本發(fā)明涉及激光測距信號處理領域，尤其涉及一種基于光強半連續(xù)方波調制下多次飛行時間測量的激光測距方法與系統(tǒng)。

背景技術：
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激光測距是激光技術應用的一個主要方面，由于激光具有的高相干性、方向性、單色性等優(yōu)點，激光測距系統(tǒng)能夠實現(xiàn)遠距離、高精度的測距功能。激光測距系統(tǒng)主要分為脈沖光測距和連續(xù)光測距兩類，其中后者多通過對連續(xù)發(fā)射的光信號進行調制，并從采集的回波信號中提取出距離信息。在連續(xù)光調制激光測距系統(tǒng)中，更高的調制頻率和激光功率能有效提升測距精度和測距速度，但受限于現(xiàn)有激光器技術，正弦調制的連續(xù)激光器在頻率和功率上不能同時達到很高的量級，制約了測距性能的提升。相比正弦調制，方波調制的連續(xù)激光器只需要對激光器進行快速的開關操作，在調制頻率、功率和調制深度上都能達到更高的性能指標，在方波調制體系下獲取距離信息將是提高激光測距系統(tǒng)性能的有效手段。

現(xiàn)有的方法之一為文獻[1]所述的利用遠高于方波調制頻率的采樣頻率對回波信號進行采樣和傅里葉變換獲取其多個高次諧波，計算出基波和諧波各自的相位信息后再拼接成最終的距離測量結果，然而該方法需要幾十倍于方波調制頻率的采樣率以獲取高次諧波分量，難以應用在方波基頻本身較高的場合。

另一種方法為文獻[2]提出的采用同一方波信號同時作為激光輸出調制信號和積分型回波探測器的門控使能信號，得到隨目標距離變化的積分值輸出，并采用多次移相測量解決距離不確定性問題，但該方法原理上要求回波信號和門控信號接近理想方波才能達到較高的測距精度，在調制頻率較高時對回波信號上升時間要求苛刻。

因此，針對上述需求和現(xiàn)有技術問題，本發(fā)明提供了一種高測量速度、可實現(xiàn)的方波調制激光測距方法，以充分利用連續(xù)方波調制激光器的優(yōu)良性能。

[1]劉國光.基于方波的相位式激光測距系統(tǒng)的研究[D].浙江大學,2004.

[2]Muguira M R,Sackos J T,Bradley B D.Scannerless range imaging with a square wave[C].SPIE's 1995 Symposium on OE/Aerospace Sensing and Dual Use Photonics.International Society for Optics and Photonics,1995:106-113.

技術實現(xiàn)要素：
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本文介紹了一種新型激光測距方法，該方法基于光強半連續(xù)方波調制下多次飛行時間測量，實現(xiàn)了連續(xù)光方波調制下的距離信息提取，能充分發(fā)揮方波調制激光器的優(yōu)良性能，實現(xiàn)高測距速度和高測距精度的測距系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種激光測距方法，其特征在于：具體包括如下步驟：

1)測距開始后，產生一組包含多個相同方波的半連續(xù)調制信號對發(fā)射激光光強進行調制；

2)經(jīng)過目標表面反射的回波光信號被激光測距系統(tǒng)部分接收，并被光電探測器轉換成電信號；

3)將電信號經(jīng)過高通濾波后，得到只保留方波調制信號頻率分量的信號，輸入到過零比較模塊，得到多個翻轉信號；

4)測量從測距開始到每個翻轉信號間的時間差，并將每個翻轉信號對應的時間差減去其序號與方波調制周期的乘積，第一個翻轉信號的序號視為0，以此類推，得到校正后的每個時間差值，其中翻轉信號可采用其上升沿或下降沿；

5)由校正后的多個時間差值取平均后得到半連續(xù)調制信號飛行時間，并按光速換算成目標距離值。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種實現(xiàn)上述方法中所述的基于光強半連續(xù)方波調制下多次飛行時間測量的激光測距系統(tǒng)，其包括：

