一種激光測距裝置及其激光測距方法
【專利摘要】本發明提供一種基于前沿時刻鑒別技術的激光測距裝置及其激光測距方法。該裝置包括：光電轉換電路，用于將激光信號轉換為第一電信號；放大電路，用于將第一電信號進行放大處理并輸出第二電信號；第一、第二閾值比較器，用于將第二電信號前沿的電壓值分別與第一和第二閾值電壓進行實時比較，得到第一和第二觸發信號；計時電路，用于獲取與第一和第二觸發信號相對應的第一和第二時刻；以及處理器，用于根據第一時刻與第二時刻獲得激光信號的波形斜率，從而對測距值進行補償。本發明通過多閾值前沿時刻鑒別技術得到多個粗略測距值，處理器調用算法計算波形斜率關系，得出精度較高的測距值的同時還獲得目標物體的反射率。
【專利說明】
一種激光測距裝置及其激光測距方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種激光測距技術，尤其涉及一種基于前沿時刻鑒別技術的激光測距方法。
【背景技術】
[0002]在現有技術中，激光測距儀主要是通過測量激光脈沖的飛行時間而得到距離信息。例如，脈沖式激光測距儀采用激光器作為光源，以激光作為載波，根據飛行時間原理，通過檢測激光發射脈沖與激光回波脈沖之間的時間差來測量距離。具體地，激光測距儀包括激光發射器和激光接收器，由激光發射器向空間發射一脈沖激光，該脈沖激光信號打在目標物體表面后，其回波信號被激光接收器捕獲。通過激光發射器發出激光信號的時刻以及激光接收器捕獲回波的時刻之間的時間差可以計算出目標物體到激光測距儀的距離，其公式表述為:L = C*T/2，L為目標物體到激光測距儀的距離，C為光速，T為上述兩時刻的時間差。從上面的公式可知，脈沖法的測量速度極快，等同于光速，因此對時間的誤差極為敏感。為了消除激光回波信號的上升時間(上升沿)和幅度值(強度)不同而引起的時間游動和噪聲引起的時間抖動，脈沖測距儀需要采用時刻鑒別技術。
[0003]目前，常用的脈沖激光測距的時刻鑒別技術有三種:一種是前沿時刻法，另一種是恒比定時法，再一種是高通時刻法。以前沿時刻法為例，其將回波模擬信號轉換為一個具有時間信息的數字邏輯信號，當信號的幅值低于某一給定閾值時，不輸出觸發信號；當信號的幅值達到給定閾值時，才輸出固定幅值的觸發信號。與恒比定時法和高通時刻法相比，時刻鑒別電路結構簡單、價格低廉、抗干擾性能強，但其精度不高。例如，由于目標表面特征的差異(如粗糙度、傾斜度等)，往往會造成回波脈沖的展寬或變形；同時，激光回波脈沖在傳輸過程中容易受到空氣中灰塵、煙霧、水汽等物體的衰減和干擾，回波波形會被不同程度地展寬和畸變。此外，目標物體的表面反射率也使得前沿閾值的到達時間發生變化，使得輸出的時間產生差異，最終會影響激光測距儀的測量精度。
[0004]有鑒于此，如何設計一種基于前沿時刻鑒別技術的激光測距裝置，在不顯著增加系統復雜性和成本的基礎上改善激光測距時的測量精度，從而克服現有技術的上述缺陷或不足，是業內相關技術人員亟待解決的一項課題。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的激光測距裝置在測量距離時所存在的上述缺陷，本發明提供一種可改善測距精度的、基于前沿時刻鑒別技術的激光測距裝置及其激光測距方法。
[0006]依據本發明的一個方面，提供一種基于前沿時刻鑒別技術的激光測距裝置，包括:
[0007]光電轉換電路，用于將所接收的激光信號轉換為第一電信號；
[0008]放大電路，電性耦接至所述光電轉換電路，用于將所述第一電信號進行放大處理，并輸出第二電信號，所述第二電信號依次具有一前沿期間以及一后沿期間；
[0009]第一閾值比較器，電性耦接至所述放大電路，用于將所述第二電信號前沿的電壓值與一第一閾值電壓進行實時比較，得到一第一觸發信號；
