TWI333541B - Laser range finder and related range measurement method - Google Patents

Description

1333541 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種雷射測距裝置及其測距方法，特 別是有關於一種利用一飛行時間來測量與一目標物之距離 的雷射測距裝置及其測距方法。 【.先前技術】 一般而言，雷射測距的形式可以分為干涉式、相位式 與脈衝回波式三類。其中脈衝回波式雷射測距係以直接測 • 量光脈衝的飛行時間來計算距離。當雷射二極體被驅動電 路觸發時會產生一個起始脈波作為時距測量電路的起始訊 號，當反射雷射訊號被接收與放大處理後，產生一個終止 計時的結束脈波，而計時電路測量起始脈波與結束脈波之 間的時距，即為雷射脈波在雷射測距裝置與待測目標物之 間的飛行時間，藉此可得知與目標物之間的距離。 然而，當進行遠距離的測距時，雷射測距裝置所接收 到的遠距離訊號可能非常微弱，甚至僅略大於雜訊值。若 • 預設的門檻值（Threshold)太小，則極有可能將雜訊值誤 認為目標訊號。但是若門檻值太大，則無法偵測到微弱訊 號。 因此，需要一種能提昇雷射測距裝置的測距能力的裝 置以及方法。 【發明内容】 有鑑於此，本發明實施例之目的之一即在於提供一種 雷射測距裝置及其測距方法。 0757-A22210TWF(N2)；E0117068；JASONKUNG 6 1333541 基於上述目的，本發明一實施例提供一種測距方、去， 適用於-雷射測距裝置，用以測量該雷射測距裝置盘；_目 標物之距離。測距方法包括：於—第—時間點，朝該目標 物發射-雷射訊號；接收由該目標物反射之該雷射訊號. 利用-採樣信號對該反射雷射訊號採樣^ 號值之-數位訊號，其中該等訊號值之範圍係從 办2 ’·找出該數位訊號中該等訊號值之—最大訊號值；以 及依據相應於該最大訊號值之m點以及該第一時 間點，計算出該雷射測距裝置與該目標物之距離。 本發明另一實施例提供一種雷射測距裝置，用以測量 與一目標物之距離。雷射測距裝置至少包括一發射單元、 一接收單元、一類比數位訊號轉換單元以及一系統單元。 發射單元用以於-第-時間點，朝該目標物發射—雷射訊 號。接收單元用以接收由該目標物反射之該反射雷射來 類比數位訊號轉換單元，對該反射雷射訊號進行採樣， 付到具有複數訊號值之一數位訊號。其中，該等訊號值之 範圍係從0至N，N為大於2之正整數。系統單元用以找 出該，位訊號之該等訊號值中之一最大訊號值、依據相應 於該最大訊號值之一第二時間點以及該第一時間點，計算 出該雷射測距裝置以及該目標物之距離。 為使本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明如下。 【實施方式】 0757-A22210TWF(N2)；E0117068；JAS〇NKUNG 7 1333541 本發明之實施例提供一種雷射測距蓉置及其相關的測 距方法。本發明實施例之雷射測距裝置係利用類比數位訊 號轉換單元將接收到的反射雷射訊號進行數位化，使其產 生的數位訊號中包含各種不同的訊號值，藉此可保留反射 雷射訊號原來的波形以及振幅，於是可以辨識出雜訊以及 目標訊號，增加抵抗雜訊干擾以及遠距離測距的能力，同 時可以縮短測量的時間。 依據本發明實施例之測距方法係利用反射雷射訊號， • 得到具有複數訊號值之一數位訊號，找出數位訊號的所有 訊號值中的最大訊號值，再利用產生最大訊號值的時間 點，算出一表示自發射雷射訊號起至接收反射雷射訊號所 經歷之時間的飛行時間，並據此計算出雷射測距裝置與目 標物之距離。 ^

