一种高精度、宽量程的测距方法及系统与流程

本发明涉及一种高精度、宽量程的测距方法及系统，属于测距技术领域。

背景技术：

目前市面上常用的测距产品包括3d摄像头(tof)等使用的测距方法主要有直接脉冲测距法、随机脉冲相关测距法、相位测距法等。

其中，直接脉冲测距法的测距原理是通过测量脉冲从发射端发出，经过被测目标返回至探测器之间的飞行时间，来计算距离信息，该方法一般用于远程测距，不适合近距离测距，且精度较低。

随机脉冲相关测距法的测距原理是通过计算发出的随机脉冲信号与返回的随机脉冲信号的互相关函数，来计算距离信息，该方法抗干扰能力强，一般适用于远程测距，其测距精度受随机信号的调制频率限制，精度较低。

相位测距法的测距原理是通过检测周期信号从发射端发出，经过被测目标返回至探测器之间的相位位移，来计算距离信息，该方法测量精度高，但由于是周期信号，其最大测量距离受最大相位位移2π的限制，后来提出的多频相位测距法使用2个或多个频率的周期信号来扩展测距量程，但依然受周期信号的周期限制，因此相位测距法一般用于短距离、高精度的测量场合。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种高精度、宽量程的测距方法及系统。本发明能够同时兼顾高精度和宽量程，既可以应用在近距离测距，也可以应用在远距离测距，另外还可以应用于场景深度测量与3d成像、机器人视觉、手势识别等应用中。

为解决上述技术问题，本发明提供一种高精度、宽量程的测距方法，其特征在于，所述测距方法通过将一种粗精度测距方法与相位测距方法相结合，利用粗精度测距方法调制光源获得粗精度距离值，利用相位测距方法调制光源获得一个相位周期内的高精度距离值，然后根据所述粗精度距离值和所述高精度距离值得出测距目标的距离位于相位测距的第几个相位周期，最后计算出高精度的实际距离值。

作为一种较佳的实施例，具体包括如下步骤：

步骤ss1：配置相关参数，包括相位测距方法的周期信号频率fp、粗精度测距方法的测距精度rr，转入步骤ss2；

步骤ss2：根据相位测距方法和粗精度测距方法，同时发出相位测距方法的周期信号与粗精度测距方法的测距信号，转入步骤ss3；

步骤ss3：将步骤ss2中的周期信号和测距信号叠加成混合信号，并用叠加后的混合信号驱动光源对测距目标发射出混合光信号，转入步骤ss4；

步骤ss4：探测器接收到返回的步骤ss3中的混合光信号，将混合光信号转化为混合电信号，然后分别转入步骤ss5和步骤ss6；

步骤ss5：将步骤ss4中的混合电信号中的周期信号分离出来，进行相位测距计算，根据相位差求出一个相位周期内的高精度距离值lp，转入步骤ss7；

步骤ss6：将步骤ss4中的混合电信号中的测距信号分离出来，根据粗精度测距方法求出粗精度距离值lr，转入步骤ss7；

步骤ss7：根据步骤ss6中的粗精度距离值lr和步骤ss5中的高精度距离值lp计算出当前测距目标的距离处于相位测距的第几个相位周期，然后计算出高精度的实际距离。

作为一种较佳的实施例，步骤ss7具体包括：相位测距方法的周期信号频率为fp，根据该频率信号的相位测距的最大距离即一个相位周期tp为：

相位测距方法的相位周期为tp，粗精度测距方法的测距精度为rr，为保证能够准确的定位测距目标的距离位于相位测距的第几个相位周期，调整相位测距方法的相位周期为tp和粗精度测距方法的测距精度rr以满足：

也就是说，粗精度测距方法的精度要小于相位测距方法的相位周期的一半。

作为一种较佳的实施例，所述光源可以是激光光源，但不限于激光光源，也可以是其他可调制的光源。

作为一种较佳的实施例，所述粗精度测距方法可以采用直接脉冲测距方法或者随即调制测距方法，但不限于这两种方法，也可以是其他宽量程的测距方法。

作为一种较佳的实施例，所述的粗精度测距方法得出粗精度距离值lr，所述的相位测距方法得出一个相位周期内的高精度距离值lp，若当前测距目标的距离处于相位测距的第n+1个相位周期，那么可以求出n为：

