一种激光测距方法及装置与流程

本发明涉及激光测距信号处理领域，尤其涉及一种基于光强半连续方波调制下多次飞行时间测量的激光测距方法与系统。

背景技术：
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激光测距是激光技术应用的一个主要方面，由于激光具有的高相干性、方向性、单色性等优点，激光测距系统能够实现远距离、高精度的测距功能。激光测距系统主要分为脉冲光测距和连续光测距两类，其中后者多通过对连续发射的光信号进行调制，并从采集的回波信号中提取出距离信息。在连续光调制激光测距系统中，更高的调制频率和激光功率能有效提升测距精度和测距速度，但受限于现有激光器技术，正弦调制的连续激光器在频率和功率上不能同时达到很高的量级，制约了测距性能的提升。相比正弦调制，方波调制的连续激光器只需要对激光器进行快速的开关操作，在调制频率、功率和调制深度上都能达到更高的性能指标，在方波调制体系下获取距离信息将是提高激光测距系统性能的有效手段。

现有的方法之一为文献[1]所述的利用远高于方波调制频率的采样频率对回波信号进行采样和傅里叶变换获取其多个高次谐波，计算出基波和谐波各自的相位信息后再拼接成最终的距离测量结果，然而该方法需要几十倍于方波调制频率的采样率以获取高次谐波分量，难以应用在方波基频本身较高的场合。

另一种方法为文献[2]提出的采用同一方波信号同时作为激光输出调制信号和积分型回波探测器的门控使能信号，得到随目标距离变化的积分值输出，并采用多次移相测量解决距离不确定性问题，但该方法原理上要求回波信号和门控信号接近理想方波才能达到较高的测距精度，在调制频率较高时对回波信号上升时间要求苛刻。

因此，针对上述需求和现有技术问题，本发明提供了一种高测量速度、可实现的方波调制激光测距方法，以充分利用连续方波调制激光器的优良性能。

[1]刘国光.基于方波的相位式激光测距系统的研究[D].浙江大学,2004.

[2]Muguira M R,Sackos J T,Bradley B D.Scannerless range imaging with a square wave[C].SPIE's 1995 Symposium on OE/Aerospace Sensing and Dual Use Photonics.International Society for Optics and Photonics,1995:106-113.

技术实现要素：
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本文介绍了一种新型激光测距方法，该方法基于光强半连续方波调制下多次飞行时间测量，实现了连续光方波调制下的距离信息提取，能充分发挥方波调制激光器的优良性能，实现高测距速度和高测距精度的测距系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光测距方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

1)测距开始后，产生一组包含多个相同方波的半连续调制信号对发射激光光强进行调制；

2)经过目标表面反射的回波光信号被激光测距系统部分接收，并被光电探测器转换成电信号；

3)将电信号经过高通滤波后，得到只保留方波调制信号频率分量的信号，输入到过零比较模块，得到多个翻转信号；

4)测量从测距开始到每个翻转信号间的时间差，并将每个翻转信号对应的时间差减去其序号与方波调制周期的乘积，第一个翻转信号的序号视为0，以此类推，得到校正后的每个时间差值，其中翻转信号可采用其上升沿或下降沿；

5)由校正后的多个时间差值取平均后得到半连续调制信号飞行时间，并按光速换算成目标距离值。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种实现上述方法中所述的基于光强半连续方波调制下多次飞行时间测量的激光测距系统，其包括：

主控模块，由数字逻辑器件或微处理器构成；

激光发射模块，由激光驱动电路、连续激光器和发射光学镜头组成；

激光接收模块，由接收光学镜头、光电探测器、信号放大器和高通滤波电路组成；

电压比较模块，由数字电位器和电压比较器组成；

时间测量模块，由时间测量芯片或数字逻辑器件中的时间测量模块组成；

数据传输或显示模块，由数据传输模块或显示模块组成。

上述系统的工作流程为：当一次测距开始时，主控模块向激光发射模块的驱动电路发送测距开始信号，后者发出一组包含多个相同方波的调制信号调制连续激光器的发射激光光强，目标反射的回波光信号被激光接收模块的接收光学镜头接收，并经过光电探测器转变为电信号后，再经信号放大器和高通滤波电路完成信号放大和低频分量滤除，保留了方波翻转信号的回波信号将输入到电压比较器的一端，其另一端由数字电位器设定阈值电压，电压比较器对方波调制波形中的跳变沿中位点进行识别，得到翻转信号，输入到时间测量模块中测量翻转信号的时刻，并将结果输出到主控模块进行距离信息提取，以供后续传输或显示。

上述方案利用高通滤波去除回波信号中的低频分量后再经过电压过零比较器，所测得的翻转时间不受回波幅值的影响，从而实现了方波调制下的距离测量。另一方面，方波调制的激光器可以达到很高的频率和功率，因此在一次测距过程中一组半连续调制波形可包含多个相同的方波信号，得到多个翻转时间，相当于在很短的时间内对同一目标进行了多次重复测量，有效的提高了测距精度和测距速度。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1、实现成本低：该方法用电压比较器和时间数字转换器对回波信号进行电压域的采样以提取距离信息，当方波调制频率升高时基本不会增加系统的负担，而常用的频域鉴相法所需的采样率与方波调制频率成正比。

2、测距速度快：最短测距间隔取决于方波调制频率，可在有限时间内完成对同一目标的多次重复测量以提高测距精度，或应用于扫描型激光雷达获取多点距离信息。而传统的处理幅值变化误差的恒比定时电路为完成衰减、延时、相加等操作需要大量的模拟电路，容易受到外部温度、噪声的影响，同时无法应对MHz级别的快速测量。

3、无最大测程限制：采用飞行时间的测距原理，不会像相位调制法一样有最大测程限制。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于光强半连续方波调制下多次飞行时间测量的激光测距原理示意图。

图2为本发明的系统框架示意图。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明方法的系统实现范例如图1所示，当一次测距开始时，主控模块向激光发射模块的驱动电路发送测距开始信号，后者发出一组包含多个相同方波的调制信号调制连续激光器的发射激光光强，目标反射的回波光信号被激光接收模块的接收光学镜头接收，并经过光电探测器转变为电信号后，再经信号放大器和高通滤波电路完成信号放大和低频分量滤除，保留了方波翻转信号的回波信号将输入到电压比较器的一端，其另一端由数字电位器设定阈值电压，电压比较器对方波调制波形中的跳变沿中位点进行识别，得到翻转信号，输入到时间测量模块中测量翻转信号的时刻，后者输出时间测量数据到主控模块，并在其中提取出半连续调制方波发射和接收之间的飞行时间T,由光速c和计算出目标距离，传递到显示或传输模块以供后续使用。

图2为图1的系统实现范例中所标注的a-e各信号的时序关系示意图，反映了基于光强半连续方波调制下多次飞行时间测量的激光测距原理，其中：

a为主控模块发出的测距开始信号；

b为激光驱动模块产生的一组半连续调制信号，包含若干个周期相等的方波信号；

c为回波光信号被激光接收模块探测后转变成的电信号：

d为经过高通滤波后滤除低频分量的回波电信号；

e为回波电信号经过电压比较器产生的翻转信号。

由于半连续调制信号中包含多个等间距方波，因此将产生多个翻转信号，测量开始信号到每个翻转信号的时间值，并根据翻转信号对应的方波周期数进行校正对齐第一个翻转信号的发生时刻，即第一个翻转信号时间值即为实际测量值，第二个翻转信号时间值为实际测量值减去一个方波周期，以此类推，可得到对同一目标的多次测量结果，再取平均可得到精确的飞行时间测量结果，进而换算成距离值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。