激光测距的信号处理方法及装置

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技术领域\n本发明是与激光测距仪有关，特别是提供一种激光测距仪的信号处 理方法及装置，其是在不提高取样周期及取样次数的前提下，有效提升 激光测距仪的精确度，并节省激光测距仪所须的存储器。\n背景技术\n激光测距仪(Laser Range Finde)是测量距离的重要装置之一，习 用的激光测距仪是使用一脉冲(pulse)型态的激光发射器来发射约10 ns-20ns的激光脉冲(laser pulse)至一目标物上。由该目标物来反射 的激光信号经由一激光接收器(laser receiver)来接收，并藉由下列公式 (1)来计算出距离：\nTd＝2L/C………………………………………………(1)\n公式(1)式中L代表该激光测距仪与目标物间的距离，C代表光 速，Td代表发射激光脉冲与接收到的激光脉冲间的延迟时间。根据公式 (1)来测量Td可计算出精确的距离。为了要精确的测量Td，需要尽 可能的将激光发射功率增强，或是将激光接收器所接收到由日光及阳光 所产生的杂讯排除掉。美国专利第3,644,740号案是揭露一接收电路， 藉由控制该接收电路的电路偏压来取得错误警报，进而改善该接收电路 的信号-杂讯比。美国专利第4,569,599号案是揭露一计时(counting)控 制技术，用以侦测距离信号。美国专利第4,770,526号案是揭露一技术， 藉由放大时间延迟信号来增加距离侦测的结果值。另外，一数字测距的 技术亦揭露于美国专利第3,959,641号案中，用以降低激光接收器的临 界电压，藉以增加测量距离。\n为了因应不同的状况，美国专利5,612,779中还揭出一种可自动调 整门槛电压(Threshold Voltage)的设计。在该前案中，门槛电压可随目 标物的反射信号强度变化，务使在不同环境中，仍可设定出一介于杂讯 及目标物信号强度之间的门槛电压。上述专利案件的主要功效在于增加 测量距离以及精准度。\n欲提升激光测距仪的接收能力及量测的精确度，常见的作法为采用 高速取样统计法和提高取样周期及取样次数，以使取样所得的时间点更 接近于实际接收反射激光信号的时间点，利用该时间资料进行计算即可 得到更精确的距离资料；然此法却有下列缺点：\n1.在取样过程中须将取样的各个参考点记录下来，故对相同测距 区间而言，取样周期越高须设置存储器容量越大，而增加取样次数亦会 占用较大的储存空间，故须较大容量的存储器，此亦提高了制造成本；\n2.提高取样周期及取样次数须使用更高速的元件，其成本较高且 耗电量较大。\n发明内容\n本发明的主要目的即在提供一种激光测距的信号处理方法及装置， 其可在相同测距区间，不提高取样周期的前提下，大幅提升测距精确度。\n本发明的次一目的乃在提供一种激光测距的信号处理方法及装置， 其可在相同测距区间中，分割多块量测区间，使所需的存储器容量大量 降低，进而节省成本。\n缘是，依据本发明所提供的一种激光测距的信号处理方法，其特征 在于，包含有下列步骤：\nA.设定量测区块数及激光发射次数：将激光测距的总取样时间 TT分为若干区块，并设定每一区块中的激光发射总次数；\nB.自第一量测区块开始，依序于每一区块针对激光反射信号取样 统计，藉以找出目标物位于哪一区块；\nC.在目标物所在的区块发射预定延迟时间Tk的激光光，对反射 的激光信号加以取样运算处理，藉以计算出激光测距仪与该目标物的距 离。\n其中步骤B的详细步骤为：\nb1.以激光测距仪发射预定次数的激光光：\nb2.于每一发射事件中，以取样周期Ts持续取样的方式，找出 激光反射信号；\nb3.累积各个发射事件的激光反射信号，判断出目标物是否位于 该区块。\n其中步骤C的详细步骤为：\nc1.发射激光光，取样得出激光反射信号；\nc2.