多回波激光測距方法及激光測距儀的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種多回波激光測距方法，應用于激光測距儀中，其包括：激光發射單元發射一始波信號，同時，定時單元啟動定時；激光接收單元接收始波信號接觸到物體表面時反射回來的回波信號，直至定時時長達到后，關閉定時單元并終止激光接收單元接收；回波信號提取單元依次提取接收到的各個回波信號，并獲取各個回波信號的強度值，將強度值滿足預設閾值的回波信號作為有效回波信號；時間測量單元分別計算所述各個有效回波信號的接收時間與所述始波信號的發射時間的時間差值；多路選擇單元將各個時間差值進行比較，輸出最大的時間差值；距離運算單元根據所述最大的時間差值進行運算，得到最終的測距距離值，這樣大大便提高了激光測距的準確度。
【專利說明】多回波激光測距方法及激光測距儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及激光測距領域，具體涉及一種多回波激光測距方法及激光測距儀。
【背景技術】
[0002]激光由于具有良好的方向性、單向性、高亮性和相干性等特點而被廣泛應用在測距領域中，其中激光測距儀便是一種利用激光來測距的設備，其具有精確度高、分辨率高、抗干擾能力強、體積小、重量輕等優點，因此被眾多行業廣泛使用。
[0003]激光測距技術可以分為激光飛行時間測距和非飛行時間測距兩類，其中飛行時間測距又包括脈沖激光測距和連續波激光測距。
[0004]脈沖激光測距的基本原理是，測距儀的激光發射單元在測距點向被測目標物體發射一束強窄激光脈沖(可稱為始波信號)，光脈沖傳輸到目標物體表面以后，其中一小部分激光(可稱為回波信號)會反射回測距點被測距儀的激光接收單元所接收，根據激光接收單元接收到回波信號的時間與激光發射單元發射始波信號的時間之差，結合激光在介質(通常中空氣)中的傳播速度，便可推算出測距點和被測目標物體之間的距離。
[0005]但是在飛行時間測距中，激光的傳播路徑上可能會遇到多種反射率不同的障礙物，如雨，霧，樹木的枝干，墻體等，這樣，激光便很可能會返回多個與目標物體無關的回波信號，而現有技術的激光測距儀卻往往只接收第一個返回的回波信號，而忽略了后續的回波信號，這樣得到的回波信號便很可能并不是激光從目標物體表面返回的信號，在后續計算中，由該回波信號得到的距離值自然也不是測距點與目標物體之間的準確的距離值。
【發明內容】
[0006]本發明針對現有技術中的激光測距方法可能導致所測的距離值不準確的技術問題，提出一種多回波激光測距方法。
[0007]本發明提出的一種多回波激光測距方法，應用于激光測距儀中，其包括以下步驟:
[0008]激光發射單兀發射一始波信號，同時，定時單兀啟動定時；
[0009]激光接收單元接收所述始波信號接觸到物體表面時反射回來的回波信號，直至所述定時時長達到后，關閉所述定時單元并終止所述激光接收單元接收；
[0010]回波信號提取單元依次提取接收到的各個回波信號，并獲取各個回波信號的強度值，將強度值滿足預設閾值的回波信號作為有效回波信號；
[0011]時間測量單元分別計算所述各個有效回波信號的接收時間與所述始波信號的發射時間的時間差值；
[0012]多路選擇單元將各個時間差值進行比較，輸出最大的時間差值；
[0013]距離運算單元根據所述最大的時間差值進行運算，得到測距點與目標物體之間的距離值；且所述距離值滿足:cI=~，其中，d為所述距離值，Δ t為所述最大的時間差值，C為激光在介質中的傳播速度。
[0014]作為優選，所述定時單元的定時時長滿足:?=!，其中，t為定時時長，L為所述激
C
光測距儀的額定量程，C為激光在介質中的傳播速度；
[0015]具體的，所述時間測量單元包括多個第一時間測量單元，所述時間測量單元分別計算所述各個有效回波信號的接收時間與所述始波信號的發射時間的時間差值的步驟具體包括:
[0016]啟動計數單元計算所述有效回波信號的數量；
[0017]在各個第一時間測量單元中輸入所述始波信號的時間信息，同時將所有的有效回波信號的時間信息輸入第一個第一時間測量單元中；由第一個第一時間測量單元計算第一個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第一個時間差值；然后將剩余的有效回波信號的時間信息輸入第二個第一時間測量單元中，由第二個第一時間測量單元計算第二個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第二個時間差值；以此類推，直至完成所有有效回波信號與所述始波信號的時間差測量完成。
[0018]具體的，時間測量單元分別計算所述各個有效回波信號與所述始波信號的時間差值的步驟具體包括:
[0019]啟動計數單元計算所述有效回波信號的數量；
[0020]將所述始波信號的時間信息輸入時間測量單元中；
