一種高精度、寬量程的測距方法及系統與流程

2023-05-24 08:43:11 1

本發明涉及一種高精度、寬量程的測距方法及系統，屬於測距技術領域。

背景技術：

目前市面上常用的測距產品包括3d攝像頭(tof)等使用的測距方法主要有直接脈衝測距法、隨機脈衝相關測距法、相位測距法等。

其中，直接脈衝測距法的測距原理是通過測量脈衝從發射端發出，經過被測目標返回至探測器之間的飛行時間，來計算距離信息，該方法一般用於遠程測距，不適合近距離測距，且精度較低。

隨機脈衝相關測距法的測距原理是通過計算發出的隨機脈衝信號與返回的隨機脈衝信號的互相關函數，來計算距離信息，該方法抗幹擾能力強，一般適用於遠程測距，其測距精度受隨機信號的調製頻率限制，精度較低。

相位測距法的測距原理是通過檢測周期信號從發射端發出，經過被測目標返回至探測器之間的相位位移，來計算距離信息，該方法測量精度高，但由於是周期信號，其最大測量距離受最大相位位移2π的限制，後來提出的多頻相位測距法使用2個或多個頻率的周期信號來擴展測距量程，但依然受周期信號的周期限制，因此相位測距法一般用於短距離、高精度的測量場合。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種高精度、寬量程的測距方法及系統。本發明能夠同時兼顧高精度和寬量程，既可以應用在近距離測距，也可以應用在遠距離測距，另外還可以應用於場景深度測量與3d成像、機器人視覺、手勢識別等應用中。

為解決上述技術問題，本發明提供一種高精度、寬量程的測距方法，其特徵在於，所述測距方法通過將一種粗精度測距方法與相位測距方法相結合，利用粗精度測距方法調製光源獲得粗精度距離值，利用相位測距方法調製光源獲得一個相位周期內的高精度距離值，然後根據所述粗精度距離值和所述高精度距離值得出測距目標的距離位於相位測距的第幾個相位周期，最後計算出高精度的實際距離值。

作為一種較佳的實施例，具體包括如下步驟：

步驟ss1：配置相關參數，包括相位測距方法的周期信號頻率fp、粗精度測距方法的測距精度rr，轉入步驟ss2；

步驟ss2：根據相位測距方法和粗精度測距方法，同時發出相位測距方法的周期信號與粗精度測距方法的測距信號，轉入步驟ss3；

步驟ss3：將步驟ss2中的周期信號和測距信號疊加成混合信號，並用疊加後的混合信號驅動光源對測距目標發射出混合光信號，轉入步驟ss4；

步驟ss4：探測器接收到返回的步驟ss3中的混合光信號，將混合光信號轉化為混合電信號，然後分別轉入步驟ss5和步驟ss6；

步驟ss5：將步驟ss4中的混合電信號中的周期信號分離出來，進行相位測距計算，根據相位差求出一個相位周期內的高精度距離值lp，轉入步驟ss7；

步驟ss6：將步驟ss4中的混合電信號中的測距信號分離出來，根據粗精度測距方法求出粗精度距離值lr，轉入步驟ss7；

步驟ss7：根據步驟ss6中的粗精度距離值lr和步驟ss5中的高精度距離值lp計算出當前測距目標的距離處於相位測距的第幾個相位周期，然後計算出高精度的實際距離。

作為一種較佳的實施例，步驟ss7具體包括：相位測距方法的周期信號頻率為fp，根據該頻率信號的相位測距的最大距離即一個相位周期tp為：

相位測距方法的相位周期為tp，粗精度測距方法的測距精度為rr，為保證能夠準確的定位測距目標的距離位於相位測距的第幾個相位周期，調整相位測距方法的相位周期為tp和粗精度測距方法的測距精度rr以滿足：