然后，可以求出高精度的实际距离l为：

l＝n·tp+lp

其中，相位测距方法的相位周期为tp，粗精度测距方法的测距精度为rr，的粗精度测距方法得出粗精度距离值lr，的相位测距方法得出一个相位周期内的高精度距离值lp。

本发明还提出一种高精度、宽量程的测距系统，其特征在于，包括中央控制器、周期信号发射模块、粗精度测距发射模块、混合信号发射模块、可调制光源、探测器、带通滤波器、adc1、adc2、粗精度测距接收模块、周期信号接收模块、实际距离计算模块，中央控制器分别与周期信号发射模块、粗精度测距发射模块、混合信号发射模块、带通滤波器、adc1、adc2、粗精度测距接收模块、周期信号接收模块、实际距离计算模块相连接，周期信号发射模块的输出端、粗精度测距发射模块的输出端分别与混合信号发射模块的输入端相连接，混合信号发射模块的输出端与可调制光源的输入端相连接，可调制光源的输出端与探测器的输入端相连接，探测器的输出端分别与带通滤波器的输入端、adc1的输入端相连接；带通滤波器的输出端与adc2的输入端相连接，adc2的输出端与周期信号接收模块的输入端相连接，周期信号接收模块的输出端与实际距离计算模块的输入端相连接；adc1的输出端与粗精度测距接收模块的输入端相连接，粗精度测距接收模块的输出端与实际距离计算模块12的输入端相连接。

作为一种较佳的实施例，中央控制器1配置相位测距方法的周期信号频率fp、粗精度测距方法的测距精度rr、带通滤波器的带宽、adc1与adc2的采样频率；周期信号发射模块与粗精度测距发射模块分别发出相位测距方法的周期信号与粗精度测距方法的测距信号输送给混合信号发射模块；混合信号发射模块将周期信号和测距信号叠加，并将叠加后的混合光信号驱动可调制光源对测距目标发射出光线；探测器接收到返回的混合光信号，并将混合光信号转化为混合电信号，分两路分别输出给带通滤波器和adc1；带通滤波器过滤掉混合电信号中的其他频率信号，只允许周期信号对应频率的信号通过，并输出给adc2；adc2将周期信号对应频率的电信号转化为数字信号后，输出给周期信号接收模块；周期信号接收模块提取出周期信号，根据相位差求出一个相位周期内的高精度距离值；adc1将混合电信号转化为数字信号后，输出给粗精度测距接收模块，粗精度测距接收模块根据其测距原理，求出粗精度的距离值；实际距离计算模块根据粗精度距离值和高精度距离值计算出当前所测的距离处于相位测距的第几个相位周期，并计算出高精度的实际距离。

作为一种较佳的实施例，相位测距方法的周期信号频率为fp，根据该频率信号的相位测距的最大距离即一个相位周期tp为：

为保证能够准确的定位测距目标的距离位于相位测距的第几个相位周期，需要调整相位测距方法的相位周期tp和粗精度测距方法的测距精度rr以满足：

也就是说，粗精度测距方法的测距精度小于相位测距方法的相位周期的一半。

作为一种较佳的实施例，的实际距离计算模块分别得到由粗精度测距接收模块计算出的粗精度距离值lr与由周期信号接收模块计算出的高精度距离值lp，若当前测距目标的距离处于相位测距的第n+1个相位周期，那么可以求出n为：

然后，可以求出高精度的实际距离l为：

l＝n·tp+lp

作为一种较佳的实施例，所述光源可以是激光光源，但不限于激光光源，也可以是其他可调制的光源。

作为一种较佳的实施例，所述粗精度测距方法可以采用直接脉冲测距方法或者随即调制测距方法，但不限于这两种方法，也可以是其他宽量程的测距方法。

本发明所达到的有益效果：本发明能够同时兼顾高精度和宽量程，既可以应用在近距离测距，也可以应用在远距离测距；本发明还可以应用于场景深度测量与3d成像、机器人视觉、手势识别等应用中；本发明能够准确的定位测距目标的距离位于相位测距的第几个相位周期，从而获得高精度的实际距离。

附图说明

图1是当时本发明的粗精度测距方法的测距目标距离与相位测距方法的相位周期的映射线形图。

图2是当时本发明的粗精度测距方法的测距目标距离与相位测距方法的相位周期的映射线形图。

图3是当时本发明的粗精度测距方法的测距目标距离与相位测距方法的相位周期的映射线形图。

图4是本发明的一种高精度、宽量程的测距系统的一个实施例的结构框图。

图中标记的含义：1-中央控制器，2-周期信号发射模块，3-粗精度测距发射模块，4-混合信号发射模块，5-1-激光光源，6-1-激光探测器，7-带通滤波器，8-adc1，9-adc2，10-粗精度测距接收模块，11-周期信号接收模块，12-实际距离计算模块。