[0021]采用流水線方式，將第一個有效回波信號的時間信息輸入第二時間測量單元中，由所述第二時間測量單元測量所述第一個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第一個時間差值；然后將第二個有效回波信號的時間信息輸入所述第二時間測量單元中，由時間測量單元測量所述第二個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第二個時間差值，以此類推，直至完成所有有效回波信號與所述始波信號的時間差測量完成。
[0022]此外，本發明還提出了一種激光測距儀，其主要包括以下單元:
[0023]激光發射單元，用于發射始波信號；
[0024]激光接收單元，接收所述始波信號接觸到物體表面時反射回來的回波信號；
[0025]定時單元，用于設定所述激光接收單元持續接收所述回波信號的定時時長；
[0026]回波信號提取單元，依次提取接收到的各個回波信號，并獲取各個回波信號的強度值，將強度值滿足預設閾值的回波信號作為有效回波信號；
[0027]時間測量單元，用于分別計算所述各個有效回波信號的接收時間與所述始波信號的發射時間的時間差值；
[0028]多路選擇單元，用于將各個時間差值進行比較，輸出最大的時間差值；
[0029]距離運算單元，用于根據所述最大的時間差值進行運算，得到測距點與目標物體之間的距離值。
[0030]作為優選，本發明還提出的激光測距儀還包括:
[0031]計數單元:用于計算所述有效回波信號的數量，并輸出數量值；
[0032]所述時間測量單元根據所述計數單元得到的數量值執行相應次數的時間差計算。
[0033]具體的，所述時間測量單元包括多個第一時間測量單元，各個所述第一時間測量單元用于對應計算各個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并分別輸出所述時間差值；
[0034]具體的，所述時間測量單元具體為以下第二時間測量單元:
[0035]第二時間測量單元，用于輸入所述始波信號的時間信息，同時采用流水線方式，輸入第一個有效回波信號的時間信息，測量所述第一個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第一個時間差值；然后輸入第二個有效回波信號的時間信息，測量所述第二個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第二個時間差值，以此類推，直至完成所有有效回波信號與所述始波信號的時間差測量完成。
[0036]本發明提出的一種多回波激光測距，通過對激光接收單元進行定時，使其在預定時長內接收所有的可能由目標物體反射回來的回波信號；然后利用強度閾值剔除一些明顯無效(例如強度較小)的回波信號，剩下可能性較高的有效回波信號，再將各個有效回波信號的接收時間與始波信號的發射時間進行計算，得到最大的時間差值；在確保前述預定時長比較準確、合理的情況下，根據該最大時間差值結合激光在介質(通常是在空氣)中的傳播速度便可準確地計算到測距點與目標物體的距離(通常目標物體的體積要比其與激光測距儀之間的障礙物大得多，因此可認為在激光測距儀的量程內，目標物體的表面即為激光傳播的終點，因此最晚接收到的有效回波信號便可認為是真正由目標物體返回的信號)。因而，本發明大大提高了激光測距的準確度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]圖1是本發明提出的一種多回波激光測距方法實施例的流程示意圖；
[0038]圖2是圖1中步驟400的具體實現方案一的示意圖；
[0039]圖3是圖1中步驟400的具體實現方案二的示意圖；
[0040]圖4是本發明提出的一種激光測距儀實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0041]為了便于本領域技術人員理解，下面將結合附圖以及實施例對本發明進行進一步描述。
[0042]本實施例提出的一種多回波激光測距方法，可應用于激光測距儀中，請參閱圖1，其主要包括以下步驟SlOO至S600:
[0043]S100、激光發射單兀發射一始波信號，同時,定時單兀啟動定時。
[0044]本實施例中，激光發射單元通過激光脈沖產生一始波信號，該始波信號在傳播過程中遇到障礙物便會產生部分反射波信號，也即回波信號。定時單元主要用于為激光接收單元接收回波信號進行定時(可以理解地是，一旦激光發射單元開啟，激光接收單元也即開啟，進入準備接收回波信號的工作狀態)。
[0045]S200、激光接收單元接收所述始波信號接觸到物體表面時反射回來的回波信號，直至所述定時時長達到后，關閉所述定時單元并終止所述激光接收單元接收。
[0046]本實施例中，始波信號在傳播過程中遇到的物體可能是需要測距的目標物體，也可能是雨滴、樹木的枝干等干擾物，因此可能會返回多個回波信號。而激光接收單元需在定時時長內盡可能地接收所有回波信號，以免漏掉真正需要的(從目標物體返回的)回波信號。本實施例的定時時長可以根據測距人員的經驗進行設置，也可根據激光測距儀的特性、測距時的環境情況等可能影響測距的因素進行綜合權衡后設置。