也就是說，粗精度測距方法的精度要小於相位測距方法的相位周期的一半。

作為一種較佳的實施例，所述光源可以是雷射光源，但不限於雷射光源，也可以是其他可調製的光源。

作為一種較佳的實施例，所述粗精度測距方法可以採用直接脈衝測距方法或者隨即調製測距方法，但不限於這兩種方法，也可以是其他寬量程的測距方法。

作為一種較佳的實施例，所述的粗精度測距方法得出粗精度距離值lr，所述的相位測距方法得出一個相位周期內的高精度距離值lp，若當前測距目標的距離處於相位測距的第n+1個相位周期，那麼可以求出n為：

然後，可以求出高精度的實際距離l為：

l＝n·tp+lp

其中，相位測距方法的相位周期為tp，粗精度測距方法的測距精度為rr，的粗精度測距方法得出粗精度距離值lr，的相位測距方法得出一個相位周期內的高精度距離值lp。

本發明還提出一種高精度、寬量程的測距系統，其特徵在於，包括中央控制器、周期信號發射模塊、粗精度測距發射模塊、混合信號發射模塊、可調製光源、探測器、帶通濾波器、adc1、adc2、粗精度測距接收模塊、周期信號接收模塊、實際距離計算模塊，中央控制器分別與周期信號發射模塊、粗精度測距發射模塊、混合信號發射模塊、帶通濾波器、adc1、adc2、粗精度測距接收模塊、周期信號接收模塊、實際距離計算模塊相連接，周期信號發射模塊的輸出端、粗精度測距發射模塊的輸出端分別與混合信號發射模塊的輸入端相連接，混合信號發射模塊的輸出端與可調製光源的輸入端相連接，可調製光源的輸出端與探測器的輸入端相連接，探測器的輸出端分別與帶通濾波器的輸入端、adc1的輸入端相連接；帶通濾波器的輸出端與adc2的輸入端相連接，adc2的輸出端與周期信號接收模塊的輸入端相連接，周期信號接收模塊的輸出端與實際距離計算模塊的輸入端相連接；adc1的輸出端與粗精度測距接收模塊的輸入端相連接，粗精度測距接收模塊的輸出端與實際距離計算模塊12的輸入端相連接。

作為一種較佳的實施例，中央控制器1配置相位測距方法的周期信號頻率fp、粗精度測距方法的測距精度rr、帶通濾波器的帶寬、adc1與adc2的採樣頻率；周期信號發射模塊與粗精度測距發射模塊分別發出相位測距方法的周期信號與粗精度測距方法的測距信號輸送給混合信號發射模塊；混合信號發射模塊將周期信號和測距信號疊加，並將疊加後的混合光信號驅動可調製光源對測距目標發射出光線；探測器接收到返回的混合光信號，並將混合光信號轉化為混合電信號，分兩路分別輸出給帶通濾波器和adc1；帶通濾波器過濾掉混合電信號中的其他頻率信號，只允許周期信號對應頻率的信號通過，並輸出給adc2；adc2將周期信號對應頻率的電信號轉化為數位訊號後，輸出給周期信號接收模塊；周期信號接收模塊提取出周期信號，根據相位差求出一個相位周期內的高精度距離值；adc1將混合電信號轉化為數位訊號後，輸出給粗精度測距接收模塊，粗精度測距接收模塊根據其測距原理，求出粗精度的距離值；實際距離計算模塊根據粗精度距離值和高精度距離值計算出當前所測的距離處於相位測距的第幾個相位周期，並計算出高精度的實際距離。

作為一種較佳的實施例，相位測距方法的周期信號頻率為fp，根據該頻率信號的相位測距的最大距離即一個相位周期tp為：

為保證能夠準確的定位測距目標的距離位於相位測距的第幾個相位周期，需要調整相位測距方法的相位周期tp和粗精度測距方法的測距精度rr以滿足：

也就是說，粗精度測距方法的測距精度小於相位測距方法的相位周期的一半。

作為一種較佳的實施例，的實際距離計算模塊分別得到由粗精度測距接收模塊計算出的粗精度距離值lr與由周期信號接收模塊計算出的高精度距離值lp，若當前測距目標的距離處於相位測距的第n+1個相位周期，那麼可以求出n為：