[0010]第二閾值比較器，電性耦接至所述放大電路，用于將所述第二電信號前沿的電壓值與一第二閾值電壓進行實時比較，得到一第二觸發信號，該第二閾值電壓大于該第一閾值電壓；
[0011]計時電路，電性耦接至所述第一閾值比較器和所述第二閾值比較器，用于獲取與所述第一觸發信號和所述第二觸發信號相對應的第一時刻和第二時刻；以及
[0012]處理器，用于接收并處理所述第一時刻和所述第二時刻，并根據所述第二時刻與所述第一時刻獲得所述激光信號的波形斜率，從而利用所述波形斜率對激光測距值進行補m
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[0013]在其中的一實施例，所述處理器還根據所述第二時刻和所述第一時刻獲得起始時亥Ij，從而利用所述起始時刻和所述波形斜率對所述激光測距值進行補償。
[0014]在其中的一實施例，所述光電轉換電路為光探測器件，所述光探測器件為光電二極管(PIN)、雪崩式光電二極管(APD)或光電倍增管(PMT)。
[0015]在其中的一實施例，放大電路為跨阻放大器或差分放大器。
[0016]在其中的一實施例，所述放大電路為單級放大器或多個級聯的放大器。
[0017]在其中的一實施例，當所述第二電信號前沿的某點的電壓值升至所述第一閾值電壓時，所述第一閾值比較器輸出所述第一觸發信號；當所述第二電信號前沿的某點的電壓值升至所述第二閾值電壓時，所述第二閾值比較器輸出所述第二觸發信號。
[0018]在其中的一實施例，所述第一閾值電壓以及所述第二閾值電壓由單一電壓源通過電阻分壓產生。
[0019]在其中的一實施例，所述第一閾值電壓和所述第二閾值電壓分別由不同電壓源單獨產生。
[0020]在其中的一實施例，所述第一閾值比較器和所述第二閾值比較器集成于同一控制芯片，且所述第一閾值電壓和所述第二閾值電壓為所述控制芯片的內部參考電壓。
[0021]在其中的一實施例，所述激光測距裝置還包括兩個D觸發器，分別設置于所述第一閾值比較器與所述處理器之間以及所述第二閾值比較器與所述處理器之間。
[0022]在其中的一實施例，所述激光測距裝置還包括第三閾值比較器，電性耦接至所述放大電路，用于將所述第二電信號前沿的電壓值與一第三閾值電壓進行實時比較，得到一第三前沿觸發信號，所述處理器用于接收所述第一時刻、所述第二時刻以及與所述第三觸發信號相對應的第三時刻，并利用第一時刻、第二時刻和第三時刻進行曲線擬合獲得所述激光信號的所述波形斜率。
[0023]在其中的一實施例，所述處理器為數字信號處理器、微控制單元、現場可編程門陣列或復雜可編程邏輯器件，并且該處理器內置對激光測距值進行補償和計算目標物體反射率的固件。
[0024]依據本發明的另一個方面，提供一種基于前沿時刻鑒別技術的激光測距方法，適于對激光測距值進行補償，該激光測距方法包括以下步驟:
[0025]接收一激光信號并將其轉換為第一電信號；
[0026]對所述第一電信號進行放大處理以輸出第二電信號，所述第二電信號依次具有一前沿期間以及一后沿期間；
[0027]將所述第二電信號前沿的電壓值分別與一第一閾值電壓和一第二閾值電壓進行實時比較，得到一第一觸發信號與一第二觸發信號，該第二閾值電壓大于該第一閾值電壓；
[0028]獲取與所述第一觸發信號和所述第二觸發信號各自對應的第一時刻和第二時刻；以及
[0029]接收并處理所述第一時刻和所述第二時刻，并根據所述第二時刻與所述第一時刻獲得所述激光信號的波形斜率，從而利用所述波形斜率對激光測距值進行補償。
[0030]在其中的一實施例，當所述第二電信號前沿的某點的電壓值升至所述第一閾值電壓時，輸出所述第一觸發信號；當所述第二電信號前沿的某點的電壓值升至所述第二閾值電壓時，輸出所述第二觸發信號。
[0031 ]在其中的一實施例，該激光測距方法還包括:根據激光測距值和所述波形斜率計算反射所述激光信號的物體的表面反射率。
