TWI765675B - Ranging system - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種測距技術,特別是指一種測距系統。 The present invention relates to a ranging technology, in particular to a ranging system.
一光達系統是一種測量自該光達系統到該目標間的一距離的系統,其藉由雷射光照射一目標且測量該雷射光返回該光達系統所需的飛行時間來測量該距離。當該目標在該光達系統的一測距動態範圍內時,該光達系統可以檢測到該目標。 A lidar system is a system that measures a distance from the lidar system to the target by illuminating a target with laser light and measuring the time of flight required for the laser light to return to the lidar system. The lidar system can detect the target when the target is within a ranging dynamic range of the lidar system.
在光達系統中,一較高取樣頻率導致一較佳的測距解析度;且一樣本總數受一給定的功率預算限制,因此一較高取樣頻率會導致一較窄的測距動態範圍。因此,鑑於一功率預算,可以降低該取樣頻率以實現一較寬的測距動態範圍,針對該測距動態範圍權衡該測距解析度,但這可能導致失去目標(亦即,該目標未被檢測到)。此外,在沒有過度功率消耗的情況下,精細的測距解析度與寬廣的測距動態範圍無法同時實現。 In a lidar system, a higher sampling frequency results in a better ranging resolution; and a total number of samples is limited by a given power budget, so a higher sampling frequency results in a narrower ranging dynamic range . Therefore, given a power budget, the sampling frequency can be reduced to achieve a wider ranging dynamic range for which the ranging resolution is traded off, but this may result in a loss of target (ie, the target is not detected). Furthermore, fine ranging resolution and wide ranging dynamic range cannot be achieved simultaneously without excessive power consumption.
因此,本發明的目的,即在提供一測距系統,當該測距系統中可調整的參數被適當地設置時可改善先前技術的至少一個缺點。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a ranging system which, when the adjustable parameters in the ranging system are properly set, ameliorates at least one of the disadvantages of the prior art.
於是,本發明測距系統適用於測量從該測距系統到一目標的一距離,且包括一來源端、一回授檢測器、一運算器和一控制器。該來源端產生寬頻的一入射波。該入射波向該目標傳送,且被該目標反射以形成一反射波。該回授檢測器用於檢測該反射波以產生一檢測信號。該運算器電連接該回授檢測器,以自其中接收該檢測信號,且設定在可調整的一預設濾波頻寬下對該檢測信號執行低通濾波,以便產生一濾波信號,且計算源自於該濾波信號的一回授信號與對應於該入射波的一參考信號之間的互相關,以便產生一互相關結果。該控制器電連接該運算器以從其中接收來自於該互相關結果的一運算輸出,且根據該運算輸出計算從該測距系統到該目標的該距離。 Therefore, the ranging system of the present invention is suitable for measuring a distance from the ranging system to a target, and includes a source end, a feedback detector, an arithmetic unit and a controller. The source end generates a broadband incident wave. The incident wave is transmitted towards the target and is reflected by the target to form a reflected wave. The feedback detector is used for detecting the reflected wave to generate a detection signal. The arithmetic unit is electrically connected to the feedback detector to receive the detection signal therefrom, and is set to perform low-pass filtering on the detection signal under an adjustable preset filter bandwidth, so as to generate a filtered signal, and calculate the source Cross-correlation between a feedback signal from the filtered signal and a reference signal corresponding to the incident wave to generate a cross-correlation result. The controller is electrically connected to the operator to receive an operation output from the cross-correlation result therefrom, and calculates the distance from the ranging system to the target according to the operation output.
