CN107957582B - 一种基于恒阈值鉴别法的测距装置及测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于恒阈值时刻鉴别法的测距装置及测距方法，在基于恒阈值鉴别法的脉冲激光测距装置中，利用光学衰减片调节脉冲激光出射强度，并改变障碍物距离，不断记录不同距离不同激光强度下的测量距离和脉宽，再对距离数据和脉宽数据进行初次拟合、二次拟合，得到最终的漂移误差修正之后的测量距离公式，补偿单个阈值引起的时间漂移误差，减小因回波能量变化对基于恒阈值鉴别法的脉冲激光测距精度的影响，且不需要增加电路的复杂度，方法简单。

Description

一种基于恒阈值鉴别法的测距装置及测距方法
技术领域
本发明属于激光测量领域，具体涉及一种基于恒阈值鉴别法的测距装置及测距方法。
背景技术
脉冲式激光测量技术采用激光器作为光源，以激光为载波，根据飞行时间原理，通过检测激光发射脉冲与激光回波之间的时间差来测量距离，具备结构简单，价格低廉，可靠性高，抗干扰性强，不需要合作目标等优点，在民用和军事上得到了广泛的应用。
为了探测激光回波脉冲的到达时刻，一般采用时间鉴别电路，时刻鉴别的目的在于将激光回波的模拟信号转换为一个具有时间信息的数字逻辑信号。当输入信号的幅值低于某一给定阈值，没有输出信号；而超过这一个给定的阈值，就输出一个一定幅值的信号，由此，将模拟信号转换为由高低电平表示的数字信号。实际情形是，激光回波脉冲在传输过程中容易受到空气中的灰尘、烟雾、水汽等物体的衰减和干扰，回波波形会被不同程度的展宽和畸变，经过时刻鉴别电路之后的输出时间上存在差异，造成时间漂移误差。同时回波波形和所探测的目标特性有关，即使是同一目标、同一距离，目标和光路的夹角不同，回波的强度也不相同，导致经过光电转换后的电信号幅度随回波的强度变化而变化，不同幅度经过时刻鉴别电路之后在输出时间上产生差异造成时间漂移误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于恒阈值鉴别法的测距装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于恒阈值时刻鉴别法的测距装置，包括FPGA主控板、TDC测试芯片、激光发射模块、发射光学透镜组、光学衰减片、滤光片、接收光学透镜组、激光接收模块以及CCD摄像头，所述发射光学透镜组、光学衰减片在一水平线上共光轴放置，滤光片、接收光学透镜组在另一水平线上共光轴放置；所述CCD摄像头的镜头对准平面障碍物；
FPGA主控板控制激光发射模块发射出脉冲激光，脉冲激光经发射光学透镜组准直，再由光学衰减片进行衰减后入射到平面障碍物上，脉冲激光经平面障碍物反射后，经过滤光片、接收光学透镜组，由激光接收模块接收、放大、时刻鉴别后得到回波脉冲数字电信号，该回波脉冲数字电信号传递给TDC测试芯片计算起始脉冲控制信号与回波脉冲信号的时间差，FPGA主控板将时间差换算成距离，以及回波脉冲信号的脉宽。
本发明还提供了一种基于恒阈值鉴别法的测距方法，能够减小因回波能量变化对基于恒阈值鉴别法的脉冲激光测距精度的影响，提高测距准确度，具体步骤为：
步骤1、构建测距装置；
步骤2、将光学衰减片调节至初始衰减度，将障碍物移动至距接收光学透镜组及接收光学透镜组所在竖直平面D1米的位置，调节光路，保证激光垂直入射障碍物表面；
步骤3、采集距离数据及脉宽数据，具体步骤为：
记录当前障碍物到测距机的实际距离di，并连续采集距离数据T与脉宽数据W，当数据量达到指定数目N时，停止采集，得到N个距离数据T的均值tij与脉宽数据W的均值wij；