乐圖係顯不一雷射測距裝置100之實施例之區塊 圖。如圖所示’雷射測距裝置1GG中的發射單元發射雷射 喊至目標物11G，接著接收單元接收反射的雷射訊號。 反射的雷射訊號將透過比較器轉成數值為^ 2的數位^ 由訊歧理單元進行處理，以找出收到目標訊號 的化·間點，進而求出與目標物的距離。 -般而言’比較ϋ需要—個門插值來與輸人 比對，當輸入訊號值大於或等於- a進仃 輪“，，當測試的距 出：否則 反射雷射訊號會相對變弱，並且容易伴隨。收到的 到目標訊號’ Η播值將設得更小 Ί °為了找 使侍雜訊矾號值可能大 0757-A222J0TWF(N2)；E0117068JASONKUNG „ 〇 1333541 於門檻值，而被誤認為目標訊號，因此無法準確的判斷出 目標訊號值，需要延長測試所需的時間。 第2圖係顯示一依據本發明實施例之雷射測距裝置 200之區塊圖，用以測量與一目標物260之距離。雷射測 距裝置200中包括了一發射單元210、一接收單元220、一 類比數位訊號轉換單元23Q、一系統單晶片240以及一顯 示單元250。發射單元210用以朝目標物260發射一雷射 訊號L1以進行測距。發射單元210包括一雷射二極體 _ (pulsed laser diode)212以及一驅動電路214，其中驅動電 路214用以控制雷射二極體，使其朝目標物260發射雷射 訊號。 接收單元220用以接收由目標物260反射之一反射雷 射訊號L2。接收單元220包括一雪崩二極體（avalanche photodiode)222，用以接枚由目標物260反射之反射雷射訊 號、一訊號放大器224，用以對雪崩二極體222所接收之 反射雷射訊號進行放大，以及一濾波電路226，用以將已 • 放大之反射雷射訊號進行雜訊濾除。類比數位訊號轉換單 元230耦接至接收單元220，將接收單元220輸出的反射 雷射訊號進行訊號數位化，以得到具有複數訊號值之一數 位訊號。其中，此數位訊號具有一與反射雷射訊號相同之 特定波形且其中所有訊號值之範圍係從〇至N，N為大於 2之正整數。第3圖係顯示一訊號波形圖。其中，訊號S1 表示接收到的反射雷射訊號L2的波形圖，訊號S2表示經 過第1圖雷射測距裝置100中的比較器進行數位化後的數 0757-A22210TWF(N2)；E0117068；JASONKUNG 9 1333541 . 位訊號，訊號S3表示經過第2圖雷射測距裝置200中的類 比數位訊號轉換單元230進行數位化後的數位訊號。此處 假設類比數位訊號轉換單元230為一 8位元類比數位轉換 器（ADC)，因此反射訊號將轉換為0至255之間的數位訊 號。由第3圖可知，反射雷射訊號S1上的3個取樣點P1、 P2以及P3，在數位訊號S2上的訊號值為1，而在數位訊 號S3上則分別為100、250以及105。另外也可發現，數 位訊號S2因為比較一門檻值以決定輸出，因此其波形為一 φ 方波，無法呈現出取樣點P2為最大峰值，而數位訊號S3 因可將訊號值量化成各種不同的訊號值，因此不僅可以呈 現出取樣點P2為最大峰值，且具有與原始訊號S1相同之 波形。 系統單晶片（SOC)240包括一控制邏輯單元242、記憶 體單元244以及一處理單元246。控制邏輯單元242耦接 於處理單元246、發射單元210以及類比數位訊號轉換單 元230，當接收至處理單元246所發出的一觸發訊號時， • 驅動發射單元210朝目標物260發射雷射訊號，並啟動類 比數位訊號轉換單元230開始進行訊號轉換。記憶體單元 244用以儲存經過類比數位訊號轉換單元230轉換後的數 位訊號。處理單元240自記憶體單元244中讀出儲存之數 位訊號，並找出數位訊號中的最大訊號值，以計算出一飛 行時間，進而計算出雷射測距裝置200與目標物260之距 離。顯示單元250，與處理單元246耦接，用以顯示處理 單元246所算出之雷射測距裝置200與目標物260的距離。 0757-A22210TWF(N2)；E0117068；JASONKUNG 10 1333541 第4圖係顯示一依據本發明實施例之測距方 =0。㈣時姻2_及第4_。料，㈣驟^ 於弟- ％間點T i，朝目標物2 6 〇發射雷射訊號。此時_ T1即為發射時間。此時，控制邏輯單元244接 一 246所發出的一觸發訊號，告知準備進行測距，^早= 制邏輯單it 244便於第-時間點T!，,_發射單元=1〇 ; ㈣’使其控制光電二極體212朝目標物26〇