[0047]經發明人長期的研究與探索，本實施例針對上述定時時長提供了一個科學、合理的設置方案，將定時時長設置為:卜&，其中，t為定時時長，L為所述激光測距儀的額定量
C
程，C為激光在介質中的傳播速度(如果是在露天空氣中測距，則該介質可指空氣，如果是在其他介質中測距，則c應指激光在其他介質的傳播速度)。
[0048]參照此設置方案，即使目標物體正好位于激光測距儀的額定量程的終點處，始波信號在接觸到目標物體后，其回波信號返回到激光接收器的時間通常也不會大于這
C
2L
個時間。因此設置定時時長為卜一，基本可保證在定時時長內便能接收到從目標物體上
C
返回的回波信號，當定時時長到達時，激光接收單元便可不用再進行回波信號的接收。
[0049]S300、回波信號提取單元依次提取接收到的各個回波信號，并獲取各個回波信號的強度值，將強度值滿足預設閾值的回波信號作為有效回波信號。
[0050]由于接收到的回波信號在強度上會存在差別，因此本實施例中利用強度閾值剔除一些明顯無效(例如強度較小)的回波信號，該強度閾值可根據具體情況進行設置，例如結合激光發射單元發出激光的強度、測距時的環境情況、目標物體可能返回的回波信號強度值門限等進行設置。
[0051]S400、時間測量單元分別計算所述各個有效回波信號的接收時間與所述始波信號的發射時間的時間差值。
[0052]本實施例中，根據回波信號的接收時間與始波信號的發射時間的時間差值便可計算測距點與物體之間的距離值，因此需要對各個有效回波信號的接收時間與所述始波信號的發射時間的時間差值進行測量。
[0053]S500、多路選擇單元將各個時間差值進行比較，輸出最大的時間差值。
[0054]本實施例中，由于通常目標物體的體積要比其與激光測距儀之間的雨滴、樹木的枝干等障礙物大得多，因此可認為在激光測距儀的量程內，目標物體的表面即為激光傳播的終點，因此最晚接收到(時間差值最大)的有效回波信號便可認為是真正由目標物體表面返回的信號。
[0055]S600、距離運算單元根據所述最大的時間差值進行運算，得到測距點與目標物體之間的距離值；且所述距離值滿足:V=T，其中，d為所述距離值，At為所述最大的時間差值，c為激光在介質中的傳播速度。
[0056]本實施例中，根據上述最大的時間差值結合激光在介質中的傳播速度便可計算到得到測距點與目標物體之間的距離值。
[0057]綜上所述，本實施例提出的一種多回波激光測距，通過對激光接收單元進行定時，使其在預定時長內接收所有的可能由目標物體反射回來的回波信號；然后利用強度閾值剔除一些明顯無效(例如強度較小)的回波信號，剩下可能性較高的有效回波信號，再將各個有效回波信號的接收時間與始波信號的發射時間進行計算，得到最大的時間差值；在確保前述預定時長比較準確、合理的情況下，根據該最大時間差值結合激光在介質(通常是在空氣)中的傳播速度便可準確地計算到測距點與目標物體的距離。因而，本發明大大提高了激光測距的準確度。
[0058]本實施例中步驟S400可以利用邏輯電路來實現，以下提供兩種利用邏輯電路來實現的方案以供參考。
[0059]方案一中，上述步驟S400具體包括:
[0060]S401、啟動計數單元計算所述有效回波信號的數量；
[0061]S402、在各個第一時間測量單兀中輸入所述始波信號的時間信息，同時將所有的有效回波信號的時間信息輸入第一個第一時間測量單元中；由第一個第一時間測量單元計算第一個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第一個時間差值；然后將剩余的有效回波信號的時間信息輸入第二個第一時間測量單元中，由第二個第一時間測量單元計算第二個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第二個時間差值；以此類推，直至完成所有有效回波信號與所述始波信號的時間差測量完成。
[0062]以上方案一請參考圖2，假設始波信號為Start，回波信號序列為Stop，該回波信號序列Stop包括Spl、Sp2……SpN共N個回波信號(為方便起見，這里假設所有回波信號均為有效回波信號)，步驟S400中對該回波信號序列Stop進行依次處理，例如，第一次處理的回波序列Stopl為Spl、Sp2......SpN,將Stopl輸入第一時間單元I中，由第一時間單元I
測量回波信號Spl與始波信號Start的時間差值I ;剩余的回波序列Stop2為Sp2……SpN，將Stop2輸入第一時間單兀2中，由第一時間單兀2測量回波信號Sp2與始波信號Start的時間差值2，以此類推，直至處理到剩余的回波序列StopN(也即僅包括回波信號SpN)，最后將StopN輸入第一時間單兀N中，由第一時間單兀N測量回波信號SpN與始波信號Start的時間差值N。
[0063]方案二中，上述步驟S400具體包括:
[0064]S410、啟動計數單元計算所述有效回波信號的數量；
[0065]S420、將所述始波信號的時間信息輸入時間測量單兀中；
[0066]S430、采用流水線方式，將第一個有效回波信號的時間信息輸入第二時間測量單元中，由所述第二時間測量單元測量所述第一個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第一個時間差值；然后將第二個有效回波信號的時間信息輸入所述第二時間測量單元中，由時間測量單元測量所述第二個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第二個時間差值，以此類推，直至完成所有有效回波信號與所述始波信號的時間差測量完成。
[0067]請參考圖3，同樣假設始波信號為Start，回波信號序列為Stop，該回波信號序列Stop包括Spl、Sp2……SpN共N個回波信號(為方便起見，這里假設所有回波信號均為有效回波信號)，步驟S400對各回波信號采用流水線方式，當提取到第一個回波信號Spl時，將第一個回波信號Spl的輸入時間測量單元中(為與方案一相區別，這里時間測量單元可稱為第二時間測量單元，圖3未示出)，由所述時間測量單元測量第一個回波信號Spl與所述始波信號Start的時間差值，并得到時間差值I ;當提取到第二個回波信號Sp2時，將第二個回波信號Sp2的輸入時間測量單元中，由時間測量單元測量所述第二個回波信號Sp2與所述始波信號Start的時間差值，并得到時間差值2，以此類推，直至完成所有回波信號與所述始波信號Start的時間差的測量，并輸出這些時間差值。
[0068]此外，本發明還得出了一種激光測距儀，請參閱圖4，其實施例主要包括以下各單元:
[0069]激光發射單元100，用于發射始波信號；
[0070]激光接收單元200，接收所述始波信號接觸到物體表面時反射回來的回波信號；
[0071]定時單元300，用于設定所述激光接收單元持續接收所述回波信號的定時時長；
[0072]回波信號提取單元400，依次提取接收到的各個回波信號，并獲取各個回波信號的強度值，將強度值滿足預設閾值的回波信號作為有效回波信號；
[0073]時間測量單元500，用于分別計算所述各個有效回波信號的接收時間與所述始波信號的發射時間的時間差值；
[0074]多路選擇單元600，用于將各個時間差值進行比較，輸出最大的時間差值；
[0075]距離運算單元700，用于根據所述最大的時間差值進行運算，得到測距點與目標物體之間的距離值。
[0076]以上激光發射單元100、激光接收單元200、定時單元300、回波信號提取單元400、時間測量單元500、多路選擇單元600和距離運算單元700所執行的功能和流程與上述多回波激光測距方法實施例中步驟SlOO至S600對應，；因此各單元所執行的功能及流程的分析和解釋、有益效果均可參考前述多回波激光測距方法實施例步驟SlOO至S600的分析和解釋、有益效果的描述，這里不再贅述。
[0077]同樣，本實施例中時間測量單元500的功能可以利用邏輯電路來實現，當其利用邏輯電路來實現時，激光測距儀還可包括:
[0078]計數單元800:用于計算所述有效回波信號的數量，并輸出數量值；
[0079]所述時間測量單元500根據所述計數單元800得到的數量值執行相應次數的時間差計算。
[0080]也即有多少有效回波信號，便需進行多少次時間差值的計算。
[0081]以下提供兩中利用邏輯電路來實現時間測量單元500的功能的方案以供參考。
[0082]方案一中，所述時間測量單元500包括多個第一時間測量單元，各個所述第一時間測量單元用于對應計算各個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并分別輸出所述時間差值；
[0083]方案二中，所述時間測量單元500具體為以下第二時間測量單元:
[0084]第二時間測量單元，用于輸入所述始波信號的時間信息，同時采用流水線方式，輸入第一個有效回波信號的時間信息，測量所述第一個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第一個時間差值；然后輸入第二個有效回波信號的時間信息，測量所述第二個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第二個時間差值，以此類推，直至完成所有有效回波信號與所述始波信號的時間差測量完成。
[0085]綜上所述可知，以上多回波激光測距方法實施例及激光測距儀實施例，分別解決了現有技術中激光測距方法及激光測距儀中存在的技術缺陷，從而提高了激光測距方法及激光測距儀的測距準確度。