步骤4、调节光学衰减片至下一个衰减度，重复步骤3，直到光学衰减片完成一个衰减周期后回到初始衰减度，完成一组距离均值数据ti和脉宽均值数据wi的记录；
步骤5、移动障碍物至距测距机di+1，其中di+1＝di+D，重复步骤3、步骤4，直至记录M组距离数据ti和脉宽数据wi；
步骤6、设立距离均值数据ti和脉宽均值数据wi的关系模型，将M组距离数据ti和脉宽数据wi代入关系模型进行拟合得到模型系数a,b以及ci的数值；其中，距离均值数据ti和脉宽均值数据wi的关系模型具体为：
Figure BDA0001500451780000021
步骤7、建立实际距离di和步骤六中的系数ci的关系模型，并将ci的数值以及M组实际距离di代入该模型进行拟合得到模型系数k,e的值，关系模型为：
di＝kci+e
步骤8、根据拟合得到的模型系数a,b,k,e得到最终的漂移误差修正之后的测量距离公式。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)通过测距、拟合、再拟合得到漂移误差估计值，再将测量值与漂移误差估计值相减得到修正值，能减小因回波能量变化对基于恒阈值鉴别法的脉冲激光测距精度的影响；
(2)通过对数据处理模型的改进，就能修正漂移误差，不需要增加电路的复杂度，方法简单。
附图说明
图1为本发明基于恒阈值鉴别法的测距方法的流程图。
图2为本发明的基于恒阈值鉴别法的测距装置的示意图。
图3为本发明基于恒阈值鉴别法的测距方法5米处修正前后的效果图。
图4为本发明基于恒阈值鉴别法的测距方法15米处修正前后的效果图。
具体实施方式
结合图2所示，一种基于恒阈值时刻鉴别法的测距装置，包括FPGA主控板2、TDC测试芯片3、激光发射模块4、发射光学透镜组5、光学衰减片6、滤光片7、接收光学透镜组8、激光接收模块9以及CCD摄像头22，所述发射光学透镜组5、光学衰减片6在一水平线上共光轴放置，滤光片7、接收光学透镜组8在另一水平线上共光轴放置；所述CCD摄像头22的镜头对准平面障碍物10；
FPGA主控板2控制激光发射模块4发射出脉冲激光，脉冲激光经发射光学透镜组5准直，再由光学衰减片6进行衰减后入射到平面障碍物10上，脉冲激光经平面障碍物10反射后，经过滤光片7、接收光学透镜组5，由激光接收模块9接收、放大、时刻鉴别后得到回波脉冲数字电信号，该回波脉冲数字电信号传递给TDC测试芯片3计算起始脉冲控制信号与回波脉冲信号的时间差，FPGA主控板2将时间差换算成距离，以及回波脉冲信号的脉宽。
进一步的实施例中，所述激光发射模块4包括电连接的驱动电路与激光二极管20。
进一步的实施例中，所述激光接收模块9包括依次电连接的雪崩二极管、前置放大电路、主放大器以及时刻鉴别电路。
结合图1所示，一种基于恒阈值时刻鉴别法的测距方法，具体步骤为：
步骤1、构建测距装置，，包括FPGA主控板2、TDC测试芯片3、激光发射模块4、发射光学透镜组5、光学衰减片6、滤光片7、接收光学透镜组8、激光接收模块9以及CCD摄像头22，所述发射光学透镜组5、光学衰减片6在一水平线上共光轴放置，滤光片7、接收光学透镜组8在另一水平线上共光轴放置；所述CCD摄像头22的镜头对准平面障碍物10；
FPGA主控板2控制激光发射模块4发射出脉冲激光，脉冲激光经发射光学透镜组5准直，再由光学衰减片6进行衰减后入射到平面障碍物10上，脉冲激光经平面障碍物10反射后，经过滤光片7、接收光学透镜组5，由激光接收模块9接收、放大、时刻鉴别后得到回波脉冲数字电信号，该回波脉冲数字电信号传递给TDC测试芯片3计算起始脉冲控制信号与回波脉冲信号的时间差，FPGA主控板2将时间差换算成距离，以及回波脉冲信号的脉宽。