[0032]采用本發明的激光測距裝置及其激光測距方法，光電轉換電路用于將所接收的激光信號轉換為第一電信號，放大電路將第一電信號進行放大處理并輸出第二電信號，第一閾值比較器和第二閾值比較器將第二電信號前沿的電壓值分別與一第一閾值電壓和一第二閾值電壓進行實時比較，得到第一觸發信號和第二觸發信號，計時電路獲取與第一觸發信號和第二觸發信號相對應的第一時刻和第二時刻，處理器根據第二時刻與第一時刻獲得激光信號的波形斜率，從而利用波形斜率對激光測距值進行補償。相比于現有技術，本發明通過前沿時刻鑒別技術的多閾值比較得到多個粗略時刻值，并將其送入處理器以便計算這些粗略時刻值之間的斜率關系進而得出精度較高的激光測距值。此外，本發明還可得到目標物體的表面反射率，電路結構簡單、適應性強，可廣泛應用于激光雷達或測距儀。
【附圖說明】
[0033]讀者在參照附圖閱讀了本發明的【具體實施方式】以后，將會更清楚地了解本發明的各個方面。其中，
[0034]圖1示出依據本發明的一實施方式，基于前沿時刻鑒別技術的激光測距裝置的結構框圖；
[0035]圖2示出圖1的激光測距裝置的一示意性實施例的電路連接示意圖；
[0036]圖3示出現有激光測距裝置利用前沿鑒別時刻進行激光測距的波形示意圖；
[0037]圖4示出本發明的激光測距裝置利用前沿鑒別時刻進行激光測距的波形示意圖；以及
[0038]圖5示出依據本發明的另一實施方式，基于前沿時刻鑒別技術的激光測距方法的流程框圖。
【具體實施方式】
[0039]為了使本申請所揭示的技術內容更加詳盡與完備，可參照附圖以及本發明的下述各種具體實施例，附圖中相同的標記代表相同或相似的組件。然而，本領域的普通技術人員應當理解，下文中所提供的實施例并非用來限制本發明所涵蓋的范圍。此外，附圖僅僅用于示意性地加以說明，并未依照其原尺寸進行繪制。
[0040]下面參照附圖，對本發明各個方面的【具體實施方式】作進一步的詳細描述。
[0041]圖1示出依據本發明的一實施方式，基于前沿時刻鑒別技術的激光測距裝置的結構框圖。
[0042]如【背景技術】部分所述，現有的時刻鑒別電路雖然結構簡單、價格低廉、抗干擾性能強，但發射的激光脈沖與目標物體相互作用后，由于目標表面特征的差異(如粗糙度、傾斜度等)，往往會造成回波脈沖的展寬或變形;并且，激光回波脈沖在傳輸過程中容易受到空氣中灰塵、煙霧、水汽等物體的衰減和干擾，回波波形會被不同程度地展寬和畸變；同時，目標物體的反射率也使得前沿閾值的到達時間發生變化，也使得輸出的時間產生差異，影響測距精度。
[0043]針對上述問題，本發明提供了一種基于前沿時刻鑒別技術的斜率補償式激光測距裝置。參照圖1，在該實施方式中，本發明的激光測距裝置包括光電轉換電路10、放大電路
12、第一閾值比較器141、第二閾值比較器143、計時電路16和處理器18。例如，放大電路12為跨阻放大器或差分放大器。進一步，放大電路12可為單級放大器或多個級聯的放大器。
[0044]詳細而言，光電轉換電路10作為光電轉換器件，用于將所接收的激光信號轉換為第一電信號。例如，光電轉換電路10可為光探測器件，諸如光電二極管(PIN)、雪崩式光電二極管(APD)或光電倍增管(PMT)。放大電路12耦接至光電轉換電路10的輸出端。放大電路12用于將第一電信號進行放大處理并輸出第二電信號。第二電信號依次具有一前沿期間及一后沿期間。
[0045]第一閾值比較器141電性耦接至放大電路12。第一閾值比較器141用于將第二電信號前沿的電壓值與一第一閾值電壓進行實時比較，得到一第一觸發信號。第二閾值比較器143電性耦接至放大電路12。第二閾值比較器143用于將第二電信號前沿的電壓值與一第二閾值電壓進行實時比較，得到一第二觸發信號，該第二閾值電壓大于該第一閾值電壓。較佳地，當第二電信號前沿的某點的電壓值升至第一閾值電壓時，第一閾值比較器141輸出第一觸發信號；當第二電信號前沿的某點的電壓值從第一閾值電壓繼續升至第二閾值電壓時，第二閾值比較器143輸出第二觸發信號。在此，第一閾值電壓以及第二閾值電壓可以由單一電壓源通過電阻分壓產生。或者，第一閾值電壓和第二閾值電壓也可分別由不同電壓源單獨產生。較佳地，第一閾值比較器141和第二閾值比較器143集成于同一控制芯片，且第一閾值電壓和第二閾值電壓為控制芯片的內部參考電壓。
