專利名稱：一種激光測距裝置及其測距方法
技術領域：
本發明涉及激光測距裝置及其測距方法，特別是有關于一種利用激光信 號傳播時間來測量與目標物的距離的激光測距裝置及其測距方法。
背景技術：
一般而言，激光測距的形式可以分為干涉式、相位式與脈沖回波式三類。 其中脈沖回波式激光測距是以直接測量光脈沖的傳播時間來計算距離。當激 光二極管被驅動電路觸發時會產生一個起始脈波作為時距測量電路的起始信 號，當反射激光信號被接收與放大處理后，產生一個終止計時的結束脈波， 而計時電路測量起始脈波與結束脈波之間的時距，即為激光脈波在激光測距 裝置與待測目標物之間的傳播時間，藉此可得知與目標物之間的距離。
然而，當進行遠距離的測距時，激光測距裝置所接收到的遠距離信號可
能非常微弱，甚至僅略大于噪聲值。若預設的門檻值(Threshold)太小，則 極有可能將噪聲值誤認為目標信號。但是若門檻值太大，則無法偵測到微弱信號。
因此，需要一種能提升激光測距裝置的測距能力的裝置以及方法。
發明內容
有鑒于此，本發明實施例的目的之一即在于提供一種激光測距裝置及其 測距方法。
基于上述目的，本發明一實施例提供一種測距方法，適用于激光測距裝
置，用以測量該激光測距裝置與目標物的距離。測距方法包括于第一時間 點，朝該目標物發射一激光信號；接收由該目標物反射的該激光信號；利用 采樣信號對該反射激光信號采樣，得到具有多個信號值的數字信號，其中該
多個信號值的范圍是從O至N， N〉2;找出該數字信號中的多個信號值中的最 大信號值；以及依據相應于該最大信號值的第二時間點以及該第一時間點，
計算出該激光測距裝置與該目標物的距離。
本發明另一實施例提供一種激光測距裝置，用以測量與目標物的距離。 激光測距裝置至少包括發射單元、接收單元、模擬數字信號轉換單元以及系 統單元。發射單元用以于第一時間點，朝該目標物發射激光信號。接收單元 用以接收由該目標物反射的該反射激光信號。模擬數字信號轉換單元，對該 反射激光信號進行采樣，得到具有多個信號值的數字信號。其中，該多個信
號值的范圍是從O至N， N為大于2的正整數。系統單元用以找出該數字信號 中多個信號值中的最大信號值、依據相應于該最大信號值的第二時間點以及 該第一時間點，計算出該激光測距裝置與該目標物的距離。
根據本發明一方面，提供一種測距方法，適用于激光測距裝置，用以測 量該激光測距裝置與目標物的距離，其特征在于，包括下列步驟
于第一時間點，朝該目標物發射激光信號；
接收由該目標物反射的反射激光信號；
利用采樣信號對該反射激光信號采樣，得到具有多個信號值的數字信號， 其中多個信號值的范圍是從O至N， N為大于2的正整數；
找出該數字信號中多個信號值中的最大信號值；以及 依據相應于該最大信號值的第二時間點以及該第一時間點，計算出該激
光測距裝置與該目標物間的距離。
在本發明所述的測距方法中，還包括
根據一特定原則，由該多個信號值中定義一第一信號值；
判斷該最大信號值與該第一信號值的差值是否大于或等于第一門檻值；
以及
若是，則判定該最大信號值為目標信號。
在本發明所述的測距方法中，其中該特定原則是對一既定時間范圍之外 的相對最大信號值定義為該第一信號值。
在本發明所述的測距方法中，其中該既定時間范圍為該采樣信號的兩倍
周期，且以該第二時間點為參考中心點。
在本發明所述的測距方法中，該第一門檻值是根據環境參數設定并儲存 在該激光測距裝置中。
在本發明所述的測距方法中，還包括
當該最大信號值與該第一信號值的差值小于該第一門檻值時，判定該最 大信號值為一噪聲。
在本發明所述的測距方法中，還包括
當該最大信號值與該第一信號值的差值小于該第一門檻值時，于該第二 時間點后，由該多個信號值中得到一相對最小信號值；
