TW201411166A - 應用於量測距離的雷射測距儀、距離演算方法及距離量測方法 - Google Patents

Abstract

一種應用於量測距離的雷射測距儀，用以量測與一待測端間的相對距離，該雷射測距儀包含一發射一雷射光束至該待測端的雷射發射單元、一接收一反射光束的雷射接收單元，及一電連接該雷射發射單元及該雷射接收單元的處理單元，該處理單元包括相互電連接的一延遲計算模組及一距離演算模組，該延遲計算模組根據分別取樣後的該反射光束及該雷射光束得出複數反射電壓資訊、複數發射電壓資訊及複數相位差值資訊，進而計算出複數原始距離資訊，該距離演算模組於接收該等原始距離資訊後計算並輸出一統計距離資訊，藉此以準確的計算與該待測端間的距離。

Description

應用於量測距離的雷射測距儀、距離演算方法及距離量測方法

本發明是有關於一種距離量測裝置及方法，特別是指一種應用於量測距離的雷射測距儀、距離演算方法與距離量測方法。

現有的一種距離量測方法，是利用一雷射測距儀量測與一待測端間的距離，該雷射測距儀可量測出對應該段距離的複數原始距離資訊，並可將該等原始距離資訊求平均值後輸出一統計距離資訊。

然而，該雷射測距儀於量測時可能會受到雜訊的影響，而使部分的該等原始距離資訊所代表的距離為錯誤的資料，因此使求平均值後所輸出的該統計距離資訊不準確，而無法精確對應實際的距離。

另外一種距離量測方法，同樣利用一雷射測距儀量測出對應該段距離的複數原始距離資訊，並將該等原始距離資訊依數值大小重新排列後，並以一定比例去除頭尾的該等原始距離資訊後，再將剩下的該等原始距離資訊求平均值後輸出一統計距離資訊。

而此種統計距離資訊所產生的問題在於：當雜訊的產生是偏於最小值或最大值的一側時，去除頭尾的方式就會去除掉正確的原始距離資訊，而同樣使該統計距離資訊無法精確對應實際的距離。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以提高量測準確性的應用於量測距離的雷射測距儀、距離演算方法與距離量測方法。

於是，本發明應用於量測距離的雷射測距儀，用以量測與一待測端間的相對距離，該雷射測距儀包含一雷射發射單元、一雷射接收單元，及一處理單元。

該雷射發射單元發射一雷射光束至該待測端，該雷射接收單元接收一自該待測端反射的反射光束，該反射光束是由該雷射光束經由該待測端所反射出，該處理單元電連接該雷射發射單元及該雷射接收單元，且包括相互電連接的一延遲計算模組及一距離演算模組，該延遲計算模組根據分別取樣後的該反射光束及該雷射光束得出複數反射電壓資訊、複數發射電壓資訊、分別對應該等反射電壓資訊及該等發射電壓資訊的複數反射相位資訊及複數發射相位資訊，及複數對應該等反射相位資訊及該等發射相位資訊的差值的相位差值資訊，進而計算出複數原始距離資訊，該距離演算模組於接收該等原始距離資訊後計算並輸出一統計距離資訊。

於是，本發明應用於量測距離的距離演算方法，用以接收複數原始距離資訊後計算並輸出一統計距離資訊，該演算方法先以一處理單元的一距離演算模組將該等原始距離資訊中的數值的最大值及最小值間的範圍區分為複數個眾數區間，並統計出複數個對應該等眾數區間的統計數量，每一統計數量代表該等原始距離資訊的數值落於相對應 眾數區間的數量，接著該距離演算模組對該等該等原始距離資訊的總數量及一預設信賴比例求乘積，以得出一為整數的信賴數量，最後該距離演算模組對該等原始距離資訊中數值相對接近統計數量最高的眾數區間的數值中取出與該信賴數量相等數量的數值後計算出一平均數，最後輸出數值為該平均數的該統計距離資訊。

於是，本發明應用於量測距離的距離量測方法，用以計算一原始距離資訊，該距離量測方法先利用一雷射發射單元發射一雷射光束至一待測端，接著利用一雷射接收單元接收一自該待測端反射的反射光束，該反射光束是由該雷射光束經由該待測端所反射出，並製備一電連接該雷射發射單元及該雷射接收單元的處理單元，並利用該處理單元的一延遲計算模組根據分別取樣後的該反射光束及該雷射光束得出一反射電壓資訊及一發射電壓資訊，接著該延遲計算模組根據該反射電壓資訊及該發射電壓資訊分別計算出一反射相位資訊及一發射相位資訊，並由該延遲計算模組根據該反射相位資訊及該發射相位資訊求差值後得出一相位差值資訊，最後該延遲計算模組將該相位差值資訊與一距離參數求乘積後以得出該原始距離資訊。

