CN102073051A - 激光多脉冲扩时测距装置 - Google Patents

Abstract

激光多脉冲扩时测距装置，涉及一种激光测距装置。提供一种采用激光脉冲飞行时间间隔扩展测量，能有效提高对目标的测距精度的激光多脉冲扩时测距装置。设有相关时钟控制电路、单稳态触发器、脉冲驱动电路、脉冲半导体激光器、雪崩光电二极管、前置滤波放大电路、抽样保持电路、恒比定时检测电路、门控逻辑、微处理器、液晶显示器、准直透镜和聚焦透镜。基于激光多脉冲的测距方式和恒比定时的时刻鉴别原理，用以解决短程激光脉冲测距中时间间隔难以精确测量的问题。解决激光单脉冲测距方式下，脉冲飞行时间间隔难以精确测定的不足，实现高精度、非接触式的近距离激光测距，应用于短程激光脉冲测距系统，能有效提高对目标的测距精度。

Description

激光多脉冲扩时测距装置

技术领域

本发明涉及一种激光测距装置，尤其是涉及一种激光多脉冲扩时测距装置。

背景技术

激光具有高速、高方向性、高单色性和相干性等优点，使其适合于非接触式的测距应用。根据所发射激光状态的不同，可分为脉冲激光测距和连续波激光测距，后者根据起止时刻标识的不同又分为相位激光测距和调频激光测距。

相位激光测距是通过测量高频调制相位差来实现测距。光源发出连续光，经过调制器按正弦波调制后成为调制光射向目标，调制光的光强随时间作周期变化，测定光波往返过程中的正弦波整周期数及不足一个周期的正弦函数的相位，就可确定光波往返时间间隔，从而计算所测距离。相位激光测距需要复杂的鉴相装置，并且由于工作期间持续发射激光信号，系统功耗较大。而脉冲式激光测距是隔一定时间间隔发射脉冲信号，其功耗相对于连续波调制式可以减小很多。

脉冲激光测距利用了光脉冲飞行时间测量原理，由脉冲激光器对准目标发出一持续时间很短的脉冲激光，经待测目标反射后被光电传感器接收，测量发射脉冲和接收脉冲之间的时间间隔，就可以算出待测目标的距离：L＝ct/2，其中t为时间间隔，c为光速。因此时间间隔测量的精度将直接影响激光脉冲测距精度，是问题研究的关键。但由于光传播速度接近3.0×10⁸m/s，近距离测量时收发脉冲时间间隔很短，直接采用时钟计数法测量时间间隔会产生较大误差，并且一味提高时钟频率会对器件工作速度、系统功耗等因素提出较高要求，因此有必要在不增加工作频率的情况下，采用特别的处理方法以提高测时精度。

目前，大多数激光脉冲测距系统是基于单脉冲工作方式，即向待测目标发射单个激光脉冲并接收反射信号，再利用各种改进技术提高时间间隔测量精度。考虑到多周期测量技术是一种有效的频率测量方法，若将其应用于激光脉冲测距，能在达到相同测量分辨率的条件下，比单脉冲测距方式降低系统工作频率，并且通过多次测量求取平均值能提高测量精度。

中国专利CN 1152233C公开一种自动调节视频设备如显示器的图像尺寸的装置和方法。由于采用的视频设备的电特征数据被预先设置在视频设备中，与输入何种外部数据无关，用户的一次性输入或者是自动图像调节模式的选择均会使外部输入数据与预置的特征数据进行比较，这样存储于视频设备中的视频设备的水平和垂直图像的尺寸即被自动调节，如此，在显示器的制造过程中，调节步骤被简化，提高了生产率，并降低了成本。

中国专利CN1403834A公开一种激光测距方法及其系统，它在一个由受控激光发射器、被测目标和光接收器三者依次串接而成的光电信号振荡环路中，在光接收器的控制下，受控激光发射器从有光输出→无光输出→再有光输出构成一个光电信号振荡周期t₀，周期连续循环就形成一个稳定的光电信号环路但t₀＝ΔT+t₁，ΔT是飞行时间，t₁是振荡电路延时时间，求出ΔT就得出距离。该振荡电路为连续测定N个周期创造了条件。它用飞行时间测量单元和微处理器去测定N个周期后t₀的均值，从中求出ΔT，就提高了测量精度；但又由于其连续测定N个周期所用的时间仅仅是一次时间测量时间T₁，从而大幅度地降低时间测量次数，因而缩短了总的测量时间。

但是上述专利的思路仍是基于单脉冲的工作方式，即在脉冲回波返回后再次发射激光脉冲，从而形成一个多脉冲的闭环振荡，测量激光往返多个周期累计时间再求平均值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用激光脉冲飞行时间间隔扩展测量，能有效提高对目标的测距精度的激光多脉冲扩时测距装置。

本发明设有相关时钟控制电路、第1单稳态触发器、第2单稳态触发器、脉冲驱动电路、脉冲半导体激光器、雪崩光电二极管、前置滤波放大电路、第1抽样保持电路、第2抽样保持电路、第1恒比定时检测电路、第2恒比定时检测电路、门控逻辑、微处理器、液晶显示器、准直透镜和聚焦透镜；

相关时钟控制电路的第1时钟信号和第2时钟信号输出端分别接第1单稳态触发器和第2单稳态触发器的输入端，第1单稳态触发器的脉冲信号输出端接脉冲驱动电路输入端，第2单稳态触发器的窄脉冲信号输出端分别接第2抽样保持电路输入端和第1抽样保持电路输入端；