判斷該最大信號值與該相對最小信號值的差值是否大于或等于第二門檻 值；以及
若是，則判定該最大信號值為一目標信號。
在本發明所述的測距方法中，其中該數字信號是8位數字信號，且N為
255。
根據本發明的一方面，提供一種激光測距裝置，用于測量與目標物的距
離，其特征在于，包括
發射單元，用于在第一時間點，朝該目標物發射激光信號； 接收單元，用于接收由該目標物反射的該反射激光信號； 模擬數字信號轉換單元，對該反射激光信號進行采樣，得到具有多個信
號值的數字信號，其中該多個信號值的范圍是從0至N， N為大于2的正整數;
以及
系統單元，用于找出該多個信號值中的最大信號值，并依據產生該最大 信號值的第二時間點以及該第一時間點，計算出該激光測距裝置與該目標物 間的距離。
在本發明所述的激光測距裝置中，該發射單元包括 激光二極管；以及
驅動電路，用于控制該激光二極管，以朝該目標物發射該激光信號。 在本發明所述的激光測距裝置中，該接收單元包括雪崩二極管，用于接收由該目標物反射的該反射激光信號；
信號放大器，用于對該雪崩二極管所接收的該反射激光信號進行放大； 以及
濾波電路，用于將己放大的該反射激光信號進行噪聲濾除。
在本發明所述的激光測距裝置中，該系統單元包括 存儲單元，用于儲存該數字信號；
處理單元，自該存儲單元中讀出該數字信號，并找出該多個信號值中的
最大信號值；以及
控制邏輯單元，接收該處理單元的觸發信號，以在該第一時間點驅動該 發射單元發射該激光信號，并激活該模擬數字信號轉換單元。
在本發明所述的激光測距裝置中，還包括顯示單元，與該處理單元耦接， 用于顯示該處理單元所算出的該激光測距裝置與該目標物間的距離。
在本發明所述的激光測距裝置中，該系統單元根據一特定原則定義一第 一信號值，并判斷該最大信號值與該第一信號值的差值是否大于或等于第一門 檻值，若是，則判定該最大信號值為目標信號。
在本發明所述的激光測距裝置中，當該最大信,號值與該第一信號值的差 值小于該第一門檻值時，該處理單元判定該最大信號值為噪聲。
在本發明所述的激光測距裝置中，還包括該處理單元判定該最大信號值 為噪聲后，令該發射單元，再朝該目標物發射激光信號，以重復測距。
在本發明所述的激光測距裝置中，該特定原則是在一既定時間范圍之外 的相對最大信號值定義為該第一信號值。
在本發明所述的激光測距裝置中，該既定時間范圍為該采樣信號的兩倍 周期，且以該第二時間點為參考中心點。
在本發明所述的激光測距裝置中，該第一門檻值是儲存在該存儲單元中。
在本發明所述的激光測距裝置中，其特征在于，該第一門檻值是依據重 復量測的信號的平均值設定。
為使本發明的上述和其它目的、特征、和優點能更明顯易懂，下文特舉 出較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。
圖1是顯示現有技術的激光測距裝置的模塊圖。
圖2是顯示依據本發明一實施例的激光測距裝置的模塊圖。
圖3是顯示的信號波形圖。
圖4是顯示依據本發明一實施例的測距方法之流程圖。 圖5是顯示依據本發明另一實施例的測距方法之流程圖。 圖6是顯示依據本發明一實施例的對照表之示意圖。 圖7是顯示依據本發明一實施例的數字信號示意圖。 主要組件符號說明
IO(T激光測距裝置；
ll(T目標物；
200 激光測距裝置；
210 發射單元；
212 激光二極管；
214 驅動電路；
220 接收單元； 222 雪崩二極管； 224~信號放大器； 226 濾波電路；
23(T模擬數字信號轉換單元；
240 系統單芯片；
242 控制邏輯單元；
244 存儲單元；
246 處理單元；
