自適應激光測距裝置及其測距方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了激光測距領域內(nèi)的一種自適應激光測距裝置包括：激光接收器、激光發(fā)射器、信號處理器、顯示器、對外接口、光電探測器電源、發(fā)射器電源，自適應測距方法通過調(diào)節(jié)光電探測器工作電壓與電路增益，實現(xiàn)氣溫與背景的自適應；通過調(diào)節(jié)電路增益和激光功率，實現(xiàn)目標反射信號強弱的自適應；通過波形濾波方法，濾除與設定目標信號波形特性不一致的噪聲或干擾信號，實現(xiàn)惡劣天氣工作的自適應；通過噪聲確定的閾值判斷目標信號，實現(xiàn)多目標測距功能，最終實現(xiàn)在任何規(guī)定的環(huán)境下，滿足測程和測量精度的要求，該測距方法可用于各種激光測距儀中。
【專利說明】自適應激光測距裝置及其測距方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測距裝置，特別涉及一種激光測距裝置。

【背景技術】
[0002] 隨著新型激光器的誕生，多脈沖激光測距成為一種新的測距技術。專利 ZL200410060408. 4,闡述了利用脈沖二進制累積方法進行測距的技術，測距能力比以往單 脈沖激光測距機有較大提高。申請?zhí)枮?00710139189. 2的專利闡述了利用視頻累積方法 進行測距的技術，測距能力又有新的提高。但兩個專利都沒有提到對環(huán)境自適應的技術方 法。從軍事應用的角度，除了測程要求外，還有可靠性的要求，環(huán)境適應能力是可靠性的一 個重要方面，即要求：（1)能適應較寬的工作溫度范圍，如零下五十度和零上七十度條件下 可靠工作；（2)在雨天霧天工作時不出現(xiàn)測量距離錯誤；（3)在強烈的背景雜光下工作，不 出現(xiàn)測量距離錯誤；（4)在目標距離近、目標反射率高、能見度又好的條件下工作，不出現(xiàn) 距離精度超差的現(xiàn)象；（5)具有多目標測距功能。顯然，目前現(xiàn)有的工業(yè)用和民用激光測距 裝置，都不具備苛刻環(huán)境的自適應能力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種可測距離遠、具有多目標測距功能，同時又具有苛刻 環(huán)境自適應能力的激光測距裝置及其測距方法。
[0004] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種自適應激光測距裝置及其測距方法，所述測距 方法，包括以下步驟： (1) 激光接收器接收目標反射的激光信號，獲得噪聲與目標信號的混雜信號； (2) 對混雜信號進行數(shù)字轉換，得到數(shù)字混雜信號； (3) 存貯數(shù)字混雜信號； (4) 對數(shù)字混雜信號進行累積，得到累積信號； (5) 對累積信號進行數(shù)字濾波處理，得到數(shù)字濾波信號； (6) 判斷數(shù)字濾波信號中是否有信號大于等于閾值Kf將大于閾值信號作為目標 信號； (7) 根據(jù)目標信號的時間地址，分別計算每一目標距離； (8 )將目標距離值送顯示器顯示，或存儲起來，或通過對外接口輸出； (9)如果不存在大于閾值的目標信號，那么，輸出或顯示無目標信號； 所述測距裝置包括： 激光接收器，用于接收目標反射的脈沖激光信號，并將激光信號轉換成電信號，將電信 號放大后，輸出目標信號與噪聲的混雜信號，同時實現(xiàn)信號增益的控制； 激光發(fā)射器，用于按設定的數(shù)量和方式發(fā)射脈沖激光； 信號處理器，用于發(fā)生激光測距裝置工作時序和執(zhí)行本發(fā)明的自適應測距方法； 顯示器，用于顯示距離值； 對外接口，用于外接工作電源和輸出距離值； 光電探測器電源，用于為光電管提供工作電源，同時通過光電探測器工作電壓的調(diào)節(jié)， 實現(xiàn)對信號增益的控制； 發(fā)射器電源，用于為激光發(fā)射器提供工作電源，同時實現(xiàn)對激光發(fā)射器輸出功率的調(diào) -K- T； 所述的信號處理器分別與激光接收器、激光發(fā)射器、顯示器、對外接口、光電探測器電 源、發(fā)射器電源相連接，所述的光電探測器電源與激光接收器相連接，所述的發(fā)射器電源與 激光發(fā)射器相連接。
