CN101776757A - 一种测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测距方法，包括：光源点B发射激光照射到反射点C，光接收点捕获反射点C反射的激光，并在图像传感器形成光点A；根据图像传感器形成的光点图像获取线段AP的长度，根据直角三角形POA，以及线段AP和线段OP的长度得出角OAP的数值；如果图像传感器形成的平面和线段BO平行，角OAP的数值为反射激光和线段BO的夹角COB；如果角CBO为直角，则根据线段BO的长度和角OAP的数值得出线段CB的长度数值，线段CB的长度数值为本地到目标点的距离。本发明由于测距算法简单，所以可以大大降低对电子器械的要求。

Description

一种测距方法

技术领域

本发明涉及一种测距技术，具体说，涉及一种本地到目标点之间测距的方法。

背景技术

激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克、飞机、舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。同时，也是提高高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。

激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。现有激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用D＝ct/2表示，式中D表示A、B两点间距离，c表示光在大气中传播的速度，t表示光往返A、B一次所需的时间。由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。相位式是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。

但是，上述的激光测距技术对于电子器件的要求极高，所以，造成激光测距仪的制造成本居高不下，限制了大范围推广使用。

如图1所示，是现有技术中影像感测装置的结构示意图。影像感测装置100的结构包括：图像传感器101和镜头102。影像感测装置100可以选用数码摄像机或者数码照相机。图像传感器能够将照射到其上的光形成图像数据。图像传感器可以采用电荷藕合器件图像传感器(CCD，Charge CoupledDevice)或者互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor)。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种测距方法，由于测距算法简单，所以可以大大降低对电子器械的要求。

技术方案如下：

一种测距方法，包括激光器和影像感测装置，所述影像感测装置包括镜头和图像传感器，包括：

以激光器为光源点B，以目标点为光反射点C，以影像感测装置为光接收点，所述光源点B、光反射点C和光接收点构成三角形关系；

所述光源点B发射激光照射到所述反射点C，所述光接收点捕获所述反射点C反射的激光，并在所述图像传感器形成光点A；

穿过所述镜头中心点O垂直于所述图像传感器所在平面作垂线，将所述垂线和所述图像传感器的交点为设定基点P，所述中心点O、设定基点P和光点A构成直角三角形POA；

根据所述图像传感器形成的光点图像获取线段AP的长度，根据所述直角三角形POA，以及所述线段AP和线段OP的长度得出角OAP的数值；

如果所述图像传感器形成的平面和线段BO平行，所述角OAP的数值为反射激光和线段BO的夹角COB；如果角CBO为直角，则根据线段BO的长度和角OAP的数值得出线段CB的长度数值，所述线段CB的长度数值为本地到所述目标点的距离。

进一步：如果所述图像传感器形成的平面和所述线段BO形成第一旋转角度，则所述反射激光和线段BO的夹角数值为所述角OAP和所述第一旋转角度的差值。

进一步：如果所述光源点B形成第二旋转角度，则角CBO的数值等于90度减去所述第二旋转角度；根据所述角CBO和所述角COB的数值，以及线段BO的数值得到所述本地到所述目标点的距离。

进一步：过C点向线段BO做垂线，交于D点；根据BO＝BD+DO、CD＝DO×tgCOB和CD＝BD×tgCBD得出CD的数值，其中，所述CD为所述本地到所述目标点的距离。

进一步：所述测距方法应用在测距仪中，所述测距仪包括数值运算模块和显示屏；所述图像传感器将光点A形成的图像信息发送到所述数值运算模块；所述数值运算模块测定所述图像信息上AP的长度，以及计算所述本地到所述目标点的距离，并将得出的所述距离数值发送到所述显示屏进行显示。

进一步：所述数值运算模块和显示屏设置在所述测距仪的主板上，所述主板用于为所述数值运算模块和显示屏提供电路。

进一步：如果角CBO为直角，则线段CB的长度为所述本地到所述目标点的距离。

进一步：角OAP＝arctgOP/PA，OP代表线段OP的长度，PA代表线段PA的长度；CB＝BO×tgOAP，BO代表线段BO的长度。

进一步：所述图像传感器采用电荷藕合器件图像传感器或者互补性氧化金属半导体。

进一步：所述镜头前端设置有滤光片，所述滤光片用于过滤掉干扰光。

本发明技术方案带来的技术效果包括：

1、本发明和现有的激光测距技术完全不同，提供了一种全新的测距方式，由于测距算法简单，所以可以大大降低对电子器械的要求，便于大面积推广。

2、在建筑施工、建筑安装、房屋测量等活动中，经常需要测量两点之间距离，目前所采用的方法基本上采用皮尺或卷尺进行丈量，测量时常常需要两个人来进行，有时因现场环境复杂、测量点不易到达甚至不能到达，给测量造成不便。而本发明使用方便，非常适合于复杂条件下使用。