250 顯示單元；
260 目標物。
具體實施例方式
本發明的實施例提供一種激光測距裝置及其相關的測距方法。本發明實 施例的激光測距裝置是利用模擬數字信號轉換單元將接收到的反射激光信號 進行數字化，使其產生的數字信號中包含各種不同的信號值，藉此可保留反 射激光信號原來的波形以及振幅，于是可以辨識出噪聲以及目標信號，增加 抵抗噪聲干擾以及遠距離測距的能力，同時可以縮短測量的時間。
依據本發明實施例的測距方法是利用反射激光信號，得到具有多個信號 值的數字信號，找出數字信號的所有信號值中的最大信號值，再利用產生最 大信號值的時間點，算出一表示自發射激光信號起至接收反射激光信號所經 歷的傳播時間，并據此計算出激光測距裝置與目標物的距離。
圖1是顯示現有激光測距裝置100的模塊圖。如圖所示，激光測距裝置 100中的發射單元發射激光信號至目標物110，接著接收單元接收反射的激光 信號。反射的激光信號將通過比較器轉成數值為0或1的數字信號，再經由 信號處理單元進行處理，以找出收到目標信號的時間點，進而求出與目標物 的距離。
一般而言，比較器需要一個門檻值來與輸入信號進行比對，當輸入信號
值大于或等于門檻值時即輸出1，否則輸出o。然而，當測試的距離變遠時，
接收單元接收到的反射激光信號會相對變弱，并且容易伴隨著噪聲。為了找 到目標信號，門檻值將設得更小，使得噪聲信號值可能大于門檻值，而被誤 認為目標信號，因此無法準確的判斷出目標信號值，需要延長測試所需的時 間。
圖2是顯示依據本發明一實施例的激光測距裝置200之模塊圖，用以測 量與目標物260的距離。激光測距裝置200中包括發射單元210、接收單元 220、模擬數字信號轉換單元230、系統單芯片240以及顯示單元250。發射 單元210用于朝目標物260 —發射激光信號Ll以進行測距。發射單元210包 括激光二極管(pulsed laser diode)212以及驅動電路214，其中驅動電路 214用于控制激光二極管，使其朝目標物260發射激光信號。
接收單元220用于接收由目標物260反射的反射激光信號L2。接收單元220包括雪崩二極管(avalanche photodiode)222，用于接收由目標物260反 射的反射激光信號；信號放大器224，于以對雪崩二極管222所接收的反射 激光信號進行放大；以及濾波電路226，用于將已放大的反射激光信號進行 噪聲濾除。模擬數字信號轉換單元230耦接至接收單元220，將接收單元220 輸出的反射激光信號進行信號數字化，以得到具有多個信號值的數字信號。 其中，此數字信號具有與反射激光信號相同的特定波形且其中所有信號值的 范圍是從O至N， N為大于2的正整數。圖3是顯示的信號波形圖，橫軸表示 時間(單位nS)，縱軸表示數字化后的電壓信號。其中，信號Sl表示接收到 的反射激光信號L2的波形圖，信號S2表示經過圖1激光測距裝置100中的 比較器進行數字化后的數字信號，信號S3表示經過圖2的激光測距裝置200 中的模擬數字信號轉換單元230進行數字化后的數字信號。此處假設模擬數 字信號轉換單元230為一個8位模擬數字轉換器(ADC)，因此反射信號將轉換 為0至255之間的數字信號。由圖3可知，反射激光信號Sl上的3個取樣點 Pl、 P2以及P3，在數字信號S2上的信號值為1，而在數字信號S3上則分別 為100、 250以及105。另外也可發現，數字信號S2因為比較一門檻值以決 定輸出，因此其波形為方波，無法呈現出取樣點P2為最大峰值，而數字信號 S3因可將信號值量化成各種不同的信號值，因此不僅可以呈現出取樣點P2 為最大峰值，且具有與原始信號Sl相同的波形。
