本發(fā)明涉及一種測距系統(tǒng)及其校正方法，尤其涉及一種基于TOF的測距系統(tǒng)及其校正方法。

背景技術(shù)：

目前，基于飛行時間(TOF)技術(shù)的測距方案主要有兩類，一類是激光方案、另一類是非激光方案。其中激光方案具有測量距離遠(yuǎn)，精確度高的優(yōu)點(diǎn)，但是缺點(diǎn)也是很明顯，主要缺點(diǎn)有：

(1)聚集的能量密度較高，有對皮膚和眼睛有灼傷的危險；(2)激光發(fā)射器對工作溫度較為敏感，在高溫情況下容易損壞，并且其發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光效率隨工作溫度變化較大；(3)制造成本較高；(4)無法在強(qiáng)光照環(huán)境下工作。

另一類是非激光方案，該方案雖然成本相對較低、對人體幾乎無傷害、可在較高的溫度下正常工作，但由于能量不容易集中，導(dǎo)致測量的距離較短，同時也無法在強(qiáng)光照環(huán)境下工作。此外，現(xiàn)有的測距方法在對傳感器的測量距離進(jìn)行校正標(biāo)定時步驟多、操作復(fù)雜，對操作員的水平要求較高，不便于普通用戶使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種基于TOF的測距系統(tǒng)及其校正方法，其成本低、穩(wěn)定性高、操作簡單，不僅測量距離遠(yuǎn)且測量精度高，具有較高的安全性能。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種基于TOF的測距系統(tǒng)，包括鏡蓋、發(fā)射鏡筒、電路板和接收鏡筒，所述發(fā)射鏡筒和接收鏡筒安裝在電路板上，鏡蓋用于蓋在發(fā)射鏡筒和接收鏡筒上，所述發(fā)射鏡筒內(nèi)設(shè)置有主發(fā)射管和發(fā)射聚焦鏡片組，主發(fā)射管安裝在位于發(fā)射鏡筒內(nèi)的電路板上，發(fā)射聚焦鏡片組設(shè)置在主發(fā)射管的上方；

所述接收鏡筒與發(fā)射鏡筒并排設(shè)置，接收鏡筒包括防雜散光結(jié)構(gòu)和接收聚焦鏡片組，防雜散光結(jié)構(gòu)為錐形結(jié)構(gòu)，其錐形結(jié)構(gòu)的開口大端處與接收聚焦鏡片組相連，其開口小端處設(shè)置有濾光片；所述濾光片的下方設(shè)置有光敏接收管和輔助發(fā)射管，所述光敏接收管和輔助發(fā)射管焊接在電路板上。

作為優(yōu)選，所述發(fā)射鏡筒和接收鏡筒的外部設(shè)置有遮光結(jié)構(gòu)，遮光結(jié)構(gòu)的設(shè)置用于防止雜散光和光噪聲。

作為優(yōu)選，所述發(fā)射聚焦鏡片組和接收聚焦鏡片組分別由一片或者多片透鏡組成；本發(fā)明在發(fā)射鏡筒和接收鏡筒中使用一片或若干片透鏡組成鏡片組，對發(fā)射光線和接收光線進(jìn)行聚焦，可減少光的發(fā)散，大幅度減少能量的損失，使得測量距離得到大幅度提升。同時，結(jié)合鏡筒的遮光結(jié)構(gòu)、錐形式防雜散光結(jié)構(gòu)以及濾光片，能消除大部分的環(huán)境光噪聲，使得接收管接收到的光信號更加穩(wěn)定，大幅提高了系統(tǒng)的信噪比和測量精度。

作為優(yōu)選，所述主發(fā)射管為波長為700nm-2000nm的非激光紅外LED管；本專利中優(yōu)選波長為850nm的非激光紅外LED管，所述發(fā)射聚焦鏡片組由兩片非球面透鏡組成；由于太陽光中含有各種波長的光分量，而紅外波段的光分量相對強(qiáng)度較弱，選取850nm的紅外光作為光源可以減少太陽光中的可見光分量對距離測量產(chǎn)生的干擾。

作為優(yōu)選，所述光敏接收管采用光譜靈敏度為400nm-2000nm的紅外接收管，本專利中優(yōu)選光譜靈敏度為880nm的紅外接收管作為光敏接收管；所述濾光片的中心波長為700nm-2000nm，半帶寬為5nm-100nm，本專利在實際應(yīng)用中優(yōu)選中心波長為880nm，半帶寬為50nm的濾光片；當(dāng)光敏接收管的中心波長和光源波長接近時，光敏接收管對反射光信號的靈敏度最高，選取880nm的光敏接收管配合半帶寬為50nm的濾光鏡可以消除大部分其他波長光分量的影響，提高系統(tǒng)的信噪比。

