一种基于TOF的测距系统及其校正方法与流程

本发明涉及一种测距系统及其校正方法，尤其涉及一种基于TOF的测距系统及其校正方法。

背景技术：

目前，基于飞行时间(TOF)技术的测距方案主要有两类，一类是激光方案、另一类是非激光方案。其中激光方案具有测量距离远，精确度高的优点，但是缺点也是很明显，主要缺点有：

(1)聚集的能量密度较高，有对皮肤和眼睛有灼伤的危险；(2)激光发射器对工作温度较为敏感，在高温情况下容易损坏，并且其发光强度和发光效率随工作温度变化较大；(3)制造成本较高；(4)无法在强光照环境下工作。

另一类是非激光方案，该方案虽然成本相对较低、对人体几乎无伤害、可在较高的温度下正常工作，但由于能量不容易集中，导致测量的距离较短，同时也无法在强光照环境下工作。此外，现有的测距方法在对传感器的测量距离进行校正标定时步骤多、操作复杂，对操作员的水平要求较高，不便于普通用户使用。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于TOF的测距系统及其校正方法，其成本低、稳定性高、操作简单，不仅测量距离远且测量精度高，具有较高的安全性能。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于TOF的测距系统，包括镜盖、发射镜筒、电路板和接收镜筒，所述发射镜筒和接收镜筒安装在电路板上，镜盖用于盖在发射镜筒和接收镜筒上，所述发射镜筒内设置有主发射管和发射聚焦镜片组，主发射管安装在位于发射镜筒内的电路板上，发射聚焦镜片组设置在主发射管的上方；

所述接收镜筒与发射镜筒并排设置，接收镜筒包括防杂散光结构和接收聚焦镜片组，防杂散光结构为锥形结构，其锥形结构的开口大端处与接收聚焦镜片组相连，其开口小端处设置有滤光片；所述滤光片的下方设置有光敏接收管和辅助发射管，所述光敏接收管和辅助发射管焊接在电路板上。

作为优选，所述发射镜筒和接收镜筒的外部设置有遮光结构，遮光结构的设置用于防止杂散光和光噪声。

作为优选，所述发射聚焦镜片组和接收聚焦镜片组分别由一片或者多片透镜组成；本发明在发射镜筒和接收镜筒中使用一片或若干片透镜组成镜片组，对发射光线和接收光线进行聚焦，可减少光的发散，大幅度减少能量的损失，使得测量距离得到大幅度提升。同时，结合镜筒的遮光结构、锥形式防杂散光结构以及滤光片，能消除大部分的环境光噪声，使得接收管接收到的光信号更加稳定，大幅提高了系统的信噪比和测量精度。

作为优选，所述主发射管为波长为700nm-2000nm的非激光红外LED管；本专利中优选波长为850nm的非激光红外LED管，所述发射聚焦镜片组由两片非球面透镜组成；由于太阳光中含有各种波长的光分量，而红外波段的光分量相对强度较弱，选取850nm的红外光作为光源可以减少太阳光中的可见光分量对距离测量产生的干扰。

作为优选，所述光敏接收管采用光谱灵敏度为400nm-2000nm的红外接收管，本专利中优选光谱灵敏度为880nm的红外接收管作为光敏接收管；所述滤光片的中心波长为700nm-2000nm，半带宽为5nm-100nm，本专利在实际应用中优选中心波长为880nm，半带宽为50nm的滤光片；当光敏接收管的中心波长和光源波长接近时，光敏接收管对反射光信号的灵敏度最高，选取880nm的光敏接收管配合半带宽为50nm的滤光镜可以消除大部分其他波长光分量的影响，提高系统的信噪比。

作为优选，所述接收聚焦镜片组由一片或多片透镜组成，所述辅助发射管采用中心波长为700nm-2000nm的LED管，本专利中优选中心波长为850nm的LED管作为辅助发射管。

作为优选，所述防杂散光结构为锥形结构，其斜面与水平面所成的角度为15°-75°,适合在实际应用中用来匹配不同焦距和不同口径的镜片。

作为优选，所述镜盖为发射端盖帽和接收端盖帽一体成形，同时用于覆盖在发射镜筒和接收镜筒上，采用发射端盖帽和接收端盖帽二合一的结构设计，与镜筒紧密盖合，不但可以保护透镜不受外界灰尘的污染，在校正时一方面可以防止发射镜筒的光进入到接收镜筒，同时可以防止环境光噪声进入到接收镜筒。相对于长距离校正，这种校正方式可以提高校正的精度和准确度，能有效避免环境光噪声对校正产生干扰。

一种基于TOF的测距系统的校正方法，具体的校正步骤包括：

(1)用镜盖盖住发射镜筒和接收镜筒；

(2)电路板的内部电路从主发射管切换到辅助发射管，产生一个经过调制的电流来驱动辅助发射管，此时，主发射管不工作；

(3)辅助发射管发射出一束经过调制的红外光照射到光敏接收管上；

(4)光敏接收管接收从辅助发射管发出的经过调制的红外光并将其转化为电信号；

(5)电路板的内部电路通过比较光敏接收管产生的电信号与调制信号之间的相位差计算出当前的测量距离误差D_offset，并将该距离误差保存在存储器内；其测量距离误差D_offset的计算公式为：