系統單芯片(S0C)240包括控制邏輯單元242、存儲單元244以及處理單 元246。控制邏輯單元242耦接于處理單元246、發射單元210以及模擬數字 信號轉換單元230，當接收至處理單元246所發出的觸發信號時，驅動發射 單元210朝目標物260發射激光信號，并激活模擬數字信號轉換單元230開 始進行信號轉換。存儲單元244用于儲存經過模擬數字信號轉換單元230轉 換后的數字信號。處理單元240自存儲單元244中讀出儲存的數字信號，并 找出數字信號中的最大信號值，以計算出傳播時間，進而計算出激光測距裝 置200與目標物260的距離。顯示單元250，與處理單元246耦接，用于顯 示處理單元246所算出的激光測距裝置200與目標物260的距離。
圖4是顯示依據本發明一實施例的測距方法之流程圖400。請同時參照圖 2以及圖4。首先，于步驟S410，于第一時間點(用T1表示)，朝目標物260 發射激光信號。此第一時間點(T1)即為發射時間。此時，控制邏輯單元242 接收處理單元246所發出的觸發信號，告知準備進行測距，于是，控制邏輯 單元242便于第一時間點(T1)，驅動發射單元210中的驅動電路214，使其 控制光電二極管212朝目標物260發射激光信號Ll，并激活模擬數字信號轉 換單元230開始進行信號轉換。
接著，于步驟S420，接收單元220中的雪崩二極管222接收目標物反射 的反射激光信號L2，并通過信號放大器224對反射激光信號進行放大，再通 過濾波電路226，將已放大的反射激光信號進行噪聲濾除，并將濾除后的結 果(如圖3中所示的信號S1)輸出至模擬數字信號轉換單元230。接著，于步 驟S430，模擬數字信號轉換單元230將接收單元220輸出的反射激光信號量 化、轉換成數字信號，以得到具有多個信號值的數字信號。
舉例來說，請參照圖3，假設模擬數字信號轉換單元230為一個8位模擬 數字信號轉換器時，則反射激光信號Sl將被轉換成具有信號值范圍從0至 255變化的多個信號值的數字信號S3，且信號S3將具有與信號Sl相同的波 形。經過模擬數字信號轉換單元230轉換后的數字信號將被儲存于存儲單元 244中。
之后，于步驟S440，處理單元246從存儲單元244中讀出儲存的數字信 號，并從此數字信號的所有信號值中找到最大信號值。于步驟S450，再依據 產生最大信號值的第二時間點(用T2表示)以及第一時間點(Tl)，計算出傳播 時間。其中，傳播時間(用T表示)定義為自發射激光信號起至接收到反射激 光信號所經歷的時間。于此實施例中，傳播時間T42-T1。
最后，于步驟S460，可將計算出的傳播時間(T)乘上光速，便可計算出激 光測距裝置與目標物260的距離。
由于此時，信號值的范圍可有較大的差異，使得噪聲值與目標信號值之 間的差值大于1，因此可以更準確地定位以及找出目標信號值，也可縮短測 試所需的時間。
此外，為了確保找到的最大信號值的時間點的正確性，本發明另一實施
例還利用一門檻值來輔助最大信號值(目標信號)的判斷。
圖5是顯示依據本發明另一實施例的測距方法之流程圖500。 如圖5所示，于步驟S510，依據環境參數(例如天候、陽光強弱以及噪聲)， 得到一對應的門檻值。可以先針對不同光照強度等因素進行反復測試，得到 對應的統計資料作為門檻值。舉例來說，可以通過對天空發射數組激光信號， 并對采樣到的信號進行分析，找出信號平均值AV與A V的關系(其中A V是最 大信號值與落在最大信號值一既定范圍之外的相對最大信號值之間的差值)， 再將門檻值設為大于△ V的最大值即可。例如，當AV值的范圍為18000 19000 時，測試出AV可能的范圍為0 40，因此當AV值為19000以下時，可將門 檻值設為42。