發射雷射訊號L1，並啟動類比數位訊號轉換單元23 進行訊號轉換。 「用始 接著’於步驟S420，接收單元22〇中的雪崩二極體a] 接收目標物反射的反射雷射訊號L2，錢過訊號放大哭 U4對反射雷射訊號進行放大，再透過濾波電路226，將^ ，大之反射雷射訊號進行雜訊濾除，並將濾除後的結果(如 第3圖中所不的訊號S1)輸出至類比數位訊號轉換單元 230。接著，於步驟S430，類比數位訊號轉換單元23〇將 接收單Tt 220輸出的反射雷射訊㈣換成數位訊號，以得 到具有複數訊號值的數位訊號。 舉例來§兒，睛參照第3圖，假設類比數位訊號轉換單 元230為一 8位元類比數位訊號轉換器時，則反射雷射訊 號S1將被轉換成具有訊號值範圍從〇至255變化的複數訊 號值的數位訊號S3，且訊號S3將具有與訊號S1相同之波 形。經過類比數位訊號轉換單元230轉換後的數位訊號將 被儲存於記憶體單元244中。 之後，於步驟S440，處理單元246從記憶體單元244 0757-A2221〇TWF(N2)；E0117068；JASONKUNG 11 1333541 I讀出儲存的數位訊號，並從此數位訊_所有訊號值中 =-^大訊號值。於步驟S45G，再依據產生最大訊號值 弟一日寸間點T2以及第一時間點T1，計算出一飛行時間。 其中’飛灯B寺間係定義為自發射雷射訊號起至接收到反射 雷射訊號所經歷之時間。於此實施例中，飛行 Τ=：Γ2-Τ1。. ， 最後，於步驟S460’可將計算出的飛行時間τ乘上光 速，便可計算出雷射測距裝置以及目標物26q的距離。 由於此時，訊號值的範圍可有較大的差異，使得雜訊 值與目標訊號值之間的差值大於！，因此可以更準確地定 位以及找出目標訊號值，也可縮短賴所需的時間。 此外’為了確保找到的最大訊號值的時間點的正確 Μ押本發明另—實施例更利用—門難來辅助最大訊號值 (目標訊號）的判斷。 程圖=圖係顯示另—依據本發明實施例之測距方法之流 =5圖所示’於步驟测，依據環境參數(例如天 $ ' %光強弱以及雜訊)，得到一對應的門插值。可以先針 =^光照強度㈣素進行反覆測試，得到對應 =為門檀值。舉例來說’可以透過對天空發射數組雷射 二亚：採樣到的訊號進行分析，找出訊號平均值Μ 值以及落在最大訊號值一既定範圍之外的相對 :間的差值Δν的關係’再將門檻值設為大於 值即可。例如，當AV值的範圍為1800(^9000