然後，可以求出高精度的實際距離l為：

l＝n·tp+lp

作為一種較佳的實施例，所述光源可以是雷射光源，但不限於雷射光源，也可以是其他可調製的光源。

作為一種較佳的實施例，所述粗精度測距方法可以採用直接脈衝測距方法或者隨即調製測距方法，但不限於這兩種方法，也可以是其他寬量程的測距方法。

本發明所達到的有益效果：本發明能夠同時兼顧高精度和寬量程，既可以應用在近距離測距，也可以應用在遠距離測距；本發明還可以應用於場景深度測量與3d成像、機器人視覺、手勢識別等應用中；本發明能夠準確的定位測距目標的距離位於相位測距的第幾個相位周期，從而獲得高精度的實際距離。

附圖說明

圖1是當時本發明的粗精度測距方法的測距目標距離與相位測距方法的相位周期的映射線形圖。

圖2是當時本發明的粗精度測距方法的測距目標距離與相位測距方法的相位周期的映射線形圖。

圖3是當時本發明的粗精度測距方法的測距目標距離與相位測距方法的相位周期的映射線形圖。

圖4是本發明的一種高精度、寬量程的測距系統的一個實施例的結構框圖。

圖中標記的含義：1-中央控制器，2-周期信號發射模塊，3-粗精度測距發射模塊，4-混合信號發射模塊，5-1-雷射光源，6-1-雷射探測器，7-帶通濾波器，8-adc1，9-adc2，10-粗精度測距接收模塊，11-周期信號接收模塊，12-實際距離計算模塊。

圖5是本發明的一種高精度、寬量程的測距系統的另一個實施例的結構框圖。

圖中標記的含義：1-中央控制器，2-周期信號發射模塊，3-粗精度測距發射模塊，4-混合信號發射模塊，5-2-led光源，6-2-led探測器，7-帶通濾波器，8-adc1，9-adc2，10-粗精度測距接收模塊，11-周期信號接收模塊，12-實際距離計算模塊。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。

本發明提供一種高精度、寬量程的測距方法，其特徵在於，測距方法通過將一種粗精度測距方法與相位測距方法相結合，利用粗精度測距方法調製光源獲得粗精度距離值，利用相位測距方法調製光源獲得一個相位周期內的高精度距離值，然後根據粗精度距離值和高精度距離值得出測距目標的距離位於相位測距的第幾個相位周期，最後計算出高精度的實際距離值。