信號平均值AV與門檻值的對應關系，可以事先得到，并以對照表的方式 儲存于存儲單元中。請參考圖6，是顯示依據本發明一實施例的對照表600 之示意圖。對照表600中包括一平均值AV字段以及一門檻值字段，且每一平 均值AV字段有一對應的門檻值。舉例來說，當平均值為18500時，其對應的 門檻值為42，而當平均值為19501時，其對應的門檻值則為62。
接著，于步驟S520，找出落在最大信號值一既定范圍之外的第二大信號 值。此既定范圍可以自由的調整， 一般約為最大信號值的左右附近的值，以 避免找到目標信號附近的信號值進行錯誤的比對。舉例來說，本實施例是以 該第二時間點為參考中心點，分別向前/向后各以一個時間單位為范圍，取得 此范圍之外的最大值作為相對最大信號值，其中時間單位可是一個反射激光 信號的采樣信號的周期；亦或是以最大信號值為參考中心點，定義既定范圍 是相應于參考中心點前/后3碼(yard)距離的時間點，但不用以限定本發明。
請參考圖7，圖7是顯示依據本發明一實施例的數字信號示意圖，圖中是 對已接收的多次反射激光信號做數字采樣并累加后的結果。橫軸表示長度(單 位碼)，縱軸表示數碼化后的電壓信號，因是多次的量測信號的累積，所以 縱軸數值會超過255。如圖所示，VI點的信號值為最大信號值，因此在落在 VI點的信號值一范圍之外找到一相對最大信號值，即所示的V2點的信號值。
之后，于步驟S530，判斷最大信號值與第二大信號值的差值AV(二V1-V2)
是否大于或等于門檻值。若是，表示找到的最大信號值為目標信號，確認找
到的第二時間點為正確(步驟S540)。若否(步驟S530的否)，表示找到的最 大信號值為噪聲，于是可再發射激光信號，重新測量(步驟S550)。
另外，請參考圖7，由于硬件組件(如模擬濾波器)本身特性，可以看到在 目標信號出現后會有一極小值出現，如圖7所示的V3點的信號值。因此，也 可利用此特性來進行目標信號的確認。
在一實施例中，可于最大信號值發生之后，于數字信號中得到一相對最 小信號值，再判斷最大信號值與此相對最小信號值的差值A V2 (=V1-V3)是否 大于或等于第二門檻值。若是，表示找到的最大信號值為目標信號，確認找 到的第二時間點為正確。若否，表示找到的最大信號值為噪聲，于是可再發 射激光信號，重新測量。在另一實施例中，當步驟S530判斷為否時，亦即最 大信號值與第二大信號值的差值AV小于門檻值時，可接著判斷最大信號值 與此相對最小信號值的差值AV2是否大于或等于第二門檻值。若是，表示找 到的最大信號值為目標信號，可再次確認找到的第二時間點為正確。若否， 表示找到的最大信號值為噪聲。
值得注意的是，雖然此處是以發射一(組)激光信號進行說明，熟悉此存 儲人士皆知，可同時發射多組激光信號進行測距，接收單元將同時接收到多 個組反射激光信號，可將其累加或平均，再針對累加或平均后的信號進行處 理。因此，本發明亦可適用于使用多組激光信號進行測距的應用。
上述說明提供數種不同實施例或應用本發明的不同方法。實例中的特定 裝置以及方法是用以幫助闡釋本發明的主要精神及目的，當然本發明不限于 此。
因此，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明， 任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可做些許更動與 潤飾，因此本發明的保護范圍當視后附的申請專利范圍所界定者為準。
權利要求
