CN107817497A - 三维激光的测距装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维激光的测距装置及方法，所述装置包括激光发射阵列单元，用于向待测物发射多个不同角度的激光起始信号；光电转换阵列单元，用于分别接收多个不同角度的激光起始信号的回波能量，并将多个回波能量转换为对应的回波脉冲信号；多通道放大单元，用于分别对多个回波脉冲信号进行多级放大；时刻鉴别单元，用于分别对多个多级放大信号进行时刻鉴别处理；计时单元，用于对多个多级放大信号进行选择，并采集每个角度的激光起始信号发射的起始时间信息及多级放大的计时信息；主控单元，用于根据所述计时信息确定所述待测物的距离。本发明可实现精准测距，保证远、近距离的测距精度一致，提高***的测距能力。
Description
技术领域
本发明涉及激光检测领域，特别涉及一种三维激光的测距装置及方法。
背景技术
随着激光检测技术的不断发展，三维激光雷达技术也得到了飞速的发展。激光雷达技术正逐渐的从军事领域向民用领域转化，在机载、无人驾驶、车辆检测、港口防撞、隧道检测、生产制造等行业得到了广泛的应用。激光雷达技术以脉冲式和相位式测量方式为主，而脉冲式测量方式具有测量距离远、抗干扰性强、不需要合作目标等优势，在厘米级精度要求的检测领域得到了广泛的应用。激光雷达技术正逐渐的从军事领域向民用领域转化，在机载、无人驾驶、车辆检测、港口防撞、隧道检测、生产制造等行业得到了广泛的应用。
脉冲式激光雷达的测距能力取决于发射端的激光功率、接收端放大电路的放大倍数以及时刻鉴别电路的阈值电压等因素。当放大电路的信号幅值能够触发时刻鉴别电路的阈值时，则能够获取当前距离；反之则不能获取当前距离。因此为了满足远距离测距，放大电路的放大倍数一般较大。但由于近距离时接收到的光能量强，放大信号饱和；远距离时光能量弱，放大信号不饱和，因此同一阈值下触发的脉冲时间差别较大，不能进行精准测距。
发明内容
针对现有激光测距***测距精度低的缺陷，本发明一方面提出了一种三维激光的测距装置，包括：
激光发射阵列单元，用于向待测物发射多个不同角度的激光起始信号；
光电转换阵列单元，用于分别接收所述多个不同角度的激光起始信号的回波能量，并将多个所述回波能量转换为对应的回波脉冲信号；
多通道放大单元，用于分别对多个所述回波脉冲信号进行多级放大，以获取多个多级放大信号；
时刻鉴别单元，用于分别对所述多个多级放大信号进行时刻鉴别处理，以获取多个时间信息相对不变的脉冲信号；
计时单元，用于对所述多个多级放大信号进行选择，并采集每个角度的激光起始信号发射的起始时间信息及多级放大的计时信息；
主控单元，用于根据所述计时信息确定所述待测物的距离。
可选地，所述激光发射阵列单元包括N个激光发射单元，用于分别发射所述不同角度的激光起始信号；
相应地，所述光电转换阵列单元包括N个光电转换单元，用于分别接收所述不同角度的激光起始信号的回波能量，并将所述回波能量转换为对应的回波脉冲信号；
所述多通道放大单元包括N个通道的，用于分别对所述不同角度的激光起始信号对应的回波脉冲信号进行M级放大，以获取N个通道的M级放大信号。
可选地，所述时刻鉴别单元包括N*M个时刻鉴别模块，用于分别对各级所述放大信号进行时刻鉴别处理，以得到时间信息相对不变的脉冲信号；
所述计时单元包括M个通道选择模块以及M个分时复用的计时信息采集模块，所述M个通道选择模块用于选择每个所述通道的M级放大信号；所述M个分时复用的计时信息采集模块用于采集每个所述通道的激光起始信号发射的起始时间信息及M级放大的计时信息。
可选地，所述每个放大单元中至少有一级的放大输出信号不饱和。
可选地，所述时刻鉴别模块采用高通阻容方式或恒比定时方式。
可选地，所述装置还包括:
电机单元，在垂直于激光信号发射的方向以恒定的转速进行旋转，用于实现扫描测距。
另一方面，本发明还提供了一种三维激光的测距方法，包括：
向待测物发射N个不同角度的激光起始信号；
分别接收所述N个不同角度的激光起始信号的回波能量，并将N个所述回波能量转换为对应的回波脉冲信号；
分别对N个所述回波脉冲信号进行M级放大，以获取N个M级放大信号；
分别对所述N个M级放大信号进行时刻鉴别处理，以获取N*M个时间信息相对不变的脉冲信号；
其中，所述放大信号中至少有一级信号幅度不饱和；
对所述N*M个放大信号进行选择，并采集每个角度的激光起始信号发射的起始时间信息及M级放大的计时信息；
根据所述计时信息确定所述待测物的距离。
可选地，所述向待测物发射多个不同角度的激光起始信号，包括：
向所述待测物依次交替发射所述不同角度的激光起始信号。
可选地，所述激光起始信号为等间隔的重频脉冲。
可选地，所述间隔大于M级放大信号的后沿时间。