[0005] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明中測距裝置運用自適應測距方 法，通過調(diào)節(jié)光電探測器工作電壓和電路增益，實現(xiàn)氣溫與背景光的自適應；通過調(diào)節(jié)電路 增益和調(diào)節(jié)激光功率，實現(xiàn)信號強弱的自適應；通過波形濾波方法，濾除與設定目標信號波 形特性不一致的噪聲或干擾信號，實現(xiàn)惡劣天氣工作的自適應；通過信噪比確定的閾值判 斷目標信號，實現(xiàn)多目標測距功能；最終保證激光測距裝置在任何要求的環(huán)境下，滿足要求 的測程和測量精度指標。本發(fā)明可用于距離測量中。
[0006] 作為本發(fā)明的進一步限定，步驟（1)之前還包括： (la)設定發(fā)射激光脈沖數(shù)量M; (110將1分成若干組附、吧、……Nn(η>2); (Ic)激光發(fā)射器按組發(fā)射脈沖激光； 步驟（3)之前還包括： (3a)設定噪聲量值范圍和信號量值范圍； (3b)判斷數(shù)字混雜信號量值是否超出設定的噪聲量值范圍，如果實際噪聲超出設定的 噪聲量值范圍，則調(diào)節(jié)光電探測器工作電壓或電路增益，使數(shù)字混雜信號量值在設定的噪 聲量值范圍內(nèi)； (3c)判斷數(shù)字混雜信號幅度是否超出設定的信號量值范圍，如果數(shù)字混雜信號幅度超 出設定的信號量值范圍，則調(diào)節(jié)電路增益或激光功率，使信號幅度在設定的信號量值范圍 內(nèi)； 步驟（5)之前還包括： (5a)預先設定目標信號的波形特性和濾波方案； (5b)濾除與設定目標信號的波形特性或濾波方案不一致的噪聲或干擾信號； 步驟（9)之前還包括： (9a)如果不存在大于閾值的目標信號，那么，判斷已經(jīng)發(fā)射的激光脈沖數(shù)量是否小 于設定發(fā)射脈沖數(shù)M，如果發(fā)射的激光脈沖數(shù)量小于設定發(fā)射脈沖數(shù)M，就繼續(xù)發(fā)射脈沖激 光，然后重復步驟（1)?（8)的操作。
[0007]作為本發(fā)明的進一步限定，步驟（6)的閾值Kj茜足公式（I)、公式（II)和公式 (III)：

【權利要求】
1. 一種自適應測距方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 激光接收器接收目標反射的激光信號，獲得噪聲與目標信號的混雜信號； (2) 對混雜信號進行數(shù)字轉換，得到數(shù)字混雜信號； (3) 存貯數(shù)字混雜信號； (4) 對數(shù)字混雜信號進行累積，得到累積信號； (5) 對累積信號進行數(shù)字濾波處理，得到數(shù)字濾波信號； (6) 判斷數(shù)字濾波信號中是否有信號大于等于閾值Kf將大于閾值4。的信號作為目標 信號； (7) 根據(jù)目標信號的時間地址，分別計算每一目標距離； (8 )將目標距離值送顯示器顯示，或存儲起來，或通過對外接口輸出； (9)如果不存在大于閾值匕。的目標信號，那么，輸出或顯示無目標信號。
