
123．．．倍頻單元
125．．．可編程閘陣列
130．．．運算裝置
Fb．．．參考信號及其頻率
mk．．．時脈遮罩
Nb．．．參考信號之週期次數
Nd1．．．第二觸發狀態的次數
Nd2．．．第二觸發狀態的次數
Fb-p1~8．．．相位移信號
SS．．．發射信號
ES．．．接收信號
S101~107．．．步驟
t．．．實際所經歷時間
tb．．．時脈遮罩時間
td1．．．前端誤差時間
td2．．．後端誤差時間
第1圖為本發明於一實施例中之距離量測方法的運作時序圖。
第2圖為本發明於一實施例中之距離量測方法的運作流程圖。
第3圖為本發明於一實施例中之距離量測系統的功能方塊圖。
S101~107．．．步驟

Claims (11)

  1. 一種距離量測方法，係利用光信號的光速率值及時間量測法所取得之該光信號往返的時間值，進行與待測物間的距離運算，其特徵在於該時間量測法包含：提供一參考信號；基於該參考信號產生具相同頻率的複數個相位移信號，該等相位移信號間係間隔一固定相位；設定一時脈遮罩，其係起始於發射該光信號時的一發射信號，終止於接收到反射之該光信號的一接收信號；於該時脈遮罩之起始時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內，計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd1；於該時脈遮罩的時間區間內，基於該第一觸發狀態，計數該參考信號發生的週期次數Nb；於該時脈遮罩之終止時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內，計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd2；及依下式取得該光信號往返之時間值t，t=(Nb/Fb)+[Nd1/(Fb/M)]-[Nd2/(Fb/M)]其中，Fb為該參考信號之頻率，M為該等相位移信號的個數，M≧2。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一觸發狀態係為上緣觸發狀態及下緣觸發狀態之二者中的其中之一。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二觸發狀態係為上緣觸發狀態及下緣觸發狀態之二者中的其中之一。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，所產生之該等相位移信號的個數係為4個或8個。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中更包含：將該參考信號之頻率Fb取代為一預設值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該固定相位之值係為360/(M-1)。
  7. 一種距離量測系統，其包含：一光信號產生單元，係用於發射一光信號及接收自一待測物反射的該光信號，並基於該光信號的發射與接收對應產生一發射信號及一接收信號；一信號輸入端，係用於接收該發射信號及該接收信號；一距離量測器，係連接該信號輸入端以接收該發射信號及該接收信號，以及用於產生頻率值為Fb的一參考信號，並基於該參考信號產生具相同頻率且彼此互相間隔一固定相位的M個相位移信號，以及用於產生起始於該發射信號且終止於該接收信號的一時脈遮罩，以及用於在該時脈遮罩之起始時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd1，以及用於在該時脈遮罩的時間區間內基於該第一觸發狀態計數該參考信號發生的週期次數Nb，以及用於在該時脈遮罩之終止時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd2，以及用於輸出該等數值Fb、M、Nb、Nd1、及Nd2；及一運算裝置，係連接該距離量測器，用於接收該等數值並依下式進行運算以取得該光信號往返該待測物的時間值t，以及用於根據該時間值t及光速率值c進行與待測物間的距離運算，t=(Nb/Fb)+[Nd1/(Fb/M)]-[Nd2/(Fb/M)]其中，M≧2。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該距離量測器包含：一基頻產生單元，係用於產生一基頻信號；一倍頻單元，係連接該基頻產生單元，用於將該基頻信號倍頻為該參考信號；及一可編程閘陣列，其係連接該信號輸入端以接收該發射信號及該接收信號，以及連接該倍頻單元以接收該參考信號，以及用於產生該等數值M、Nb、Nd1、及Nd2並輸出該等數值Fb、M、Nb、Nd1、及Nd2。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中該運算裝置係用於將該數值Fb取代為一預設值。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該運算裝置係為一控制單元及一電腦裝置之二者中的其中之一。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該第一觸發狀態係為上緣觸發狀態及下緣觸發狀態之二者中的其中之一；該第二觸發狀態係為上緣觸發狀態及下緣觸發狀態之二者中的其中之一。
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