[发明专利]一种脉冲激光测距的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种距离检测领域，更具体地说，涉及一种脉冲激光测距的方法和装置。

背景技术

激光脉冲式测距系统越来越广泛的应用于测距领域，脉冲式激光测距系统通过测量测距仪器所发射的激光脉冲，从发出到从目标反射回测距仪的接收系统所经历的间隔时间ΔT，来计算测距仪和目标之间的距离。所谓激光脉冲的持续时间非常短暂、通常为几到几十纳秒不等。通过采用光电转换材料，激光脉冲能够被转换成电脉冲，也就是由光电转换系统输出的一个瞬时高电压。因此，测距问题被转化为对发射电脉冲（初始脉冲信号）P0（对应被发射的激光脉冲）和接收电脉冲（原反射脉冲信号）Pr（对应被接收到的反射激光脉冲）之间的时间的测量。

所述激光脉冲的上升沿较为陡峭，下降沿较为平缓。在激光脉冲式测距系统中所谓“测量两个电脉冲之间的时间间隔”，确切的说就是“测量两个电脉冲上升沿上某两点之间的时间间隔”，这两个点称为时间测量的启动点D0和停止点Dr，对应的绝对时间为起始时间T0和终止时间Tr，所需测量的间隔时间ΔT=Tr-T0，实测距离Z=C×ΔT/2，其中C为测量环境下的光速。激光的传播速度约为3×10⁸米/秒，每纳秒的传播距离约为30cm，当脉冲信号波形上的启动点D0和终止点Dr在脉冲上发生偏移时，所述测量得到的起始时间T0和终止时间Tr也会发上改变，间隔时间ΔT也会发上变化，并且每当间隔时间ΔT的测量结果偏差1纳秒，测量距离的结果就会造成约15cm的测量偏差。因此，在脉冲式激光测距系统时间测量电路的设计中，启动点D0和停止点Dr的确定成为影响距离测量精度的关键因素。

在实际的测距电路设计中，确定D0和Dr的基本方法是预先确定一个电压门限VH，电脉冲到达时，用其上升沿上第一个超越的电压门限VH的点作为启动点D0或停止点Dr，确定起始时间T0或终止时间Tr。

对于初始脉冲信号P0而言，其波形对应于测距系统自身发射的激光脉冲的波形，其幅度和形状是预知的，起始时间T0比较容易确定，不会有明显的偏差；对于原反射脉冲信号Pr而言，其波形对应于从被测目标表面反射回测距系统的激光脉冲的波形。一般被测目标表面对激光脉冲的反射能力千差万别，同时实际的反射光强度平方反比于传播距离，因此，测距系统实际接收到的反射激光脉冲的强度差异非常大。例如，1米距离上的镜面反射目标与50米距离上的黑色表面漫反射目标相比，所反射的激光强度的差异会达到上亿倍，因此，直接接收的原反射脉冲信号Pr可能非常微弱，不能直接用于测量，需要进行放大，在放大之后的波形上确定终止点Dr。

所有计时电路都有一个适合自己的信号输入范围，通常在0.1~2V间，信号在此范围内才能相对准确的计时，否则可能会带来较大误差。由于被测目标的距离及其表面反射特性都是不可预知的，常用的脉冲式激光测距系统中，原反射脉冲信号Pr所需的放大倍数只能根据“最远距离上最弱反射目标可被测量”的原则来确定，因此，需要的放大倍数非常巨大，例如，10⁸倍。这样的放大倍数对于近距离目标或较远距离上的强反射目标而言太大了，导致一系列严重问题，例如：波形失真、波形震荡和误测量等。

当波形失真时，由于接收到的反射脉冲信号Pr被过分放大，使终止点Dr在所述反射脉冲信号Pr的上升沿上前移，最终导致测量结果与实际距离相比变小。

当波形震荡时，反射脉冲Pr的波形会在正负电压之间来回翻转，余波持续时间很长，对于高频度连续测量的测距系统，波形振荡会直接干扰下一次测量，导致下一次测量结果不可靠。

所述误测量是指：由于存在环境杂光干扰（如周围目标反射的太阳光），测距接收电路中存在噪声信号。如果接收脉冲被过分放大，噪声信号也可能会被放大到足够大的水平，如果噪声信号产生的波形超过了电压门限VH时，同样记录起始时间T0或终止时间Tr，这样就会导致得到无意义的测量结果。

所以，现有技术中的激光脉冲式测距系统通常采用单点多次测量的方法来测距，即在测量过程中，对同一被测目标采用自动增益法进行多次测量，然后选择一个居中的，或者根据上次测量结果预测得到的放大倍数进行测量，再参考本次放大信号的幅度，如果幅度合适，即表明测量结果的精度可以得到保证，否则调整增益水平，确保输出信号有合适的幅值，再进行有效测量，得到较为精确的结果。

所述自动增益法即为：对接收到的信号进行自动增益控制，探测器探测到的幅度相差巨大的信号送入自动增益控制放大器，放大器的增益根据输入信号强度而自动调整，在接收弱信号时，自动增益控制放大器的增益变高，而接收强信号时，自动增益控制放大器增益变低，保证从而使输出信号保持适当的电平。