本发明的三维激光的测距装置及方法，通过向待测物发射多个不同角度的激光起始信号，并分别接收所述多个不同角度的激光起始信号的回波能量，并将多个所述回波能量转换为对应的回波脉冲信号，然后分别对多个所述回波脉冲信号进行多级放大，以获取多个多级放大信号，再分别对所述多个多级放大信号进行时刻鉴别处理，以获取多个时间信息相对不变的脉冲信号，进而对所述多个多级放大信号进行选择，并采集每个角度的激光起始信号发射的起始时间信息及多级放大的计时信息，以根据所述计时信息确定所述待测物的距离，能够实现精准测距，保证远、近距离的测距精度一致，可以提高***的测距能力。
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，下面描述中的附图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为本发明一个实施例的三维激光的测距装置的结构示意图；
图2为本发明一个实施例的三维激光的测距方法的流程示意图；
图3为本发明一个实施例的时刻鉴别原理的示意图；
图4为本发明另一个实施例的三维激光的测距方法的流程示意图；
图5为本发明一个实施例的信号波形采样结果示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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清楚地描述，显然，所描述的实施例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。
图1为本发明一个实施例的三维激光的测距装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括：
激光发射阵列单元101，用于向待测物发射多个不同角度的激光起始信号；
光电转换阵列单元102，用于分别接收所述多个不同角度的激光起始信号的回波能量，并将多个所述回波能量转换为对应的回波脉冲信号；
多通道放大单元103，用于分别对多个所述回波脉冲信号进行多级放大，以获取多个多级放大信号；
时刻鉴别单元104，用于分别对所述多个多级放大信号进行时刻鉴别处理，以获取多个时间信息相对不变的脉冲信号；
计时单元105，用于对所述多个多级放大信号进行选择，并采集每个角度的激光起始信号发射的起始时间信息及多级放大的计时信息；
主控单元106，用于根据所述计时信息确定所述待测物的距离。
具体来说，激光发射阵列单元101包括N个激光发射单元，用于向被测物发射不同垂直角度的激光信号；光电转换阵列单元102包括N个光电转换单元，用于接收不同角度激光的回波能量，并将光能量转换为电信号；多通道放大单元103包括N个通道的放大单元，用于将接收到的N路电信号进行放大，且每个通道均由M级的放大模块构成；时刻鉴别单元104包括N*M个时刻鉴别模块，分别对N个通道的M级放大信号进行时刻鉴别处理，得到时间信息相对不变的脉冲信号，并将处理后的脉冲信号发送至计时单元；计时单元105包括M个通道选择模块，用于选通每个通道的M级放大信号，还包括M个分时复用的计时信息采集模块，用于采集每个通道的激光发射的起始时间信息及M级放大的计时信息，并将计时信息发送至主控单元；主控单元106根据接收到的计时信息计算被测物的距离。
其中，多通道放大单元103的每个通道的M级放大电路中至少有一级放大输出信号不饱和；
进一步地，作为本实施例的优选，时刻鉴别单元104中的时刻鉴别模块可采用高通阻容的方式或恒比定时的方式。
进一步地，作为上述实施例的优选，该装置还可以包括电机单元107，该电机单元在垂直于激光信号发射的方向以恒定的转速进行旋转，用于实现扫描测距。。
本实施例的三维激光的测距装置，通过向待测物发射多个不同角度的激光起始信号，并分别接收所述多个不同角度的激光起始信号的回波能量，并将多个所述回波能量转换为对应的回波脉冲信号，然后分别对多个所述回波脉冲信号进行多级放大，以获取多个多级放大信号，再分别对所述多个多级放大信号进行时刻鉴别处理，以获取多个时间信息相对不变的脉冲信号，进而对所述多个多级放大信号进行选择，并采集每个角度的激光起始信号发射的起始时间信息及多级放大的计时信息，以根据所述计时信息确定所述待测物的距离，能够实现精准测距，保证远、近距离的测距精度一致，可以提高***的测距能力。
图2为本发明一个实施例的三维激光的测距方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括：
A1：向待测物发射N个不同角度的激光起始信号；
A2：分别接收所述N个不同角度的激光起始信号的回波能量，并将N个所述回波能量转换为对应的回波脉冲信号；
A3：分别对N个所述回波脉冲信号进行M级放大，以获取N个M级放大信号；
其中，所述放大信号中至少有一级信号幅度不饱和；
A4：分别对所述N个M级放大信号进行时刻鉴别处理，以获取N*M个时间信息相对不变的脉冲信号；
A5：对所述N*M个放大信号进行选择，并采集每个角度的激光起始信号发射的起始时间信息及M级放大的计时信息；
