一種基于TOF的測距系統及其校正方法與流程

本發明涉及一種測距系統及其校正方法，尤其涉及一種基于TOF的測距系統及其校正方法。

背景技術：

目前，基于飛行時間(TOF)技術的測距方案主要有兩類，一類是激光方案、另一類是非激光方案。其中激光方案具有測量距離遠，精確度高的優點，但是缺點也是很明顯，主要缺點有：

(1)聚集的能量密度較高，有對皮膚和眼睛有灼傷的危險；(2)激光發射器對工作溫度較為敏感，在高溫情況下容易損壞，并且其發光強度和發光效率隨工作溫度變化較大；(3)制造成本較高；(4)無法在強光照環境下工作。

另一類是非激光方案，該方案雖然成本相對較低、對人體幾乎無傷害、可在較高的溫度下正常工作，但由于能量不容易集中，導致測量的距離較短，同時也無法在強光照環境下工作。此外，現有的測距方法在對傳感器的測量距離進行校正標定時步驟多、操作復雜，對操作員的水平要求較高，不便于普通用戶使用。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明提出一種基于TOF的測距系統及其校正方法，其成本低、穩定性高、操作簡單，不僅測量距離遠且測量精度高，具有較高的安全性能。

為了達到上述目的，本發明的技術方案如下：一種基于TOF的測距系統，包括鏡蓋、發射鏡筒、電路板和接收鏡筒，所述發射鏡筒和接收鏡筒安裝在電路板上，鏡蓋用于蓋在發射鏡筒和接收鏡筒上，所述發射鏡筒內設置有主發射管和發射聚焦鏡片組，主發射管安裝在位于發射鏡筒內的電路板上，發射聚焦鏡片組設置在主發射管的上方；

所述接收鏡筒與發射鏡筒并排設置，接收鏡筒包括防雜散光結構和接收聚焦鏡片組，防雜散光結構為錐形結構，其錐形結構的開口大端處與接收聚焦鏡片組相連，其開口小端處設置有濾光片；所述濾光片的下方設置有光敏接收管和輔助發射管，所述光敏接收管和輔助發射管焊接在電路板上。

作為優選，所述發射鏡筒和接收鏡筒的外部設置有遮光結構，遮光結構的設置用于防止雜散光和光噪聲。

作為優選，所述發射聚焦鏡片組和接收聚焦鏡片組分別由一片或者多片透鏡組成；本發明在發射鏡筒和接收鏡筒中使用一片或若干片透鏡組成鏡片組，對發射光線和接收光線進行聚焦，可減少光的發散，大幅度減少能量的損失，使得測量距離得到大幅度提升。同時，結合鏡筒的遮光結構、錐形式防雜散光結構以及濾光片，能消除大部分的環境光噪聲，使得接收管接收到的光信號更加穩定，大幅提高了系統的信噪比和測量精度。

作為優選，所述主發射管為波長為700nm-2000nm的非激光紅外LED管；本專利中優選波長為850nm的非激光紅外LED管，所述發射聚焦鏡片組由兩片非球面透鏡組成；由于太陽光中含有各種波長的光分量，而紅外波段的光分量相對強度較弱，選取850nm的紅外光作為光源可以減少太陽光中的可見光分量對距離測量產生的干擾。

作為優選，所述光敏接收管采用光譜靈敏度為400nm-2000nm的紅外接收管，本專利中優選光譜靈敏度為880nm的紅外接收管作為光敏接收管；所述濾光片的中心波長為700nm-2000nm，半帶寬為5nm-100nm，本專利在實際應用中優選中心波長為880nm，半帶寬為50nm的濾光片；當光敏接收管的中心波長和光源波長接近時，光敏接收管對反射光信號的靈敏度最高，選取880nm的光敏接收管配合半帶寬為50nm的濾光鏡可以消除大部分其他波長光分量的影響，提高系統的信噪比。

作為優選，所述接收聚焦鏡片組由一片或多片透鏡組成，所述輔助發射管采用中心波長為700nm-2000nm的LED管，本專利中優選中心波長為850nm的LED管作為輔助發射管。

作為優選，所述防雜散光結構為錐形結構，其斜面與水平面所成的角度為15°-75°,適合在實際應用中用來匹配不同焦距和不同口徑的鏡片。

作為優選，所述鏡蓋為發射端蓋帽和接收端蓋帽一體成形，同時用于覆蓋在發射鏡筒和接收鏡筒上，采用發射端蓋帽和接收端蓋帽二合一的結構設計，與鏡筒緊密蓋合，不但可以保護透鏡不受外界灰塵的污染，在校正時一方面可以防止發射鏡筒的光進入到接收鏡筒，同時可以防止環境光噪聲進入到接收鏡筒。相對于長距離校正，這種校正方式可以提高校正的精度和準確度，能有效避免環境光噪聲對校正產生干擾。

一種基于TOF的測距系統的校正方法，具體的校正步驟包括：

(1)用鏡蓋蓋住發射鏡筒和接收鏡筒；

(2)電路板的內部電路從主發射管切換到輔助發射管，產生一個經過調制的電流來驅動輔助發射管，此時，主發射管不工作；

(3)輔助發射管發射出一束經過調制的紅外光照射到光敏接收管上；

(4)光敏接收管接收從輔助發射管發出的經過調制的紅外光并將其轉化為電信號；

(5)電路板的內部電路通過比較光敏接收管產生的電信號與調制信號之間的相位差計算出當前的測量距離誤差D_offset，并將該距離誤差保存在存儲器內；其測量距離誤差D_offset的計算公式為：

