一种基于条纹相机的距离选通门控测距方法

1.本发明涉及一种距离选通探测技术，具体涉及一种基于条纹相机的距离选通门控测距方法。


背景技术：

2.距离选通探测技术是一种基于同步控制的时序滤波方法，广泛应用于激光雷达领域。如图1所示，距离选通系统由激光器01、接收探测器02、同步控制器03组成，图1中(a)为脉冲激光对目标05照明，脉冲光到达目标05，此时快门04关闭；图1中(b)为脉冲光到达目标05并返回至接收探测器02时，同步控制器03控制接收探测器02打开快门04进行接收，接收完毕后关闭快门04。由于在目标05回波到达接收探测器02前快门04处于关闭状态，采用距离选通的方式可以避免脉冲光未到达接收探测器02时的杂散光进入接收探测器02，减少噪声干扰。
3.直接控制法是常用的距离选通门控方法，根据目标距离、光速，可以计算脉冲激光从发射至接收所需要的光程时间，同步控制器03分别发出两路触发脉冲，分别控制激光器01出光、接收探测器02接收，其中接收探测器02触发脉冲相对于激光器01触发脉冲有一定延时，延时时间为光程时间。直接控制法需要根据目标距离计算延时时间，实际使用时，需要额外增加一套测距装置获取目标距离，系统复杂度较高；而且由于光传播介质干扰、目标反射特性等因素影响，测距装置获取到的目标距离误差较大，甚至无法获取目标距离，进而影响选通控制精度或使距离选通方法无法使用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决距离选通门控方法中现有的直接控制法，系统复杂度较高、获取到的目标距离误差较大，甚至无法获取目标距离的技术问题，而提供一种基于条纹相机的距离选通门控测距方法。
5.为了实现上述目的，本发明提供的技术解决方案为：
6.一种基于条纹相机的距离选通门控测距方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
7.1】初始化条纹相机的时间档位为最大档位，初始化触发脉冲延时时间为0，同步控制器3发出两路同步脉冲，分别用于触发激光器和条纹相机，使激光器和条纹相机进行距离选通；
8.2】根据条纹相机的时间档位，获得目标光程时间公差；
9.3】根据条纹相机荧光屏上接收到的条纹位置、荧光屏宽度以及当前的条纹相机触发脉冲延时时间，得到目标光程时间；
10.4】判断条纹相机的时间档位是否为最小时间档位；
11.若是，则执行步骤5】；
12.否则，调整条纹相机时间档位，并计算当前触发脉冲延时时间，将条纹相机的触发脉冲延时时间调整至当前触发脉冲延时时间，返回步骤2】，进行第i次距离选通；
13.其中，第i次距离选通时条纹相机的时间档位ti满足：
[0014]2·
t
pi-1
≤ti＜t
i-1
[0015]
第i次距离选通时触发脉冲延时时间t
si
通过下式得到：
[0016]
t
si
＝
△
t
i-1-t
pi-1
[0017]
公式中，i＝2,3，
…
,a，a为距离选通总次数，t
pi-1
为第i-1次距离选通时的目标光程时间公差，t
i-1
为第i-1次距离选通时条纹相机的时间档位，
△
t
i-1
为第i-1次距离选通时的目标光程时间；
[0018]
5】根据最小时间档位时步骤3】得到的目标光程时间，获得最小时间档位时的目标距离；
[0019]
6】根据步骤5】中最小时间档位时获得的目标距离，结合步骤2】中最小时间档位时获得的目标光程时间公差，得到测距结果，完成测距。
[0020]
进一步地，步骤2】中，第一次距离选通时的目标光程时间公差t
p1
通过下式获得：
[0021]
t
p1
＝t1/k
[0022]
第i次距离选通时的目标光程时间公差t
pi
通过下式获得：
[0023]
t
pi
＝ti/k
[0024]
其中，t1为条纹相机的时间档位初始值，ti为第i次距离选通时条纹相机的时间档位，k为常数，由条纹相机固有特性确定。
[0025]
进一步地，步骤3】中，第一次距离选通时的目标光程时间
△
t1通过下式获得：
[0026]
△
t1＝t
s1
+d
s1
/d*t1[0027]
第i次距离选通时的目标光程时间
△
ti通过下式获得：
[0028]
△
ti＝t
si
+d
si
/d*ti[0029]
其中，t
s1
为触发脉冲延时时间初始值，d
s1
为第一次距离选通时荧光屏上接收到的条纹位置，t
si
为第i次距离选通时的触发脉冲延时时间，d
si
为第i次距离选通时荧光屏上接收到的条纹位置，d为荧光屏宽度，由条纹相机2固有特性确定。
[0030]
进一步地，步骤5】中，最小时间档位时的目标距离s
ta
通过下式获得：
[0031]sta
＝c
·
△
ta/2
[0032]
其中，
△
ta为最小时间档位时的目标光程时间，c为激光在介质中的传输速率；因为条纹相机2的时间档位为最小时间档位时，系统的测量精度最高，因此，以最小时间档位时的目标距离s