0757-A22210TWF(N2)；E0117068；JAS〇NKUNG 1.333541 時，測試出Δν可能的範圍為0〜40,因此當AV值為19000 以下時，可將門檻值設為42。 訊號平均值AV與門檻值的對應關係，可以事先得到， 並以一對照表方式儲存於記憶體單元中。請參考第6圖， 係顯示一依據本發明實施例之對照表600之示意圖。對照 表600中包括一平均值AV欄位以及一門檻值攔位，且每 一平均值AV欄位有一對應的門檻值。舉例來說，當平均 值為18500時，其對應的門檻值為42,而當平均值為19501 • 時，其對應的門檻值則為62。 接著，於步驟S520，找出落在最大訊號值一既定範圍 之外的一第二大訊號值。此既定範圍可以自由的調整，一 般約為最大訊號值的左右附近的值，以避免找到目標訊號 附近的訊號值進行錯誤的比對。舉例來說，本實施例係以 該第二時間點為參考中心點，分別向前/後各以一時間單位 為範圍，取得此範圍之外的最大值作為相對最大訊號值， 其中時間單位可是一個反射雷射訊號之採樣信號的週期； • 亦或是以最大訊號值為參考中心點，定義既定範圍係相應 於參考中心點前/後3碼（yard)距離的時間點，但不用以限 定本發明。 請參考第7圖，第7圖係顯示一依據本發明實施例之 數位訊號示意圖。如圖所示，VI點的訊號值為最大訊號 值，因此在落在VI點的訊號值一範圍之外找到一相對最 大訊號值，即所示之V2點的訊號值。 之後，於步驟S530，判斷最大訊號值與第二大訊號值 0757-A22210TWF(N2):E0117068；JASONKUNG 13 上州541 之差值△ V(-Vl-V2)是否不小於門檀值。若是 值為目標信號’確認找到之第二時間點為正確 1=!；^㈣㈣叫表示找到的最大訊號 : 再發射雷射訊號，重新測量（步驟奶0)。 本4:1，，：參考第7圖，由於硬體元件(如類比滤波器) 現，如第7 :以看到在目標訊號出㉟後會有—極小值出 特性:Ϊ二:示的V3點之訊號值。因此，也可利用此 寻來進灯目軚訊號的確認。 =一實施例中，可於最大訊號值發生之後，於數位訊 二：：一相對最小訊號值，再判斷最大訊號值與此 虎值之差值是否不小於一第二門檀 之第的!ΓΓ為目標信號，確認找到 訊，於是可再發射雜 判斷為否時，亦即最大訊號值二= 對最小訊號值==，是可否接=^^ 是，表示找到的最大訊號值為目標信：: :第二時間點為正確。若否，表示找到的 說明值以發射-(組)雷射訊號進行 進行測距:::=二 可將τ 了钕仪幻知數組反射雷射訊號， 將…累加或平均，再針對累加或平均後的訊號進行處 〇^7-A2221〇TWF(N2)；E0117068；JAS〇nkung ]4 1.333541 理。因此，本發明亦可適用於使用複數組雷射訊號進行測 距的應用。 上述說明提供數種不同實施例或應用本發明之不同方 法。實例中的特定裝置以及方法係用以幫助闡釋本發明之 主要精神及目的，當然本發明不限於此。 因此，雖然本發明已以較佳貪施例揭露如上，然其並 非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發 明之精神和範圍内，當可做些許更動與潤飾，因此本發明 之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

0757-A22210TWF(N2)；E0117068：JASONKUNG 15 1333541 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示一雷射測距裝置之實施例之區塊圖。 第2圖係顯示一依據本發明實施例之雷射測距裝置之 區塊圖。 第3圖係顯示一訊號波形圖。 第4圖係顯示一依據本去明實施例之測距方法之流程 圖。

第5圖係顯示另一依據本發明實施例之測距方法之流 程圖。 第6圖係顯示一依據本發明實施例之對照表之示意 圖。 第7圖係顯示一依據本發明實施例之數位訊號示意 圖。 【主要元件符號說明】 100〜雷射測距裝置； 110〜目標物； 200〜雷射測距裝置； 210〜發射單元； 212〜雷射二極體； 214〜驅動電路； 220〜接收單元； 222〜雪崩二極體； 224〜訊號放大器； 226〜濾波電路； 0757-A22210TWF(N2)；E0117068；JASONKUNG 16 1.333541 230〜類比數位訊號轉換單元； 240〜系統單晶片； 242〜控制邏輯單元； 244〜記憶體單元； 246〜處理單元； 250〜|顯示單元； 260〜目標物。

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Claims (1)

1333541 修正本 第96122879號 修正日期:99.8.23 . 十、申請專利範圍： I一種測距方法，適用於一雷射測距裝置，用以測量 該雷射測距裝置與一目標物之距離，包括下列步驟： 於第日守間點，朝該目標物發射—雷射訊號. 接收由該目標物反射之一反射雷射訊號； 利用-採樣信號對該反射雷射訊號採樣，得到且有複