3、本发明“所见即所量”，只需将装置放置在一点，将所发射的激光指向所需测量的另一点即可看到测量数据；使用时只需一人便可测量距离，测量两点只需到达一点即可，而另一点可以是难以到达或无法到达的位置。

附图说明

图1是现有技术中影像感测装置的结构示意图；

图2是本发明中测距仪的工作示意图；

图3是本发明中得出反射光线夹角和反射点距离的示意图；

图4是本发明中光电荷耦合器件图像传感器倾斜45°角的工作示意图；

图5是本发明中得出CCD倾斜后反射光线夹角的示意图；

图6是本发明中设置有激光器转轴、横梁转轴和影像感测装置转轴的测距仪的工作示意图；

图7是本发明中设置有激光转轴、横梁转轴和影像感测装置转轴的测距仪在出射角度不是90°角的工作示意图；

图8是本发明中出射角度不是90°时得出反射光线夹角和反射点距离的示意图；

图9是本发明中得出图8示例反射光线夹角和反射点距离的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种全新的测距方法，可以便捷有效地测量出目标位置到测距仪之间的距离。以激光源为光源点，以目标点为光反射点，以影像感测装置为光接收点，构建光源点、光源反射点和光接收点三点之间的三角关系，并通过影像感测装置获得反射点到光源点之间的夹角(即反射角)，利用光接收点与光源点之间的距离、激光束的发射角和反射角获得本地到目标点之间距离，达到测距的目的。为了计算方便，通常激光束的发射角为直角。

当图像传感器采用CCD时，上述反射角通过以下方式获得：

穿过镜头102垂直于CCD101所在平面作垂线，以该垂线和CCD101的交点为设定基点；如果影像感测装置100的结构确定，则CCD101到镜头102的距离是确定的。当有激光射到CCD101上时，会在CCD101上形成光点，就会得到光点到设定基点之间的距离；这样，镜头102、光点、设定基点就会构成一个直角三角形，利用CCD101到镜头102的距离、光点到设定基点的距离得到反射激光和CCD101之间的夹角。如果CCD101与光源点和光接收点的连线平行，则反射激光和CCD101之间的夹角就等于反射角；如果CCD101有旋转角度，则反射点到光源点之间的夹角的数值等于反射激光和CCD101之间的夹角减去旋转角度。

下面参考附图和优选实施例，对本发明技术方案做详细说明。

如图2所示，是本发明中测距仪的工作示意图。本优选实施例中，激光器201和影像感测装置100在一条直线上；当测定远处目标点206的距离时，激光器201以垂直于该直线的角度发射激光束(即发射角为直角)，影像感测装置100捕获目标点206反射回来的激光束。

测距仪的结构包括：激光器201、横梁202、影像感测装置100、主板203，以及设置在主板203上的数值运算模块204和显示屏205；其中，激光器201和影像感测装置100固定在横梁202上，激光器201作为光源用于向目标点206发射激光束；目标点206反射照射到自身的激光束，影像感测装置100用于捕捉目标点206反射回来的激光束，并将激光束形成的图像信息发送到数值运算模块204；数值运算模块204接收图像信息，测定图像信息上光点到设定基点之间的距离，同时，数值运算模块204中设定有镜头102中心点到CCD101之间的距离以及镜头102到激光器201之间的距离，数值运算模块204根据光点到设定基点之间的距离和镜头102中心点到CCD101之间的距离得出激光束的反射角，根据该反射角和镜头102到激光器201之间的距离得出目标点206到激光器201的距离，并将该距离以数据的形式发送到显示屏205进行显示；主板203用于为数值运算模块204和显示屏205提供电路系统。主板203、数值运算模块204和显示屏205可以设置在横梁202上，其中，显示屏205和数值运算模块204设置在主板203上，主板203用于为数值运算模块204和显示屏205提供电路系统。当然，数值运算模块204和显示屏205各自可以采用单独的电路，这种情况下主板203可以省略。另外，激光器201、影像感测装置100和主板203也可以设置在专用的外壳或者部件上，这样可以省略此处的横梁202。

为了方便测量，可以为测距仪配置一个起固定作用的支架，通过横梁202将测距仪固定在该支架上。为了有效捕捉反射回来的激光束，可以在镜头102前端设置滤光片，通过滤光片可以有效过滤掉干扰光。