ta
为初步测距结果。
[0033]
进一步地，步骤6】具体为：根据步骤5】最小时间档位时获得的目标距离s
ta
，结合步骤2】中最小时间档位时获得目标光程时间公差，得到测距结果为：
[0034]
[c
·
(
△
t
a-t
pa
)/2]～[c
·
(
△
ta+t
pa
)/2]
[0035]
其中，t
pa
为最小时间档位时的目标光程时间公差。
[0036]
本发明的有益效果：
[0037]
1、本发明提供的一种基于条纹相机的距离选通门控测距方法，使用条纹相机作为接收探测器，相比于直接控制法，不仅保证了距离选通方式原有的测距精度，即避免杂散光进入进行噪声干扰，而且在目标距离未知时，不用额外增加测距装置，利用条纹相机自身的时间档位调整，就可以对目标进行高精度距离选通探测。
[0038]
2、本发明提供的一种基于条纹相机的距离选通门控测距方法，通过公式设定完成
条纹相机的时间档位调整，可以使基于条纹相机的距离选通探测机构完成自适应测距。
[0039]
3、本发明提供的一种基于条纹相机的距离选通门控测距方法，控制方法简单精确、易操作。
附图说明
[0040]
图1为现有的距离选通门控方法中直接控制法的原理图；
[0041]
图2为本发明一种基于条纹相机的距离选通探测机构结构示意图；
[0042]
图3为本发明一种基于条纹相机的距离选通门控测距方法实施例的流程图；
[0043]
图4为本发明实施例的步骤3】中同步控制器的同步控制时序图。
[0044]
具体附图标记如下：
[0045]
1-激光器；2-条纹相机；3-同步控制器；4-快门。
具体实施方式
[0046]
为使本发明的优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0047]
一种基于条纹相机的距离选通探测机构，如图2所示，其包括由激光器1、条纹相机2以及同步控制器3；同步控制器3发出两路触发脉冲，分别控制激光器1出光和条纹相机2打开快门4接收信号。条纹相机2作为一种接收探测器，其原理为按照接收时刻的先后顺序将通过狭缝的接收光在荧光屏上不同位置成像，接收时刻与荧光屏空间位置一一对应。条纹相机2每次对有限时间范围内的光进行接收，然后根据实际需求将时间范围分为不同的时间档位，各档位可以通过发指令进行设置；但由于条纹相机2每个时间档位对应的测量范围有限，且条纹相机2的时间分辨率和时间档位成正比、时间档位/时间分辨率为固定值，即时间档位越大，对应的测量范围越大，越容易找到待测量的目标，但此时的测量公差相对的也越大，导致测量精度较低；时间档位越小，对应的测量范围越小，不容易找到目标，但此时的测量精度高。因此，本发明根据每次测量获得的目标光程时间公差和目标光程时间，计算下一次距离选通时条纹相机2的触发脉冲延时时间，并对条纹相机2的时间档位逐步减小进行调整，进而得到高精度的目标距离。
[0048]
如图3所示，一种基于条纹相机的距离选通门控测距方法，具体包括以下步骤：
[0049]
1】初始化条纹相机2的时间档位为最大档位，记作t1，初始化触发脉冲延时时间为0，记作t
s1
。
[0050]
同步控制器3发出两路同步脉冲，分别用于触发激光器1和条纹相机2，使激光器1和条纹相机2进行距离选通，具体为：同步控制器3控制激光器1发射脉冲激光，并对目标进行照明，当脉冲激光到达目标并返回至条纹相机2时，同步控制器3控制条纹相机2打开快门4，以当前时间档位进行接收。此时，条纹相机2的目标探测光程范围为t
s1
～(t
s1
+t1)，测量范围较大，容易找到待测量的目标，但测量精度较低。
[0051]
2】根据当前条纹相机2的时间档位，获得当前时间档位时目标光程时间公差；
[0052]
当前时间档位时目标光程时间公差即为当前时间档位时条纹相机2的时间分辨率；
[0053]
具体的，第一次距离选通时的目标光程时间公差t
p1
为：
[0054]
t
p1
＝t1/k
[0055]
第i次距离选通时的目标光程时间公差t
pi
为：
[0056]
t
pi
＝ti/k
[0057]
最后一次距离选通时，即最小时间档位时的目标光程时间公差t
pa
为：
[0058]
t
pa
＝ta/k
[0059]
其中，t为条纹相机2的时间档位，ti为第i次距离选通时条纹相机2的时间档位，ta为条纹相机2的最小时间档位，k为常数，由条纹相机2固有特性确定。
[0060]
3】根据当前时间档位时条纹相机2荧光屏上接收到的条纹位置、荧光屏宽度以及触发脉冲延时时间，通过下式，获得脉冲激光到达目标并返回的光程时间，即当前时间档位时的目标光程时间；
[0061]
具体的，第一次距离选通时的目标光程时间
△
t1为：
[0062]
△
t1＝t
s1
+d
s1
