自适应激光测距装置及其测距方法
【专利摘要】本发明公开了激光测距领域内的一种自适应激光测距装置包括：激光接收器、激光发射器、信号处理器、显示器、对外接口、光电探测器电源、发射器电源，自适应测距方法通过调节光电探测器工作电压与电路增益，实现气温与背景的自适应；通过调节电路增益和激光功率，实现目标反射信号强弱的自适应；通过波形滤波方法，滤除与设定目标信号波形特性不一致的噪声或干扰信号，实现恶劣天气工作的自适应；通过噪声确定的阈值判断目标信号，实现多目标测距功能，最终实现在任何规定的环境下，满足测程和测量精度的要求，该测距方法可用于各种激光测距仪中。
【专利说明】自适应激光测距装置及其测距方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测距装置，特别涉及一种激光测距装置。
【背景技术】
[0002] 随着新型激光器的诞生，多脉冲激光测距成为一种新的测距技术。专利 ZL200410060408. 4,阐述了利用脉冲二进制累积方法进行测距的技术，测距能力比以往单 脉冲激光测距机有较大提高。申请号为200710139189. 2的专利阐述了利用视频累积方法 进行测距的技术，测距能力又有新的提高。但两个专利都没有提到对环境自适应的技术方 法。从军事应用的角度，除了测程要求外，还有可靠性的要求，环境适应能力是可靠性的一 个重要方面，即要求：（1)能适应较宽的工作温度范围，如零下五十度和零上七十度条件下 可靠工作；（2)在雨天雾天工作时不出现测量距离错误；（3)在强烈的背景杂光下工作，不 出现测量距离错误；（4)在目标距离近、目标反射率高、能见度又好的条件下工作，不出现 距离精度超差的现象；（5)具有多目标测距功能。显然，目前现有的工业用和民用激光测距 装置，都不具备苛刻环境的自适应能力。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种可测距离远、具有多目标测距功能，同时又具有苛刻 环境自适应能力的激光测距装置及其测距方法。
[0004] 本发明的目的是这样实现的：一种自适应激光测距装置及其测距方法，所述测距 方法，包括以下步骤： (1) 激光接收器接收目标反射的激光信号，获得噪声与目标信号的混杂信号； (2) 对混杂信号进行数字转换，得到数字混杂信号； (3) 存贮数字混杂信号； (4) 对数字混杂信号进行累积，得到累积信号； (5) 对累积信号进行数字滤波处理，得到数字滤波信号； (6) 判断数字滤波信号中是否有信号大于等于阈值Kf将大于阈值信号作为目标 信号； (7) 根据目标信号的时间地址，分别计算每一目标距离； (8 )将目标距离值送显示器显示，或存储起来，或通过对外接口输出； (9)如果不存在大于阈值的目标信号，那么，输出或显示无目标信号； 所述测距装置包括： 激光接收器，用于接收目标反射的脉冲激光信号，并将激光信号转换成电信号，将电信 号放大后，输出目标信号与噪声的混杂信号，同时实现信号增益的控制； 激光发射器，用于按设定的数量和方式发射脉冲激光； 信号处理器，用于发生激光测距装置工作时序和执行本发明的自适应测距方法； 显示器，用于显示距离值； 对外接口，用于外接工作电源和输出距离值； 光电探测器电源，用于为光电管提供工作电源，同时通过光电探测器工作电压的调节， 实现对信号增益的控制； 发射器电源，用于为激光发射器提供工作电源，同时实现对激光发射器输出功率的调 -K- T； 所述的信号处理器分别与激光接收器、激光发射器、显示器、对外接口、光电探测器电 源、发射器电源相连接，所述的光电探测器电源与激光接收器相连接，所述的发射器电源与 激光发射器相连接。
[0005] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明中测距装置运用自适应测距方 法，通过调节光电探测器工作电压和电路增益，实现气温与背景光的自适应；通过调节电路 增益和调节激光功率，实现信号强弱的自适应；通过波形滤波方法，滤除与设定目标信号波 形特性不一致的噪声或干扰信号，实现恶劣天气工作的自适应；通过信噪比确定的阈值判 断目标信号，实现多目标测距功能；最终保证激光测距装置在任何要求的环境下，满足要求 的测程和测量精度指标。本发明可用于距离测量中。