步骤2、将光学衰减片6调节至初始衰减度，将障碍物移动至距接收光学透镜组5及接收光学透镜组8所在竖直平面D1米的位置，调节光路，保证激光垂直入射障碍物表面；
步骤3、采集距离数据及脉宽数据，具体步骤为：
记录当前障碍物到测距装置的实际距离di，并连续采集距离数据T与脉宽数据W，当数据量达到指定数目N时，停止采集，得到N个距离数据T的均值tij与脉宽数据W的均值wij；
步骤4、调节光学衰减片至下一个衰减度，重复步骤3，直到光学衰减片完成一个衰减周期后回到初始衰减度，完成一组距离均值数据ti和脉宽均值数据wi的记录；
步骤5、移动障碍物至距测距机di+1，其中di+1＝di+D，重复步骤3、步骤4，直至记录M组距离数据ti和脉宽数据wi；
步骤6、设立距离均值数据ti和脉宽均值数据wi的关系模型，将M组距离数据ti和脉宽数据wi代入关系模型进行拟合得到模型系数a,b以及ci的数值；其中，距离均值数据ti和脉宽均值数据wi的关系模型具体为：
Figure BDA0001500451780000051
步骤7、建立实际距离di和步骤六中的系数ci的关系模型，并将ci的数值以及M组实际距离di代入该模型进行拟合得到模型系数k,e的值，关系模型为：
di＝kci+e
步骤8、根据拟合得到的模型系数a,b,k,e得到最终的漂移误差修正之后的测量距离公式：
Figure BDA0001500451780000052
其中，d'表示漂移误差修正之后的测量距离，t是恒阈值鉴别法测得的距离，w是恒阈值鉴别法测得的与t相对应的脉宽。
进一步的实施例中，D1的取值范围为1～5m。
进一步的实施例中，每隔H°为一个衰减度，H的取值范围为2～5。
进一步的实施例中，D的取值范围为1～5米。
本发明基于恒阈值时刻鉴别法的测距方法对距离数据和脉宽数据连续测量N次再取其平均值能有效减少高斯噪声的干扰，提高数据的准确性，提高后续拟合结果更加可靠。
实施例1
结合图2，搭建构建测距装置，障碍物分别位于距测距装置实际距离di＝5米、10米、15米……45米、50米处，在每个实际距离位置，偏振片从0°开始调节，每次调节2°，直到光学衰减片完成一个衰减周期后回到初始衰减度，在每一个衰减度下，连续采集2000次到障碍物的距离和回波的脉宽，并获得这2000个距离数据的均值tij和脉宽数据的均值wij，每个实际距离位置采集一组距离均值数据ti和脉宽均值数据wi，因此总共采集到10组距离均值数据ti和脉宽均值数据wi。
将10组距离数据ti和脉宽数据wi代入如下关系模型
Figure BDA0001500451780000061
进行拟合，得到模型系数a＝-917.1728,b＝3.3983以及ci的数值如表1所示。
表1参数ci的值
i c<sub>i</sub>
1 2.9288
2 7.8238
3 12.7720
4 17.7071
5 22.6539
6 27.5981
7 32.5501
8 37.4850
9 42.3877
10 47.3018
将ci的数值以及10组实际距离di代入如下模型
di＝kci+e
进行拟合，得到模型系数k＝1.013,e＝2.05，即di＝1.013ci+2.05
根据拟合得到的模型系数a,b,k,e得到最终的漂移误差修正之后的测量距离公式：
Figure BDA0001500451780000062
其中，d'表示漂移误差修正之后的测量距离，t是恒阈值鉴别法测得的距离，w是恒阈值鉴别法测得的与t相对应的脉宽。
本发明基于恒阈值时刻鉴别法的测距方法得到的测量距离公式对因回波强度变化而引起的时间漂移误差进行了一定的修正，修正前后的效果图如图3和图4所示。图3是实际距离5米处的修正曲线，图4是实际距离15米处的修正曲线，虚线表示修正前的数据，有很大的波动，实线表示修正后的数据，波动大大减小，修正效果较为理想。
