基于双apd的激光测距方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于双APD的激光测距方法及装置。所述方法包括：激光发射模块向目标测量物发射激光脉冲以使所述激光脉冲在到达所述目标测量物后形成回波脉冲；聚光镜对所接收的回波脉冲进行聚焦，同时对所接收的环境光进行聚焦；第一APD模块将聚焦后的回波脉冲转换成第一电信号；第二APD模块将聚焦后的环境光转换成第二电信号；减法器模块对第一电信号和第二电信号作减法处理以滤除回波脉冲中的环境光噪声从而得到第三电信号；处理器根据第三电信号计算激光发射模块与目标测量物之间的距离。本发明提供的装置用于实现上述方法。本发明能够降低环境光噪声对激光测距时的影响，提高激光测距时的精确度。
【专利说明】
基于双APD的激光测距方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及激光测距技术领域，具体涉及一种基于双Aro的激光测距方法及装置。
【背景技术】
[0002] 激光测距原理是，激光源产生激光脉冲信号，并通过光纤或准直扩束镜发出一束 窄脉冲，然后通过测量该窄脉冲在目标测量物与激光传感器之间的飞行时间来计算激光器 与目标测量物之间的距离。可见，利用激光测距可以实现快速测距，广泛应用于武器、智能 交通等方面。
[0003] 实际应用中，激光脉冲容易受到环境噪声和电路噪声的影响。例如，利用激光器测 量距离较远的目标测量物或者激光器周围环境较差时，激光回波信号距离较微弱且信号噪 声较大，导致激光传感器无法获取该激光脉冲回波信号或者所获取的激光脉冲回波信号不 准确，进而降低测距精度。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于双Aro的激光测距方法及装置，可以 解决现有技术中环境光噪声过大而引起的激光器测距精确度低的问题。
[0005] 第一方面，本发明提供了一种基于双APD的激光测距方法，应用于基于双APD的激 光测距装置，所述装置至少包括第一 Aro模块、第二Aro模块和减法器模块;所述方法包括：
[0006] 激光发射模块向目标测量物发射激光脉冲以使所述激光脉冲在到达所述目标测 量物后形成回波脉冲;所述回波脉冲包括环境光噪声；
[0007] 聚光镜对所接收的回波脉冲进行聚焦，同时对所接收的环境光进行聚焦;所述回 波脉冲与所述环境光由所述聚光镜的不同位置接收；
[0008] 第一 Aro模块将聚焦后的回波脉冲转换成第一电信号;第二APD模块将聚焦后的环 境光转换成第二电信号；
[0009] 减法器模块对所述第一电信号和所述第二电信号作减法处理以滤除所述回波脉 冲中的环境光噪声从而得到第三电信号；
[0010] 处理器根据所述第三电信号计算激光发射模块与所述目标测量物之间的距离。
[0011] 可选地，当所述装置还包括放大电路模块时，所述减法器模块与所述放大电路电 连接;所述方法还包括：
[0012] 所述放大电路模块与所述第一APD模块和所述第二APD模块电连接，用于分别对所 述第一电信号和所述第二电信号进行放大；
[0013]可选地，所述第一 APD模块与所述第二APD模块固定在所述放大电路模块上，且所 述第一 Aro模块与所述第二Aro模块之间保持第一预设距离以保证两者的视角相同。
[0014] 可选地，所述处理器根据以下公式计算所述激光发射模块与所述目标测量物之间 的距离：
[0015] R = L/2 = C (tstop-tstart) /2 ；
[0016]式中，tstart表示激光发射模块发出激光脉冲的起始时间；tstcip表示处理器获取到 差分信号的终止时刻;R表示激光发射模块与目标测量物之间的实际距离;L表示激光脉冲 经过的实际距离;C表示激光速度。
[0017]可选地，所述tstcip采用以下公式计算：