本發明之功效在於：藉由該反射相位資訊及該發射相位資訊的計算，可以得出準確的原始距離資訊，並配合眾數區間的分類，進一步得出準確的該統計距離資訊，而能準確的計算與該待測端間的距離。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1、2、3，本發明應用於量測距離的雷射測距儀之較佳實施例是分別以一距離量測方法得出複數原始距離資訊，及以一距離演算方法計算出一統計距離資訊。

該雷射測距儀用以量測與一待測端5間的相對距離，且包含一雷射發射單元2、一雷射接收單元3，及一處理單元4。

該雷射發射單元2發射一雷射光束21至該待測端5。

該雷射接收單元3接收一自該待測端5反射的反射光束31。於本實施例中，該反射光束31是由該雷射光束21經由該待測端5所反射出。

該處理單元4電連接該雷射發射單元2及該雷射接收單元3，且包括相互電連接的一延遲計算模組41及一距離演算模組42。

該延遲計算模組41根據分別連續取樣後的該反射光束31及該雷射光束21得出複數反射電壓資訊、複數發射電壓資訊、分別對應該等反射電壓資訊及該等發射電壓資訊的複數反射相位資訊及複數發射相位資訊，及複數對應該等反射相位資訊及該等發射相位資訊的差值的相位差值資訊，進而將該等相位差值資訊與一距離參數求乘積後，計算得出該等原始距離資訊。於本實施例中，每一原始距離資訊代表每一次取樣時，該雷射測距儀所量測出與該待測端5 之間的距離。

該距離演算模組42於接收該等原始距離資訊後，以該距離演算方法計算並輸出該統計距離資訊。

該距離演算方法包括以下步驟61~63。

於步驟61中，該距離演算模組42將該等原始距離資訊中的數值的最大值及最小值間的範圍區分為複數個眾數區間，並統計出複數個對應該等眾數區間的統計數量，每一統計數量代表該等原始距離資訊的數值落於相對應眾數區間的數量。

舉例說明，當等原始距離資訊的數量為十，且經排列後為[28,28,29,30,30,30,31,32,32,35]的數列時，可以區分為四個眾數區間，分別為眾數區間27.5-29.4、眾數區間29.5-31.4、眾數區間31.5-33.4，及眾數區間33.5-35.4，且相對應的統計數量為3、4、2、1。

於步驟62中，該距離演算模組42對該等原始距離資訊的總數量及一預設信賴比例求乘積，以得出一為整數的信賴數量。

同樣以上例說明，總數量為十，設定預設信賴比例為70%，則信賴數量即為十與70%的乘積，於此例中信賴數量為七。

於步驟63中，該距離演算模組42自該等原始距離資訊中數值相對接近統計數量最高的眾數區間的數值中取出與該信賴數量相等數量的數值後計算出一平均數，最後輸出數值為該平均數的該統計距離資訊。

同樣以上例說明，統計數量最高的眾數區間為眾數區間29.5-31.4，共有四個數值[30,30,30,31]，以信賴數量七扣除四後為三個數值，因此三個數值相對接近統計數量最高的眾數區間的數值即為[29,32,32]，故該統計距離資訊即為數列[29,30,30,30,31,32,32]的平均數，於本例中該雷射測距儀與該待測端5的距離為30.57。

參閱圖1、3、4，該距離演算方法包含下列步驟71~76。

於步驟71中，利用該雷射發射單元2發射該雷射光束21至該待測端5。

於步驟72中，利用該雷射接收單元3接收該反射光束31。於本實施例中，該雷射光束21及該反射光束31分別為光速週期T相同且相位不同的正弦波，該反射光束31的相位是落後於該雷射光束21。

於步驟73中，利用該延遲計算模組41根據分別取樣後的該反射光束31及該雷射光束21得出每一反射電壓資訊及每一發射電壓資訊。於本實施例中，該等反射電壓資訊及該等發射電壓資訊分別是由該處理單元4以一取樣週期進行反覆取樣而得出，該取樣週期為光束週期T的整數倍與一預定延遲時間△t的和，該預定延遲時間△t是設定為短於光束週期T。

換句話說，也就是隨著每一次取樣時，所取樣出的電壓資訊於單一正弦波的時間點會比上一次取樣的電壓資訊於單一正弦波的時間點晚該預定延遲時間△t，由於該取樣週 期為光束週期T的整數倍與該預定延遲時間△t的和，因此藉由光束週期T的整數倍的設定，可以確保取樣的時間點穩定，而電壓資訊於連續的取樣後即會呈現與光束相對應的正弦波(見圖4)。

