高精度的融合算法光学传感器的制作方法

本申请涉及测距设备技术领域，特别是涉及一种高精度的融合算法光学传感器。

背景技术：

随着人工智能的发展，无人技术已经应用于生活的各个角落，如无人车，无人超市、扫地机、机器人、自动机械臂等，而很多无人技术产品都离不开光学传感器的运用。例如激光雷达作为一种光学传感器，是通过脉冲激光照射目标并用传感器测量反射脉冲返回时间来测量目标距离的测量仪器。

传统的激光雷达基于激光飞行时间测距，用机械转镜、mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)振镜、激光相控阵单元等器件改变激光的出射角。基于激光飞行时间法测距的激光雷达量程较近(几十米到几百米量级)、重复测量频率高(万赫兹以上)但精度较差(厘米级)。另一种基于相位法的激光测距技术则特性几乎相反，量程较远(百米到千米量级)且精度较高(毫米级)，但相位法测距值包含2π周期不确定性，需用多个不同相位做测量和对比，多组测距值的交集即为准确测距值，整体上的重复测量频率低(一般千赫兹以下)而很少在激光雷达上使用。如何提供一种同时具备高重复测量频率和高精度的光学传感器，从而让光学传感器应用于更多领域，是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种同时具备高测频和高精度的融合算法光学传感器，扩大光学传感器的应用范围。

一种高精度的融合算法光学传感器，包括激光发射装置、激光接收装置和雷达电路板，所述雷达电路板连接所述激光发射装置和所述激光接收装置；

所述雷达电路板用于根据预设相位算法控制所述激光发射装置和所述激光接收装置进行激光测距，得到第一距离数据；根据飞行时间法控制所述激光发射装置和所述激光接收装置进行激光测距，得到第二距离数据；以及根据所述第一距离数据和所述第二距离数据进行数据融合，得到更精确的测量距离；其中，所述预设相位算法的测距精度高于所述飞行时间法的测距精度，所述预设相位算法的重复测量频率低于所述飞行时间法。

在其中一个实施例中，所述激光发射装置包括激光发射器，所述激光发射器连接所述雷达电路板；所述雷达电路板控制所述激光发射器发射激光至目标物。

在其中一个实施例中，所述激光接收装置包括接收透镜和激光接收器，所述激光接收器连接所述雷达电路板；目标反射激光经所述接收透镜传输至所述激光接收器。

在其中一个实施例中，所述预设相位算法为相位激光测距法。

在其中一个实施例中，所述雷达电路板将所述激光发射器调制为第一预设频率，将所述激光接收器调制为第二预设频率；所述雷达电路板根据所述激光接收器混频得到的测距正弦波信号，通过快速傅里叶计算出相位，根据所述相位和预设相位算法计算得到第一距离数据；其中，所述测距正弦波信号的频率为第一预设频率和第二预设频率之差。

在其中一个实施例中，所述雷达电路板将第三预设频率的信号调制到所述激光发射器，并根据所述激光接收器输出的信号计算得到飞行时间差，根据所述飞行时间差计算得到第二距离数据。

在其中一个实施例中，高精度的融合算法光学传感器还包括支撑台面，所述激光发射器和所述接收透镜设置于所述支撑台面。

在其中一个实施例中，高精度的融合算法光学传感器还包括电机支架、旋转电机和反射镜，所述电机支架固定于所述支撑台面，所述旋转电机设置于所述电机支架，所述反射镜与所述旋转电机连接；所述反射镜将所述激光发射器发射的激光反射至目标物；并对目标反射激光进行反射后传输至所述接收透镜。

在其中一个实施例中，高精度的融合算法光学传感器还包括测量激光发射方位角的编码盘。

在其中一个实施例中，所述雷达电路板包括mcu，所述mcu连接所述激光发射装置和所述激光接收装置。

上述高精度的融合算法光学传感器，雷达电路板根据预设相位算法控制激光发射装置和激光接收装置进行激光测距，得到第一距离数据；根据飞行时间法控制激光发射装置和激光接收装置进行激光测距，得到第二距离数据；以及根据第一距离数据和第二距离数据进行数据融合，得到更精确的测量距离。通过在飞行时间测距法基础上融合高精度的相位测距算法进行雷达测距，替代目前普遍采用的单一飞行时间法测距方案，并且用快速的飞行法一次测距替代低速的多次相位法测距，解决了测量频率和精度不可兼得的矛盾，使高精度的融合算法光学传感器在保持量程不减的基础上同时具备飞行时间法的高测频特性和相位测距法的高精度特性，扩大了光学传感器的应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中高精度的融合算法光学传感器的结构框图；

