时点鉴别方法、时点鉴别电路系统及激光测距系统与流程

本发明是涉及一种用于脉冲式激光测距系统，或基于不同光束扫描方式的二维或三维激光雷达系统的时点鉴别方法、时点鉴别电路系统及激光测距系统，属于激光距离测量技术领域。

背景技术：

基于飞行时间法的脉冲式三维激光雷达由于采用了脉冲式激光器作为光源，具有测量距离远、频率高、功耗低等特点，被广泛用于三维建模、环境感知等领域。飞行时间法的脉冲式三维激光雷达记录激光脉冲发射时刻与漫反射回波脉冲接收时刻的时间差δt，乘以光速c，可以计算出激光雷达与被测物体的往返距离。通过俯仰方向与水平方向光束扫描，便可得到被测物体的三维形貌信息。

现有技术中影响距离测量精度的一个重要因素是激光脉冲发射时刻与回波接收时刻的时间差δt的测量精度。根据飞行时间法测距公式：

式中，l为被测距离，c为光速。从上式可以算出，1ns的计时误差会引入15cm的测距误差。由于发射激光脉冲经不同反射率物体漫反射后，回波脉冲幅值变化很大。对于激光脉冲宽度为5至10纳秒脉冲式激光雷达，通过恒定电平来判断回波脉冲到来时刻会引起纳秒级时间测量误差，也就是几十厘米的距离测量误差，严重影响了三维激光雷达的应用范围和测量精度。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够提高激光雷达距离测量精度的时点鉴别方法、时点鉴别电路系统及激光测距系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种时点鉴别方法，其特征在于，包括以下内容：将测量时探测得到的回波脉冲分为两路；一路进行峰值保持处理，峰值保持处理用于将回波脉冲转化为一个直流电平，直流电平电压值为回波脉冲的峰值电压，并对直流电平进行设定比例的衰减；另一路进行延迟处理，延迟处理用于对回波脉冲进行纳秒级延迟，延迟量应确保大于峰值保持与衰减引起的时间延迟；将衰减后的直流电平和延迟后的回波脉冲进行电压值比较，并将电压值比较结果发生变化的时刻作为回波脉冲到来时刻，当回波脉冲的幅值发生变化时，时点鉴别电平的电压值也随之变化，实现不依赖与回波强度的时点鉴别。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种时点鉴别电路系统，其特征在于，该电路系统包括峰值保持器、衰减器、延迟器和比较器；所述峰值保持器用于将回波脉冲的峰值保持为一个直流电平并发送到所述衰减器，所述衰减器用于对直流电平进行设定比例的衰减，所述延迟器用于将所述回波脉冲进行纳秒级的延迟，所述衰减器和延迟器的输出信号均发送到所述比较器进行比较处理获得回波脉冲到来时刻。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种激光测距系统，其特征在于，该测距系统包括主控制器、脉冲式激光器、第一～第二探测器、第一～第二放大器、第一比较器、计时电路以及所述的时点鉴别电路系统；所述主控制器控制所述脉冲式激光器发出探测脉冲，所述脉冲式激光器发出的激光脉冲分成两路光；其中一路光发射到所述第一探测器，所述第一探测器将光信号进行光电转换后发送到所述第一放大器，所述第一放大器和恒定电平信号分别连接所述第一比较器的两输入端，所述第一比较器的输出端连接所述计时电路作为计时开始信号；另一路光作为探测脉冲发射到被测物体，经被测物体漫反射的信号发射到所述第二探测器，所述第二探测器将光信号进行光电转换后发射到所述第二放大器，经所述第二放大器输出的信号分别发送到所述峰值保持器和延迟器，所述比较器输出的信号作为触发信号发送到所述计时电路作为计时结束信号，所述计时电路记录计时开始信号与计时结束信号之间的时间差并发送到所述主控制器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明利用不依赖于回波脉冲强度的时点鉴别方法，可以在单次回波中完成计时器停止触发信号的生成，不会降低激光雷达的探测效率。2、本发明使用峰值保持而不是数模转换器获取回波脉冲峰值，省去了数模转换时间，同时降低了系统的成本，在高速激光雷达的应用中具有重大意义。3、本发明使激光雷达探测不同反射率物体回波脉冲到来时刻计时点不依赖于回波强度，提高了三维激光雷达距离测量精度，增强了三维激光雷达对不同表面反射率目标的适应能力。本发明可以广泛应用于脉冲式激光测距系统，或基于不同光束扫描方式的二维或三维激光雷达系统的测距中。