1.一種測距方法，適用于激光測距裝置，用以測量該激光測距裝置與目標物的距離，其特征在于，包括下列步驟于第一時間點，朝該目標物發射激光信號；接收由該目標物反射的反射激光信號；利用采樣信號對該反射激光信號采樣，得到具有多個信號值的數字信號，其中多個信號值的范圍是從0至N，N為大于2的正整數；找出該數字信號中多個信號值中的最大信號值；以及依據相應于該最大信號值的第二時間點以及該第一時間點，計算出該激光測距裝置與該目標物間的距離。
2. 根據權利要求1所述的測距方法，其特征在于，還包括 根據一特定原則，由該多個信號值中定義一第一信號值； 判斷該最大信號值與該第一信號值的差值是否大于或等于第一門檻值；以及若是，則判定該最大信號值為目標信號。
3. 根據權利要求2所述的測距方法，其特征在于，其中該特定原則是對一既定時間范圍之外的相對最大信號值定義為該第一信號值。
4. 根據權利要求2所述的測距方法，其特征在于，還包括當該最大信號值與該第一信號值的差值小于該第一門檻值時，于該第二時間點后，得到一相對最小信號值；判斷該最大信號值與該相對最小信號值的差值是否大于或等于第二門檻 值；以及若是，則判定該最大信號值為一目標信號。
5. —種激光測距裝置，用于測量與目標物的距離，其特征在于，包括 發射單元，用于在第一時間點，朝該目標物發射激光信號； 接收單元，用于接收由該目標物反射的該反射激光信號； 模擬數字信號轉換單元，對該反射激光信號進行采樣，得到具有多個信號值的數字信號，其中該多個信號值的范圍是從0至N， N為大于2的正整數;以及系統單元，用于找出該多個信號值中的最大信號值，并依據產生該最大 信號值的第二時間點以及該第一時間點，計算出該激光測距裝置與該目標物 間的距離。
6. 根據權利要求5所述的激光測距裝置，其特征在于，該系統單元包括:存儲單元，用于儲存該數字信號； 處理單元，自該存儲單元中讀出該數字信號，并找出該多個信號值中的最大信號值；以及控制邏輯單元，接收該處理單元的觸發信號，以在該第一時間點驅動該 發射單元發射該激光信號，并激活該模擬數字信號轉換單元。
7. 根據權利要求5所述的激光測距裝置，其特征在于，還包括顯示單元， 與該處理單元耦接，用于顯示該處理單元所算出的該激光測距裝置與該目標 物間的距離。
8. 根據權利要求5所述的激光測距裝置，其特征在于，該系統單元根據 一特定原則定義一第一信號值，并判斷該最大信號值與該第一信號值的差值 是否大于或等于第一門檻值，若是，則判定該最大信號值為目標信號。
9. 根據權利要求8所述的激光測距裝置，其特征在于，當該最大信號值 與該第一信號值的差值小于該第一門檻值時，該處理單元令該發射單元再朝 該目標物發射激光信號。
10. 根據權利要求8所述的激光測距裝置，其特征在于，該特定原則是 在一既定時間范圍之外的相對最大信號值定義為該第一信號值。
全文摘要
本發明提供一種測距方法，適用于激光測距裝置，用以測量激光測距裝置與目標物的距離。測距方法包括于第一時間點，朝該目標物發射激光信號；接收由該目標物反射的該激光信號；利用采樣信號對該反射激光信號采樣，得到具有多個信號值的數字信號，其中所述信號值的范圍是從0至N，N為大于2的正整數；找出該數字信號中多個信號值中的最大信號值；以及依據相應于產生該最大信號值的第二時間點以及該第一時間點，計算出傳播時間，并據此計算出激光測距裝置與目標物的距離。
文檔編號G01S17/08GK101349755SQ20071013918
公開日2009年1月21日 申請日期2007年7月19日 優先權日2007年7月19日
發明者劉華唐, 宋鵬飛, 勝 梁, 簡碧堯, 羅印龍 申請人:亞洲光學股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