[0046]計時電路16電性耦接至第一閾值比較器141和第二閾值比較器143，用于獲取與第一觸發信號相對應的第一時刻以及與第二觸發信號相對應的第二時刻。處理器18與計時電路16相連接。處理器18接收并處理第一時刻和第二時刻，并根據第二時刻與第一時刻獲得激光信號的波形斜率，從而利用波形斜率對激光測距值進行補償。
[0047]在一具體實施例，本發明的激光測距裝置還包括第三閾值比較器。第三閾值比較器電性耦接至放大電路12，用于將第二電信號前沿的電壓值與一第三閾值電壓進行實時比較，得到一第三觸發信號。計時電路16根據第一觸發信號和第二觸發信號得到相對應的第一時刻和第二時刻。處理器18用于接收第一時刻、第二時刻以及與第三觸發信號相對應的第三時刻，并利用第一時刻、第二時刻和第三時刻進行曲線擬合獲得激光信號的波形斜率。例如，處理器18可為數字信號處理器(digital signal processor，DSP)、微控制單元(micro controller unit，MCU)、現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)或復雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device，CPLD)。
[0048]在一具體實施例，處理器18還根據第二時刻和第一時刻獲得起始時刻，從而利用起始時刻和波形斜率對激光測距值進行補償。
[0049]此外，為避免出現信號誤觸發的不良現象，本發明的激光測距裝置還可設置D觸發器，分別位于第一閾值比較器141與處理器18之間、第二閾值比較器143與處理器18之間。
[0050]圖2示出圖1的激光測距裝置的一示意性實施例的電路連接示意圖。
[0051 ]參照圖2，在該實施例中，光電轉換電路的功能由光電二極管予以實現。放大電路12包括兩個級聯的放大器，S卩，前級放大器和主放大器級聯，主放大器的輸入端電性連接至前級放大器的輸出端。第一閾值比較器141和第二閾值比較器143各自的輸入端均電性耦接至放大電路12的輸出端。若放大電路12由級聯的前級放大器和主放大器構成，則主放大器的輸出端與第一閾值比較器141和第二閾值比較器143各自的正相輸入端相連。第一閾值電壓和第二閾值電壓分別通過分壓電阻實現并電性耦接至各自比較器的反相輸入端。計時電路16與第一閾值比較器141和第二閾值比較器143連接，用于根據第一觸發信號和第二觸發信號來記錄對應的兩個時刻點。處理器18再根據第二時刻與第一時刻獲得激光信號的波形斜率。較佳地，計時電路16可集成在處理器18的內部，如此一來，計時電路16與處理器18之間的信號傳輸可在器件或芯片內部進行，從而可提升信號的傳輸速度和處理效率。
[0052]圖3示出現有激光測距裝置利用前沿鑒別時刻進行激光測距的波形示意圖。圖4示出本發明的激光測距裝置利用前沿鑒別時刻進行激光測距的波形示意圖。
[0053]研究表明，當激光測距裝置與目標物體相距同一距離時，目標物體的表面反射率越大，激光回波越強，回波信號的陡峭程度越大，即，斜率越大。如圖3所示，在現有技術中，激光測距采用固定閾值電壓，通過回波信號的前沿時刻與起始時刻之間的時間差來計算裝置與目標物體之間的距離。然而，從圖3(a)?圖3(d)可以看出，不同回波強度的前沿鑒別時刻存在較大誤差，而這種誤差對極大地影響測距精度。相比之下，如圖4(a)?圖4(d)所示，本發明的激光測距電路采用雙閾值來分別得到同一回波信號的第一時刻和第二時刻，并通過這兩個時刻來獲得激光信號的波形斜率，進而利用波形斜率來準確計算對應的時刻值，從而提升激光測距的精度。