至少一次以预定延迟时间Tk发射激光光，取样得出激光反射 信号，其中Tk的时间间隔是小于取样周期Ts；\nc3藉由上述不同时间的发射事件所得的激光反射信号，得出目标 物与激光测距仪间的距离。\n其中于步骤C中，是以每次延迟Ts/4的周期来发射激光信号，而可 得出Ts，Ts/4，3Ts/4，Ts/2四种不同的激光发射时间，将各该发射 事件的激光反射信号予以比对，即可得出由目标物所反射的激光信号， 其中Ts为取样周期。\n本发明一种激光测距装置，其特征在于，包含有：\n一时序区间产生电路，用以产生取样周期信号；\n一微处理机单元，连接于该时序区间产生电路；\n一可程序延迟单元，连接于该微处理机单元及该时序区间产生电 路，得受该微处理机单元的控制而决定是否发出延迟控制信号；\n一激光发射电路，连接于该可程序延迟单元，受该可程序延迟单元 的控制而发出激光光；\n一激光接收电路，用以接收反射的激光信号；\n一比较电路，连接于该激光接收电路，用以对该激光接收电路所接 收的信号进行比较，并用以将其放大、整形；\n一存储器，连接于该微处理机单元，用以供其计算统计之用。\n其中还包含有：一高速移位暂存器，连接于该比较电路及该时序区 间产生电路，用以快速储存该比较电路的信号。\n附图说明\n有关本发明的详细结构，特征及功效，以下兹举一较佳实施例，并 配合图式作进一步的说明，其中：\n图1是本发明一较佳实施例的步骤图；\n图2是本发明一较佳实施例的分割区块取样示意图；\n图3是本发明一较佳实施例的针对目标物所在的第三区块的取样说 明；\n图4是本发明一较佳实施例的另一取样说明图，显示延迟Ts/4时 间发射激光光后的取样状态；\n图5是本发明一较佳实施例的另一取样说明图，显示延迟Ts/2时 间发射激光光后的取样状态；\n图6是本发明一较佳实施例的另一取样说明图，显示延迟3Ts/4时 间发射激光光后的取样状态；\n图7是本发明一较佳实施例关于步骤B的动作流程图；\n图8是本发明一较佳实施例关于步骤C的动作流程图；\n图9是本发明一较佳实施例的电路方块图。\n具体实施方式\n请参阅图1至图6，本发明一较佳实施例所提供的一种激光测距的 信号处理方法，包含有下列步骤：\nA.设定量测区块数及激光发射次数：\n将激光测距的总取样时间TT分为四区块，并设定每一区块中发射 10次激光光；\nB.如图2所示，自第一量测区块开始，依序于每一区块中对激光 反射信号取样统计，藉以找出目标物位于那一区块，以下为在每一区块 中的详细步骤：\nb1.以激光发射器发射10次激光光：\nb2.在每一次发射事件中，以取样周期Ts持续取样的方式，取得 激光反射信号，其中，激光反射信号有可能是目标物所反射的激光信号， 亦有可能是杂讯；\nb3.将取得的激光反射信号依其对应地址累加至存储器中；\n在步骤B，的该10次发射事件中，由于杂讯几乎不会一直出现在 固定位置，藉由统计及相关性计算，即可判断出目标物是否位于该区块；\nC.在目标物所在的区块，发射预定延迟时间的激光光，对反射的 激光信号加以运算处理，藉以判断出激光测距仪与该目标物的距离，其 详细步骤为：\nc1，发射激光光，取样得出激光反射信号，并记录于存储器，图3 是为一时序图，显示发射激光光301、所接收的反射激光信号302、 大于预定强度的信号303、第三区块的取样信号304、以及取样后 储存于存储器中的距离信号对应位置305；\nc2.延迟Ts/4时间(即Tk)发射激光光，取样得出激光反射信 号，取得的反射信号是如图4所示，图中403是代表第三区块的信号， 404是代表第三区块的取样信号，405是代表取样后储存于存储器 中的距离信号对应位置；如此反复延迟Ts/4时间(即Tk)发射激光光， 藉由统计及相关性求出信号所在的储存位置M10；\n再延迟Ts/2时间(即2Tk)发射激光光，取样得出激光反射信号， 取得的反射信号是如图5所示：藉由统计及相关性，求出信号所在的储 存位置M10；\n再延迟3Ts/4时间(即3Tk)发射激光光，取样得出激光反射信 号，取得的反射信号是如图6所示；藉由统计及相关性，求出信号所在 的储存位置M10；\nc3.