主控模塊，由數(shù)字邏輯器件或微處理器構成；

激光發(fā)射模塊，由激光驅動電路、連續(xù)激光器和發(fā)射光學鏡頭組成；

激光接收模塊，由接收光學鏡頭、光電探測器、信號放大器和高通濾波電路組成；

電壓比較模塊，由數(shù)字電位器和電壓比較器組成；

時間測量模塊，由時間測量芯片或數(shù)字邏輯器件中的時間測量模塊組成；

數(shù)據(jù)傳輸或顯示模塊，由數(shù)據(jù)傳輸模塊或顯示模塊組成。

上述系統(tǒng)的工作流程為：當一次測距開始時，主控模塊向激光發(fā)射模塊的驅動電路發(fā)送測距開始信號，后者發(fā)出一組包含多個相同方波的調制信號調制連續(xù)激光器的發(fā)射激光光強，目標反射的回波光信號被激光接收模塊的接收光學鏡頭接收，并經(jīng)過光電探測器轉變?yōu)殡娦盘柡?，再?jīng)信號放大器和高通濾波電路完成信號放大和低頻分量濾除，保留了方波翻轉信號的回波信號將輸入到電壓比較器的一端，其另一端由數(shù)字電位器設定閾值電壓，電壓比較器對方波調制波形中的跳變沿中位點進行識別，得到翻轉信號，輸入到時間測量模塊中測量翻轉信號的時刻，并將結果輸出到主控模塊進行距離信息提取，以供后續(xù)傳輸或顯示。

上述方案利用高通濾波去除回波信號中的低頻分量后再經(jīng)過電壓過零比較器，所測得的翻轉時間不受回波幅值的影響，從而實現(xiàn)了方波調制下的距離測量。另一方面，方波調制的激光器可以達到很高的頻率和功率，因此在一次測距過程中一組半連續(xù)調制波形可包含多個相同的方波信號，得到多個翻轉時間，相當于在很短的時間內對同一目標進行了多次重復測量，有效的提高了測距精度和測距速度。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括：

1、實現(xiàn)成本低：該方法用電壓比較器和時間數(shù)字轉換器對回波信號進行電壓域的采樣以提取距離信息，當方波調制頻率升高時基本不會增加系統(tǒng)的負擔，而常用的頻域鑒相法所需的采樣率與方波調制頻率成正比。

2、測距速度快：最短測距間隔取決于方波調制頻率，可在有限時間內完成對同一目標的多次重復測量以提高測距精度，或應用于掃描型激光雷達獲取多點距離信息。而傳統(tǒng)的處理幅值變化誤差的恒比定時電路為完成衰減、延時、相加等操作需要大量的模擬電路，容易受到外部溫度、噪聲的影響，同時無法應對MHz級別的快速測量。

3、無最大測程限制：采用飛行時間的測距原理，不會像相位調制法一樣有最大測程限制。

附圖說明：

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的有關本發(fā)明的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明基于光強半連續(xù)方波調制下多次飛行時間測量的激光測距原理示意圖。

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)框架示意圖。

具體實施方式：

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行詳細地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明方法的系統(tǒng)實現(xiàn)范例如圖1所示，當一次測距開始時，主控模塊向激光發(fā)射模塊的驅動電路發(fā)送測距開始信號，后者發(fā)出一組包含多個相同方波的調制信號調制連續(xù)激光器的發(fā)射激光光強，目標反射的回波光信號被激光接收模塊的接收光學鏡頭接收，并經(jīng)過光電探測器轉變?yōu)殡娦盘柡?，再?jīng)信號放大器和高通濾波電路完成信號放大和低頻分量濾除，保留了方波翻轉信號的回波信號將輸入到電壓比較器的一端，其另一端由數(shù)字電位器設定閾值電壓，電壓比較器對方波調制波形中的跳變沿中位點進行識別，得到翻轉信號，輸入到時間測量模塊中測量翻轉信號的時刻，后者輸出時間測量數(shù)據(jù)到主控模塊，并在其中提取出半連續(xù)調制方波發(fā)射和接收之間的飛行時間T,由光速c和計算出目標距離，傳遞到顯示或傳輸模塊以供后續(xù)使用。

圖2為圖1的系統(tǒng)實現(xiàn)范例中所標注的a-e各信號的時序關系示意圖，反映了基于光強半連續(xù)方波調制下多次飛行時間測量的激光測距原理，其中：

a為主控模塊發(fā)出的測距開始信號；

b為激光驅動模塊產生的一組半連續(xù)調制信號，包含若干個周期相等的方波信號；

c為回波光信號被激光接收模塊探測后轉變成的電信號：

d為經(jīng)過高通濾波后濾除低頻分量的回波電信號；

e為回波電信號經(jīng)過電壓比較器產生的翻轉信號。

由于半連續(xù)調制信號中包含多個等間距方波，因此將產生多個翻轉信號，測量開始信號到每個翻轉信號的時間值，并根據(jù)翻轉信號對應的方波周期數(shù)進行校正對齊第一個翻轉信號的發(fā)生時刻，即第一個翻轉信號時間值即為實際測量值，第二個翻轉信號時間值為實際測量值減去一個方波周期，以此類推，可得到對同一目標的多次測量結果，再取平均可得到精確的飛行時間測量結果，進而換算成距離值。

對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發(fā)明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。