图2为一实施例中高精度的融合算法光学传感器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种高精度的融合算法光学传感器，包括激光发射装置110、激光接收装置120和雷达电路板130，雷达电路板130连接激光发射装置110和激光接收装置120；雷达电路板130用于根据预设相位算法控制激光发射装置110和激光接收装置120进行激光测距，得到第一距离数据；根据飞行时间法控制激光发射装置110和激光接收装置120进行激光测距，得到第二距离数据；以及根据第一距离数据和第二距离数据进行数据融合，得到更精确的测量距离；其中，预设相位算法的测距精度高于飞行时间法的测距精度，但预设相位算法的重复测量频率低于飞行时间法。

具体地，光学传感器具体可以是激光雷达、激光测距仪等。雷达电路板130可先根据预设相位算法的测距需要对激光发射装置110和激光接收装置120进行频率调制，然后控制激光发射装置110发射激光至目标物，激光接收装置120接收目标物反射回的激光并生成相应信号传输至雷达电路板130。雷达电路板130根据预设相位算法对接收的信号进行处理，得到第一距离数据。然后，雷达电路板130再根据飞行时间法的测距需要对激光发射装置110和激光接收装置120进行频率调制，统计激光发射装置110发射激光到激光接收装置120接收目标反射激光之间的时间差也即激光飞行时间，进而根据飞行时间计算得到第二距离数据。

需要说明的是，雷达电路板130可以是控制激光发射装置110和激光接收装置120中的同一路激光发收管分别按照预设相位算法和飞行时间法进行距离测量，且两者的先后顺序可调。也可以是将激光发射装置110和激光接收装置120设计为两路激光发收管，雷达电路板130分别利用一路激光发收管按照对应算法进行距离测量。以预设相位算法采用相位激光测距法为例，雷达电路板130融合第一距离数据和第二距离数据，把飞行法测的粗远距与相位法测的精近距相融合，从而得到精确的最终测量距离。

雷达电路板130的具体结构并不唯一，在一个实施例中，雷达电路板130可包括连接激光发射装置110和激光接收装置120的mcu(microcontrolunit，微控制单元)，通过mcu控制激光发射装置110和激光接收装置120进行激光发射和接收，并进行距离计算。此外，雷达电路板130还可包括连接mcu的通信接口、存储器和显示器中的一种或多种。mcu在计算得到测量距离后，可以是将测量距离发送至存储器存储，或通过显示器显示。mcu还可以是通过通信接口将测量距离上传至上位机。通信接口可以是rs232串口、usb(universalserialbus)接口等，上位机可以是服务器、台式电脑、移动终端或可穿戴设备。移动终端可以是手机或笔记本电脑，可穿戴设备可以是带显示或存储功能的手环、头盔和眼镜等设备。可以理解，在其他实施例中，mcu也可以是通过无线通信装置与上位机进行通信，无线通信装置可以是蓝牙通信装置或wifi通信装置。

上述高精度的融合算法光学传感器，雷达电路板130根据预设相位算法控制激光发射装置110和激光接收装置120进行激光测距，得到第一距离数据；根据飞行时间法控制激光发射装置110和激光接收装置120进行激光测距，得到第二距离数据；以及根据第一距离数据和第二距离数据进行数据融合，得到最终测量距离。通过在飞行时间测距法基础上融合高精度的相位测距算法进行雷达测距，替代目前普遍采用的单一飞行时间法测距方案，并且用快速的飞行法一次测距替代低速的多次相位法测距，解决了测量频率和精度不可兼得的矛盾，使高精度的融合算法光学传感器在保持量程不减的基础上同时具备飞行时间法的高测频特性和相位测距法的高精度特性，扩大了光学传感器的应用范围。

激光发射装置110和激光接收装置120的具体结构也不是唯一的，在一个实施例中，激光发射装置110包括激光发射器，激光发射器连接雷达电路板130；雷达电路板130控制激光发射器发射激光至目标物。具体地，激光发射器可采用激光二极管，如图2所示，在需要启动高精度的融合算法光学传感器进行测距时，雷达电路板130将特定频率的信号调制到激光二极管，使激光二极管产生发射激光。发射激光到达目标物后被反射，产生的目标反射激光被激光接收装置120接收。

进一步地，在一个实施例中，继续参照图2，激光接收装置120包括接收透镜122和激光接收器124，激光接收器124连接雷达电路板130；目标反射激光经接收透镜122传输至激光接收器124。具体地，被目标物反射的目标反射激光，通过接收透镜122汇聚后被激光接收器124。激光接收器124的类型也不是唯一的，可以是雪崩二极管或硅光电倍增管，也可以是采用其他光敏器件。本实施例中，激光接收器124采用雪崩二极管(avalanchephotodiode，apd)，雪崩二极管是利用半导体结构中载流子的碰撞电离和渡越时间两种物理效应而产生负阻的固体微波器件。经过接收透镜122后的激光汇聚到雪崩二极管生成相应信号输送至雷达电路板130，以供雷达电路板130进行测距计算。