/d*t1[0063]
第i次距离选通时的目标光程时间
△
ti为：
[0064]
△
ti＝t
si
+d
si
/d*ti[0065]
最后一次距离选通时，即最小时间档位时的目标光程时间
△
ta为：
[0066]
△
ta＝t
sa
+d
sa
/d*ta[0067]
其中，t
s1
为第一次距离选通时的触发脉冲延时时间，d
s1
为第一次距离选通时荧光屏上接收到的条纹位置，t
si
为第i次距离选通时的触发脉冲延时时间，d
si
为第i次距离选通时荧光屏上接收到的条纹位置，t
sa
为最小时间档位时的条触发脉冲延时时间，d
sa
为最小时间档位时荧光屏上接收到的条纹位置，d为荧光屏宽度，由条纹相机2固有特性确定。
[0068]
同时，根据当前时间档位时的目标光程时间和步骤2】获得的目标光程时间公差，获得当前时间档位时的目标光程时间范围；
[0069]
具体的，第一次距离选通时的目标光程时间范围为：
[0070]
(
△
t
1-t
p1
)～(
△
t1+t
p1
)
[0071]
第i次距离选通时的目标光程时间范围为：
[0072]
(
△
t
i-t
pi
)～(
△
ti+t
pi
)。
[0073]
4】判断当前条纹相机2的时间档位是否为最小时间档位；
[0074]
若是，则执行步骤5】；
[0075]
否则，调整条纹相机2的时间档位，并计算当前触发脉冲延时时间，将条纹相机2的触发脉冲延时时间调整至当前触发脉冲延时时间，返回步骤2】，此时，如图4所示，当前触发脉冲延时时间为t
si
，同步控制器3发出两路同步脉冲，即激光器触发脉冲m和条纹相机触发脉冲n，分别用于触发激光器1和条纹相机2，使激光器1和条纹相机2进行第i次距离选通。
[0076]
具体的，在调整条纹相机2的时间档位时，为了保证能探测到目标，第i次距离选通时条纹相机2的时间档位要小于第i-1次距离选通时的时间档位，并大于等于第i-1次距离选通时的目标光程时间范围；由于第i-1次距离选通时的目标光程范围为(
△
t
i-1-t
pi-1
)～(
△
t
i-1
+t
pi-1
)，因此，第i次距离选通时条纹相机2时间档位ti需满足：
[0077]2·
t
pi-1
≤ti＜t
i-1
[0078]
第i次距离选通时触发脉冲延时时间t
si
通过下式计算得到：
[0079]
t
si
＝
△
t
i-1-t
pi-1
[0080]
其中，i＝2,3，
…
,a，a为距离选通总次数，t
pi-1
为第i-1次距离选通时的目标光程时间公差，t
i-1
为第i-1次距离选通时条纹相机2的时间档位，
△
t
i-1
为第i-1次距离选通时的目标光程时间；
[0081]
根据计算得到的第i次距离选通时条纹相机2的时间档位和触发脉冲延时时间，对条纹相机2的时间档位和触发脉冲延时时间进行调整后，返回步骤2】，进行第i次距离选通，直至判断当前距离选通结束后的条纹相机2的时间档位为最小档位，则执行步骤5】。
[0082]
5】根据步骤3】中最小时间档位时得到的目标光程时间
△
ta，计算最小时间档位时的目标距离s
ta
为：
[0083]sta
＝c
·
△
ta/2
[0084]
其中，c为激光在介质中的传输速率。
[0085]
因为条纹相机2的时间档位为最小时间档位时，系统的测量精度最高，因此，以最小时间档位时的目标距离s
ta
为初步测距结果。
[0086]
6】根据步骤5】获得的最小时间档位时的目标距离s
ta
，结合步骤2】中最小时间档位时获得的目标光程时间公差t
pa
，得到最终的测距结果为：
[0087]
[c
·
(
△
t
a-t
pa
)/2]～[c
·
△
ta+t
pa
)/2]。
[0088]
控制过程：对于激光器1和条纹相机2同步工作的距离选通探测系统，同步控制器3控制激光器1发射脉冲激光，并对目标进行照明，当脉冲激光到达目标并返回至条纹相机2时，同步控制器3控制条纹相机2打开快门4以当前时间档位进行接收；根据条纹相机2荧光屏上接收到的条纹位置，对目标光程时间进行粗测；然后根据粗测值，调整条纹相机2的触发脉冲延时时间，并减小条纹相机2时间档位，使其用较低时间档位接收到达目标并返回至条纹相机2的脉冲信号，根据条纹相机2的触发脉冲延时时间和条纹相机2当前荧光屏上的条纹位置，计算出更高精度的目标光程时间；以此类推，对条纹相机2的时间档位和触发脉冲延时时间进行调整后，进行下一次距离选通探测，直至距离选通探测完的条纹相机2时间档位到达最低时间档位；根据目标光程时间、光速以及目标光程时间公差，得到最终测距结果。
[0089]
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对上述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。