比较图3至图6的305、405、505、605可归纳出， 图3的距离信号的时间差为(B3+8)×Ts，而图4至图6的距离信 号的时间差均为(B3+9)×Ts，其中B3是指第三区块；\n再将该未延迟、延迟Ts/4时间、延迟Ts/2间、延迟3Ts/4时间 的信号以下列算式2算出距离：\nL＝(4×B3+8+9+9+9)×Ts/4×C/2-ΔL……(2)\n其中B3为第三区块的起始位置；Ts为取样周期；C为光速；ΔL 为距离修正量；\n藉此，可算出目标物与激光测距仪间的距离L。\n图7是本发明关于步骤B的执行工作流程，其中，704是指设定 发射次数为10次，708-712是指将累加值与最大值相比较，而 决定出目标物是否位于该区块。\n图8则是本发明关于步骤C的执行工作流程，其中。802是指设 定延迟时间，803是指设定发射次数，809是指判断目标物位于该 区块的何位置，811则是指依算式(2)计算出目标物距离。\n请再参阅图9，是为一种激光测距装置900，乃本发明所提供方 法的实际应用，该激光测距装置900主要是由一时序区间产生电路 913、一微处理机单元911、一可程序延迟单元912、一激光发 射电路903、一激光接收电路904、一比较电路905、以及一存 储器915所组成，其中：\n该时序区间产生电路913，用以产生系统时序量测区间，及脉冲 取样周期Ts的信号，于本实施例中的系统脉冲是取样周期Ts；\n该可程序延迟单元912，连接于该微处理机单元911，受该微 处理机单元911的控制而决定是否发出延迟控制信号及延迟时间；\n该激光发射电路903，连接于该可程序延迟单元912，受该可 程序延迟单元912的控制而发出预设延迟激光光；\n该激光接收电路904，用以接收反射的激光信号；\n该比较电路905，连接于该激光接收电路904，用以对该激光 接收电路904所接收的信号进行比较，并用以将之放大、整形；\n一高速移位暂存器914，连接于该比较电路905及该时序区间 产生电路913，用以快速储存该比较电路的信号；\n该存储器915，连接于微处理机单元911与该高速移位暂存器 914，该微处理机单元911得将该高速移位暂存器914内部资 料，经过计算累加后储存于该存储器915中；\n藉此，于工作时，是由该微处理机单元911控制该激光发射电路 903来发射激光光于目标物，而后透过该激光接收电路904来接收 目标物所反射的激光信号及杂讯信号，再经由该比较电路905将大于 预定强度的信号整形如图3的303所示，图中TN1-6为杂讯，TS 为目标信号；再以取样周期Ts取样，读入该高速移位暂存器914中， 并依序累计存入该存储器915内，其内容是如图3的305所示：在 需要延迟时，该微处理机单元是设定该延迟单元的延迟时间分别为Ts/ 4、Ts/2、以及3Ts/4，藉以控制该发射器延迟预定时间发射激光光， 进而让接收的距离信号产生一时间差，而得以上述的方法计算出较为精 准的距离。\n综合以上所述可知，本发明的优点在于：\n一、节省存储器成本：由于本发明是将总取样时间分割为若干区块， 因此所需的存储器空间为习用者的一半以下，亦即，本发明所需的存储 器较习用者为少，所需的成本亦相对较低。\n二、提高精度但不增加成本：本发明利用延迟发射激光光的方式取 得距离信号的时间差，进而得出较为精准的目标物距离，换言之，本发 明并非以提高取样周期和换装更高速的元件来达到提升精度的目的，而 是利用现有的元件，巧妙的以延迟发射的方式取得时间差后经由计算取 得更为精确的距离值，故本发明是在不提高成本的前提下提升了测距精 度，明显具有功效上的增进。\n综上所述，本发明的激光测距的信号处理方法及装置，其具有前述 优于习用者的各项优点，实用性及进步性自己毋庸置疑，此外，其亦从 来未被公开使用或揭露于各种文献资料，揆诸发明专利要件，本案应已 具备。