以半連續(xù)方波調(diào)制和飛行時(shí)間測(cè)量的激光測(cè)距方法及裝置的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種以半連續(xù)方波調(diào)制和飛行時(shí)間測(cè)量的激光測(cè)距方法及裝置，發(fā)射光強(qiáng)被半連續(xù)的周期方波調(diào)制的激光信號(hào)，接收目標(biāo)反射的回波光信號(hào)并利用光電探測(cè)器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，后者通過(guò)高通濾波后濾除低頻分量將方波調(diào)制的電壓中位點(diǎn)移到零點(diǎn)，以解決回波幅值變化對(duì)測(cè)距的干擾，再將上述信號(hào)輸入到電壓比較模塊得到多個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)，測(cè)量從測(cè)距開(kāi)始到每個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)間的時(shí)間差，并根據(jù)方波信號(hào)周期校正每個(gè)時(shí)間差值后即可得到對(duì)半連續(xù)方波光信號(hào)飛行時(shí)間的多次測(cè)量結(jié)果，平均后得到精確的距離信息。本發(fā)明的方法具有無(wú)測(cè)程限制、測(cè)距速度快、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能充分利用方波調(diào)制下激光器的性能優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建高性能、多通道的激光測(cè)距系統(tǒng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
以半連續(xù)方波調(diào)制和飛行時(shí)間測(cè)量的激光測(cè)距方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明涉及激光測(cè)距信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于半連續(xù)方波調(diào)制和飛行時(shí) 間測(cè)量的激光測(cè)距方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】：
[0002] 激光測(cè)距是激光技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)主要方面，由于激光具有的高相干性、方向性、單 色性等優(yōu)點(diǎn)，激光測(cè)距系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、高精度的測(cè)距功能。激光測(cè)距系統(tǒng)主要分為脈 沖光測(cè)距和連續(xù)光測(cè)距兩類(lèi)，其中后者多通過(guò)對(duì)連續(xù)發(fā)射的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并從采集的 回波信號(hào)中提取出距離信息。在連續(xù)光調(diào)制激光測(cè)距系統(tǒng)中，更高的調(diào)制頻率和激光功率 能有效提升測(cè)距精度和測(cè)距速度，但受限于現(xiàn)有激光器技術(shù)，正弦調(diào)制的連續(xù)激光器在頻 率和功率上不能同時(shí)達(dá)到很高的量級(jí)，制約了測(cè)距性能的提升。相比正弦調(diào)制，方波調(diào)制的 連續(xù)激光器只需要對(duì)激光器進(jìn)行快速的開(kāi)關(guān)操作，在調(diào)制頻率、功率和調(diào)制深度上都能達(dá) 到更高的性能指標(biāo)，在方波調(diào)制體系下獲取距離信息將是提高激光測(cè)距系統(tǒng)性能的有效手 段。
[0003] 現(xiàn)有的方法之一為文獻(xiàn)[1]所述的利用遠(yuǎn)高于方波調(diào)制頻率的采樣頻率對(duì)回波信 號(hào)進(jìn)行采樣和傅里葉變換獲取其多個(gè)高次諧波，計(jì)算出基波和諧波各自的相位信息后再拼 接成最終的距離測(cè)量結(jié)果，然而該方法需要幾十倍于方波調(diào)制頻率的采樣率以獲取高次諧 波分量，難以應(yīng)用在方波基頻本身較高的場(chǎng)合。
[0004] 另一種方法為文獻(xiàn)[2]提出的采用同一方波信號(hào)同時(shí)作為激光輸出調(diào)制信號(hào)和積 分型回波探測(cè)器的門(mén)控使能信號(hào)，得到隨目標(biāo)距離變化的積分值輸出，并采用多次移相測(cè) 量解決距離不確定性問(wèn)題，但該方法原理上要求回波信號(hào)和門(mén)控信號(hào)接近理想方波才能達(dá) 到較高的測(cè)距精度，在調(diào)制頻率較高時(shí)對(duì)回波信號(hào)上升時(shí)間要求苛刻。
[0005] 因此，針對(duì)上述需求和現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高測(cè)量速度、可實(shí)現(xiàn)的方 波調(diào)制激光測(cè)距方法，以充分利用連續(xù)方波調(diào)制激光器的優(yōu)良性能。
[0006] [1]劉國(guó)光.基于方波的相位式激光測(cè)距系統(tǒng)的研究[D].浙江大學(xué)，2004.