作為一種較佳的實施例，具體包括如下步驟：

步驟ss1：配置相關參數，包括相位測距方法的周期信號頻率fp、粗精度測距方法的測距精度rr，轉入步驟ss2；

步驟ss2：根據相位測距方法和粗精度測距方法，同時發出相位測距方法的周期信號與粗精度測距方法的測距信號，轉入步驟ss3；

步驟ss3：將步驟ss2中的周期信號和測距信號疊加成混合信號，並用疊加後的混合信號驅動光源對測距目標發射出混合光信號，轉入步驟ss4；

步驟ss4：探測器接收到返回的步驟ss3中的混合光信號，將混合光信號轉化為混合電信號，然後分別轉入步驟ss5和步驟ss6；

步驟ss5：將步驟ss4中的混合電信號中的周期信號分離出來，進行相位測距計算，根據相位差求出一個相位周期內的高精度距離值lp，轉入步驟ss7；

步驟ss6：將步驟ss4中的混合電信號中的測距信號分離出來，根據粗精度測距方法求出粗精度距離值lr，轉入步驟ss7；

步驟ss7：根據步驟ss6中的粗精度距離值lr和步驟ss5中的高精度距離值lp計算出當前測距目標的距離處於相位測距的第幾個相位周期，然後計算出高精度的實際距離。

作為一種較佳的實施例，所述光源可以是雷射光源，但不限於雷射光源，也可以是其他可調製的光源。

作為一種較佳的實施例，所述粗精度測距方法可以採用直接脈衝測距方法或者隨即調製測距方法，但不限於這兩種方法，也可以是其他寬量程的測距方法。

作為一種較佳的實施例，步驟ss7具體包括：相位測距方法的周期信號頻率為fp，根據該頻率信號的相位測距的最大距離即一個相位周期tp為：

相位測距方法的相位周期為tp，粗精度測距方法的測距精度為rr，為保證能夠準確的定位測距目標的距離位於相位測距的第幾個相位周期，調整相位測距方法的相位周期為tp和粗精度測距方法的測距精度rr以滿足：

也就是說，粗精度測距方法的精度要小於相位測距方法的相位周期的一半。

作為一種較佳的實施例，粗精度測距方法得出粗精度距離值lr，相位測距方法得出一個相位周期內的高精度距離值lp，若當前測距目標的距離處於相位測距的第n+1個相位周期，那麼可以求出n為：

然後，可以求出高精度的實際距離l為：

l＝n·tp+lp

其中，相位測距方法的相位周期為tp，粗精度測距方法的測距精度為rr，的粗精度測距方法得出粗精度距離值lr，的相位測距方法得出一個相位周期內的高精度距離值lp。

作為一種較佳的實施例，所述光源可以是雷射光源，但不限於雷射光源，也可以是其他可調製的光源。

作為一種較佳的實施例，粗精度測距方法採用直接脈衝測距方法或者隨機調製測距方法，但不限於這兩種方法，也可以是其他寬量程的測距方法。

圖4和圖5是本發明的一種高精度、寬量程的測距系統的兩個實施例的結構框圖。本發明還提出一種高精度、寬量程的測距系統，其特徵在於，包括中央控制器1、周期信號發射模塊2、粗精度測距發射模塊3、混合信號發射模塊4、可調製光源、探測器、帶通濾波器7、adc18、adc29、粗精度測距接收模塊10、周期信號接收模塊11、實際距離計算模塊12，中央控制器1分別與周期信號發射模塊2、粗精度測距發射模塊3、混合信號發射模塊4、帶通濾波器7、adc18、adc29、粗精度測距接收模塊10、周期信號接收模塊11、實際距離計算模塊12相連接，周期信號發射模塊2的輸出端、粗精度測距發射模塊3的輸出端分別與混合信號發射模塊4的輸入端相連接，混合信號發射模塊4的輸出端與可調製光源的輸入端相連接，可調製光源的輸出端與探測器的輸入端相連接，探測器的輸出端分別與帶通濾波器7的輸入端、adc18的輸入端相連接；帶通濾波器7的輸出端與adc29的輸入端相連接，adc29的輸出端與周期信號接收模塊11的輸入端相連接，周期信號接收模塊11的輸出端與實際距離計算模塊12的輸入端相連接；adc18的輸出端與粗精度測距接收模塊10的輸入端相連接，粗精度測距接收模塊10的輸出端與實際距離計算模塊12的輸入端相連接。