作為優(yōu)選，所述接收聚焦鏡片組由一片或多片透鏡組成，所述輔助發(fā)射管采用中心波長為700nm-2000nm的LED管，本專利中優(yōu)選中心波長為850nm的LED管作為輔助發(fā)射管。

作為優(yōu)選，所述防雜散光結(jié)構(gòu)為錐形結(jié)構(gòu)，其斜面與水平面所成的角度為15°-75°,適合在實際應(yīng)用中用來匹配不同焦距和不同口徑的鏡片。

作為優(yōu)選，所述鏡蓋為發(fā)射端蓋帽和接收端蓋帽一體成形，同時用于覆蓋在發(fā)射鏡筒和接收鏡筒上，采用發(fā)射端蓋帽和接收端蓋帽二合一的結(jié)構(gòu)設(shè)計，與鏡筒緊密蓋合，不但可以保護(hù)透鏡不受外界灰塵的污染，在校正時一方面可以防止發(fā)射鏡筒的光進(jìn)入到接收鏡筒，同時可以防止環(huán)境光噪聲進(jìn)入到接收鏡筒。相對于長距離校正，這種校正方式可以提高校正的精度和準(zhǔn)確度，能有效避免環(huán)境光噪聲對校正產(chǎn)生干擾。

一種基于TOF的測距系統(tǒng)的校正方法，具體的校正步驟包括：

(1)用鏡蓋蓋住發(fā)射鏡筒和接收鏡筒；

(2)電路板的內(nèi)部電路從主發(fā)射管切換到輔助發(fā)射管，產(chǎn)生一個經(jīng)過調(diào)制的電流來驅(qū)動輔助發(fā)射管，此時，主發(fā)射管不工作；

(3)輔助發(fā)射管發(fā)射出一束經(jīng)過調(diào)制的紅外光照射到光敏接收管上；

(4)光敏接收管接收從輔助發(fā)射管發(fā)出的經(jīng)過調(diào)制的紅外光并將其轉(zhuǎn)化為電信號；

(5)電路板的內(nèi)部電路通過比較光敏接收管產(chǎn)生的電信號與調(diào)制信號之間的相位差計算出當(dāng)前的測量距離誤差D_offset，并將該距離誤差保存在存儲器內(nèi)；其測量距離誤差D_offset的計算公式為：

其中：D_offset為電路板的內(nèi)部電路及發(fā)射、接收管延遲產(chǎn)生的距離誤差；c為光在真空中的傳播速度；f_LED為調(diào)制光的頻率；為調(diào)制信號與光敏接收管信號的相位差；

(6)在正常測量時，用該保存的位置誤差數(shù)據(jù)對每次測量的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。

本發(fā)明的校正方法無需借助外部的標(biāo)定裝置便可完成傳感器的距離標(biāo)定，相比現(xiàn)有技術(shù)的校正方式，本發(fā)明的校正方法中矯正速度和精度都得到了顯著的提高對操作員來說門檻也大幅降低了；而且其對環(huán)境沒有特殊要求，可隨時隨地進(jìn)行矯正；對于距離偏差修正部分采用多項式擬合，精度高。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明解決了以往采用激光設(shè)計方案時存在的高成本、對皮膚和人眼會造成傷害、無法在高溫環(huán)境下工作等缺點(diǎn)，同時解決了采用非激光設(shè)計方案時存在的測量距離短、精度差、校正繁瑣等問題，提出了一種低成本、高生物安全性、測量距離遠(yuǎn)、高精度的解決方案，同時實現(xiàn)了對系統(tǒng)誤差的一鍵式校正，簡化了傳統(tǒng)繁瑣的校正過程，為普通用戶的使用提供了便利。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1的剖面圖；

圖3為鏡蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為測得的距離與實際距離的比較圖；

其中：1.鏡蓋，2.發(fā)射聚焦鏡片組，3.發(fā)射鏡筒，4.主發(fā)射管，5.電路板，6.輔助發(fā)射管，7.光敏接收管，8.濾光片，9.防雜散光結(jié)構(gòu)，10.接收鏡筒，11.接收聚焦鏡片組，12.遮光結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1至圖3所示，公開了一種基于TOF的測距系統(tǒng)，包括鏡蓋1、發(fā)射鏡筒3、電路板5和接收鏡筒10，所述發(fā)射鏡筒3和接收鏡筒10安裝在電路板5上，鏡蓋1用于蓋在發(fā)射鏡筒3和接收鏡筒10上，所述發(fā)射鏡筒3內(nèi)設(shè)置有主發(fā)射管4和發(fā)射聚焦鏡片組2，主發(fā)射管4安裝在位于發(fā)射鏡筒內(nèi)的電路板上，發(fā)射聚焦鏡片組2設(shè)置在主發(fā)射管4的上方；