[0018] tst〇P = F(5(Si,S2))；
[0019]式中，Si，S2分别表不回波脉冲信号；δ (Si, S2)表不减法器模块所输出的差分信号； tstcip = F(S〇)表示处理器接收到差分信号的时间作为回波脉冲的终止时间。
[0020] 第二方面，本发明还提供了一种基于双Aro的激光测距装置，所述装置包括激光发 射模块、聚光镜、第一 AH)模块和处理器，所述装置还包括第二AH)模块和减法器模块；
[0021] 所述激光发射模块用于向目标测量物的发出激光脉冲;所述激光脉冲在到达所述 目标测量物后形成回波脉冲，所述回波脉冲包含环境光噪声；
[0022] 所述聚光镜设置在所述回波脉冲的光路上，用于对所述回波脉冲进行聚焦，以及 对环境光进行聚焦；
[0023] 所述第一 APD模块设置在所述回波脉冲的光路上，用于将聚焦后的回波脉冲转换 成第一电信号；
[0024] 所述第二APD模块设置在所述环境光的光路上，用于将聚焦后的环境光转换成第 二电信号；
[0025] 所述减法器模块与所述第一 Aro模块和所述第二APD模块连接，用于对所述第一电 信号和所述第二电信号作减法处理以滤除所述回波脉冲中的环境光噪声从而得到第三电 信号；
[0026]所述处理器与所述减法器模块电连接，用于根据所述第三电信号计算激光发射模 块与所述目标测量物之间的距离。
[0027] 可选地，所述装置还包括放大电路模块，所述放大电路模块设置在第一 APD模块和 所述第二APD与所述减法器模块之间，用于对所述第一电信号和所述第二电信号进行放大 并发送给所述减法器模块；
[0028] 或者，
[0029]所述放大电路模块设置在所述减法器模块与所述处理器之间，用于对所述第三电 信号进行放大并发送给所述处理。
[0030] 可选地，所述第一 APD模块与所述第二Aro模块固定安装在所述放大电路模块上， 且安装位置关于水平线对称。
[0031] 可选地，所述第一 Aro模块与所述第二Aro模块之间保持第一预设距离以保证两者 的视角相同。
[0032]由上述技术方案可知，本发明通过设置第一 APD模块和第二APD模块，并且利用第 一 Aro模块将聚光镜聚焦的回波脉冲转换成第一电信号，利用第二Aro模块将聚光镜聚焦的 环境光转换成第二电信号；同时设置减法器模块，利用该减法器模块将放大后的第一电信 号和第二电信号作减法处理，这样可以将回波脉冲中环境光噪声以及放大电路模块的噪声 滤掉，从而使回波脉冲中尽量为激光发射模块所产生的激光脉冲。可见，本发明能够降低环 境光噪声对激光测距时的影响，提高激光测距时的精确度。
【附图说明】
[0033] 通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理 解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0034] 图1是本发明实施例提供的一种基于双Aro的激光测距方法流程示意图；
[0035] 图2是本发明实施例提供的一种基于双Aro的激光测距装置工作原理示意图；
[0036] 图3是本发明实施例提供的另一种基于双Aro的激光测距方法流程示意图；
[0037] 图4是本发明实施例提供的另一种基于双Aro的激光测距装置工作原理示意图；
[0038] 图5是本发明实施例提供的又一种基于双Aro的激光测距方法流程示意图；
[0039] 图6是本发明实施例提供的又一种基于双Aro的激光测距装置工作原理示意图；
[0040] 图7是激光脉冲式测距示意图；
[0041] 图8是有环境光噪声的激光回波脉冲曲线；
[0042] 图9是环境光噪声曲线；
[0043]图10是差分处理后的激光回波脉冲曲线
[0044] 图11是环境光干扰计算示意图。
【具体实施方式】