[0006] 作为本发明的进一步限定，步骤（1)之前还包括： (la)设定发射激光脉冲数量M; (110将1分成若干组附、吧、……Nn(η>2); (Ic)激光发射器按组发射脉冲激光； 步骤（3)之前还包括： (3a)设定噪声量值范围和信号量值范围； (3b)判断数字混杂信号量值是否超出设定的噪声量值范围，如果实际噪声超出设定的 噪声量值范围，则调节光电探测器工作电压或电路增益，使数字混杂信号量值在设定的噪 声量值范围内； (3c)判断数字混杂信号幅度是否超出设定的信号量值范围，如果数字混杂信号幅度超 出设定的信号量值范围，则调节电路增益或激光功率，使信号幅度在设定的信号量值范围 内； 步骤（5)之前还包括： (5a)预先设定目标信号的波形特性和滤波方案； (5b)滤除与设定目标信号的波形特性或滤波方案不一致的噪声或干扰信号； 步骤（9)之前还包括： (9a)如果不存在大于阈值的目标信号，那么，判断已经发射的激光脉冲数量是否小 于设定发射脉冲数M，如果发射的激光脉冲数量小于设定发射脉冲数M，就继续发射脉冲激 光，然后重复步骤（1)?（8)的操作。
[0007]作为本发明的进一步限定，步骤（6)的阈值Kj茜足公式（I)、公式（II)和公式 (III)：
【权利要求】
1. 一种自适应测距方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 激光接收器接收目标反射的激光信号，获得噪声与目标信号的混杂信号； (2) 对混杂信号进行数字转换，得到数字混杂信号； (3) 存贮数字混杂信号； (4) 对数字混杂信号进行累积，得到累积信号； (5) 对累积信号进行数字滤波处理，得到数字滤波信号； (6) 判断数字滤波信号中是否有信号大于等于阈值Kf将大于阈值4。的信号作为目标 信号； (7) 根据目标信号的时间地址，分别计算每一目标距离； (8 )将目标距离值送显示器显示，或存储起来，或通过对外接口输出； (9)如果不存在大于阈值匕。的目标信号，那么，输出或显示无目标信号。
2. 根据权利要求1所述的自适应测距方法，其特征在于， 步骤（1)之前还包括： (la)设定发射激光脉冲数量M; (110将11分成若干组附、吧、……Nn(n>2); (lc)激光发射器按组发射脉冲激光； 步骤（3)之前还包括： (3a)设定噪声量值范围和信号量值范围； (3b)判断数字混杂信号量值是否超出设定的噪声量值范围，如果实际噪声超出设定的 噪声量值范围，则调节光电探测器工作电压或电路增益，使数字混杂信号量值在设定的噪 声量值范围内； (3c)判断数字混杂信号幅度是否超出设定的信号量值范围，如果数字混杂信号幅度超 出设定的信号量值范围，则调节电路增益或激光功率，使信号幅度在设定的信号量值范围 内； 步骤（5)之前还包括： (5a)预先设定目标信号的波形特性和滤波方案； (5b)滤除与设定目标信号的波形特性或滤波方案不一致的噪声或干扰信号； 步骤（9)之前还包括： (9a)如果不存在大于阈值匕。的目标信号，那么，判断已经发射的激光脉冲数量是否小 于设定发射脉冲数M，如果发射的激光脉冲数量小于设定发射脉冲数M，就继续发射脉冲激 光，然后重复步骤（1)?（8)的操作。
3. 根据权利要求1的自适应测距方法，其特征在于， 步骤（6)的阈值Kj茜足公式（I)、公式（II)和公式(III):
式中：FAR为误报率；Ns为一帧数据的采样数；erf为误差函数；Pd为探测概率；SNR为 信噪比；TNR为阈噪比；Vn为噪声数据。
4. 一种自适应激光测距装置，其特征在于，包括： 激光接收器（1)，用于接收目标反射的脉冲激光信号，并将激光信号转换成电信号，将 电信号放大后，输出目标信号与噪声的混杂信号，同时实现信号增益的控制； 激光发射器（2 )，用于按设定的数量和方式发射脉冲激光； 信号处理器（3)，用于发生激光测距装置工作时序和执行本发明的自适应测距方法； 显示器（4)，用于显示距离值； 对外接口（13)，用于外接工作电源和输出距离值； 光电探测器电源（5)，用于为光电管提供工作电源，同时通过光电探测器工作电压的调 节，实现对信号增益的控制； 发射器电源（6 )，用于为激光发射器提供工作电源，同时实现对激光发射器输出功率的 调节； 所述的信号处理器（3)分别与激光接收器（1)、激光发射器（2)、显示器（4)、对外接口 (13)、光电探测器电源（5)、发射器电源（6)相连接，所述的光电探测器电源（5)与激光接收 器（1)相连接，所述的发射器电源（6)与激光发射器（2)相连接。