A6：根据所述计时信息确定所述待测物的距离。
具体来说，所述向待测物发射多个不同角度的激光起始信号，包括向所述待测物依次交替发射所述不同角度的激光起始信号；
进一步地，作为本实施例的优选，所述激光起始信号可为等间隔的重频脉冲，且所述间隔远大于M级放大信号的后沿时间，例如所述间隔为M级放大信号的后沿时间的5倍。
本实施例为对应于上述三维激光的测距装置的方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。
需要说明的是，对于方法实施例而言，由于其与装置实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。
下面以一具体的实施例来说明本发明，但不限定本发明的保护范围。
图3为本发明一个实施例的时刻鉴别原理的示意图，如图3所示，放大信号一201、放大信号二202、放大信号三203为同一距离下不同强度光能量返回的放大信号，其中放大信号一201及放大信号二202不饱和，两个信号的峰值点对应的时间值不变，放大信号三203饱和，峰值点对应的时间轴为一段时间区域；图4所示为三类放大信号201、202及203经过时刻鉴别电路后形成的时刻鉴别信号204、205及206，所采用的时刻鉴别方式为高通阻容，将单极性信号201、202及203转换为双极性信号204、205、206，由于放大信号一201及放大信号S202峰值点对应的时间重合，因此经过时刻鉴别电路后，204及205信号的零点时间重合，而饱和信号203信号饱和，峰值点后移，经过时刻鉴别电路后，206的信号零点靠后。图2.3所示为时刻鉴别信号204、205、206经过比较器后的信号207、208及209，其中207与208的后延基本重合，时间对应204及205的峰值零点时刻，209的后沿滞后。
可以理解的是，本实施例的时刻鉴别单元采用的时刻鉴别方式为高通阻容，本领域的技术人员很容易想到，采用其他的时刻鉴别方式，如恒比定时等，这两种技术均属于公知技术，本申请对此不进行限定。
本实施例的三维激光测距装置通过利用不饱和放大信号峰值点不偏移的特性，采用该时刻鉴别单元，可以实现不饱和信号的精准测距。
图4示出了本发明另一个实施例的三维激光的测距方法的流程示意图；图5示出了本发明一个实施例的信号波形采样结果示意图。
下面结合图4、图5进一步阐述本实施例的三维测距方法的具体步骤，但不用于限定本发明。
假设该三维激光发射阵列单元包括2路激光发射模块，则对应2路光电转换阵列模块、2路放大模块；
其中，放大模块可以具体由4级放大组成，则时刻鉴别单元由2*4＝8个时刻鉴别模块组成，计时单元有2个通道选择单元以及4个计时模块。
在此基础上，本实施例的三维测距方法的步骤如图3所示：
S1：激光发射阵列单元101的发射模块1发射激光起始信号300，4个计时信息采集模块同时获取激光脉冲的时间信息t10；
S2：光电转换阵列单元102的光电转换模块1接收到被测物反射的激光回波能量，并将所述回波能量转换为电脉冲信号；
S3：多通道放大单元103的放大模块1将电脉冲信号进行4级放大，并将4级放大的信号301、302、303、304分别发送至时刻鉴别单元的4个时刻鉴别模块；
S4：时刻鉴别单元的4个时刻鉴别模块对4级放大信号进行处理，得到时间信息相对不变的脉冲信号501、502、503、504，并将处理后的脉冲信号发送至计时单元；
S5：计时单元的4个通道选择模块选择通道1的4级信号；
S6：4个计时模块分别获取4级脉冲信号的前沿时间信息t1a，t2a，t3a，t4a，后沿时间信息t1b，t2b，t3b，t4b；并将以上信息发送至主控单元；
S7：主控单元判断计时模块1，2，3，4是否有输出；
S8：假如计时模块1，2，3，4均有输出，则计算计时模块1及计时模块2的脉宽时间信息，fW1＝t1b-t1a，fW2＝t2b-t2a；
假如计时模块2，3，4有输出，则计算计时模块2及计时模块3的脉宽时间信息，fW2＝t2b–t2a，fW3＝t3b-t3a；
假如计时模块3，4有输出，则计算计时模块3及计时模块4的脉宽时间信息，fW3＝t3b–t3a，fW4＝t4b-t4a；
假如计时模块4有输出，则计算计时模块4的脉宽时间信息，fW4＝t4b-t4a；
S9：对获得的计时模块的脉宽时间信息进行选取，此时若计时模块1、2、3、4均有输出，则判断计时模块1及计时模块2的脉宽时间信息；假如计时模块1的脉宽时间信息在给定脉宽范围内，则得出激光飞行到目标物的时间t＝1/2(t1b-t10-t1)；若计时模块1的脉宽时间信息不在给定脉宽范围内，计时模块2的脉宽时间信息在给定脉宽范围内，则得出激光飞行到目标物时间t＝1/2(t2b-t20-t2)，并根据得出的激光飞行时间计算出当前测距值s＝c*t；若两者的脉宽时间信息均不在给定脉宽范围内，则输出错误代码。
其中，t1及t2为第1级与第2级放大信号的固定延时。