[0045] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046] 本发明实施例提供了一种基于双APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管） 的激光测距方法，应用于基于双Aro的激光测距装置，如图1与图2所示，该装置至少包括第 一 Aro模块、第二Aro模块和减法器模块。该方法包括：
[0047] si 1、激光发射模块向目标测量物发射激光脉冲以使激光脉冲在到达目标测量物 后形成回波脉冲；回波脉冲包括环境光噪声；
[0048] S12、聚光镜对所接收的回波脉冲进行聚焦，同时对所接收的环境光进行聚焦；回 波脉冲与环境光由聚光镜的不同位置接收；
[0049] S13、第一 Aro模块将聚焦后的回波脉冲转换成第一电信号;第二APD模块将聚焦后 的环境光转换成第二电信号；
[0050] S14、减法器模块对第一电信号和第二电信号作减法处理以滤除回波脉冲中的环 境光噪声从而得到第三电信号；
[0051] S15、处理器根据第三电信号计算激光发射模块与目标测量物之间的距离。
[0052]减法器模块可以对第一电信号和第二电信号进行放大后再计算，也可以计算后再 放大。实际应用中，减法器模块对信号的放大倍数不能满足实际需要时，则所述激光测距装 置还可以包括放大电路模块，该放大电路模块设置减法器模块与处理器之间，用于对减法 器模块的输出信号即第三电信号进行放大后传输给处理器处理。
[0053]此时，本发明实施例提供的一种基于双APD的激光测距方法，应用于基于双APD的 激光测距装置，如图3与图4所示，该方法包括：
[0054] S21、激光发射模块向目标测量物发射激光脉冲以使所述激光脉冲在到达目标测 量物后形成回波脉冲;所述回波脉冲包括环境光噪声；
[0055] S22、聚光镜对所接收的回波脉冲进行聚焦，同时对所接收的环境光进行聚焦;所 述回波脉冲与所述环境光由所述聚光镜的不同位置接收；
[0056] S23、第一 AH)模块将聚焦后的回波脉冲转换成第一电信号;第二APD模块将聚焦后 的环境光转换成第二电信号；
[0057] S24、减法器模块对所述第一电信号和所述第二电信号作减法处理以滤除所述回 波脉冲中的环境光噪声从而得到第三电信号；
[0058] S25、放大电路模块对所述第三电信号进行放大并发送给处理器；
[0059] S26、处理器根据放大后的第三电信号计算激光发射模块与目标测量物之间的距 离。
[0060]本发明通过在减法器模块之后设置放大电路模块，可以增大输入到处理器中的第 三电信号的强度，避免第三电信号过小而引起计算错误。但是由于引入了放大电路模块，也 在第三电信号中引入了放大电路模块产生的放大噪声，为解决上述问题，本发明又一实施 例中将放大电路模块放置在差分器之前，即放大电路模块设置在第一Aro模块和第二APD与 减法器模块之间，用于对第一电信号和第二电信号进行放大并发送给减法器模块。为此，本 发明实施例又提供了一种基于双APD的激光测距方法，应用于上述基于双Aro的激光测距装 置，如图5与图6所示，该方法包括：
[0061 ] S31、激光发射模块向目标测量物发射激光脉冲以使所述激光脉冲在到达所述目 标测量物后形成回波脉冲;所述回波脉冲包括环境光噪声；
[0062] S32、聚光镜对所接收的回波脉冲进行聚焦，同时对所接收的环境光进行聚焦;所 述回波脉冲与所述环境光由所述聚光镜的不同位置接收；
[0063] S33、第一 APD模块将聚焦后的回波脉冲转换成第一电信号并发送给放大电路模 块;第二Aro模块将聚焦后的环境光转换成第二电信号并发送给所述放大电路模块；
[0064] S34、所述放大电路模块分别对所述第一电信号和所述第二电信号进行放大；
[0065] S35、减法器模块对放大后的所述第一电信号和所述第二电信号作减法处理以滤 除所述回波脉冲中的环境光噪声从而得到第三电信号；