附图说明

图1是本发明的不依赖于回波强度的时点鉴别方法原理图；

图2是本发明的时点鉴别方法；

图3是本发明的基于时点鉴别方法的激光测距系统。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

由飞行时间法脉冲式三维激光雷达原理可知，三维激光雷达的测距核心是一个基于飞行时间法的脉冲式测距系统，因此本发明提出的时点鉴别方法同样适用于脉冲式激光测距系统，或基于不同光束扫描方式的二维或三维激光雷达系统。

如图1所示，图中三个不同幅值的回波来自于同一距离不同反射率的目标，如果都采用统一的恒定电平v3进行时点鉴别，则回波1对应计时点t1，回波2对应计时点t2，回波3对应计时点t3，t1与t3、t2与t3的时间差就是计时点误差，会引起测距误差。如果分别使用v1、v2、v3对回波1、回波2、回波3进行时点鉴别(即判断回波到来时刻)，且v1、v2、v3与回波1、回波2、回波3峰值比值相同，则理论上回波1、回波2和回波3的计时点都为t3，不存在计时误差。

基于上述原理，为了实现上述恒定比时点鉴别，本发明提供了一种时点鉴别方法，包括以下内容：在每次测距时，首先对回波脉冲进行峰值测量或峰值保持，利用一定比例(例如70％)衰减的脉冲峰值电压作为当前回波脉冲的时点鉴别电平。

如图2所示，本发明的时点鉴别方法的具体实现过程为：测距时将探测得到的回波脉冲分为两路，一路进行峰值保持处理，峰值保持处理用于将回波脉冲转化为一个直流电平，直流电平电压值为回波脉冲的峰值电压；并对直流电平进行设定比例的衰减，例如70％，衰减后的输出如图1中v1所示；另一路进行延迟处理，延迟处理实现对回波脉冲的纳秒级延迟，延迟量应确保大于峰值保持与衰减引起的时间延迟，延迟处理的输出如图1中回波1所示。将衰减后的直流电平和延迟后的回波脉冲进行电压值比较，并将电压值比较结果发生变化的时刻作为回波脉冲到来时刻，当回波脉冲的幅值发生变化时，时点鉴别电平的电压值也随之变化，实现不依赖与回波强度的时点鉴别。如图1中t1所示。当回波脉冲的幅值发生变化时，时点鉴别电平的电压值也随之变化，实现了如图1所示的不依赖与回波强度的时点鉴别。

如图3所示，基于本发明的时点鉴别方法，本发明还提出不依赖于回波强度的测距系统，包括主控制器1、脉冲式激光器2、分光镜3、第一～第二探测器4～5、第一～第二放大器6～7、第一比较器8、计时电路9和时点鉴别电路系统10，时点鉴别电路系统10包括峰值保持器11、延迟器12、衰减器13和第二比较器14。

主控制器1控制脉冲式激光器2发出探测脉冲，开始一次距离测量过程。

脉冲式激光器2发出的激光脉冲经由分光镜3分成两路光，经分光镜3反射的一路光通过一反射镜输出到第一探测器4，第一探测器4将光信号进行光电转换后发送到第一放大器6，第一放大器6和恒定电平信号分别连接第一比较器8的两输入端，第一比较器8的输出端连接计时电路9作为计时开始信号即激光脉冲发射时刻。计时电路9实现记录计时开始信号与计时结束信号(即激光回波脉冲到来时刻)之间的时间差δt。

经分光镜3透射的另一路光作为探测脉冲发射到被测物体，经被测物体漫反射的信号发射到第二探测器5。第二探测器5将光信号进行光电转换后发射到第二放大器7，经第二放大器7输出的信号分别发送到峰值保持器11和延迟器12，峰值保持器11实现将回波脉冲的峰值保持为一个直流电平；延迟器12实现将回波脉冲进行纳秒级的延迟，确保延迟量大于峰值保持器与衰减器引起的延迟。峰值保持器11输出的信号发送到衰减器13，衰减器13实现对峰值保持器11输出的直流电平进行设定比例的衰减。衰减器13和延迟器13的输出信号发送到第二比较器14，完成不依赖与回波强度的时点鉴别。第二比较器14输出的信号作为触发信号发送到计时电路9作为计时结束信号即激光回波脉冲到来的时刻。

计时电路9记录计时开始信号(即激光脉冲发射时刻)与计时结束信号(即激光回波脉冲到来时刻)之间的时间差δt，将δt作为此次测量的结果发送至主控制器1。

主控制器1根据δt实现下式的计算，得到此次测量的距离值l：

式中，c为光速。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。