CN108594254B - 一种提高tof激光成像雷达测距精度的方法 - Google Patents

一种提高tof激光成像雷达测距精度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高TOF激光成像雷达测距精度的方法。使用本发明能够实现快速高精度大范围的激光测距。本发明分别采用低频、中频和高频的正弦或伪随机码调制光对同一个目标进行TOF测量，得到各频率调制光对应的测量距离，利用调制光的测量量程以及三个测量距离之间的比例关系，对三个测量距离进行融合，得到中远距离范围内高精度的测距结果。本发明方法简单、计算速度快、精度高，可实现快速高精度大范围的激光测距，应用范围广。

Description

一种提高TOF激光成像雷达测距精度的方法
技术领域
本发明涉及激光雷达测距技术领域，具体涉及一种提高TOF激光成像雷达测距精度的方法。
背景技术
TOF激光成像雷达是指通过飞行时间法(Time of flight，TOF)进行非接触式测距的设备。TOF激光成像雷达测距原理为，激光发射器发出一束调制激光信号，该调制光经被测物体/障碍物反射后由激光接收器接收，通过测量发射激光和接收激光的相位差即可解算出目标的距离。
然而，由于不能确定电荷累积得到的相位差是否在一个频率周期内，因此，一般采用单一调制频率进行测距，从而保证电荷累积得到的相位差位于同一个频率周期内，以便进行距离解算，但是，采用单一调制频率只能测到一个频率周期内的距离，并且，调制频率越高，测距量程越小，而距离分辨力会越高；调制频率越低，测距量程越大，而距离分辨力会越低。
目前，TOF激光成像雷达通过发射不同频率的调制光来完成不同距离的测量，高频率激光(10～30MHz)适合近距离(0～15m)测量，中频率激光(2.5～10MHz)适合中距离(15～60m)测量，低频率激光(0.5～2.5MHz)适合远距离(60～240m)测量。
一般来说，现有的多数TOF激光成像雷达在中远距离均不能实现高精度测距，特别是远距离，主要原因是若采用同一种调制频率，测距精度和测距量程不能兼顾；若采用高频和低频共同调制，容易因为频差过大而导致测距不准确。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种提高TOF激光成像雷达测距精度的方法，能够实现快速高精度大范围的激光测距。
本发明的提高TOF激光成像雷达测距精度的方法，包括如下步骤：
步骤1，分别采用高、中、低三个频段的调制激光对同一个目标进行激光测距，得到各调制激光对应的测量距离；
步骤2，根据各调制激光的测距量程以及三个测量距离之间的比例关系，对三个测量距离进行融合，融合后的距离即为最终距离。
进一步的，高频、中频和低频调制激光的测量距离分别为d3、d2和d1，高频、中频和低频调制激光的测距量程分别为D3、D2和D1；
首先判断d1和D3的大小，如果d1≤D3，则实际距离d＝d3；如果d1>D3，则判断d1和D2的大小，如果d1≤D2，则最终距离d＝m·D3+d3，其中，m＝[d2/D3]，“[]”表示取整；如果d1>D2，则判断d1和D1的大小，如果d1≤D1，则实际距离d＝n·D2+m·D3+d3，其中，n＝[d1/D2]。
进一步的，调制激光为正弦调制光或伪随机码调制光。
进一步的，所述步骤1中，所述步骤1中，激光成像雷达采用多相位窗电荷累积的方式对回波信号进行电荷累积，得到不同相位的电荷累积，从而得到回波信号与发射调制激光信号之间的相位差，进而根据相位差计算出雷达与目标之间的距离。
进一步的，采用4相位窗或8相位窗进行电荷累积。
进一步的，采用相位窗1～4或相位窗1～8依次接收回波信号，得到各相位的积分电荷；其中，相位窗1的相位移动为0度；相位窗2的相位移动为180度；相位窗3的相位移动为90度；相位窗4的相位移动为270度；相位窗5的相位移动为180度；相位窗6的相位移动为0度；相位窗7的相位移动为270度；相位窗8的相位移动为90度。
有益效果：
本发明分别采用低频、中频和高频调制光对同一个目标进行TOF测量，得到各频率调制光对应的测量距离，利用调制光的测量量程以及三个测量距离之间的比例关系，对三个测量距离进行融合，得到中远距离范围内高精度的测距结果，本发明方法简单、计算速度快、精度高，可实现快速高精度大范围的激光测距，应用范围广，包括但不限于TOF激光成像雷达。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明4个不同相位窗电荷累积示意图。
图3为本发明8个不同相位窗电荷累积示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种提高TOF激光成像雷达测距精度的方法，通过低频、中频和高频激光信号对同一个目标进行测量，得到不同精度的距离测量量，然后利用三组测量距离之间的比例关系，对三组测量距离进行融合，从而实现中远距离范围内的高精度测距，具体包括如下步骤：
步骤1，激光成像雷达分别采用高、中、低三个频段的激光对同一个目标进行测距，得到3个测量距离d1、d2和d3；其中，d1为采用低频f1测量得到的距离，d2为采用中频f2测量得到的距离，d3为采用高频f3测量得到的距离。
具体的，
S101，激光成像雷达的光源驱动器驱动激光器发出调制频率为f1(低频)的调制光；激光成像雷达的集成CMOS光电处理器对回波信号进行解调和多相位窗电荷累积并计算相位差
Figure BDA0001591348020000041
同时转换成目标与雷达之间的距离d1；
S102，光源驱动器驱动激光器发出调制频率为f2(中频)的调制光；集成CMOS光电处理器对回波信号进行解调和多相位窗电荷累积并计算相位差