作為一種較佳的實施例，中央控制器1配置相位測距方法的周期信號頻率fp、粗精度測距方法的測距精度rr、帶通濾波器7的帶寬、adc18與adc29的採樣頻率；周期信號發射模塊2與粗精度測距發射模塊3分別發出相位測距方法的周期信號與粗精度測距方法的測距信號輸送給混合信號發射模塊4；混合信號發射模塊4將周期信號和測距信號疊加，並將疊加後的混合光信號驅動可調製光源對測距目標發射出光線；探測器接收到返回的混合光信號，並將混合光信號轉化為混合電信號，分兩路分別輸出給帶通濾波器7和adc18；帶通濾波器7過濾掉混合電信號中的其他頻率信號，只允許周期信號對應頻率的信號通過，並輸出給adc29；adc29將周期信號對應頻率的電信號轉化為數位訊號後，輸出給周期信號接收模塊11；周期信號接收模塊11提取出周期信號，根據相位差求出一個相位周期內的高精度距離值；adc18將混合電信號轉化為數位訊號後，輸出給粗精度測距接收模塊10，粗精度測距接收模塊10根據其測距原理，求出粗精度距離值；實際距離計算模塊12根據粗精度距離值和高精度距離值計算出當前所測的距離處於相位測距的第幾個相位周期，並計算出高精度的實際距離。

作為一種較佳的實施例，所述相位測距方法的周期信號頻率為fp，根據該頻率信號的相位測距的最大距離即一個相位周期tp為：

所述的粗精度測距方法的測距精度為rr，所述的粗精度測距方法得出粗精度距離值為lr，所述的相位測距方法得出一個相位周期內的高精度距離值為lp，那麼根據粗精度測距方法可以知道測距目標距離的範圍在lr-rr到lr+rr之間，令:

lmin＝lr-rr

lmax＝lr-rr

當時，由粗精度測距方法得到的測距目標距離的範圍[lmin,lmax]必然會橫跨兩個或兩個以上相位測距的相位周期，如圖1所示，橫軸為相位測距的相位周期數，lr在相位測距的第n+1個相位周期內，lmin在第n個相位周期內，lmax在第n+1個相位周期內，p1為第n個相位周期內的相位測距值，p2為第n+1個相位周期內的相位測距值，當lmin-(n-1)tp<lp<lmax-ntp時，p1和p2均有可能是測距目標的實際距離，無法確定測距目標的準確值。

當時，由粗精度測距方法得到的測距目標距離的範圍[lmin,lmax]必然會橫跨兩個或三個相位測距的相位周期，如圖2所示，橫軸為相位測距的相位周期數，lr在相位測距的第n+1個相位周期內，lmin在第n個相位周期內，lmax在第n+1個相位周期內，p1為第n個相位周期內的相位測距值，p2為第n+1個相位周期內的相位測距值，當lp＝lmin-(n-1)tp＝lmax-ntp時，p1和p2均有可能是測距目標的實際距離，也無法確定測距目標的準確值。

當時，由粗精度測距方法得到的測距目標距離的範圍[lmin,lmax]最多橫跨兩個相位測距的相位周期，如圖3所示，橫軸為相位測距的相位周期數，lr在相位測距的第n+1個相位周期內，lmin在第n個相位周期內，lmax在第n+1個相位周期內，p1為第n個相位周期內的相位測距值，p2為第n+1個相位周期內的相位測距值，此時，p1與p2不可能同時落在[lmin,lmax]區間內，從而可以得到測距目標的準確值。

為保證能夠準確的定位測距目標的距離位於相位測距的第幾個相位周期，需要調整所述相位測距方法的相位周期tp和粗精度測距方法的測距精度rr以滿足：

也就是說，所述粗精度測距方法的測距精度小於所述相位測距方法的相位周期的一半。

作為一種較佳的實施例，的實際距離計算模塊12分別得到由粗精度測距接收模塊10計算出的粗精度距離值lr與由周期信號接收模塊11計算出的高精度距離值lp，若當前測距目標的距離處於相位測距的第n+1個相位周期，那麼可以求出n為：

然後，可以求出高精度的實際距離l為：

l＝n·tp+lp

作為一種較佳的實施例，所述粗精度測距方法可以採用直接脈衝測距方法或者隨即調製測距方法，但不限於這兩種方法，也可以是其他寬量程的測距方法。

作為一種較佳的實施例，可調製光源為雷射光源5-1或者led光源5-2，探測器為雷射探測器6-1或者led探測器6-2。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。