[0007] [2]Muguira M R,Sackos J T,Bradley B D. Scannerless range imaging with a square wave[C].SPIE's 1995Symposium on OE/Aerospace Sensing and Dual Use Photonics. International Society for Optics and Photonics,1995:106-113·

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0008] 本文介紹了一種基于方波調(diào)制和飛行時(shí)間測(cè)量的新型激光測(cè)距方法，實(shí)現(xiàn)了連續(xù) 光方波調(diào)制下的距離信息提取，能充分發(fā)揮方波調(diào)制激光器的優(yōu)良性能，實(shí)現(xiàn)高測(cè)距速度 和高測(cè)距精度的幾個(gè)測(cè)距系統(tǒng)。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0010] -種激光測(cè)距方法，其特征在于:具體包括如下步驟：
[0011] 1)測(cè)距開(kāi)始后，產(chǎn)生一組包含多個(gè)相同方波的半連續(xù)調(diào)制信號(hào)對(duì)發(fā)射激光光強(qiáng)進(jìn) tx調(diào)制；
[0012] 2)經(jīng)過(guò)目標(biāo)表面反射的回波光信號(hào)被激光測(cè)距系統(tǒng)部分接收，并被光電探測(cè)器轉(zhuǎn) 換成電信號(hào)；
[0013] 3)將電信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波后，得到只保留方波調(diào)制信號(hào)頻率分量的信號(hào)，輸入到 過(guò)零比較模塊，得到多個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)；
[0014] 4)測(cè)量從測(cè)距開(kāi)始到每個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)間的時(shí)間差，并將每個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)間差 減去其序號(hào)與方波調(diào)制周期的乘積，第一個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)的序號(hào)視為〇,以此類(lèi)推，得到校正后 的每個(gè)時(shí)間差值，其中翻轉(zhuǎn)信號(hào)可采用其上升沿或下降沿；
[0015] 5)由校正后的多個(gè)時(shí)間差值取平均后得到半連續(xù)調(diào)制信號(hào)飛行時(shí)間，并按光速換 算成目標(biāo)距離值。
[0016] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0017] 一種實(shí)現(xiàn)上述方法中所述的半連續(xù)方波調(diào)制和飛行時(shí)間測(cè)量的激光測(cè)距系統(tǒng)，其 包括：
[0018] 主控模塊，由數(shù)字邏輯器件或微處理器構(gòu)成；
[0019] 激光發(fā)射模塊，由激光驅(qū)動(dòng)電路、連續(xù)激光器和發(fā)射光學(xué)鏡頭組成；
[0020] 激光接收模塊，由接收光學(xué)鏡頭、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器和高通濾波電路組成； [0021 ]電壓比較模塊，由數(shù)字電位器和電壓比較器組成；
[0022 ]時(shí)間測(cè)量模塊，由時(shí)間測(cè)量芯片或數(shù)字邏輯器件中的時(shí)間測(cè)量模塊組成；
[0023]數(shù)據(jù)傳輸或顯示模塊，由數(shù)據(jù)傳輸模塊或顯示模塊組成。
[0024] 上述系統(tǒng)的工作流程為：當(dāng)一次測(cè)距開(kāi)始時(shí)，主控模塊向激光發(fā)射模塊的驅(qū)動(dòng)電 路發(fā)送測(cè)距開(kāi)始信號(hào)，后者發(fā)出一組包含多個(gè)相同方波的調(diào)制信號(hào)調(diào)制連續(xù)激光器的發(fā)射 激光光強(qiáng)，目標(biāo)反射的回波光信號(hào)被激光接收模塊的接收光學(xué)鏡頭接收，并經(jīng)過(guò)光電探測(cè) 器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后，再經(jīng)信號(hào)放大器和高通濾波電路完成信號(hào)放大和低頻分量濾除，保留 了方波翻轉(zhuǎn)信號(hào)的回波信號(hào)將輸入到電壓比較器的一端，其另一端由數(shù)字電位器設(shè)定閾值 電壓，電壓比較器對(duì)方波調(diào)制波形中的跳變沿中位點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，得到翻轉(zhuǎn)信號(hào)，輸入到時(shí)間 測(cè)量模塊中測(cè)量翻轉(zhuǎn)信號(hào)的時(shí)刻，并將結(jié)果輸出到主控模塊進(jìn)行距離信息提取，以供后續(xù) 傳輸或顯示。
[0025] 上述方案利用高通濾波去除回波信號(hào)中的低頻分量后再經(jīng)過(guò)電壓過(guò)零比較器，所 測(cè)得的翻轉(zhuǎn)時(shí)間不受回波幅值的影響，從而實(shí)現(xiàn)了方波調(diào)制下的距離測(cè)量。另一方面，方波 調(diào)制的激光器可以達(dá)到很高的頻率和功率，因此在一次測(cè)距過(guò)程中一組半連續(xù)調(diào)制波形可 包含多個(gè)相同的方波信號(hào)，得到多個(gè)翻轉(zhuǎn)時(shí)間，相當(dāng)于在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行了 多次重復(fù)測(cè)量，有效的提高了測(cè)距精度和測(cè)距速度。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括：