具体地，在一个实施例中，预设相位算法为相位激光测距法。通过采用飞行时间-相位融合式测距法，将低成本、高精度的相位激光测距方案加入到飞行时间法，从而解决高测频和高精度不可兼得的矛盾。可以理解，在其他实施例中，预设相位算法也可以是其他算法。为便于理解，以下均以预设相位算法为相位激光测距法为例进行解释说明。

在一个实施例中，雷达电路板130将激光发射器调制为第一预设频率，将激光接收器调制为第二预设频率；雷达电路板130根据激光接收器混频得到的测距正弦波信号，通过快速傅里叶计算出相位，根据相位和预设相位算法计算得到第一距离数据；其中，测距正弦波信号的频率为第一预设频率和第二预设频率之差。

具体地，第一预设频率和第二预设频率的取值可根据实际需求进行设置，例如，第一预设频率和第二预设频率可选择为180-220mhz，测距正弦波信号的频率可以是80-120khz，即第一预设频率和第二预设频率的差值可以是80-120khz。本实施例中，第一预设频率为200mhz，第二预设频率为200.1mhz，则测距正弦波信号的频率为100khz。雷达电路板130控制激光发射器以200mhz的频率发射激光，并控制激光接收器以200.1mhz的频率接收目标反射激光。通过激光接收器混频得到100khz的测距正弦波信号，雷达电路板130对测距正弦波信号进行快速傅里叶计算出相位p，进而根据相位p利用相位激光测距法计算出第一距离数据。其中，第一距离数据＝相位p*调制光波长/2π，*表示乘法运算，/表示除法运算。根据所选用的频率，本实施例的一个2π周期对应0.73米，也即真实物体距离＝n*0.73米+第一距离数据，*表示乘法运算，n＝0,1,2,3……中的某一个整数，具体数值与实地相关但单次测量不能确定(对应下文中的“2π不确定整数”)。

在一个实施例中，雷达电路板130将第三预设频率的信号调制到激光发射器，并根据激光接收器输出的信号计算得到飞行时间差，根据飞行时间差计算得到第二距离数据。具体地，第三预设频率的取值也并不唯一，本实施例中，第三预设频率为200mhz。雷达电路板130将200mhz的信号调制在激光发射器，同时雷达电路板130开始计时；从被测物返回的激光通过激光接收器的光电转换和运放后，雷达电路板130接收到信号停止计时。通过雷达电路板130测得两者的时间差t，计算出第二距离数据。其中，第二距离数据＝t*c光速/2，*表示乘法运算，/表示除法运算。

对应地，在一个实施例中，雷达电路板130在计算得到第一距离数据和第二距离数据之后，以求整运算去除第二距离中的不精确尾数得粗远距，以求余运算去除第一距离中的2π不确定整数得精短距，把粗远距与精短距融合得到的精确测距值作为最终测量距离。具体地，精确测距值＝(第二距离数据/0.73)*0.73+第一距离数据％0.73，其中，*是乘法运算，/是求整数运算，％是求余数运算。

在一个实施例中，如图2所示，高精度的融合算法光学传感器还包括支撑台面140，激光发射器和接收透镜122设置于支撑台面140。通过支撑台面140固定激光发射器和接收透镜122，以便进行激光的发射和接收。

进一步地，在一个实施例中，高精度的融合算法光学传感器还包括电机支架150、旋转电机160和反射镜170，电机支架150固定于支撑台面140，旋转电机160设置于电机支架150，反射镜170与旋转电机160连接；反射镜170将激光发射器发射的激光反射至目标物；并对目标反射激光进行反射后传输至接收透镜122。

具体地，反射镜170可以是45度反射镜，将旋转电机160固定于电机支架150，旋转电机160的输出轴上固定反射镜170。旋转电机160在工作时带动反射镜170转动，从而改变激光发射方向，并将对应方向上的目标物返回的激光反射到接收透镜122。本实施例中，利用旋转电机160控制反射镜170转动以改变激光发射方向，通过机械转镜扫描以调节高精度的融合算法光学传感器的探测方向，可实现对不同方位的距离检测，提高了光学传感器的使用便利性。

此外，在一个实施例中，高精度的融合算法光学传感器还包括测量激光发射方位角的编码盘180。具体地，编码盘180可连接旋转电机160和雷达电路板130。雷达电路板130通过编码盘180控制旋转电机160工作，从而调节光学传感器的探测方向。