图5是本发明的一种高精度、宽量程的测距系统的另一个实施例的结构框图。

图中标记的含义：1-中央控制器，2-周期信号发射模块，3-粗精度测距发射模块，4-混合信号发射模块，5-2-led光源，6-2-led探测器，7-带通滤波器，8-adc1，9-adc2，10-粗精度测距接收模块，11-周期信号接收模块，12-实际距离计算模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种高精度、宽量程的测距方法，其特征在于，测距方法通过将一种粗精度测距方法与相位测距方法相结合，利用粗精度测距方法调制光源获得粗精度距离值，利用相位测距方法调制光源获得一个相位周期内的高精度距离值，然后根据粗精度距离值和高精度距离值得出测距目标的距离位于相位测距的第几个相位周期，最后计算出高精度的实际距离值。

作为一种较佳的实施例，具体包括如下步骤：

步骤ss1：配置相关参数，包括相位测距方法的周期信号频率fp、粗精度测距方法的测距精度rr，转入步骤ss2；

步骤ss2：根据相位测距方法和粗精度测距方法，同时发出相位测距方法的周期信号与粗精度测距方法的测距信号，转入步骤ss3；

步骤ss3：将步骤ss2中的周期信号和测距信号叠加成混合信号，并用叠加后的混合信号驱动光源对测距目标发射出混合光信号，转入步骤ss4；

步骤ss4：探测器接收到返回的步骤ss3中的混合光信号，将混合光信号转化为混合电信号，然后分别转入步骤ss5和步骤ss6；

步骤ss5：将步骤ss4中的混合电信号中的周期信号分离出来，进行相位测距计算，根据相位差求出一个相位周期内的高精度距离值lp，转入步骤ss7；

步骤ss6：将步骤ss4中的混合电信号中的测距信号分离出来，根据粗精度测距方法求出粗精度距离值lr，转入步骤ss7；

步骤ss7：根据步骤ss6中的粗精度距离值lr和步骤ss5中的高精度距离值lp计算出当前测距目标的距离处于相位测距的第几个相位周期，然后计算出高精度的实际距离。

作为一种较佳的实施例，所述光源可以是激光光源，但不限于激光光源，也可以是其他可调制的光源。

作为一种较佳的实施例，所述粗精度测距方法可以采用直接脉冲测距方法或者随即调制测距方法，但不限于这两种方法，也可以是其他宽量程的测距方法。

作为一种较佳的实施例，步骤ss7具体包括：相位测距方法的周期信号频率为fp，根据该频率信号的相位测距的最大距离即一个相位周期tp为：

相位测距方法的相位周期为tp，粗精度测距方法的测距精度为rr，为保证能够准确的定位测距目标的距离位于相位测距的第几个相位周期，调整相位测距方法的相位周期为tp和粗精度测距方法的测距精度rr以满足：

也就是说，粗精度测距方法的精度要小于相位测距方法的相位周期的一半。

作为一种较佳的实施例，粗精度测距方法得出粗精度距离值lr，相位测距方法得出一个相位周期内的高精度距离值lp，若当前测距目标的距离处于相位测距的第n+1个相位周期，那么可以求出n为：

然后，可以求出高精度的实际距离l为：

l＝n·tp+lp

其中，相位测距方法的相位周期为tp，粗精度测距方法的测距精度为rr，的粗精度测距方法得出粗精度距离值lr，的相位测距方法得出一个相位周期内的高精度距离值lp。

作为一种较佳的实施例，所述光源可以是激光光源，但不限于激光光源，也可以是其他可调制的光源。

作为一种较佳的实施例，粗精度测距方法采用直接脉冲测距方法或者随机调制测距方法，但不限于这两种方法，也可以是其他宽量程的测距方法。

图4和图5是本发明的一种高精度、宽量程的测距系统的两个实施例的结构框图。本发明还提出一种高精度、宽量程的测距系统，其特征在于，包括中央控制器1、周期信号发射模块2、粗精度测距发射模块3、混合信号发射模块4、可调制光源、探测器、带通滤波器7、adc18、adc29、粗精度测距接收模块10、周期信号接收模块11、实际距离计算模块12，中央控制器1分别与周期信号发射模块2、粗精度测距发射模块3、混合信号发射模块4、带通滤波器7、adc18、adc29、粗精度测距接收模块10、周期信号接收模块11、实际距离计算模块12相连接，周期信号发射模块2的输出端、粗精度测距发射模块3的输出端分别与混合信号发射模块4的输入端相连接，混合信号发射模块4的输出端与可调制光源的输入端相连接，可调制光源的输出端与探测器的输入端相连接，探测器的输出端分别与带通滤波器7的输入端、adc18的输入端相连接；带通滤波器7的输出端与adc29的输入端相连接，adc29的输出端与周期信号接收模块11的输入端相连接，周期信号接收模块11的输出端与实际距离计算模块12的输入端相连接；adc18的输出端与粗精度测距接收模块10的输入端相连接，粗精度测距接收模块10的输出端与实际距离计算模块12的输入端相连接。