[0054]圖5示出依據本發明的另一實施方式，基于前沿時刻鑒別技術的激光測距方法的流程框圖。
[0055]詳細而言，在步驟SI中，光電轉換電路10接收一激光信號并將其轉換為第一電信號。在步驟S3中，放大電路12對來自光電轉換電路10的第一電信號進行放大處理以輸出第二電信號。第二電信號依次具有一前沿期間以及一后沿期間。接著，在步驟S5中，第一閾值比較器141和第二閾值比較器143將第二電信號前沿的電壓值分別與一第一閾值電壓和一第二閾值電壓進行實時比較，得到一第一觸發信號與一第二觸發信號，該第二閾值電壓大于該第一閾值電壓。然后，在步驟S7中，計時電路16獲取與第一觸發信號和第二觸發信號各自對應的第一時刻和第二時刻。最后，在步驟S9中，處理器18接收并處理第一時刻和第二時亥IJ，并根據第二時刻與第一時刻獲得激光信號的波形斜率，從而利用波形斜率對激光測距值進行補償。此外，該方法還可根據波形斜率計算反射激光信號的物體的反射率。例如，當裝置與目標物體之間的距離相同時，如獲得的斜率較大，則說明回波信號較強，亦說明物體反射率較大;反之，若獲得的斜率較小，則說明回波信號較弱，則物體的反射率較低。
[0056]采用本發明的激光測距裝置及其激光測距方法，光電轉換電路用于將所接收的激光信號轉換為第一電信號，放大電路將第一電信號進行放大處理并輸出第二電信號，第一閾值比較器和第二閾值比較器將第二電信號前沿的電壓值分別與一第一閾值電壓和一第二閾值電壓進行實時比較，得到第一觸發信號和第二觸發信號，計時電路獲取與第一觸發信號和第二觸發信號相對應的第一時刻和第二時刻，處理器根據第二時刻與第一時刻獲得激光信號的波形斜率，從而利用波形斜率對激光測距值進行補償。相比于現有技術，本發明通過前沿時刻鑒別技術的多閾值比較得到多個粗略時刻值，并將其送入處理器以便計算這些粗略時刻值之間的斜率關系進而得出精度較高的激光測距值。此外，本發明還可得到目標物體的表面反射率，電路結構簡單、適應性強，可廣泛應用于激光雷達或測距儀。
[0057]上文中，參照附圖描述了本發明的【具體實施方式】。但是，本領域中的普通技術人員能夠理解，在不偏離本發明的精神和范圍的情況下，還可以對本發明的【具體實施方式】作各種變更和替換。這些變更和替換都落在本發明權利要求書所限定的范圍內。
【主權項】
1.一種基于前沿時刻鑒別技術的激光測距裝置，其特征在于，所述激光測距裝置包括: 光電轉換電路，用于將所接收的激光信號轉換為第一電信號； 放大電路，電性耦接至所述光電轉換電路，用于將所述第一電信號進行放大處理，并輸出第二電信號，所述第二電信號依次具有一前沿期間以及一后沿期間； 第一閾值比較器，電性耦接至所述放大電路，用于將所述第二電信號前沿的電壓值與一第一閾值電壓進行實時比較，得到一第一觸發信號； 第二閾值比較器，電性耦接至所述放大電路，用于將所述第二電信號前沿的電壓值與一第二閾值電壓進行實時比較，得到一第二觸發信號，該第二閾值電壓大于該第一閾值電壓； 計時電路，電性耦接至所述第一閾值比較器和所述第二閾值比較器，用于獲取與所述第一觸發信號和所述第二觸發信號相對應的第一時刻和第二時刻；以及 處理器，用于接收并處理所述第一時刻和所述第二時刻，并根據所述第二時刻與所述第一時刻獲得所述激光信號的波形斜率，從而利用所述波形斜率對激光測距值進行補償。2.根據權利要求1所述的激光測距裝置，其特征在于，所述處理器還根據所述第二時刻和所述第一時刻獲得起始時刻，從而利用所述起始時刻和所述波形斜率對所述激光測距值進行補償。3.