=訊號值之-數位訊號，其中料訊號值之範圍係從0至 N ’ N為大於2之正整數； 找出該數位訊號之該等訊號值中之一最大訊號值； 依據相應於該最大訊號值之mm該第一 點，计异出該雷射測距裝置與該目標物之距離； 根據-特定原則’由該等訊號值中 該料原則係對-既㈣間範圍之外的相對最大 矾唬值疋義為該第一訊號值； 判斷該最大訊號值與該第—訊號值之差 一弟一門檻值，·以及 右是，則判定該最大訊號值為一目標信號。 定專利11㈣1項所述之測距i法，其中該既 A失去乾圍為射*樣彳§號的兩倍週期，且以該第二時間點 巧麥考中心點。 門乾伯如申#專利範圍第1項所述之測距方法，其中該第一 松值係根據環境參數内建於該雷射測距裝置。 1如申請專利範圍第！項所述之測距方法，更包括： "該最大訊號值與該第—訊號值之差值小於該第-門 18 1333541 第96122879號 修正日期:99.8.23. 修正本 捏值時’判定發生該最大訊號值為一雜·訊。 5.如申請專利範圍第1項所述之測距方法，更包括： 當該最大訊號值與該第一訊號值之差值小於該第一門 • 檻值時’於該第二時間點後，由該等訊號值中得到一相對 ' 最小訊號值； 判斷該最大訊號值與該相對最小訊號值之差值是否不 小於一第二門檻值；以及 φ 若是，則判定該最大訊號值為一目標信號。 6·如申請專利範圍第1項所述之測距方法，其中該數 位訊號是8位元訊號。 7·—種雷射測距裝置，用以測量與一目標物之距離， 至少包括： 一發射單το，用以於一第一時間點，朝該目標物發射 一雷射訊號； 一接收單元，用以接收由該目標物反射之該反射雷射 φ 訊號； :類比數位訊號轉換單元，對該反射雷射訊號進行採 樣彳于到具有複數訊號值之一數位訊號，其中該等訊號值 之範圍係從〇至N，N為大於2之正整數；以及 =系統單元，用以找出該等訊號值中之一最大訊號 ，並依據產生§亥最大訊號值之一第二時間點以及該第一 時間點’計异出該雷射測距震置與該目標物間的距離，其 中該系統單元更包括： —記憶體單元’心儲存該數位訊號； 19 ⑶：041 —第96122879號 修正日期讲幼 修正本 -處理單元’自該記憶體單元 找出該等訊號值中之該最大訊號值，·以及虎亚 於”控單元，接收該處理單元之-觸發訊號，以 驅動該發射單元發射該雷射訊號，並啟動 Θ類比數位訊號轉換單元， 、〜其中該系統單元根據—特定原収義—第 亚判斷該最大訊號值與該第—^ if曰甘Ϊ 疋’則判定該最大訊號值為-目標㈣， 訊定義為該第-訊號值疋時間辄圍之外的相對最大 該發tUt：範㈣7項所叙雷射測距裝置，其中 一雷射二極體，·以及 驅動電路，用以控制兩-辟 發射該雷射訊號。 田、一士肢，以朝該目標物 該二=圍第8項所述之雷射測距裝置，其中 射㈣雪崩二極體’用以接收由該目標物反射之該反射雷 訊5虎放大器，用丨7&山 雷射訊號進行放大；以及 ^月二極體所接收之該反射 訊遽7㈣路’用以將已放大之該反射雷射訊號進行雜 10.如申請專利範圍第7項所述之雷射測距裝置，更包 20 1333541 乐外122879號 砂止日期:99.8.23 片 -顯不單元’與該處理單元 广本 所算出之該雷射=顯㈣處理單元 ,,^ ^ ^ ^ 罝/、忑目軚物間的距離。 备卞：大^ :利乾圍第7項所述之雷射測距裝置，1中 :該取大_值與該第-訊號值之差值小於4門；： 時，該處理單元判定該最大訊號值為雜訊於料一門板值

括二!請:利範圍第7項所述之雷射測距裳置，更包 玄^理早4定該最大訊號值為雜m後，令該發射^ π再能目私物發射一雷射訊號，以重複測距。 ▲ 1—3·如申請專利範圍第7項所述之雷_距裝置， 该既定時間範圍為該採樣㈣的秘週期 間點為參考中心點。 且以该弟二時 14.如申請專利範圍帛7項所述之雷射測 該門檻值係内建於該憶體單元。 衣1 /'中 15·如申請專雜圍第14項職之雷射測㈣置，立 中該門檻值係依據重複量測之訊號的平均值訂定。 /、 16.如申請專利範圍第7項所述之雷射測 位訊號是8位元訊號。 、’〜數