作为一种较佳的实施例，中央控制器1配置相位测距方法的周期信号频率fp、粗精度测距方法的测距精度rr、带通滤波器7的带宽、adc18与adc29的采样频率；周期信号发射模块2与粗精度测距发射模块3分别发出相位测距方法的周期信号与粗精度测距方法的测距信号输送给混合信号发射模块4；混合信号发射模块4将周期信号和测距信号叠加，并将叠加后的混合光信号驱动可调制光源对测距目标发射出光线；探测器接收到返回的混合光信号，并将混合光信号转化为混合电信号，分两路分别输出给带通滤波器7和adc18；带通滤波器7过滤掉混合电信号中的其他频率信号，只允许周期信号对应频率的信号通过，并输出给adc29；adc29将周期信号对应频率的电信号转化为数字信号后，输出给周期信号接收模块11；周期信号接收模块11提取出周期信号，根据相位差求出一个相位周期内的高精度距离值；adc18将混合电信号转化为数字信号后，输出给粗精度测距接收模块10，粗精度测距接收模块10根据其测距原理，求出粗精度距离值；实际距离计算模块12根据粗精度距离值和高精度距离值计算出当前所测的距离处于相位测距的第几个相位周期，并计算出高精度的实际距离。

作为一种较佳的实施例，所述相位测距方法的周期信号频率为fp，根据该频率信号的相位测距的最大距离即一个相位周期tp为：

所述的粗精度测距方法的测距精度为rr，所述的粗精度测距方法得出粗精度距离值为lr，所述的相位测距方法得出一个相位周期内的高精度距离值为lp，那么根据粗精度测距方法可以知道测距目标距离的范围在lr-rr到lr+rr之间，令:

lmin＝lr-rr

lmax＝lr-rr

当时，由粗精度测距方法得到的测距目标距离的范围[lmin,lmax]必然会横跨两个或两个以上相位测距的相位周期，如图1所示，横轴为相位测距的相位周期数，lr在相位测距的第n+1个相位周期内，lmin在第n个相位周期内，lmax在第n+1个相位周期内，p1为第n个相位周期内的相位测距值，p2为第n+1个相位周期内的相位测距值，当lmin-(n-1)tp<lp<lmax-ntp时，p1和p2均有可能是测距目标的实际距离，无法确定测距目标的准确值。

当时，由粗精度测距方法得到的测距目标距离的范围[lmin,lmax]必然会横跨两个或三个相位测距的相位周期，如图2所示，横轴为相位测距的相位周期数，lr在相位测距的第n+1个相位周期内，lmin在第n个相位周期内，lmax在第n+1个相位周期内，p1为第n个相位周期内的相位测距值，p2为第n+1个相位周期内的相位测距值，当lp＝lmin-(n-1)tp＝lmax-ntp时，p1和p2均有可能是测距目标的实际距离，也无法确定测距目标的准确值。

当时，由粗精度测距方法得到的测距目标距离的范围[lmin,lmax]最多横跨两个相位测距的相位周期，如图3所示，横轴为相位测距的相位周期数，lr在相位测距的第n+1个相位周期内，lmin在第n个相位周期内，lmax在第n+1个相位周期内，p1为第n个相位周期内的相位测距值，p2为第n+1个相位周期内的相位测距值，此时，p1与p2不可能同时落在[lmin,lmax]区间内，从而可以得到测距目标的准确值。

为保证能够准确的定位测距目标的距离位于相位测距的第几个相位周期，需要调整所述相位测距方法的相位周期tp和粗精度测距方法的测距精度rr以满足：

也就是说，所述粗精度测距方法的测距精度小于所述相位测距方法的相位周期的一半。

作为一种较佳的实施例，的实际距离计算模块12分别得到由粗精度测距接收模块10计算出的粗精度距离值lr与由周期信号接收模块11计算出的高精度距离值lp，若当前测距目标的距离处于相位测距的第n+1个相位周期，那么可以求出n为：

然后，可以求出高精度的实际距离l为：

l＝n·tp+lp

作为一种较佳的实施例，所述粗精度测距方法可以采用直接脉冲测距方法或者随即调制测距方法，但不限于这两种方法，也可以是其他宽量程的测距方法。

作为一种较佳的实施例，可调制光源为激光光源5-1或者led光源5-2，探测器为激光探测器6-1或者led探测器6-2。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。