[0066] S36、处理器根据所述第三电信号计算激光发射模块与所述目标测量物之间的距 离。
[0067] 本发明实施例基于一种激光测距装置来详细说明上述基于双Aro的激光测距方法 的各个步骤。
[0068] 如图2、4和6所示，本发明实施例提供了一种基于双Aro的激光测距装置，该装置包 括:激光发射模块1、聚光镜2、第一 Aro模块3、第二Aro模块4、放大电路模块5、减法器模块6 和处理器7。
[0069] 激光发射模块1发出目标测量物0的激光脉冲，并记录起始时间tstart，如图7示出的 脉冲1。如图7~10所示，上述激光脉冲在到达目标测量物0后形成回波脉冲。该回波脉冲中 会受到所经过环境的影响，使该回波脉冲（如图8中波形所示）中包含环境光噪声（如图9中 波形所示）。这些环境光噪声会使后续计算过程中结果不准确。
[0070] 在上述回波脉冲的光路上设置有聚光镜2,该聚光镜2可以对上述回波脉冲进行聚 焦，形成方便测量的回波脉冲束。同时，该聚光镜2还对周围环境中的环境光进行聚焦，形成 环境光束。
[0071]需要说明的是，聚光镜2中聚焦回波脉冲与聚焦环境光的区域不同。实际应用中， 如图2、4和6所示，聚光镜2可以以其轴线所在的水平面为基准，分为上、下两部分区域。其 中，上部分区域用于接收并聚焦回波脉冲，下部分区域用于接收并聚焦环境光。这样可以使 下部分区域获取到激光测距装置所处环境的环境光，同时上部分区域也可以获取到包含环 境光噪声的回波脉冲。
[0072]本发明实施例中，在回波脉冲的光路上设置第一APD模块3(图2、4和6中采用APD1 表示）。该第一 Aro模块3将聚焦后的回波脉冲即回波脉冲束转换成第一电信号S1，并且将其 发送给放大电路模块5。在环境光的光路上设置第二Aro模块4(图2、4和6中采用APD2表示）， 该第二AH)模块4将聚焦后的环境光即环境光束转换成第二电信号S2,并发送给放大电路模 块5。
[0073]实际应用中，本发明将第一 APD模块3和第二APD模块4对称安装在聚光镜2轴线所 在水平面的上、下两侧，并且两者之间需要保证第一预设距离，通过设置该第一预设距离可 以保证第一 Aro模块与第二Aro模块具有相同的视场角。相对应的，此时激光发射模块1设置 在聚光镜2的上侧方位。
[0074]需要说明的是，上述第一预设距离，是指第一 APD模块3和第二AH)模块4之间安装 位置的距离。该第一预设距离可以根据聚光镜2的大小，以及回波脉冲与环境光的光路进行 调整。
[0075]放大电路模块5与上述第一 APD模块3和第二APD模块4电连接，用于分别对第一电 信号和第二电信号进行放大。本发明实施例中放大电路模块5可以采用现有技术的信号放 大电路实现，也可以采用具有信号放大功能的芯片、装置等实现，同样落入本申请的保护范 围。
[0076]减法器模块6与放大电路模块5电连接，分别接收第一电信号和第二电信号，然后 对两者做减法计算得到第三电信号即差分信号WS^Ss)，如图10所示。可见，该第三电信号 是指回波脉冲中滤掉环境光噪声之后的脉冲信号，该脉冲信号与激发发射模块产生的激光 脉冲信号比较接近，即激光脉冲受到环境光的影响越小，有利于提高后续计算结果的精确 度。
[0077]需要说明的是，本发明实施例中放大电路模块5可以单独设置，设置在减法器模块 6的前面或者后面，也可以与减法器模块6合并在同一个模块中。上述减法器模块6可以采用 现在技术中的差分放大器或者减法器模块运算放大电路实现，例如减法器模块6采用运算 放大器制成时，通过调节运算放大器外围电路的参数可以设置相应的放大倍数，此时可以 去掉上述放大电路模块5。本领域技术人员可以根据具体场景设置放大电路模块与减法器 模块组合顺序，也可以采用包含减法和/或者信号放大功能的电路、芯片、装置实现，本发明 不作限定。相对应的，当设置有放大电路模块5时，上述第一APD模块3和第二APD模块4固定 安装在该放大电路模块5上；当去掉放大电路模块5时，上述第一APD模块3和第二AH)模块4 固定安装在减法器模块6上。同样本领域技术人员可以根据具体场景进行设置，本发明不作 限定。