其中：D_offset为电路板的内部电路及发射、接收管延迟产生的距离误差；c为光在真空中的传播速度；f_LED为调制光的频率；为调制信号与光敏接收管信号的相位差；

(6)在正常测量时，用该保存的位置误差数据对每次测量的结果进行补偿。

本发明的校正方法无需借助外部的标定装置便可完成传感器的距离标定，相比现有技术的校正方式，本发明的校正方法中矫正速度和精度都得到了显著的提高对操作员来说门槛也大幅降低了；而且其对环境没有特殊要求，可随时随地进行矫正；对于距离偏差修正部分采用多项式拟合，精度高。

本发明的有益效果：本发明解决了以往采用激光设计方案时存在的高成本、对皮肤和人眼会造成伤害、无法在高温环境下工作等缺点，同时解决了采用非激光设计方案时存在的测量距离短、精度差、校正繁琐等问题，提出了一种低成本、高生物安全性、测量距离远、高精度的解决方案，同时实现了对系统误差的一键式校正，简化了传统繁琐的校正过程，为普通用户的使用提供了便利。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的剖面图；

图3为镜盖的结构示意图；

图4为测得的距离与实际距离的比较图；

其中：1.镜盖，2.发射聚焦镜片组，3.发射镜筒，4.主发射管，5.电路板，6.辅助发射管，7.光敏接收管，8.滤光片，9.防杂散光结构，10.接收镜筒，11.接收聚焦镜片组，12.遮光结构。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图3所示，公开了一种基于TOF的测距系统，包括镜盖1、发射镜筒3、电路板5和接收镜筒10，所述发射镜筒3和接收镜筒10安装在电路板5上，镜盖1用于盖在发射镜筒3和接收镜筒10上，所述发射镜筒3内设置有主发射管4和发射聚焦镜片组2，主发射管4安装在位于发射镜筒内的电路板上，发射聚焦镜片组2设置在主发射管4的上方；

所述接收镜筒10与发射镜筒3并排设置，接收镜筒10包括防杂散光结构9和接收聚焦镜片组，防杂散光结构为锥形结构，其锥形结构的开口大端处与接收聚焦镜片组11相连，其开口小端处设置有滤光片8；所述滤光片8的下方设置有光敏接收管7和辅助发射管6，所述光敏接收管7和辅助发射管6焊接在电路板5上。

本测距系统在实际应用中还包括以下技术特征：在发射镜筒和接收镜筒的外部还设置有遮光结构，可以充分防止杂散光和光噪声；发射聚焦镜片组和接收聚焦镜片组分别由一片或者多片透镜组成。

而作为本发明的优选技术方案，发射镜筒采用850nm非激光红外LED作为主发射管，采用两片非球面透镜作为发射聚焦镜片组；其接收镜筒采用中心波长为880nm的红外接收管作为光面接收管，采用中心波长为880nm，半带宽为50nm的滤光片，其防杂散光结构的斜面与水平面成15°-75°角，在此角度范围内可以用来匹配不同焦距和不同口径的镜片。

本发明基于TOF技术原理，进行距离测量时，辅助发射管6不工作，通过电路板5的内部电路产生一定调制频率的驱动电流驱动主发射管4，使之产生一定调制频率的光信号，该光信号经过发射聚焦镜片组2的聚焦从镜筒3发射出去。该发射光照射到被测物体后会被反射回一部分光信号，该信号被接收聚焦镜片组11接收并聚焦，经过滤光片8过滤掉其他波长的光信号，汇聚到光敏接收管7上。光敏接收管7将该光信号转换为电信号，电路板5的内部电路通过计算调制信号与光敏接收管信号的相位差，即可计算出光源到被测物体的距离。遮光结构12可防止测量环境中不同角度的杂散光和环境光噪声被光敏接收管7所接收到，防杂散光斜面结构9可将从侧正面照射进入接收镜筒10的杂散光和环境光噪声反射回去。遮光结构12和斜坡式的防杂散光结构9提高了系统的信噪比、测量距离和测量精度。

在使用TOF原理进行距离测量时，不同的发射光调制频率将对应不同的最大量程。本发明的优选方案采用4.5MHz作为发射光的调制频率，在该调制频率下的理论最大测量距离为33.33m，相比现有技术其测量距离提高了2倍。

同时，本发明还提供了一种基于TOF的测距系统的校正方法，系统快速校正时，镜盖1盖住发射镜筒3和接收镜筒10，主发射管4不工作，电路板5的内部电路切换到辅助发射管6使其发射出一束经过调制的红外光，该红外光被光敏接收管7接收到并转化为电信号，电路板5的内部电路记录此时调制信号与光敏接收管信号的相位差作为基准，计算出当前的测量距离误差，并将该距离误差保存在存储器内，即可完成校正，校正完成后取下镜盖1即可正常使用。在正常测量时，用该记录的相位差数据对每次测量的结果进行补偿。

如图4所示，即反映的是测量的距离与实际距离的比较图，从图中可见：采用本系统及校正方法测得的距离与实际距离相比吻合度很好，测量精度较高，且测量距离远能达到33米，是现有测量系统的2倍。