[0027] 1、實(shí)現(xiàn)成本低:該方法用電壓比較器和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行電壓域的 采樣以提取距離信息，當(dāng)方波調(diào)制頻率升高時(shí)基本不會(huì)增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，而常用的頻域鑒 相法所需的采樣率與方波調(diào)制頻率成正比。
[0028] 2、測(cè)距速度快：最短測(cè)距間隔取決于方波調(diào)制頻率，可在有限時(shí)間內(nèi)完成對(duì)同一 目標(biāo)的多次重復(fù)測(cè)量以提高測(cè)距精度，或應(yīng)用于掃描型激光雷達(dá)獲取多點(diǎn)距離信息。而傳 統(tǒng)的處理幅值變化誤差的恒比定時(shí)電路為完成衰減、延時(shí)、相加等操作需要大量的模擬電 路，容易受到外部溫度、噪聲的影響，同時(shí)無(wú)法應(yīng)對(duì)MHz級(jí)別的快速測(cè)量。
[0029] 3、無(wú)最大測(cè)程限制：采用飛行時(shí)間的測(cè)距原理，不會(huì)像相位調(diào)制法一樣有最大測(cè) 程限制。
【附圖說(shuō)明】：
[0030] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的有關(guān)本發(fā)明的 附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的 前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0031] 圖1為本發(fā)明基于半連續(xù)方波調(diào)制和飛行時(shí)間測(cè)量的激光測(cè)距原理示意圖。
[0032] 圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)框架示意圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0033] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)地描 述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明 中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0034] 本發(fā)明方法的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)范例如圖1所示，當(dāng)一次測(cè)距開(kāi)始時(shí)，主控模塊向激光發(fā)射 模塊的驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送測(cè)距開(kāi)始信號(hào)，后者發(fā)出一組包含多個(gè)相同方波的調(diào)制信號(hào)調(diào)制連續(xù) 激光器的發(fā)射激光光強(qiáng)，目標(biāo)反射的回波光信號(hào)被激光接收模塊的接收光學(xué)鏡頭接收，并 經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后，再經(jīng)信號(hào)放大器和高通濾波電路完成信號(hào)放大和低頻分 量濾除，保留了方波翻轉(zhuǎn)信號(hào)的回波信號(hào)將輸入到電壓比較器的一端，其另一端由數(shù)字電 位器設(shè)定閾值電壓，電壓比較器對(duì)方波調(diào)制波形中的跳變沿中位點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，得到翻轉(zhuǎn)信 號(hào)，輸入到時(shí)間測(cè)量模塊中測(cè)量翻轉(zhuǎn)信號(hào)的時(shí)刻，后者輸出時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)到主控模塊，并在 其中提取出半連續(xù)調(diào)制方波發(fā)射和接收之間的飛行時(shí)間T，計(jì)算出目標(biāo) 距離，傳遞到顯示或傳輸模塊以供后續(xù)使用。
[0035] 圖2為圖1的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)范例中所標(biāo)注的a-e各信號(hào)的時(shí)序關(guān)系示意圖，反映了基于 半連續(xù)方波調(diào)制和飛行時(shí)間測(cè)量的激光測(cè)距原理，其中：
[0036] a為主控模塊發(fā)出的測(cè)距開(kāi)始信號(hào)；
[0037] b為激光驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生的一組半連續(xù)調(diào)制信號(hào)，包含若干個(gè)周期相等的方波信號(hào)； [0038] c為回波光信號(hào)被激光接收模塊探測(cè)后轉(zhuǎn)變成的電信號(hào)：
[0039] d為經(jīng)過(guò)高通濾波后濾除低頻分量的回波電信號(hào)；
[0040] e為回波電信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓比較器產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)信號(hào)。
[0041] 由于半連續(xù)調(diào)制信號(hào)中包含多個(gè)等間距方波，因此將產(chǎn)生多個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)，測(cè)量開(kāi) 始信號(hào)到每個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)的時(shí)間值，并根據(jù)翻轉(zhuǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)的方波周期數(shù)進(jìn)行校正對(duì)齊第一個(gè) 翻轉(zhuǎn)信號(hào)的發(fā)生時(shí)刻，即第一個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)間值即為實(shí)際測(cè)量值，第二個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)間值 為實(shí)際測(cè)量值減去一個(gè)方波周期，以此類(lèi)推，可得到對(duì)同一目標(biāo)的多次測(cè)量結(jié)果，再取平均 可得到精確的飛行時(shí)間測(cè)量結(jié)果，進(jìn)而換算成距離值。
