本實(shí)用新型涉及一種測(cè)距系統(tǒng)，尤其涉及一種基于TOF的測(cè)距系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，基于飛行時(shí)間(TOF)技術(shù)的測(cè)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(cè)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(duì)皮膚和眼睛有灼傷的危險(xiǎn)；(2)激光發(fā)射器對(duì)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(wú)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(duì)較低、對(duì)人體幾乎無(wú)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(cè)量的距離較短，同時(shí)也無(wú)法在強(qiáng)光照環(huán)境下工作。此外，現(xiàn)有的測(cè)距方法在對(duì)傳感器的測(cè)量距離進(jìn)行校正標(biāo)定時(shí)步驟多、操作復(fù)雜，對(duì)操作員的水平要求較高，不便于普通用戶使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提出一種基于TOF的測(cè)距系統(tǒng)，其成本低、穩(wěn)定性高、操作簡(jiǎn)單，不僅測(cè)量距離遠(yuǎn)且測(cè)量精度高，具有較高的安全性能。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：一種基于TOF的測(cè)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(kāi)口大端處與接收聚焦鏡片組相連，其開(kāi)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；本實(shí)用新型在發(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(duì)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(cè)量距離得到大幅度提升。同時(shí)，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(hào)更加穩(wěn)定，大幅提高了系統(tǒng)的信噪比和測(cè)量精度。

作為優(yōu)選，所述主發(fā)射管為波長(zhǎng)為700nm-2000nm的非激光紅外LED管；本專利中優(yōu)選波長(zhǎng)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(yáng)光中含有各種波長(zhǎng)的光分量，而紅外波段的光分量相對(duì)強(qiáng)度較弱，選取850nm的紅外光作為光源可以減少太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光分量對(duì)距離測(cè)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(zhǎng)為700nm-2000nm，半帶寬為5nm-100nm，本專利在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)選中心波長(zhǎng)為880nm，半帶寬為50nm的濾光片；當(dāng)光敏接收管的中心波長(zhǎng)和光源波長(zhǎng)接近時(shí)，光敏接收管對(duì)反射光信號(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)為700nm-2000nm的LED管，本專利中優(yōu)選中心波長(zhǎng)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(shí)際應(yīng)用中用來(lái)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(shí)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(jì)，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(shí)一方面可以防止發(fā)射鏡筒的光進(jìn)入到接收鏡筒，同時(shí)可以防止環(huán)境光噪聲進(jìn)入到接收鏡筒。相對(duì)于長(zhǎng)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(duì)校正產(chǎn)生干擾。

同時(shí)，本實(shí)用新型還提高了一種基于TOF的測(cè)距系統(tǒng)的校正方法，其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(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)輔助發(fā)射管，此時(shí)，主發(fā)射管不工作；

(3)輔助發(fā)射管發(fā)射出一束經(jīng)過(guò)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(guò)調(diào)制的紅外光并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；

(5)電路板的內(nèi)部電路通過(guò)比較光敏接收管產(chǎn)生的電信號(hào)與調(diào)制信號(hào)之間的相位差計(jì)算出當(dāng)前的測(cè)量距離誤差D_offset，并將該距離誤差保存在存儲(chǔ)器內(nèi)；其測(cè)量距離誤差D_offset的計(jì)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(hào)與光敏接收管信號(hào)的相位差；

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

本實(shí)用新型的校正方法無(wú)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，本實(shí)用新型的校正方法中矯正速度和精度都得到了顯著的提高對(duì)操作員來(lái)說(shuō)門檻也大幅降低了；而且其對(duì)環(huán)境沒(méi)有特殊要求，可隨時(shí)隨地進(jìn)行矯正；對(duì)于距離偏差修正部分采用多項(xiàng)式擬合，精度高。

本實(shí)用新型的有益效果：本實(shí)用新型解決了以往采用激光設(shè)計(jì)方案時(shí)存在的高成本、對(duì)皮膚和人眼會(huì)造成傷害、無(wú)法在高溫環(huán)境下工作等缺點(diǎn)，同時(shí)解決了采用非激光設(shè)計(jì)方案時(shí)存在的測(cè)量距離短、精度差、校正繁瑣等問(wèn)題，提出了一種低成本、高生物安全性、測(cè)量距離遠(yuǎn)、高精度的解決方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)誤差的一鍵式校正，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)繁瑣的校正過(guò)程，為普通用戶的使用提供了便利。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的結(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(cè)得的距離與實(shí)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(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖1至圖3所示，公開(kāi)了一種基于TOF的測(cè)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(kāi)口大端處與接收聚焦鏡片組11相連，其開(kāi)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(cè)距系統(tǒng)在實(shí)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。

而作為本實(shí)用新型的優(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(zhǎng)為880nm的紅外接收管作為光面接收管，采用中心波長(zhǎng)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(lái)匹配不同焦距和不同口徑的鏡片。

本實(shí)用新型基于TOF技術(shù)原理，進(jìn)行距離測(cè)量時(shí)，輔助發(fā)射管6不工作，通過(guò)電路板5的內(nèi)部電路產(chǎn)生一定調(diào)制頻率的驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)主發(fā)射管4，使之產(chǎn)生一定調(diào)制頻率的光信號(hào)，該光信號(hào)經(jīng)過(guò)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(cè)物體后會(huì)被反射回一部分光信號(hào)，該信號(hào)被接收聚焦鏡片組11接收并聚焦，經(jīng)過(guò)濾光片8過(guò)濾掉其他波長(zhǎng)的光信號(hào)，匯聚到光敏接收管7上。光敏接收管7將該光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電路板5的內(nèi)部電路通過(guò)計(jì)算調(diào)制信號(hào)與光敏接收管信號(hào)的相位差，即可計(jì)算出光源到被測(cè)物體的距離。遮光結(jié)構(gòu)12可防止測(cè)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(cè)量距離和測(cè)量精度。

在使用TOF原理進(jìn)行距離測(cè)量時(shí)，不同的發(fā)射光調(diào)制頻率將對(duì)應(yīng)不同的最大量程。本實(shí)用新型的優(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(cè)量距離為33.33m，相比現(xiàn)有技術(shù)其測(cè)量距離提高了2倍。

同時(shí)，本實(shí)用新型還提供了一種基于TOF的測(cè)距系統(tǒng)的校正方法，系統(tǒng)快速校正時(shí)，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(guò)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(hào)，電路板5的內(nèi)部電路記錄此時(shí)調(diào)制信號(hào)與光敏接收管信號(hào)的相位差作為基準(zhǔn)，計(jì)算出當(dāng)前的測(cè)量距離誤差D_offset，距離誤差的計(jì)算公式為

并將該距離誤差保存在存儲(chǔ)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(cè)量時(shí)，用該記錄的相位差數(shù)據(jù)對(duì)每次測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。

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