於步驟74中，該延遲計算模組41根據該反射電壓資訊及該發射電壓資訊分別進行反正弦計算，進而得出該反射相位資訊及該發射相位資訊。

配合參閱圖5，該延遲計算模組41對該反射電壓參數及該發射電壓參數進行反正弦計算時，是以以下步驟741~745進行。

於步驟741時，將目前取樣的電壓參數與前一次取樣的電壓參數進行比較，當目前取樣的電壓參數為正值且大於前一次取樣的電壓參數時(如圖4的I區)，執行步驟742，當目前取樣的電壓參數為正值且小於前一次取樣的電壓參數時(如圖4的II區)，執行步驟743，當目前取樣的電壓參數為負值且小於前一次取樣的電壓參數時(如圖4的III區)，執行步驟744，當目前取樣的電壓參數為負值且大於前一次取樣的電壓參數時(如圖4的IV區)，執行步驟745。

於步驟742時，將目前取樣的電壓參數進行反正弦計算，並將反正弦計算的結果是取0~90度間的相位值做為對應的相位資訊。

於步驟743時，將目前取樣的電壓參數進行反正弦計算，並將反正弦計算的結果是取91~180度間的相位值做為 對應的相位資訊。

於步驟744時，將目前取樣的電壓參數進行反正弦計算，並將反正弦計算的結果是取180~270度間的相位值做為對應的相位資訊。

於步驟745時，將目前取樣的電壓參數進行反正弦計算，並將反正弦計算的結果是取271~360度間的相位值做為對應的相位資訊。

於步驟75中，該延遲計算模組41根據該反射相位資訊及該發射相位資訊求差值後得出該相位差值資訊。

於步驟76中，該延遲計算模組41將該相位差值資訊與該距離參數求乘積後以得出該原始距離資訊。於本實施例中，該距離參數符合公式x=c/(4 π f)，其中x為該距離參數，c為光速，π為圓周率，f為該雷射光束的頻率。

使用時，當得出該等原始距離資訊後，配合該距離演算方法，即可計算並輸出該統計距離資訊。

綜上所述，藉由該反射相位資訊及該發射相位資訊的計算，可以得出準確的原始距離資訊，並配合眾數區間的分類，進一步得出準確的該統計距離資訊，而能準確的計算與該待測端間的距離，相較於現有的距離量測方法，本發明可以將受到雜訊的影響的原始距離資訊排除，且由於該統計距離資訊是以統計數量最高的眾數區間及相對接近統計數量最高的眾數區間的數值為統計基準，因此若雜訊的產生是偏於最小值或最大值的一側時，本發明仍然能排除受到雜訊的影響的原始距離資訊，因此使該統計距離資 訊更為準確，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧雷射發射單元

21‧‧‧雷射光束

3‧‧‧雷射接收單元

31‧‧‧反射光束

4‧‧‧處理單元

41‧‧‧延遲計算模組

42‧‧‧距離演算模組

5‧‧‧待測端

61~63‧‧‧距離演算方法的步驟

71~76‧‧‧距離演算方法的步驟

741~745‧‧‧反正弦計算的步驟

T‧‧‧光速週期

△t‧‧‧預定延遲時間

圖1是本發明應用於量測距離的雷射測距儀的一較佳實施例的系統方塊圖；圖2是本發明應用於量測距離的雷射測距儀的距離演算方法的流程圖；圖3是本發明應用於量測距離的雷射測距儀的距離量測方法的流程圖；圖4是一反射電壓參數及一發射電壓參數的電壓波形圖；及圖5是該距離量測方法中反正弦計算的流程圖。

2‧‧‧雷射發射單元

21‧‧‧雷射光束

3‧‧‧雷射接收單元

31‧‧‧反射光束

4‧‧‧處理單元

41‧‧‧延遲計算模組

42‧‧‧距離演算模組

5‧‧‧待測端

Claims (10)