1:測距系統 1: Ranging system
11:來源端 11: Source
12:回授檢測器 12: Feedback detector
13:參考檢測器 13: Reference detector
14:運算器 14: Operator
141:低通濾波器 141: Low pass filter
142:取樣器 142: Sampler
143:互相關器 143: Cross-correlator
144:類比數位轉換器 144: Analog to Digital Converter
145:低通濾波器 145: low pass filter
146:抽取器 146: Decimator
15:控制器 15: Controller
2:目標 2: target
本發明的其他的特徵及功效,將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現,其中:圖1是一方塊圖,說明本發明一測距系統的一第一實施例;圖2是一示例說明在不同的預設濾波頻寬的不同的條件下,該第 一實施例之模擬互相關結果的圖;圖3是一示例說明在不同的預設取樣頻率的不同的條件下,該第一實施例之互相關結果的圖;圖4是一示例說明在一粗略模式和一精細模式下該第一實施例之互相關結果的圖;圖5是一方塊圖,說明根據本發明該測距系統的一第二實施例;圖6是一方塊圖,說明根據本發明該測距系統的一第三實施例;圖7是一方塊圖,說明根據本發明該測距系統的一第四實施例;圖8是一方塊圖,說明根據本發明該測距系統的一第五實施例;及圖9是一方塊圖,說明根據本發明該測距系統的一第六實施例。 Other features and effects of the present invention will be clearly presented in the embodiments with reference to the drawings, wherein: FIG. 1 is a block diagram illustrating a first embodiment of a ranging system of the present invention; FIG. 2 is an example Explain that under different conditions of different preset filter bandwidths, the Figure 3 is a diagram illustrating the cross-correlation results of the first embodiment under different conditions with different preset sampling frequencies; Figure 4 is an example illustrating a Figure 5 is a block diagram illustrating a second embodiment of the ranging system according to the present invention; Figure 6 is a block diagram illustrating the A third embodiment of the ranging system of the present invention; FIG. 7 is a block diagram illustrating a fourth embodiment of the ranging system according to the present invention; FIG. 8 is a block diagram illustrating the ranging system according to the present invention and FIG. 9 is a block diagram illustrating a sixth embodiment of the ranging system according to the present invention.
在本發明被詳細描述前,應當注意在以下的說明內容中,類似的元件是以相同的編號來表示。 Before the present invention is described in detail, it should be noted that in the following description, similar elements are designated by the same reference numerals.
參閱圖1,本發明測距系統1的一第一實施例適用於測量從該測距系統到一目標2的一距離,且包括一來源端11,一回授檢測器12,一參考檢測器13,一運算器14和一控制器15。
Referring to FIG. 1, a first embodiment of a ranging
該來源端11產生寬頻的一入射波(例如,光、電磁波或聲音),且可以根據應用需求對其進行調變或不進行調變。該入射
波傳送至該目標2,且被該目標2反射以形成一反射波。
The
該回授檢測器12用於檢測該反射波以產生一第一檢測信號。
The
該參考檢測器13用於檢測該入射波以產生一第二檢測信號。
The
在本實施例中,該來源端11是一產生光以作為該入射波的光來源端(例如,一雷射),且每一該回授檢測器12與該參考檢測器13是一光電轉換器(例如,一光電二極管),其將該反射波與該入射波之一對應者轉換為一電信號以作為該第一檢測信號與該第二檢測信號之一對應者。然而,本發明並不以上實施方式為限。
In this embodiment, the
該運算器14電連接該回授檢測器12與該參考檢測器13以從該回授檢測器12與該參考檢測器13分別接收該第一檢測信號和該第二檢測信號,且用於執行以下動作:在可調整的一預設濾波頻寬對該第一檢測信號與該第二檢測信號執行低通濾波,以便分別產生一第一濾波信號與一第二濾波信號;在可調整的一預設取樣頻率對該第一濾波信號與該第二濾波信號進行取樣,以便產生分別源自於該第一濾波信號與該第二濾波信號且分別對應於該反射波與該入射波的一回授信號與一參考信號;及計算該回授信號與該參考信號對應到分布在一預設時間區域中之多個延遲時間的互相關以產生一互相關結果,其中該預設時間區域是可選地調整的。