如图3所示，是本发明中得出反射光线夹角和反射点距离的示意图。设定目标点206为点C，激光器201为点B，基线穿过镜头102中心点O，基线和CCD101的垂直交点是设定基点P，激光束在CCD101形成点A，CCD101和线段BO平行，CBO的角度为90°角。如果激光束在CCD101上形成的光点较大，则取该光点的中心作为点A。

由于CCD101和线段BO平行，所以∠c＝∠a，∠c代表反射激光束和CCD101的夹角，∠a代表反射激光束水平方向的夹角；∠c＝arctgOP/PA，OP代表线段OP的长度，PA代表线段PA的长度；CB＝BO×tg∠a，BO代表线段BO的长度，CB为激光器201到目标点206的距离数据。测量测距仪到目标点206的距离的方式固化在数值运算模块204中，即数值运算模块204测出线段PA的长度后，就可以利于公式∠c＝arctgOP/PA和CB＝BO×tg∠a得出测距仪到目标点206的距离数据。

如图4所示，是本发明中光电荷耦合器件图像传感器100倾斜45°角的工作示意图。当目标点206距离激光器201较近时，激光器201同样以垂直于水平方向发射激光束，由于目标点206反射回来的激光束倾斜较大，激光束有可能打不到CCD101上，使得CCD101不能有效成像。为了解决这个问题，固定影像感测装置100时，预先使影像感测装置100倾斜一定的角度，使得CCD101不再和线段BO平行，而是形成一个小于90°的夹角。本优选实施例中，CCD101和线段BO之间的夹角为45°角。

如图5所示，是本发明中得出CCD倾斜后反射光线夹角的示意图。按照图3中的方法建立三角关系，线段OA的延长线和水平线的交点为Q。设定此时得到的反射激光束和倾斜后的CCD101的夹角为∠c，CCD101的倾斜角为∠d(即CCD101和水平线的夹角)，则反射激光束水平方向的夹角为∠c-∠d。

测量测距仪到目标点206的距离的方式固化在数值运算模块204中，即数值运算模块204测出线段PA的长度后，就可以利用公式∠c＝arctgOP/PA和CB＝BO×tg(∠c-∠d)得出测距仪到目标点206的距离数据。

如图6所示，是本发明中设置有激光器转轴601、横梁转轴602和影像感测装置转轴603的测距仪的工作示意图。为了进一步便于测量距离和捕捉反射回来的激光束，在横梁202上设置有激光器转轴601、横梁转轴602和影像感测装置转轴603；激光器201通过该激光器转轴601固定在横梁202上，并且，激光器201通过该激光器转轴601可以实现水平转动，以便于对准目标点206；影像感测装置100通过该影像感测装置转轴603固定在横梁202上，并且，影像感测装置100通过影像感测装置转轴603可以实现水平转动，以便于捕捉反射回来的激光束；测距仪固定在支架上时，测距仪通过横梁转轴602实现垂直方向转动。通过操作激光器转轴601、横梁转轴602和影像感测装置转轴603，可以很方便实现对准目标点206和捕捉反射回来的激光束。

如图7所示，是本发明中设置有激光转轴、横梁转轴和影像感测装置转轴的测距仪在出射角度不是90°角的工作示意图。激光束发射的水平夹角是76.4°，目标点206反射的激光束水平夹角是71.8°。

如图8所示，是本发明中出射角度不是90°时得出反射光线夹角和反射点距离的示意图。设定目标点206为点C，激光器201为点B，基线穿过镜头102中心点O，基线和CCD101的垂直交点是设定基点P，激光束在CCD101形成点A，CCD101和线段BO平行；过C点向线段BO做垂线，交点是D。

由于CCD101和线段BO平行，所以∠c＝∠a，∠c代表反射激光束和CCD101的夹角，∠a代表反射激光束水平方向的夹角；∠c＝arctgOP/PA，OP代表线段OP的长度，PA代表线段PA的长度；∠b为激光器201的发射角度，∠b为90°减去激光器201的偏移角度。

由上述关系可以得出：BO＝BD+DO，CD＝tga×DO，CD＝tgb×BD，BO代表线段BO的长度，CD为测距仪到目标点206之间的距离，BO表示激光器201到镜头102的中心点O之间的距离；通过上述关系即可得到测距仪到目标点206之间的距离CD。

同样，测量测距仪到目标点206的距离的计算方法固化在数值运算模块204中，即数值运算模块204测出线段PA的长度后，就可以得出目标点206的距离数据，并将该距离数据发送到显示屏205进行显示。