其中：D_offset為電路板的內部電路及發射、接收管延遲產生的距離誤差；c為光在真空中的傳播速度；f_LED為調制光的頻率；為調制信號與光敏接收管信號的相位差；

(6)在正常測量時，用該保存的位置誤差數據對每次測量的結果進行補償。

本發明的校正方法無需借助外部的標定裝置便可完成傳感器的距離標定，相比現有技術的校正方式，本發明的校正方法中矯正速度和精度都得到了顯著的提高對操作員來說門檻也大幅降低了；而且其對環境沒有特殊要求，可隨時隨地進行矯正；對于距離偏差修正部分采用多項式擬合，精度高。

本發明的有益效果：本發明解決了以往采用激光設計方案時存在的高成本、對皮膚和人眼會造成傷害、無法在高溫環境下工作等缺點，同時解決了采用非激光設計方案時存在的測量距離短、精度差、校正繁瑣等問題，提出了一種低成本、高生物安全性、測量距離遠、高精度的解決方案，同時實現了對系統誤差的一鍵式校正，簡化了傳統繁瑣的校正過程，為普通用戶的使用提供了便利。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為圖1的剖面圖；

圖3為鏡蓋的結構示意圖；

圖4為測得的距離與實際距離的比較圖；

其中：1.鏡蓋，2.發射聚焦鏡片組，3.發射鏡筒，4.主發射管，5.電路板，6.輔助發射管，7.光敏接收管，8.濾光片，9.防雜散光結構，10.接收鏡筒，11.接收聚焦鏡片組，12.遮光結構。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

如圖1至圖3所示，公開了一種基于TOF的測距系統，包括鏡蓋1、發射鏡筒3、電路板5和接收鏡筒10，所述發射鏡筒3和接收鏡筒10安裝在電路板5上，鏡蓋1用于蓋在發射鏡筒3和接收鏡筒10上，所述發射鏡筒3內設置有主發射管4和發射聚焦鏡片組2，主發射管4安裝在位于發射鏡筒內的電路板上，發射聚焦鏡片組2設置在主發射管4的上方；

所述接收鏡筒10與發射鏡筒3并排設置，接收鏡筒10包括防雜散光結構9和接收聚焦鏡片組，防雜散光結構為錐形結構，其錐形結構的開口大端處與接收聚焦鏡片組11相連，其開口小端處設置有濾光片8；所述濾光片8的下方設置有光敏接收管7和輔助發射管6，所述光敏接收管7和輔助發射管6焊接在電路板5上。

本測距系統在實際應用中還包括以下技術特征：在發射鏡筒和接收鏡筒的外部還設置有遮光結構，可以充分防止雜散光和光噪聲；發射聚焦鏡片組和接收聚焦鏡片組分別由一片或者多片透鏡組成。

而作為本發明的優選技術方案，發射鏡筒采用850nm非激光紅外LED作為主發射管，采用兩片非球面透鏡作為發射聚焦鏡片組；其接收鏡筒采用中心波長為880nm的紅外接收管作為光面接收管，采用中心波長為880nm，半帶寬為50nm的濾光片，其防雜散光結構的斜面與水平面成15°-75°角，在此角度范圍內可以用來匹配不同焦距和不同口徑的鏡片。

本發明基于TOF技術原理，進行距離測量時，輔助發射管6不工作，通過電路板5的內部電路產生一定調制頻率的驅動電流驅動主發射管4，使之產生一定調制頻率的光信號，該光信號經過發射聚焦鏡片組2的聚焦從鏡筒3發射出去。該發射光照射到被測物體后會被反射回一部分光信號，該信號被接收聚焦鏡片組11接收并聚焦，經過濾光片8過濾掉其他波長的光信號，匯聚到光敏接收管7上。光敏接收管7將該光信號轉換為電信號，電路板5的內部電路通過計算調制信號與光敏接收管信號的相位差，即可計算出光源到被測物體的距離。遮光結構12可防止測量環境中不同角度的雜散光和環境光噪聲被光敏接收管7所接收到，防雜散光斜面結構9可將從側正面照射進入接收鏡筒10的雜散光和環境光噪聲反射回去。遮光結構12和斜坡式的防雜散光結構9提高了系統的信噪比、測量距離和測量精度。

在使用TOF原理進行距離測量時，不同的發射光調制頻率將對應不同的最大量程。本發明的優選方案采用4.5MHz作為發射光的調制頻率，在該調制頻率下的理論最大測量距離為33.33m，相比現有技術其測量距離提高了2倍。

同時，本發明還提供了一種基于TOF的測距系統的校正方法，系統快速校正時，鏡蓋1蓋住發射鏡筒3和接收鏡筒10，主發射管4不工作，電路板5的內部電路切換到輔助發射管6使其發射出一束經過調制的紅外光，該紅外光被光敏接收管7接收到并轉化為電信號，電路板5的內部電路記錄此時調制信號與光敏接收管信號的相位差作為基準，計算出當前的測量距離誤差，并將該距離誤差保存在存儲器內，即可完成校正，校正完成后取下鏡蓋1即可正常使用。在正常測量時，用該記錄的相位差數據對每次測量的結果進行補償。

如圖4所示，即反映的是測量的距離與實際距離的比較圖，從圖中可見：采用本系統及校正方法測得的距離與實際距離相比吻合度很好，測量精度較高，且測量距離遠能達到33米，是現有測量系統的2倍。