综上所述，本发明通过测量不同距离不同激光强度下的距离和脉宽，再对距离数据和脉宽数据进行初次拟合、二次拟合，最终得到漂移误差修正公式，补偿单个阈值引起的时间漂移误差，减小因回波能量变化对基于恒阈值鉴别法的脉冲激光测距精度的影响，且不需要增加电路的复杂度，方法简单。

Claims (4)

1.一种基于恒阈值时刻鉴别法的测距方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1、构建测距装置；
所述测距装置包括FPGA主控板(2)、TDC测试芯片(3)、激光发射模块(4)、发射光学透镜组(5)、光学衰减片(6)、滤光片(7)、接收光学透镜组(8)、激光接收模块(9)以及CCD摄像头(22)，所述发射光学透镜组(5)、光学衰减片(6)在一水平线上共光轴放置，滤光片(7)、接收光学透镜组(8)在另一水平线上共光轴放置；所述CCD摄像头(22)的镜头对准平面障碍物(10)；
FPGA主控板(2)控制激光发射模块(4)发射出脉冲激光，脉冲激光经发射光学透镜组(5)准直，再由光学衰减片(6)进行衰减后入射到平面障碍物(10)上，脉冲激光经平面障碍物(10)反射后，经过滤光片(7)、接收光学透镜组(5)，由激光接收模块(9)接收、放大、时刻鉴别后得到回波脉冲数字电信号，该回波脉冲数字电信号传递给TDC测试芯片(3)计算起始脉冲控制信号与回波脉冲信号的时间差，FPGA主控板(2)将时间差换算成距离，以及回波脉冲信号的脉宽；
步骤2、将光学衰减片(6)调节至初始衰减度，将障碍物移动至距接收光学透镜组(5)及接收光学透镜组(8)所在竖直平面D1米的位置，调节光路，保证激光垂直入射障碍物表面；
步骤3、采集距离数据及脉宽数据，具体步骤为：
记录当前障碍物到测距机的实际距离di，并连续采集距离数据T与脉宽数据W，当数据量达到指定数目N时，停止采集，得到N个距离数据T的均值tij与脉宽数据W的均值wij；
步骤4、调节光学衰减片至下一个衰减度，重复步骤3，直到光学衰减片完成一个衰减周期后回到初始衰减度，完成一组距离均值数据ti和脉宽均值数据wi的记录；
步骤5、移动障碍物至距测距机di+1，其中di+1＝di+D1，重复步骤3、步骤4，直至记录M组距离数据ti和脉宽数据wi；
步骤6、设立距离均值数据ti和脉宽均值数据wi的关系模型，将M组距离数据ti和脉宽数据wi代入关系模型进行拟合得到模型系数a,b以及ci的数值；其中，距离均值数据ti和脉宽均值数据wi的关系模型具体为：
Figure FDA0003035881170000021
步骤7、建立实际距离di和步骤6中的系数ci的关系模型，并将ci的数值以及M组实际距离di代入该模型进行拟合得到模型系数k，e1的值，关系模型为：
di＝kci+e1
步骤8、根据拟合得到的模型系数a，b，k，e1得到最终的漂移误差修正之后的测量距离模型。
2.根据权利要求1所述的基于恒阈值时刻鉴别法的测距方法，其特征在于，步骤8中根据拟合得到的模型系数a，b，k，e1得到最终的漂移误差修正之后的测量距离模型具体为：
Figure FDA0003035881170000022
其中，d'表示漂移误差修正之后的测量距离，t是恒阈值鉴别法测得的距离，w是恒阈值鉴别法测得的与t相对应的脉宽。
3.根据权利要求1所述的基于恒阈值时刻鉴别法的测距方法，其特征在于，D1的取值范围为1～5m。
4.根据权利要求1所述的基于恒阈值时刻鉴别法的测距方法，其特征在于，每隔H°为一个衰减度，H的取值范围为2～5。
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