如图9所示，本发明中得出图8示例反射光线夹角和反射点距离的示意图。设定目标点206为点C，激光器201为点B，镜头102中心为点O，BO为水平线，基线穿过镜头102中心点O和CCD101的垂直交点是设定基点P，激光束在CCD101形成点A，线段OA的延长线和水平线的交点为Q；射出激光束和线段BO的夹角是∠b，反射的激光束与CCD101形成的夹角为∠c，CCD101的水平夹角为∠d，则反射激光束水平方向的夹角为∠c-∠d。

数值运算模块204测出线段PA的长度后，就可以利于公式∠c＝arctgOP/PA来得到∠c的角度，∠d为CCD101倾斜时设定，所以可以得到反射激光束水平方向的夹角为∠c-∠d；∠b为激光器201的发射角度，∠b为90°减去激光器201的偏移角度。

由上述关系可以得出：BO＝BD+DO，CD＝tg(∠c-∠d)×DO，CD＝tgb×BD，BO代表线段BO的长度，CD为测距仪到目标点206之间的距离，BO表示激光器201到镜头102的中心点O之间的距离；通过上述关系即可得到测距仪到目标点206之间的距离CD。

同样，测量测距仪到目标点206的距离的计算方法固化在数值运算模块204中，即数值运算模块204测出线段PA的长度后，就可以得出目标点206的距离数据，并将该距离数据发送到显示屏205进行显示。

Claims (10)

1.一种测距方法，包括激光器和影像感测装置，所述影像感测装置包括镜头和图像传感器，其特征在于，包括：

以激光器为光源点B，以目标点为光反射点C，以影像感测装置为光接收点，所述光源点B、光反射点C和光接收点构成三角形关系；

所述光源点B发射激光照射到所述反射点C，所述光接收点捕获所述反射点C反射的激光，并在所述图像传感器形成光点A；

穿过所述镜头中心点O垂直于所述图像传感器所在平面作垂线，将所述垂线和所述图像传感器的交点为设定基点P，所述中心点O、设定基点P和光点A构成直角三角形POA；

根据所述图像传感器形成的光点图像获取线段AP的长度，根据所述直角三角形POA，以及所述线段AP和线段OP的长度得出角OAP的数值；

如果所述图像传感器形成的平面和线段BO平行，所述角OAP的数值为反射激光和线段BO的夹角COB；如果角CBO为直角，则根据线段BO的长度和角OAP的数值得出线段CB的长度数值，所述线段CB的长度数值为本地到所述目标点的距离。

2.如权利要求1所述测距方法，其特征在于：如果所述图像传感器形成的平面和所述线段BO形成第一旋转角度，则所述反射激光和线段BO的夹角数值为所述角OAP和所述第一旋转角度的差值。

3.如权利要求1或者2任一项所述测距方法，其特征在于：如果所述光源点B形成第二旋转角度，则角CBO的数值等于90度减去所述第二旋转角度；根据所述角CBO和所述角COB的数值，以及线段BO的数值得到所述本地到所述目标点的距离。

4.如权利要求3所述测距方法，其特征在于：过C点向线段BO做垂线，交于D点；根据BO＝BD+DO、CD＝DO×tgCOB和CD＝BD×tgCBD得出CD的数值，其中，所述CD为所述本地到所述目标点的距离。

5.如权利要求1或者2任一项所述测距方法，其特征在于：所述测距方法应用在测距仪中，所述测距仪包括数值运算模块和显示屏；所述图像传感器将光点A形成的图像信息发送到所述数值运算模块；所述数值运算模块测定所述图像信息上AP的长度，以及计算所述本地到所述目标点的距离，并将得出的所述距离数值发送到所述显示屏进行显示。

6.如权利要求5所述测距方法，其特征在于：所述数值运算模块和显示屏设置在所述测距仪的主板上，所述主板用于为所述数值运算模块和显示屏提供电路。

7.如权利要求1所述测距方法，其特征在于：如果角CBO为直角，则线段CB的长度为所述本地到所述目标点的距离。

8.如权利要求7所述测距方法，其特征在于：角OAP＝arctgOP/PA，OP代表线段OP的长度，PA代表线段PA的长度；CB＝BO×tgOAP，BO代表线段BO的长度。

9.如权利要求1所述测距方法，其特征在于：所述图像传感器采用电荷藕合器件图像传感器或者互补性氧化金属半导体。

10.如权利要求1所述测距方法，其特征在于：所述镜头前端设置有滤光片，所述滤光片用于过滤掉干扰光。

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