为便于更好地理解上述高精度的融合算法光学传感器，下面以飞行时间-相位融合式测距激光雷达为例进行详细的解释说明。

目前的激光雷达价位在几千至几十万元，且精度较差，基本在2至5厘米级别。目前的激光雷达主要工作方式有：

(1)飞行时间法：基于激光飞行时间测距，用机械转镜、mems振镜改变激光的出射角。目前成本较高(几千到几万元)，精度较差(厘米级)，优点是量程相对较远可到几十甚至几百米。

(2)三角法：基于cmos成像器和三角等比算法，优点是成本低几十、百元级，精度较高(毫米级)；缺点是量程相对较短一般仅几米到一二十米。

(3)激光相控阵：基于激光飞行时间测距，通过控制发射阵列中每个发射单元的相位差来改变激光的出射角。优点是工作稳定寿命长，缺点是成本非常高几十万元，视角有限一般在一百度左右，且目前尚未完全成熟，量程多在百米量级。

传统的相位激光测距法，因为存在2π周期的不确定性(也即实际距离＝n*量程+测距值，其中n＝0,1,2,3……的整数之一)，一般对策是测量几个不同频率的距离，再进行融合最后得到一个高精度的距离。显然测n个频率的距离会将测量速度降低n倍。激光雷达需要10khz以上的测量频率以对周边变化做出快速及时的感应。而相位激光测距法一般测量频率低于1khz，远不能满足激光雷达的频率要求，所以采用相位法的激光雷达目前在市场上几乎没有。为了实现相位法的激光雷达，首先必须提高相位法的测量频率，为了提高测量频率，本申请将从以下两点进行：

(1)提高混频信号频率，例如在一个实施案例中，将目前常用的回波混频后的5khz信号提高到100khz。

(2)精简频率数目，例如在一个实施案例中，将4个相位频率改成1个频率，选定为200mhz，此频率下的相位法测距量程较短为0.73米，但精度可以达到1毫米。为了实现远量程必须再加上一个飞行法测“远距离”，远距离的测距精度可以放宽到±0.36米(误差范围不大于一个相位法测距量程即可)。最后把飞行法测的粗远距与相位法测的精短距相融合，从而兼得远量程(几十米)和高精度(毫米级)。飞行法用mcu的定时器计数功能来测量激光从发射到接收的飞行时间，初步估算要实现±0.36米的精度，mcu主频需要达到400mhz，目前市面上主频400m以上的mcu价格仅几十元，所以此方案经济可行。

(3)在一个实施案例中初步估算，100khz的相位法信号，每10个周期算得一个距离，测量距离的频率可以达到10khz,基本可达到激光雷达的频率要求。

基于此，本申请提供的一种高精度的飞行相位融合法激光雷达，使用融合型的相位法+飞行时间法测距方案，从而实现低成本，高精度的飞行相位融合法激光雷达，可应用于更多领域。如图2所示，高精度的飞行相位融合法激光雷达的一个实施例包括激光发射装置110、激光接收装置120、雷达电路板130、支撑台面140、电机支架150、旋转电机160、反射镜170和编码盘180。其中，激光发射装置110包括激光二极管，激光接收装置120包括接收透镜122和激光接收器124，激光接收器124采用雪崩二极管，雷达电路板130包括mcu，反射镜170为45度反射镜。

高精度的飞行相位融合法激光雷达所采用的激光测距方法分两路：

1.第一路用相位法测距，两组频率f1和f2，例如在一个实施案例中，f1＝200mhz，f2＝200.1mhz,f2-f1＝100khz，f1调制到激光发射器上，f2调制在激光接收器的雪崩二极管上，把二者混频得到100khz的测距正弦波信号，通过快速傅里叶计算出相位p，计算出距离1＝相位p*调制光波长/2π。

2.第二路用飞行时间法测距，200mhz的信号调制在激光发射器上，同时此发射信号送给mcu的定时器捕获引脚1开始计时；从被测物返回的激光通过雪崩二极管的光电转换和运放后，信号送给mcu的定时捕获引脚2停止计时。通过mcu定时器捕获功能，测得两者的时间差t，计算出距离2＝t*c光速/2。

3.精确测距值＝去除不精确尾数的粗远距+去除2π不确定整数的精近距＝距离2/0.73*0.73+距离1％0.73，其中/是求整数运算,*是乘法运算，％是求余数运算。

需要说明的是，本申请提供的高精度的飞行相位融合法激光雷达，创新点在测距算法和实现算法的电路，算法和实现电路比较独立，可应用于多种雷达结构，并不局限于上述实施例中的雷达结构。

上述高精度的飞行相位融合法激光雷达，将激光相位法和激光飞行时间法结合，将低成本、高精度(毫米级)的相位测距方案加入到飞行时间法，解决高测频和高精度不可兼得的矛盾，从而替代目前市场上流行的单一采用飞行时间法方案，实现低成本、高精度、高测频的飞行相位融合法激光雷达。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。