所述接收鏡筒10與發(fā)射鏡筒3并排設(shè)置，接收鏡筒10包括防雜散光結(jié)構(gòu)9和接收聚焦鏡片組，防雜散光結(jié)構(gòu)為錐形結(jié)構(gòu)，其錐形結(jié)構(gòu)的開口大端處與接收聚焦鏡片組11相連，其開口小端處設(shè)置有濾光片8；所述濾光片8的下方設(shè)置有光敏接收管7和輔助發(fā)射管6，所述光敏接收管7和輔助發(fā)射管6焊接在電路板5上。

本測距系統(tǒng)在實際應(yīng)用中還包括以下技術(shù)特征：在發(fā)射鏡筒和接收鏡筒的外部還設(shè)置有遮光結(jié)構(gòu)，可以充分防止雜散光和光噪聲；發(fā)射聚焦鏡片組和接收聚焦鏡片組分別由一片或者多片透鏡組成。

而作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，發(fā)射鏡筒采用850nm非激光紅外LED作為主發(fā)射管，采用兩片非球面透鏡作為發(fā)射聚焦鏡片組；其接收鏡筒采用中心波長為880nm的紅外接收管作為光面接收管，采用中心波長為880nm，半帶寬為50nm的濾光片，其防雜散光結(jié)構(gòu)的斜面與水平面成15°-75°角，在此角度范圍內(nèi)可以用來匹配不同焦距和不同口徑的鏡片。

本發(fā)明基于TOF技術(shù)原理，進(jìn)行距離測量時，輔助發(fā)射管6不工作，通過電路板5的內(nèi)部電路產(chǎn)生一定調(diào)制頻率的驅(qū)動電流驅(qū)動主發(fā)射管4，使之產(chǎn)生一定調(diào)制頻率的光信號，該光信號經(jīng)過發(fā)射聚焦鏡片組2的聚焦從鏡筒3發(fā)射出去。該發(fā)射光照射到被測物體后會被反射回一部分光信號，該信號被接收聚焦鏡片組11接收并聚焦，經(jīng)過濾光片8過濾掉其他波長的光信號，匯聚到光敏接收管7上。光敏接收管7將該光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電路板5的內(nèi)部電路通過計算調(diào)制信號與光敏接收管信號的相位差，即可計算出光源到被測物體的距離。遮光結(jié)構(gòu)12可防止測量環(huán)境中不同角度的雜散光和環(huán)境光噪聲被光敏接收管7所接收到，防雜散光斜面結(jié)構(gòu)9可將從側(cè)正面照射進(jìn)入接收鏡筒10的雜散光和環(huán)境光噪聲反射回去。遮光結(jié)構(gòu)12和斜坡式的防雜散光結(jié)構(gòu)9提高了系統(tǒng)的信噪比、測量距離和測量精度。

在使用TOF原理進(jìn)行距離測量時，不同的發(fā)射光調(diào)制頻率將對應(yīng)不同的最大量程。本發(fā)明的優(yōu)選方案采用4.5MHz作為發(fā)射光的調(diào)制頻率，在該調(diào)制頻率下的理論最大測量距離為33.33m，相比現(xiàn)有技術(shù)其測量距離提高了2倍。

同時，本發(fā)明還提供了一種基于TOF的測距系統(tǒng)的校正方法，系統(tǒng)快速校正時，鏡蓋1蓋住發(fā)射鏡筒3和接收鏡筒10，主發(fā)射管4不工作，電路板5的內(nèi)部電路切換到輔助發(fā)射管6使其發(fā)射出一束經(jīng)過調(diào)制的紅外光，該紅外光被光敏接收管7接收到并轉(zhuǎn)化為電信號，電路板5的內(nèi)部電路記錄此時調(diào)制信號與光敏接收管信號的相位差作為基準(zhǔn)，計算出當(dāng)前的測量距離誤差，并將該距離誤差保存在存儲器內(nèi)，即可完成校正，校正完成后取下鏡蓋1即可正常使用。在正常測量時，用該記錄的相位差數(shù)據(jù)對每次測量的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。

如圖4所示，即反映的是測量的距離與實際距離的比較圖，從圖中可見：采用本系統(tǒng)及校正方法測得的距離與實際距離相比吻合度很好，測量精度較高，且測量距離遠(yuǎn)能達(dá)到33米，是現(xiàn)有測量系統(tǒng)的2倍。