2. 根據(jù)權利要求1所述的自適應測距方法，其特征在于， 步驟（1)之前還包括： (la)設定發(fā)射激光脈沖數(shù)量M; (110將11分成若干組附、吧、……Nn(n>2); (lc)激光發(fā)射器按組發(fā)射脈沖激光； 步驟（3)之前還包括： (3a)設定噪聲量值范圍和信號量值范圍； (3b)判斷數(shù)字混雜信號量值是否超出設定的噪聲量值范圍，如果實際噪聲超出設定的 噪聲量值范圍，則調(diào)節(jié)光電探測器工作電壓或電路增益，使數(shù)字混雜信號量值在設定的噪 聲量值范圍內(nèi)； (3c)判斷數(shù)字混雜信號幅度是否超出設定的信號量值范圍，如果數(shù)字混雜信號幅度超 出設定的信號量值范圍，則調(diào)節(jié)電路增益或激光功率，使信號幅度在設定的信號量值范圍 內(nèi)； 步驟（5)之前還包括： (5a)預先設定目標信號的波形特性和濾波方案； (5b)濾除與設定目標信號的波形特性或濾波方案不一致的噪聲或干擾信號； 步驟（9)之前還包括： (9a)如果不存在大于閾值匕。的目標信號，那么，判斷已經(jīng)發(fā)射的激光脈沖數(shù)量是否小 于設定發(fā)射脈沖數(shù)M，如果發(fā)射的激光脈沖數(shù)量小于設定發(fā)射脈沖數(shù)M，就繼續(xù)發(fā)射脈沖激 光，然后重復步驟（1)?（8)的操作。
3. 根據(jù)權利要求1的自適應測距方法，其特征在于， 步驟（6)的閾值Kj茜足公式（I)、公式（II)和公式(III):
式中：FAR為誤報率；Ns為一幀數(shù)據(jù)的采樣數(shù)；erf為誤差函數(shù)；Pd為探測概率；SNR為 信噪比；TNR為閾噪比；Vn為噪聲數(shù)據(jù)。
4. 一種自適應激光測距裝置，其特征在于，包括： 激光接收器（1)，用于接收目標反射的脈沖激光信號，并將激光信號轉換成電信號，將 電信號放大后，輸出目標信號與噪聲的混雜信號，同時實現(xiàn)信號增益的控制； 激光發(fā)射器（2 )，用于按設定的數(shù)量和方式發(fā)射脈沖激光； 信號處理器（3)，用于發(fā)生激光測距裝置工作時序和執(zhí)行本發(fā)明的自適應測距方法； 顯示器（4)，用于顯示距離值； 對外接口（13)，用于外接工作電源和輸出距離值； 光電探測器電源（5)，用于為光電管提供工作電源，同時通過光電探測器工作電壓的調(diào) 節(jié)，實現(xiàn)對信號增益的控制； 發(fā)射器電源（6 )，用于為激光發(fā)射器提供工作電源，同時實現(xiàn)對激光發(fā)射器輸出功率的 調(diào)節(jié)； 所述的信號處理器（3)分別與激光接收器（1)、激光發(fā)射器（2)、顯示器（4)、對外接口 (13)、光電探測器電源（5)、發(fā)射器電源（6)相連接，所述的光電探測器電源（5)與激光接收 器（1)相連接，所述的發(fā)射器電源（6)與激光發(fā)射器（2)相連接。
5. 根據(jù)權利要求4所述的自適應激光測距裝置，其特征在于，所述激光接收器（1)包 括：光電探測器（7)、信號放大器（8)、負載調(diào)節(jié)器（9)、增益控制器（10)，所述的光電探測器 (7)同時與信號放大器（8)和負載調(diào)節(jié)器（9)相連接，信號放大器（8)與增益控制器（10)相 連接；負載調(diào)節(jié)器（9)包括：固定負載（15)、負載陣列（16)和開關陣列（17)，固定負載與負 載陣列并聯(lián)，負載陣列（16)包括一個或一個以上并聯(lián)的負載，開關陣列（17)包括一個或一 個以上并聯(lián)的電子開關，負載陣列（16)中的負載分別與開關陣列（17)中的開關對應串接； 開關陣列（16)可以是集成電子開關陣列，也可以是分立晶體管、場效應管、MOS管組成的開 關陣列。
6. 根據(jù)權利要求5所述的自適應激光測距裝置，其特征在于，增益控制器（10)為數(shù)字 增益控制器，包括： 信號處理器端口（ 19)，用于輸出電壓數(shù)據(jù)； 數(shù)模轉換器（18)，用于將電壓數(shù)據(jù)轉換成模擬電壓； 信號放大器（8)及增益控制端，用于控制信號放大器增益； 信號處理器端口（19)與數(shù)模轉換器（18)相連接；數(shù)模轉換器（18)的輸出與信號放大 器（8)增益控制端連接；數(shù)模轉換器（18)可以是獨立的集成數(shù)模轉換器，也可以是集成在 信號處理器內(nèi)部的數(shù)模轉換器。