[0078]实际应用中，激光脉冲是一个时空分布函数，第一APD模块和第二AH)模块分别得 到的回波脉冲和环境光功率可以看作是激光脉冲与目标测量物、介质、电路相互作用的过 程，采用以下公式表示：
[0080]式中，Pi表示第一 AH)模块接收的回波脉冲的回波功率;？2表示第二Aro模块接收的 环境光的回波功率;Pl表不回波脉冲的回波功率的精确值;Pbi和PB2分别表不第一 AH)模块和 第二AH)模块接收的环境光噪声功率;PD表示电路信号噪声功率。
[0081 ] ?!与?2相减后的表达式为：
[0082] Pl-p2 = pL+pB1-pB2o
[0083] 如图11所示，环境光对AH)模块影响的计算公式：
[0085]
表示单位波长间隔辐射到单位立体角的辐射功率;β为散射 系数;表示视场角;dr表示APD直径;a表示大气衰减系数;Ta = exp(-ax)。
[0086] 本发明实施例中选择尺寸大小相同的两个Aro模块作为第一 Aro模块和第二Aro模 块，并保证θη = 9r2，从而使Pbi和Pb2相等，此时，Pl = Ρι_Ρ2。
[0087] 处理器7与减法器模块6电连接，在接收到第三电信号后，先记录结束时间tstQP， ^1[) = ?(3(&，&))，然后根据公式计算激光发射模块1与目标测量物0之间的距离：
[0088] R = L/2 = C* (tstop-tstart)/2 = C · (F(5(Sl,S2))-tstart)/2〇
[0089]式中，Si，S2分别表不回波脉冲信号；δ (Si, S2)表不减法器模块所输出的差分信号； tstcip = F(S〇)表示处理器接收到差分信号的时间作为回波脉冲的终止时间。
[0090] 需要说明的是，上述处理器可以采用现有技术中的单片机、ARM或者DSP芯片功能 实现，本发明不作限定。
[0091] 本发明实施例中公开了包括放大电路模块的情况，当然本领域技术人员也可以不 采用放大电路模块，在减法器模块模块中设置放大功能，同样可以实现本申请的方案，在此 不再详细说明。
[0092] 综上所述，本发明实施例提供的基于双Aro的激光测距方法及装置，通过在光路上 设置第一 APD模块和第二Aro模块，并利用第一 APD模块将回波脉冲转换成第一电信号以及 利用第二APD模块将环境光转换成第二信号，然后再利用减法器模块求第一电信号与第二 电信号之差，从而可以过滤掉回波脉冲中所包含的环境光噪声，可以提高后续计算中激光 测距的精确度。当第一 APD模块与第二APD模块之后设置有放大电路模块时，利用差分器可 以将放大电路模块的噪声同时过滤掉。可见，本发明可以将回波信号中的环境光噪声以及 放大电路模块噪声同时过滤掉，有效提高测距的精确度。
[0093]在本发明中，术语"第一"、"第二"、"第三"仅用于描述目的，而不能理解为指示或 暗示相对重要性。术语"多个"指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
[0094]虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发 明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求 所限定的范围之内。
【主权项】