间隔几微秒后，激光发射阵列单元的发射模块2发射激光起始信号，4个计时信息采集模块同时获取激光脉冲的时间信息t20，并重复步骤S2—S9；
其中激光模块发射的起始信号为等间隔的重频脉冲，间隔时间远大于4级回波脉冲的后沿时间。因此发射模块1及发射模块2交替发光测距。
需要补充说明的是，零点比较器受干扰能力差，因此时刻鉴别单元输出的双极性信号401、402、403、404经过零点比较器后并不能直接得到脉冲信号501、502、503、504，需要添加阈值比较器，并将阈值比较器输出的信号与零点比较器输出的信号进行“与”或者其他类似的处理方式；由于不同信号幅度经过同样阈值后得到的脉冲前、后沿时间的时间并不相同，因此脉冲信号501、502、503、504的前沿时间并不一致，进而得到的四路脉冲信号的脉宽时间信息也不一致。
如图5所示，4级放大信号中至少有一级信号幅度不饱和，当前一级信号信号幅度不饱和时，后一级信号幅度可能饱和，也可能处于刚不饱和的状态，因此判断脉宽时需要对两级的脉宽信息进行判断，并选取处于脉宽范围内的脉宽时间信息，并进行精准测距。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种三维激光的测距装置，其特征在于，包括：
激光发射阵列单元，用于向待测物发射多个不同角度的激光起始信号；
光电转换阵列单元，用于分别接收所述多个不同角度的激光起始信号的回波能量，并将多个所述回波能量转换为对应的回波脉冲信号；
多通道放大单元，用于分别对多个所述回波脉冲信号进行多级放大，以获取多个多级放大信号；
时刻鉴别单元，用于分别对所述多个多级放大信号进行时刻鉴别处理，以获取多个时间信息相对不变的脉冲信号；
计时单元，用于对所述多个多级放大信号进行选择，并采集每个角度的激光起始信号发射的起始时间信息及多级放大的计时信息；
主控单元，用于根据所述计时信息确定所述待测物的距离。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光发射阵列单元包括N个激光发射单元，用于分别发射所述不同角度的激光起始信号；
相应地，所述光电转换阵列单元包括N个光电转换单元，用于分别接收所述不同角度的激光起始信号的回波能量，并将所述回波能量转换为对应的回波脉冲信号；
所述多通道放大单元包括N个通道的，用于分别对所述不同角度的激光起始信号对应的回波脉冲信号进行M级放大，以获取N个通道的M级放大信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述时刻鉴别单元包括N*M个时刻鉴别模块，用于分别对各级所述放大信号进行时刻鉴别处理，以得到时间信息相对不变的脉冲信号；
所述计时单元包括M个通道选择模块以及M个分时复用的计时信息采集模块，所述M个通道选择模块用于选择每个所述通道的M级放大信号；所述M个分时复用的计时信息采集模块用于采集每个所述通道的激光起始信号发射的起始时间信息及M级放大的计时信息。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述每个放大单元中至少有一级的放大输出信号不饱和。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述时刻鉴别模块采用高通阻容方式或恒比定时方式。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括:
电机单元，在垂直于激光信号发射的方向以恒定的转速进行旋转，用于实现扫描测距。
7.一种三维激光的测距方法，其特征在于，包括：
向待测物发射N个不同角度的激光起始信号；
分别接收所述N个不同角度的激光起始信号的回波能量，并将N个所述回波能量转换为对应的回波脉冲信号；
分别对N个所述回波脉冲信号进行M级放大，以获取N个M级放大信号；
其中，所述放大信号中至少有一级信号幅度不饱和；
分别对所述N个M级放大信号进行时刻鉴别处理，以获取N*M个时间信息相对不变的脉冲信号；
对所述N*M个脉冲信号进行选择，并采集每个角度的激光起始信号发射的起始时间信息及M级放大的计时信息；
根据所述计时信息确定所述待测物的距离。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述向待测物发射多个不同角度的激光起始信号，包括：
向所述待测物依次交替发射所述不同角度的激光起始信号。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激光起始信号为等间隔的重频脉冲。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述间隔大于M级放大信号的后沿时间。
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