5. 根据权利要求4所述的自适应激光测距装置，其特征在于，所述激光接收器（1)包 括：光电探测器（7)、信号放大器（8)、负载调节器（9)、增益控制器（10)，所述的光电探测器 (7)同时与信号放大器（8)和负载调节器（9)相连接，信号放大器（8)与增益控制器（10)相 连接；负载调节器（9)包括：固定负载（15)、负载阵列（16)和开关阵列（17)，固定负载与负 载阵列并联，负载阵列（16)包括一个或一个以上并联的负载，开关阵列（17)包括一个或一 个以上并联的电子开关，负载阵列（16)中的负载分别与开关阵列（17)中的开关对应串接； 开关阵列（16)可以是集成电子开关阵列，也可以是分立晶体管、场效应管、MOS管组成的开 关阵列。
6. 根据权利要求5所述的自适应激光测距装置，其特征在于，增益控制器（10)为数字 增益控制器，包括： 信号处理器端口（ 19)，用于输出电压数据； 数模转换器（18)，用于将电压数据转换成模拟电压； 信号放大器（8)及增益控制端，用于控制信号放大器增益； 信号处理器端口（19)与数模转换器（18)相连接；数模转换器（18)的输出与信号放大 器（8)增益控制端连接；数模转换器（18)可以是独立的集成数模转换器，也可以是集成在 信号处理器内部的数模转换器。
7. 根据权利要求5所述的自适应激光测距装置，其特征在于，增益控制器（10)为自动 增益控制器，包括： 信号放大器输出端（20)，用于输出随机混杂信号； 频率电压变换器（22)，用于将随机混杂信号转换成直流电压信号； 增益调节器（21)，用于调节增益控制比例； 信号放大器（8)及增益控制端，用于控制信号放大器增益； 信号放大器输出端（20)、频率电压变换器（22)和增益调节器（21)顺序连接。
8. 根据权利要求4所述的自适应激光测距装置，其特征在于，光电探测器电源（5)为数 字控制他激式电源，包括： 信号处理器端口（24)，用于输出脉冲驱动信号； 他激式DC/DC变换器（26)，用于将脉冲驱动信号变换成直流电压； 输出电压取样电路（28)，用于对输出电压进行取样； 模数转换器（27)，用于将输出电压取样值变换成数字值； 信号处理器端口（ 25)，用于读取数模转换器来的输出电压取样值的数据； 信号处理器端口（ 24 )、他激式DC/DC变换器（26 )、输出电压取样电路（28 )、模数转换器 (27)和信号处理器端口（25)顺序连接；所述的模数转换器（27)可以是独立的集成模数转 换器，也可以是集成在信号处理器（3)内部的模数转换器，光电探测器电源（5)和发射器电 源（6)的电路结构和形式相同。
9. 根据权利要求4所述的自适应激光测距装置，其特征在于，光电探测器电源（5)为都 为数字控制自激式电源，包括： 信号处理器端口（29)，用于启动或关断自激式DC/DC变换器； 自激式DC/DC变换器（31)，用于将较低的直流电压转换成较高的直流电压； 分压器（32 )，用于对自激式DC/DC变换器输出电压进行分压； 信号处理器端口（30)，用于输出数字电压数据； 数模转换器（18)，用于将信号处理与控制电路的数字电压转换成模拟电压； 信号处理器端口（29)、自激式DC/DC变换器（31)输出端、分压器（32)、数模转换器 (18 )和信号处理器端口（ 30 )顺序连接，分压器（38 )与自激式DC/DC变换器（31)反馈端相 连接；所述的数模转换器（18)可以是独立的集成数模转换器，也可以是集成在信号处理器 内部的数模转换器；光电探测器电源（5)和发射器电源（6)的电路结构和形式相同。
10. 根据权利要求4所述的自适应激光测距装置，其特征在于，发射器电源（6)为模拟 调压式自激式电源，包括： 信号处理器端口（29)，用于启动或关断自激式DC/DC变换器； 自激式DC/DC变换器（31)，其输出端用于输出激光发射器所需电压，其反馈端用于调 节输出电压； 分压器（32 )，用于对自激式DC/DC变换器输出电压进行分压； 信号处理器端口（ 29 )、自激式DC/DC变换器（31)输出端、分压器（32 )和自激式DC/DC变换器（31)反馈端顺序连接。
【文档编号】G01S7/489GK104483675SQ201410786035
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月18日 优先权日:2014年12月18日
【发明者】郁麒麟, 孙同春, 范华, 夏星, 姚亚斌, 隋庆峰 申请人:扬州天目光电科技有限公司, 郁麒麟