1. 一种基于双APD的激光测距方法，其特征在于，应用于基于双Aro的激光测距装置，所 述装置至少包括第一 Aro模块、第二Aro模块和减法器模块;所述方法包括： 激光发射模块向目标测量物发射激光脉冲以使所述激光脉冲在到达所述目标测量物 后形成回波脉冲;所述回波脉冲包括环境光噪声； 聚光镜对所接收的回波脉冲进行聚焦，同时对所接收的环境光进行聚焦;所述回波脉 冲与所述环境光由所述聚光镜的不同位置接收； 第一 APD模块将聚焦后的回波脉冲转换成第一电信号;第二APD模块将聚焦后的环境光 转换成第二电信号； 减法器模块对所述第一电信号和所述第二电信号作减法处理以滤除所述回波脉冲中 的环境光噪声从而得到第三电信号； 处理器根据所述第三电信号计算激光发射模块与所述目标测量物之间的距离。2. 根据权利要求1所述的激光测距方法，其特征在于，当所述装置还包括放大电路模块 时，所述放大电路与所述第一 Aro模块和所述第二Aro模块电连接，所述减法器模块与所述 放大电路电连接;所述方法还包括： 所述放大电路模块分别对所述第一电信号和所述第二电信号进行放大并发送给所述 减法器模块。3. 根据权利要求2所述的激光测距方法，其特征在于，所述第一 APD模块与所述第二APD 模块固定在所述放大电路模块上，且所述第一 AH)模块与所述第二AH)模块之间保持第一预 设距离以保证两者的视角相同。4. 根据权利要求1~3任一项所述的激光测距方法，其特征在于，所述处理器根据以下 公式计算所述激光发射模块与所述目标测量物之间的距离： R = L/2 = C(tstop-tstart)/2； 式中，tstart表示激光发射模块发出激光脉冲的起始时间；七^^表示处理器获取到差分 信号的终止时刻;R表示激光发射模块与目标测量物之间的实际距离;L表示激光脉冲经过 的实际距离;C表示激光速度。5. 根据权利要求4所述的激光测距方法，其特征在于，所述tstcip采用以下公式计算： tstop = F(5(Sl,S2))； 式中，Si，S2分别表不回波脉冲信号；δ ( Si , S2 )表不减法器模块所输出的差分信号；tstop = F(S〇)表示处理器接收到差分信号的时间作为回波脉冲的终止时间。6. -种基于双APD的激光测距装置，所述装置包括激光发射模块、聚光镜、第一 APD模块 和处理器，其特征在于，所述装置还包括第一 AH)模块、第二AH)模块和减法器模块； 所述激光发射模块用于向目标测量物的发出激光脉冲;所述激光脉冲在到达所述目标 测量物后形成回波脉冲，所述回波脉冲包含环境光噪声； 所述聚光镜设置在所述回波脉冲的光路上，用于对所述回波脉冲进行聚焦，以及对环 境光进行聚焦； 所述第一APD模块设置在所述回波脉冲的光路上，用于将聚焦后的回波脉冲转换成第 一电信号； 所述第二APD模块设置在所述环境光的光路上，用于将聚焦后的环境光转换成第二电 信号； 所述减法器模块与所述第一 Aro模块和所述第二Aro模块连接，用于对所述第一电信号 和所述第二电信号作减法处理以滤除所述回波脉冲中的环境光噪声从而得到第三电信号； 所述处理器与所述减法器模块电连接，用于根据所述第三电信号计算激光发射模块与 所述目标测量物之间的距离。7. 根据权利要求6所述的激光测距装置，其特征在于，所述装置还包括放大电路模块， 所述放大电路模块设置在第一 Aro模块和所述第二Aro与所述减法器模块之间，用于对所述 第一电信号和所述第二电信号进行放大并发送给所述减法器模块； 或者， 所述放大电路模块设置在所述减法器模块与所述处理器之间，用于对所述第三电信号 进行放大并发送给所述处理。8. 根据权利要求6或7所述的激光测距装置，其特征在于，所述第一 AH)模块与所述第二 Aro模块固定安装在所述放大电路模块上，且安装位置关于水平线对称。9. 根据权利要求8所述的激光测距装置，其特征在于，所述第一 APD模块与所述第二APD 模块之间保持第一预设距离以保证两者的视角相同。
【文档编号】G01S7/487GK106093958SQ201610714788
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月24日
【发明人】刘郎, 刘一郎, 杨俊 , 武宏伟
【申请人】武汉万集信息技术有限公司