[0042]對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在 不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論 從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán) 利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有 變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。 [0043]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書(shū)按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包 含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書(shū)的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 將說(shuō)明書(shū)作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員 可以理解的其他實(shí)施方式。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種以半連續(xù)方波調(diào)制和飛行時(shí)間測(cè)量的激光測(cè)距方法，其特征在于包括以下步 驟： 1) 測(cè)距開(kāi)始后，產(chǎn)生一組包含多個(gè)相同方波的半連續(xù)調(diào)制信號(hào)對(duì)發(fā)射激光光強(qiáng)進(jìn)行調(diào) 制； 2) 經(jīng)過(guò)目標(biāo)表面反射的回波光信號(hào)被激光測(cè)距系統(tǒng)部分接收，并被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成 電信號(hào)； 3) 將電信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波后，得到只保留方波調(diào)制信號(hào)頻率分量的信號(hào)，輸入到過(guò)零 比較模塊，得到多個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)； 4) 測(cè)量從測(cè)距開(kāi)始到每個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)間的時(shí)間差，并將每個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)間差減去 其序號(hào)與方波調(diào)制周期的乘積，第一個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)的序號(hào)視為〇,以此類(lèi)推，得到校正后的每 個(gè)時(shí)間差值，其中翻轉(zhuǎn)信號(hào)可采用其上升沿或下降沿； 5) 由校正后的多個(gè)時(shí)間差值取平均后得到半連續(xù)調(diào)制信號(hào)飛行時(shí)間，并按光速換算成 目標(biāo)距離值。2. -種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1中所述的半連續(xù)方波調(diào)制和飛行時(shí)間測(cè)量的激光測(cè)距系統(tǒng)，其 特征在于:包括： 主控模塊，由數(shù)字邏輯器件或微處理器構(gòu)成； 激光發(fā)射模塊，由激光驅(qū)動(dòng)電路、連續(xù)激光器和發(fā)射光學(xué)鏡頭組成； 激光接收模塊，由接收光學(xué)鏡頭、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器和高通濾波電路組成； 電壓比較模塊，由數(shù)字電位器和電壓比較器組成； 時(shí)間測(cè)量模塊，由時(shí)間測(cè)量芯片或數(shù)字邏輯器件中的時(shí)間測(cè)量模塊組成； 數(shù)據(jù)傳輸或顯示模塊，由數(shù)據(jù)傳輸模塊或顯示模塊組成； 當(dāng)一次測(cè)距開(kāi)始時(shí)，主控模塊向激光發(fā)射模塊的驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送測(cè)距開(kāi)始信號(hào)，后者發(fā) 出一組包含多個(gè)相同方波的調(diào)制信號(hào)調(diào)制連續(xù)激光器的發(fā)射激光光強(qiáng)，目標(biāo)反射的回波光 信號(hào)被激光接收模塊的接收光學(xué)鏡頭接收，并經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后，再經(jīng)信號(hào) 放大器和高通濾波電路完成信號(hào)放大和低頻分量濾除，保留了方波翻轉(zhuǎn)信號(hào)的回波信號(hào)將 輸入到電壓比較器的一端，其另一端由數(shù)字電位器設(shè)定閾值電壓，電壓比較器對(duì)方波調(diào)制 波形中的跳變沿中位點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，得到翻轉(zhuǎn)信號(hào)，輸入到時(shí)間測(cè)量模塊中測(cè)量翻轉(zhuǎn)信號(hào)的 時(shí)刻，并將結(jié)果輸出到主控模塊進(jìn)行距離信息提取，以供后續(xù)傳輸或顯示。
【文檔編號(hào)】G01S17/08GK105866783SQ201610236200
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】吳小可, 徐衛(wèi)明, 舒嶸, 肖 琳
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所