The
該控制器15電連接該運算器14,控制該運算器14中之可調整的參數(包括該預設濾波頻寬,該預設取樣頻率與該預設時間區域),並用於從該運算器14接收一源自於該互相關結果的運算輸出,且根據該運算輸出計算從該測距系統1到該目標2的該距離。
The
在本實施例中,該第一檢測信號與該第二檢測信號皆是類比信號;且該運算器14包括一低通濾波器141,一取樣器142與一操作於該類比域的互相關器143,且還包括一類比數位轉換器144。
In this embodiment, both the first detection signal and the second detection signal are analog signals; and the
該低通濾波器141有一可調整的濾波頻寬,並電連接該控制器15,且以該可調整的濾波頻寬被設定為該預設濾波頻寬的方式被該控制器15控制。該低通濾波器141還電連接該回授檢測器12與該參考檢測器13以從該回授檢測器12與該參考檢測器13分別接收該第一檢測信號與該第二檢測信號,且在該預設濾波頻寬對該第一檢測信號與該第二檢測信號執行低通濾波以分別產生該第一濾波信號與該第二濾波信號。
The low-
該取樣器142有一可調整的取樣頻率,並電連接該控制器15,且以該可調整的取樣頻率設定為該預設取樣頻率的方式被該控制器15控制。該取樣器142還電連接該低通濾波器141以從該低通濾波器141接收該第一濾波信號與該第二濾波信號,且在該預設取樣頻率對該第一濾波信號與該第二濾波信號進行取樣以分別產生該回授信號與該參考信號。
The
該互相關器143有一可調整的時間區域,並電連接該控制器15,且以該可調整的時間區域設定為該預設時間區域的方式被該控制器15控制。該互相關器143還電連接該取樣器142以從該取樣器142接收該回授信號與該參考信號,且計算該回授信號與該參考信號對應到分布在該預設時間區域中之該等延遲時間的該互相關以產生作為該運算輸出的該互相關結果。具體而言,對每一該延遲時間,該互相關器143以該延遲時間延遲該參考信號以產生一延遲信號,並計算該回授信號與該延遲信號的點積。分別對應於該等延遲時間的該等點積共同構成該互相關結果。
The
該類比數位轉換器144電連接該互相關器143以從該互相關器143接收該運算輸出,且還電連接該控制器15,且對該運算輸出進行類比數位轉換以產生一數位表示的該運算輸出以提供該控制器接收。該控制器15根據該數位表示的該運算輸出計算從該測距系統1到該目標2的該距離。
The analog-to-
在本實施例的一第一實施方式中,該控制器15控制該低通濾波器141與該取樣器142,使得該預設濾波頻寬窄於該入射波的一信號頻寬,且該預設取樣頻率高於該預設濾波頻寬。
In a first implementation of this embodiment, the
圖2示例出在各種不同的條件下本實施例的模擬互相關結果,在所有條件下該入射波的信號頻寬為500MHz且該預設取樣頻率皆為5GHz,而該預設濾波頻寬在各種不同的條件下分別為無
窮大、100MHz、50MHz、25MHz和10MHz。在每一條件下,對應於最大點積的該延遲時間是該測距系統1的該反射波對應到該入射波的該實際延遲時間。從圖2可以合理地確定該預設濾波頻寬越低,包含該最大點積的該互相關結果的一脈衝越寬。此外,如圖3所示,當該預設取樣頻率高於該預設濾波頻寬,該互相關結果(亦即,實心點和空心點的組合)不會失去上述脈衝,因此確保目標檢測(亦即,目標2已被檢測到);且當該預設取樣頻率低於該預設濾波頻寬時,該互相關結果(亦即,實心點)可能會完全失去原本應該出現的上述脈衝,導致失去目標(亦即,該目標2未被檢測到)。在這實施例的一第一實施方式中,通過使該預設濾波頻寬低於該預設取樣頻率,即使為了加寬該測距系統1的一測距動態範圍而降低該預設取樣頻率,該目標2仍將會被檢測到。
FIG. 2 illustrates the simulation cross-correlation results of the present embodiment under various conditions. Under all conditions, the signal bandwidth of the incident wave is 500MHz and the preset sampling frequency is 5GHz, and the preset filter bandwidth is Under various conditions, respectively, no
Infinity, 100MHz, 50MHz, 25MHz and 10MHz. Under each condition, the delay time corresponding to the maximum dot product is the actual delay time of the reflected wave of the ranging
參閱圖1與圖4,在本實施例的一第二實施方式中,該測距系統1依序在該粗略模式與該精細模式操作。在粗略模式下,該控制器15控制該低通濾波器141,該取樣器142和該互相關器143以使得該預設濾波頻寬,該預設取樣頻率和該預設時間區域分別等於一第一濾波頻寬,一第一取樣頻率和一第一時間區域,該第一濾波頻寬窄於該入射電磁信號的信號頻寬,該第一取樣頻率高於該第一濾波頻寬。再者,該控制器15根據該運算輸出獲得該測距系統1的該反射波對應到該入射波的一粗略延遲時間。在精細模式下,該
控制器15控制該低通濾波器141,該取樣器142和該互相關器143以使得該預設濾波頻寬,該預設取樣頻率與該預設時間區域分別等於一第二濾波頻寬、一第二取樣頻率與一第二時間區域。該第二濾波頻寬寬於該第一濾波頻寬。該第二取樣頻率高於該第二濾波頻寬與該第一取樣頻率。如圖4所示,該第二時間區域窄於該第一時間區域且大約等於該粗略延遲時間。再者,該控制器15根據該運算輸出獲得該測距系統1的該反射波對應到該入射波的一精細延遲時間,且根據該精細延遲時間計算從該測距系統1到該目標2的距離。