1. 一種應用於量測距離的雷射測距儀，用以量測與一待測端間的相對距離，該雷射測距儀包含：一雷射發射單元，發射一雷射光束至該待測端；一雷射接收單元，接收一自該待測端反射的反射光束，該反射光束是由該雷射光束經由該待測端所反射出；及一處理單元，電連接該雷射發射單元及該雷射接收單元，且包括相互電連接的一延遲計算模組及一距離演算模組，該延遲計算模組根據分別取樣後的該反射光束及該雷射光束得出複數反射電壓資訊、複數發射電壓資訊、分別對應該等反射電壓資訊及該等發射電壓資訊的複數反射相位資訊及複數發射相位資訊，及複數對應該等反射相位資訊及該等發射相位資訊的差值的相位差值資訊，進而計算出複數原始距離資訊，該距離演算模組於接收該等原始距離資訊後計算並輸出一統計距離資訊。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之應用於量測距離的雷射測距儀，其中，該延遲計算模組還將該等相位差值資訊與一距離參數求乘積後以得出該等原始距離資訊。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之應用於量測距離的雷射測距儀，其中，該距離演算模組將該等原始距離資訊中的數值的最大值及最小值間的範圍區分為複數個眾數區間，並統計出複數個對應該等眾數區間的統計數量，每 一統計數量代表該等原始距離資訊的數值落於相對應眾數區間的數量。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之應用於量測距離的雷射測距儀，其中，該距離演算模組還對該等該等原始距離資訊的總數量及一預設信賴比例求乘積，以得出一為整數的信賴數量，並自該等原始距離資訊中數值相對接近統計數量最高的眾數區間的數值中取出與該信賴數量相等數量的數值後計算出一平均數，最後輸出數值為該平均數的該統計距離資訊。
5. 一種應用於量測距離的距離演算方法，用以接收複數原始距離資訊後計算並輸出一統計距離資訊，該演算方法包含下列步驟：(A)以一處理單元的一距離演算模組將該等原始距離資訊中的數值的最大值及最小值間的範圍區分為複數個眾數區間，並統計出複數個對應該等眾數區間的統計數量，每一統計數量代表該等原始距離資訊的數值落於相對應眾數區間的數量；(B)該距離演算模組對該等原始距離資訊的總數量及一預設信賴比例求乘積，以得出一為整數的信賴數量；及(C)該距離演算模組對該等原始距離資訊中數值相對接近統計數量最高的眾數區間的數值中取出與該信賴數量相等數量的數值後計算出一平均數，最後輸出數值為該平均數的該統計距離資訊。
6. 一種應用於量測距離的距離量測方法，用以計算一原始距離資訊，該距離量測方法包含下列步驟：(A)利用一雷射發射單元發射一雷射光束至一待測端；(B)利用一雷射接收單元接收一自該待測端反射的反射光束，該反射光束是由該雷射光束經由該待測端所反射出；(C)製備一電連接該雷射發射單元及該雷射接收單元的處理單元，並利用該處理單元的一延遲計算模組根據分別取樣後的該反射光束及該雷射光束得出一反射電壓資訊及一發射電壓資訊；(D)該延遲計算模組根據該反射電壓資訊及該發射電壓資訊分別計算出一反射相位資訊及一發射相位資訊；(E)該延遲計算模組根據該反射相位資訊及該發射相位資訊求差值後得出一相位差值資訊；及(F)該延遲計算模組將該相位差值資訊與一距離參數求乘積後以得出該原始距離資訊。
7. 根據申請專利範圍第6項所述之應用於量測距離的距離量測方法，其中，該雷射光束及該反射光束分別為週期相同且相位不同的正弦波，該延遲計算模組將該反射電壓資訊及該發射電壓資訊進行反正弦計算，進而得出該反射相位資訊及該發射相位資訊。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之應用於量測距離的距離 量測方法，其中，該延遲計算模組對該反射電壓參數及該發射電壓參數進行反正弦計算時，是將目前取樣的電壓參數與前一次取樣的電壓參數進行比較，當目前取樣的電壓參數為正值且大於前一次取樣的電壓參數時，反正弦計算的結果是取0~90度間的相位值做為對應的相位資訊，當目前取樣的電壓參數為正值且小於前一次取樣的電壓參數時，反正弦計算的結果是取91~180度間的相位值做為對應的相位資訊，當目前取樣的電壓參數為負值且小於前一次取樣的電壓參數時，反正弦計算的結果是取180~270度間的相位值做為對應的相位資訊，當目前取樣的電壓參數為負值且大於前一次取樣的電壓參數時，反正弦計算的結果是取271~360度間的相位值做為對應的相位資訊。
9. 根據申請專利範圍第8項所述之應用於量測距離的距離量測方法，其中，該距離參數符合公式x=c/(4πf)，其中x為該距離參數，c為光速，π為圓周率，f為該雷射光束的頻率。
10. 根據申請專利範圍第8項所述之應用於量測距離的距離量測方法，其中，該反射電壓資訊及該發射電壓資訊分別以一取樣週期進行反覆取樣，該取樣週期為光束週期的整數倍與一預定延遲時間的和。