7. 根據(jù)權利要求5所述的自適應激光測距裝置，其特征在于，增益控制器（10)為自動 增益控制器，包括： 信號放大器輸出端（20)，用于輸出隨機混雜信號； 頻率電壓變換器（22)，用于將隨機混雜信號轉換成直流電壓信號； 增益調(diào)節(jié)器（21)，用于調(diào)節(jié)增益控制比例； 信號放大器（8)及增益控制端，用于控制信號放大器增益； 信號放大器輸出端（20)、頻率電壓變換器（22)和增益調(diào)節(jié)器（21)順序連接。
8. 根據(jù)權利要求4所述的自適應激光測距裝置，其特征在于，光電探測器電源（5)為數(shù) 字控制他激式電源，包括： 信號處理器端口（24)，用于輸出脈沖驅動信號； 他激式DC/DC變換器（26)，用于將脈沖驅動信號變換成直流電壓； 輸出電壓取樣電路（28)，用于對輸出電壓進行取樣； 模數(shù)轉換器（27)，用于將輸出電壓取樣值變換成數(shù)字值； 信號處理器端口（ 25)，用于讀取數(shù)模轉換器來的輸出電壓取樣值的數(shù)據(jù)； 信號處理器端口（ 24 )、他激式DC/DC變換器（26 )、輸出電壓取樣電路（28 )、模數(shù)轉換器 (27)和信號處理器端口（25)順序連接；所述的模數(shù)轉換器（27)可以是獨立的集成模數(shù)轉 換器，也可以是集成在信號處理器（3)內(nèi)部的模數(shù)轉換器，光電探測器電源（5)和發(fā)射器電 源（6)的電路結構和形式相同。
9. 根據(jù)權利要求4所述的自適應激光測距裝置，其特征在于，光電探測器電源（5)為都 為數(shù)字控制自激式電源，包括： 信號處理器端口（29)，用于啟動或關斷自激式DC/DC變換器； 自激式DC/DC變換器（31)，用于將較低的直流電壓轉換成較高的直流電壓； 分壓器（32 )，用于對自激式DC/DC變換器輸出電壓進行分壓； 信號處理器端口（30)，用于輸出數(shù)字電壓數(shù)據(jù)； 數(shù)模轉換器（18)，用于將信號處理與控制電路的數(shù)字電壓轉換成模擬電壓； 信號處理器端口（29)、自激式DC/DC變換器（31)輸出端、分壓器（32)、數(shù)模轉換器 (18 )和信號處理器端口（ 30 )順序連接，分壓器（38 )與自激式DC/DC變換器（31)反饋端相 連接；所述的數(shù)模轉換器（18)可以是獨立的集成數(shù)模轉換器，也可以是集成在信號處理器 內(nèi)部的數(shù)模轉換器；光電探測器電源（5)和發(fā)射器電源（6)的電路結構和形式相同。
10. 根據(jù)權利要求4所述的自適應激光測距裝置，其特征在于，發(fā)射器電源（6)為模擬 調(diào)壓式自激式電源，包括： 信號處理器端口（29)，用于啟動或關斷自激式DC/DC變換器； 自激式DC/DC變換器（31)，其輸出端用于輸出激光發(fā)射器所需電壓，其反饋端用于調(diào) 節(jié)輸出電壓； 分壓器（32 )，用于對自激式DC/DC變換器輸出電壓進行分壓； 信號處理器端口（ 29 )、自激式DC/DC變換器（31)輸出端、分壓器（32 )和自激式DC/DC變換器（31)反饋端順序連接。
【文檔編號】G01S7/489GK104483675SQ201410786035
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月18日 優(yōu)先權日:2014年12月18日
【發(fā)明者】郁麒麟, 孫同春, 范華, 夏星, 姚亞斌, 隋慶峰 申請人:揚州天目光電科技有限公司, 郁麒麟