Referring to FIG. 1 and FIG. 4 , in a second implementation of this embodiment, the ranging
在本實施例的該第二實施方式中,由於該精細模式下的該預設取樣頻率高於該粗略模式下的該預設取樣頻率,且該精細模式下的該預設時間範圍窄於該粗略模式下的該預設時間範圍,因此該測距系統1在該粗略模式下有一較寬動態範圍,在該精細模式下有一較好測距解析度。此外,該預設取樣頻率與該預設時間區域在粗略模式和精細模式下都可以使得取樣的一總數(亦即,該等點積)包括在該互相關結果中不超過由一預定功率預算所構成的上限,因此該測距系統1可以在一寬廣的測距動態範圍內有一整體精細的測距解析度,而不會有過度的功率消耗。
In the second implementation of this embodiment, because the preset sampling frequency in the fine mode is higher than the preset sampling frequency in the coarse mode, and the preset time range in the fine mode is narrower than the The preset time range in the coarse mode, so the ranging
參閱圖5,本發明的該測距系統1的一第二實施例,其類似於該第一實施例,但與該第一實施例不同之處在於該互相關器143在該數位域中操作。
Referring to FIG. 5, a second embodiment of the ranging
在該第二實施例中,該類比數位轉換器144電連接該取樣器142以從該取樣器142接收該回授信號與該參考信號,且對該回授信號和該參考信號進行類比數位轉換,以產生該回授信號的一數位表示與該參考信號的一數位表示。該互相關器143電連接該類比數位轉換器144,以從該類比數位轉換器144接收該回授信號的數位表示與該參考信號的數位表示,且還電連接該控制器15。該互相關器143計算該回授信號的數位表示和該參考信號的數位表示對應到分佈在該預設時間區域中之該等延遲時間的該互相關,以產生作為該運算輸出的該互相關結果,以提供該控制器15接收。該控制器15根據該運算輸出計算從該測距系統1到該目標2的該距離。
In the second embodiment, the analog-to-
參閱圖6,本發明的該測距系統1的一第三實施例,其類似於該第一實施例,但與該第一實施例的不同之處在於:(a)省略了該參考檢測器13(見圖1);(b)該控制器15還產生一類比信號的來源信號;(c)該來源端11電連接該控制器15以從該控制器15接收來源信號,且根據該來源信號產生該入射波;及(d)該低通濾波器141用於從該控制器15接收該來源信號,且在該預設濾波頻寬下對該來源信號執行低通濾波,以產生該第二濾波信號。
Referring to FIG. 6, a third embodiment of the ranging
參閱圖7,本發明的該測距系統1的一第四實施例,其類似於該第二實施例,但與該第二實施例的不同之處在於:(a)省略了該參考檢測器13(見圖5);(b)該控制器15還產生一數位的來源
信號;(c)該來源端11電連接該控制器15以從該控制器15接收該來源信號,且根據該來源信號產生該入射波;及(d)該運算器14還包括在該數位域中操作的另一個低通濾波器145和一抽取器146。
Referring to FIG. 7, a fourth embodiment of the ranging
在該第四實施例中,該第二濾波信號是由該低通濾波器145所產生的而不是由該低通濾波器141產生的,且該參考信號是由該抽取器146所產生的而不是該取樣器142產生的。具體而言,該低通濾波器145有一可調整的濾波頻寬,且電連接該控制器15,且由該控制器15控制,使得可調整的濾波頻寬設置為該預設濾波頻寬。該低通濾波器145用於從該控制器15接收該來源信號,且在該預設濾波頻寬下對該來源信號執行低通濾波,以便產生該第二濾波信號。該抽取器146有一可調整的取樣頻率,並電連接該控制器15,且由該控制器15控制,使得該可調整的取樣頻率設置為該預設取樣頻率。該抽取器146還電連接該低通濾波器145與該互相關器143,用於從該低通濾波器145接收該第二濾波信號,且對該第二濾波信號進行降取樣以產生具有一取樣率等於該預設取樣頻率的該參考信號,以提供該互相關器143接收。該互相關器143計算該回授信號與該參考信號的數位表示對應到分佈在該預設時間區域中的該等延遲時間的該互相關,以產生該互相關結果。
In the fourth embodiment, the second filtered signal is generated by the low-
參閱圖8,本發明的該測距系統1的一第五實施例,其類似於該第一實施例,但與第一實施例的不同之處在於,該運算器14
用於執行以下動作:在該預設濾波頻寬下對該第一檢測信號與該第二檢測信號執行低通濾波,以分別產生分別作為該回授信號與該參考信號的該第一濾波信號與該第二濾波信號;計算該回授信號與該參考信號對應到分佈在該預設時間範圍內的該等延遲時間的該互相關,以產生該互相關結果;且在該預設取樣頻率下對該互相關結果進行取樣,以產生該運算輸出。
Referring to FIG. 8 , a fifth embodiment of the ranging
在該第五實施例中,該互相關器143電連接該低通濾波器141以從該低通濾波器141接收該回授信號與該參考信號,且計算該回授信號與該參考信號對應到分佈在該預設時間區域內的該等延遲時間的該互相關,以產生該互相關結果。該取樣器142電連接該互相關器143以從該互相關器143接收該互相關結果,且在該預設取樣頻率下對該互相關結果進行取樣以產生該運算輸出。該類比數位轉換器144電連接該取樣器142以從該取樣器142接收該運算輸出,且對該運算輸出執行類比數位轉換以產生該運算輸出的數位表示,以提供該控制器15接收。該控制器15根據該運算輸出的數位表示計算從該測距系統1到該目標2的距離。
In the fifth embodiment, the cross-correlator 143 is electrically connected to the low-