根據權利要求1所述的激光測距裝置，其特征在于，所述光電轉換電路為光探測器件，所述光探測器件為光電二極管(PIN)、雪崩式光電二極管(APD)或光電倍增管(PMT)。4.根據權利要求1所述的激光測距裝置，其特征在于，所述放大電路為跨阻放大器或差分放大器。5.根據權利要求1或4所述的激光測距裝置，其特征在于，所述放大電路為單級放大器或多個級聯的放大器。6.根據權利要求1所述的激光測距裝置，其特征在于，當所述第二電信號前沿上的某點的電壓值升至所述第一閾值電壓時，所述第一閾值比較器輸出所述第一觸發信號；當所述第二電信號前沿的某點的電壓值升至所述第二閾值電壓時，所述第二閾值比較器輸出所述第二觸發信號。7.根據權利要求1所述的激光測距裝置，其特征在于，所述第一閾值電壓以及所述第二閾值電壓由單一電壓源通過電阻分壓產生。8.根據權利要求1所述的激光測距裝置，其特征在于，所述第一閾值電壓和所述第二閾值電壓分別由不同電壓源單獨產生。9.根據權利要求1所述的激光測距裝置，其特征在于，所述第一閾值比較器和所述第二閾值比較器集成于同一控制芯片，且所述第一閾值電壓和所述第二閾值電壓為所述控制芯片的內部參考電壓。10.根據權利要求1所述的激光測距裝置，其特征在于，所述激光測距裝置還包括兩個D觸發器，分別設置于所述第一閾值比較器與所述處理器之間以及所述第二閾值比較器與所述處理器之間。11.根據權利要求1所述的激光測距裝置，其特征在于，所述激光測距裝置還包括第三閾值比較器，電性耦接至所述放大電路，用于將所述第二電信號前沿的電壓值與一第三閾值電壓進行實時比較，得到一第三觸發信號， 所述處理器用于接收所述第一時刻、所述第二時刻以及與所述第三觸發信號相對應的第三時刻，并利用所述第一時刻、所述第二時刻和所述第三時刻進行曲線擬合獲得所述激光信號的所述波形斜率。12.根據權利要求1所述的激光測距裝置，其特征在于，所述處理器為數字信號處理器、微控制單元、現場可編程門陣列或復雜可編程邏輯器件，并且該處理器內置對激光測距值進行補償和計算目標物體反射率的固件。13.—種基于前沿時刻鑒別技術的激光測距方法，適于對激光測距值進行補償，其特征在于，該激光測距方法包括以下步驟: 接收一激光信號并將其轉換為第一電信號； 對所述第一電信號進行放大處理以輸出第二電信號，所述第二電信號依次具有一前沿期間以及一后沿期間； 將所述第二電信號前沿的電壓值分別與一第一閾值電壓和一第二閾值電壓進行實時比較，得到一第一觸發信號與一第二觸發信號，該第二閾值電壓大于該第一閾值電壓； 獲取與所述第一觸發信號和所述第二觸發信號各自對應的第一時刻和第二時刻；以及 接收并處理所述第一時刻和所述第二時刻，并根據所述第二時刻與所述第一時刻獲得所述激光信號的波形斜率，從而利用所述波形斜率對激光測距值進行補償。14.根據權利要求13所述的激光測距方法，其特征在于，當所述第二電信號前沿的某點的電壓值升至所述第一閾值電壓時，輸出所述第一觸發信號；當所述第二電信號前沿的某點的電壓值升至所述第二閾值電壓時，輸出所述第二觸發信號。15.根據權利要求13所述的激光測距方法，其特征在于，該激光測距方法還包括: 根據所述激光測距值和所述波形斜率計算反射所述激光信號的物體的表面反射率。
【文檔編號】G01S17/08GK106054205SQ201610638159
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月5日 公開號201610638159.5, CN 106054205 A, CN 106054205A, CN 201610638159, CN-A-106054205, CN106054205 A, CN106054205A, CN201610638159, CN201610638159.5
【發明人】張揚, 劉健, 徐磁, 陳士凱, 李宇翔, 林凌, 劉義春, 黃玨珅
【申請人】上海思嵐科技有限公司