[0086]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種多回波激光測距方法，應用于激光測距儀中，其特征在于，包括: 激光發射單元發射一始波信號，同時，定時單元啟動定時； 激光接收單元接收所述始波信號接觸到物體表面時反射回來的回波信號，直至所述定時時長達到后，關閉所述定時單元并終止所述激光接收單元接收； 回波信號提取單元依次提取接收到的各個回波信號，并獲取各個回波信號的強度值，將強度值滿足預設閾值的回波信號作為有效回波信號； 時間測量單元分別計算所述各個有效回波信號的接收時間與所述始波信號的發射時間的時間差值； 多路選擇單元將各個時間差值進行比較，輸出最大的時間差值； 距離運算單元根據所述最大的時間差值進行運算，得到測距點與目標物體之間的距離值；且所述距離值滿足其中，d為所述距離值，At為所述最大的時間差值，c為激光在介質中的傳播速度。
2.根據權利要求1所述的多回波激光測距方法，其特征在于，所述定時單元的定時時長滿足:/=!，其中，t為定時時長，L為所述激光測距儀的額定量程，c為激光在介質中的
C傳播速度。
3.根據權利要求2所述的多回波激光測距方法，其特征在于，所述時間測量單元包括多個第一時間測量單元，所述時間測量單元分別計算所述各個有效回波信號的接收時間與所述始波信號的發射時間的時間差值的步驟具體包括: 啟動計數單元計算所述有效回波信號的數量； 在各個第一時間測量單元中輸入所述始波信號的時間信息，同時將所有的有效回波信號的時間信息輸入第一個第一時間測量單元中；由第一個第一時間測量單元計算第一個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第一個時間差值；然后將剩余的有效回波信號的時間信息輸入第二個第一時間測量單元中，由第二個第一時間測量單元計算第二個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第二個時間差值；以此類推，直至完成所有有效回波信號與所述始波信號的時間差測量完成。
4.根據權利要求2所述的多回波激光測距方法，其特征在于，時間測量單元分別計算所述各個有效回波信號與所述始波信號的時間差值的步驟具體包括: 啟動計數單元計算所述有效回波信號的數量； 將所述始波信號的時間信息輸入時間測量單元中； 采用流水線方式，將第一個有效回波信號的時間信息輸入第二時間測量單元中，由所述第二時間測量單元測量所述第一個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第一個時間差值；然后將第二個有效回波信號的時間信息輸入所述第二時間測量單元中，由時間測量單元測量所述第二個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第二個時間差值，以此類推，直至完成所有有效回波信號與所述始波信號的時間差測量完成。
5.一種激光測距儀，其特征在于，包括: 激光發射單元，用于發射始波信號； 激光接收單元，接收所述始波信號接觸到物體表面時反射回來的回波信號； 定時單元，用于設定所述激光接收單元持續接收所述回波信號的定時時長； 回波信號提取單元，依次提取接收到的各個回波信號，并獲取各個回波信號的強度值，將強度值滿足預設閾值的回波信號作為有效回波信號； 時間測量單元，用于分別計算所述各個有效回波信號的接收時間與所述始波信號的發射時間的時間差值； 多路選擇單元，用于將各個時間差值進行比較，輸出最大的時間差值； 距離運算單元，用于根據所述最大的時間差值進行運算，得到測距點與目標物體之間的距離值。
6.如權利要求5的一種激光測距儀，其特征在于，還包括: 計數單元:用于計算所述有效回波信號的數量，并輸出數量值； 所述時間測量單元根據所述計數單元得到的數量值執行相應次數的時間差計算。
7.如權利要求6的一種激光測距儀，其特征在于，所述時間測量單元包括多個第一時間測量單元，各個所述第一時間測量單元用于對應計算各個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并分別輸出所述時間差值。
8.如權利要求6的一種激光測距儀，其特征在于，所述時間測量單元具體為以下第二時間測量單元: 第二時間測量單元，用于輸入所述始波信號的時間信息，同時采用流水線方式，輸入第一個有效回波信號的時間信息，測量所述第一個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第一個時間差值；然后輸入第二個有效回波信號的時間信息，測量所述第二個有效回波信號與所述始波信號的時間差值，并輸出第二個時間差值，以此類推，直至完成所有有效回波信號與所述始波信號的時間差測量完成。
【文檔編號】G01S17/08GK104199042SQ201410485958
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月23日 優先權日:2014年9月23日
【發明者】李亞鋒 申請人:李亞鋒
專業數控銑床產品供應商
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