參閱圖9,本發明的該測距系統1的一第六實施例,其類似於該第五實施例,但與該第五實施例的不同之處在於:(a)省略了該參考檢測器13(見圖8);(b)該控制器15還產生一類比信號的來源信號;(c)該來源端11電連接該控制器15以從該控制器15接收
該來源信號,且根據該來源信號產生該入射波;及(d)該低通濾波器141用於從該控制器15接收該來源信號,且在該預設濾波頻寬下對來源信號執行低通濾波,以產生該參考信號。
Referring to FIG. 9, a sixth embodiment of the ranging
在上面描述中,出於解釋的目的,已經闡述了許多具體細節以便提供對該實施例的一透徹理解。然而,對於本領域的技術人員顯而易見的是,可以在沒有這些特定細節中實踐一個或多個其他實施例。應當理解的是,在整個說明書中,對”一個實施例”,”一實施例”,一實施例有序數等指示,其意味著在本發明實踐中可以包括特定的特徵,結構或特性。還應當理解的是,在本說明書中,有時將各種特徵組合在單個實施例、附圖或其描述中,以簡化本發明且幫助理解各種發明方面,且一個或多個特徵或在適當的情況下,在本發明的實踐中,可以將一個實施例的特定細節與一個或多個特徵或另一實施例的特定細節一起實踐。 In the above description, for the purposes of explanation, numerous specific details have been set forth in order to provide a thorough understanding of the embodiments. It will be apparent, however, to one skilled in the art that one or more other embodiments may be practiced without these specific details. It should be understood that throughout the specification references to "one embodiment", "an embodiment", an embodiment ordinal, etc., mean that a particular feature, structure or characteristic may be included in the practice of the invention. It will also be appreciated that, in this specification, various features are sometimes grouped together in a single embodiment, drawing or description thereof to simplify the invention and to assist in understanding various aspects of the invention, and one or more features may be In the practice of the invention, specific details of one embodiment may be practiced together with one or more features or specific details of another embodiment.
惟以上所述者,僅為本發明的實施例而已,當不能以此限定本發明實施的範圍,凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。 However, the above are only examples of the present invention, and should not limit the scope of implementation of the present invention. Any simple equivalent changes and modifications made according to the scope of the patent application of the present invention and the contents of the patent specification are still included in the scope of the present invention. within the scope of the invention patent.
1:測距系統 1: Ranging system
11:來源端 11: Source
12:回授檢測器 12: Feedback detector
13:參考檢測器 13: Reference detector
14:運算器 14: Operator
141:低通濾波器 141: Low pass filter
142:取樣器 142: Sampler
143:互相關器 143: Cross-correlator
144:類比數位轉換器 144: Analog to Digital Converter
15:控制器 15: Controller
2:目標 2: target
Claims (12)
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TWI765675B true TWI765675B (en) | 2022-05-21 |
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ID=82594469
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TW110114868A TWI765675B (en) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | Ranging system |
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