Figure BDA0001591348020000042
同时转换成距离d2；
S103，光源驱动器驱动激光器发出调制频率为f3(高频)的调制光；集成CMOS光电处理器对回波信号进行解调和多相位窗电荷累积并计算相位差
Figure BDA0001591348020000043
同时转换成距离d3；
其中，S101、S102和S103可以互换顺序，只需满足分别利用低、中、高频段的调制光进行TOF测距，得到各自对应的测量结果即可。
激光器发出的调制光(f1、f2、f3)可以为正弦调制光或伪随机码调制光；f1、f2、f3可以采用同样的调制方式，也可以采用不同的调制方式。f3>f2>f1，取值范围介于0.5-30MHz。
在对回波信号进行多相位窗电荷累积时，集成CMOS光电处理器对同一调制频率下的回波信号进行电荷累积可设置为四次积分或八次积分。图2和图3为本发明4个和8个不同相位窗电荷累积示意图，集成CMOS光电处理器按照相位窗1-4或相位窗1-8依次接收经目标返回的回波信号，得到4组或8组不同相位的积分电荷；其中，相位窗1的相位移动为0度；相位窗2的相位移动为180度；相位窗3的相位移动为90度；相位窗4的相位移动为270度；相位窗5的相位移动为180度；相位窗6的相位移动为0度；相位窗7的相位移动为270度；相位窗8的相位移动为90度。
然后可根据4组或8组积分电荷计算光信号在激光成像雷达与目标之间往返的相位差
Figure BDA0001591348020000044
以正弦调制光为例，f1(或f2或f3)调制光所对应的回波信号与发射信号之间的相位差
Figure BDA0001591348020000054
为：
Figure BDA0001591348020000051
或
Figure BDA0001591348020000052
其中，Q1～Q8分别为相位窗1～相位窗8的积分电荷。
根据相位差
Figure BDA0001591348020000055
可以计算出该调制光的往返时间t，然后根据光速c即可计算得到由该调制光测量得到的激光成像雷达与目标之间的距离d。
步骤2，激光成像雷达的嵌入式信号处理模块根据f1、f2、f3频率激光所对应的测距量程D1、D2、D3，以及d1、d2和d3之间的比例关系，对d1、d2和d3进行融合，得到融合后的满足精度要求的距离值d，实现不同测距范围内高精度的距离计算。
具体的，
原则上，在对同一个目标进行测距时，分别利用频率为f1、f2、f3调制光进行测量时得到的对应的测量距离d1、d2、d3满足如下关系：
Figure BDA0001591348020000053
d1≈n·D2+d2，d2≈m·D3+d3
其中，c为光速；n为在全程往返距离(雷达与目标之间的距离的2倍)内，中频f2的重复周期次数；m为在中频f2的最大测量距离内，高频f3的重复周期次数；D2和D3分别为调制频率f2和f3所对应的最大测距量程。
依据上述关系，可利用高、中、低频的最大测距量程以及d1、d2、d3之间的比例关系，逐步提高中远距离的测距精度。
具体的，首先判断d1和D3的大小，如果d1≤D3，则实际距离d＝d3；如果d1>D3，则判断d1和D2的大小，如果d1≤D2，则实际距离d＝m·D3+d3，m＝[d2/D3]，“[]”表示取整；如果d1>D2，则判断d1和D1(D1为调制频率f1对应的最大测距量程)的大小，如果d1≤D1，则实际距离d＝n·D2+m·D3+d3，m＝[d2/D3]，n＝[d1/D2]。
由此，近、中、远距离的测距精度均可以达到高频测距的测量精度。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种提高TOF激光成像雷达测距精度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，分别采用高、中、低三个频段的调制激光对同一个目标进行激光测距，得到各调制激光对应的测量距离；
所述得到各调制激光对应的测量距离，具体为：
激光成像雷达采用8相位窗电荷累积的方式对回波信号进行电荷累积，得到不同相位的电荷累积，从而得到回波信号与发射调制激光信号之间的相位差，进而根据相位差计算出雷达与目标之间的距离；
其中，相位窗1的相位移动为0度；相位窗2的相位移动为180度；相位窗3的相位移动为90度；相位窗4的相位移动为270度；相位窗5的相位移动为180度；相位窗6的相位移动为0度；相位窗7的相位移动为270度；相位窗8的相位移动为90度；
所述相位差表示为：
Figure FDA0003026342890000011
其中，Q1～Q8分别为相位窗1～相位窗8的积分电荷；
步骤2，根据各调制激光的测距量程以及三个测量距离之间的比例关系，对三个测量距离进行融合，融合后的距离即为最终距离。
2.如权利要求1所述的提高TOF激光成像雷达测距精度的方法，其特征在于，高频、中频和低频调制激光的测量距离分别为d3、d2和d1，高频、中频和低频调制激光的测距量程分别为D3、D2和D1；
首先判断d1和D3的大小，如果d1≤D3，则最终 距离d＝d3；如果d1>D3，则判断d1和D2的大小，如果d1≤D2，则最终距离d＝m·D3+d3，其中，m＝[d2/D3]，“[]”表示取整；如果d1>D2，则判断d1和D1的大小，如果d1≤D1，则最终 距离d＝n·D2+m·D3+d3，其中，n＝[d1/D2]。
3.如权利要求1所述的提高TOF激光成像雷达测距精度的方法，其特征在于，调制激光为正弦调制光或伪随机码调制光。
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