脉冲驱动电路输出端接脉冲半导体激光器输入端，脉冲半导体激光器的发射脉冲序列输出经准直透镜朝目标发射，目标表面漫反射后的激光脉冲由聚焦透镜聚焦；雪崩光电二极管的电信号输出端接前置滤波放大电路的输入端，前置滤波放大电路的接收脉冲序列与发射脉冲序列输出端分别接第1抽样保持电路的输入端，第1抽样保持电路的输出端接第1恒比定时检测电路输入端，第1恒比定时检测电路输出端接门控逻辑输入端，门控逻辑与微处理器连接，微处理器的输出接口接液晶显示器输入端；

第2抽样保持电路的输出端接第2恒比定时检测电路输入端，第2恒比定时检测电路输出端接门控逻辑输入端，相关时钟控制电路的第2时钟信号输出端接门控逻辑输入端，门控逻辑的输出端分别接第1抽样保持电路和第2抽样保持电路输入端。

单稳态触发器得到的窄脉冲信号用于控制抽样保持电路抽样开关工作。扩展后的发射与接收脉冲序列分别通过恒比定时检测电路检测相应的定时时刻，利用门控逻辑电路判别两扩展信号检测时刻的时间间隔。最后通过微处理器进行信号处理，由液晶显示器显示换算得到待测距离值。

本发明采用的脉冲半导体激光器选择输出波长为905nm的砷化锢稼(InGaAs)半导体激光器。光电探测器选用雪崩光电二极管，前置滤波放大电路采用低噪声放大器设计。

本发明要求实现两个频率稳定，并且存在微小周期差的时钟信号，相关时钟控制电路采用锁相及频率合成技术设计，其中晶振频率和分频器参数可依据不同的测量指标进行设定，以满足实际应用的要求。

本发明由时钟控制电路产生的第1时钟信号调制半导体激光器，使其对准目标按固定周期持续发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到发射端，经光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。再由时钟控制电路产生周期比第1时钟略大的第2时钟，依次对发射脉冲序列与接收脉冲序列抽样保持，从而将两序列在时间域上进行扩展，扩时后的信号分别通过恒比定时鉴别电路检测相应的定时时刻，利用逻辑电路判别两扩展信号检测时刻的时间间隔。最后通过微处理器进行信号处理，由液晶显示器显示换算得到待测距离值。

本发明基于激光多脉冲的测距方式和恒比定时的时刻鉴别原理，提出一种采用激光多脉冲方式的测距装置，用以解决短程激光脉冲测距中时间间隔难以精确测量的问题。本发明在持续脉冲发射工作方式下，利用两个周期相差很小的时钟信号内插扩展激光脉冲飞行时间以提高测时精度。其中第1时钟产生的脉冲信号用于调制激光器使其持续发射激光脉冲，目标反射的激光回波经光电传感器接收后，形成与发射信号同周期的脉冲接收序列。而后利用周期比第1时钟略大的第2时钟，依次对发射与接收脉冲序列抽样保持，从而将两序列在时间域上进行扩展，扩时后的信号分别通过恒比定时鉴别电路检测相应的定时时刻，相比于脉冲前沿时刻鉴别法，恒比定时法能有效消除由脉冲幅度变化带来的误差，从而提高激光多脉冲扩时测距的抗干扰性与稳定性。最后测量两扩展信号相应检测时刻的时间间隔，再除以扩展倍数，即可得到距离换算所需要的激光脉冲飞行时间。将本发明应用于短程激光脉冲测距系统，能有效提高对目标的测距精度。

本发明解决激光单脉冲测距方式下，脉冲飞行时间间隔难以精确测定的不足，实现了高精度、非接触式的近距离激光测距，本发明尤其适合于短程精密工程测量。

附图说明

图1是本发明实施例的整体框图。

图2是本发明实施例的相关时钟控制电路原理图。

图3是本发明实施例的抽样保持电路原理框图。

图4是本发明实施例的恒比定时检测电路电路图。

图5是本发明实施例的门控逻辑原理图。

图6是本发明实施例的信号处理时序图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例设有相关时钟控制电路1、第1单稳态触发器21、第2单稳态触发器22、脉冲驱动电路3、脉冲半导体激光器4、雪崩光电二极管5、前置滤波放大电路6、第1抽样保持电路71、第2抽样保持电路72、第1恒比定时检测电路81、第2恒比定时检测电路82、门控逻辑9、微处理器10、液晶显示器11、准直透镜12和聚焦透镜13；

相关时钟控制电路1的第1时钟信号和第2时钟信号输出端分别接第1单稳态触发器21和第2单稳态触发器22的输入端，第1单稳态触发器21的脉冲信号输出端接脉冲驱动电路3输入端，第2单稳态触发器22的窄脉冲信号输出端分别接第2抽样保持电路72输入端和第1抽样保持电路71输入端；

脉冲驱动电路3输出端接脉冲半导体激光器4输入端，脉冲半导体激光器4的发射脉冲序列输出经准直透镜12朝目标发射，目标表面漫反射后的激光脉冲由聚焦透镜13聚焦；雪崩光电二极管5的电信号输出端接前置滤波放大电路6的输入端，前置滤波放大电路6的接收脉冲序列与发射脉冲序列输出端分别接第1抽样保持电路71的输入端，第1抽样保持电路71的输出端接第1恒比定时检测电路81输入端，第1恒比定时检测电路81输出端接门控逻辑9输入端，门控逻辑9与微处理器10连接，微处理器10的输出接口接液晶显示器11输入端；

第2抽样保持电路72的输出端接第2恒比定时检测电路82输入端，第2恒比定时检测电路82输出端接门控逻辑9输入端，相关时钟控制电路1的第2时钟信号输出端接门控逻辑9输入端，门控逻辑9的输出端分别接第1抽样保持电路71和第2抽样保持电路72输入端。

相关时钟控制电路1产生两路周期稳定并且保持微小周期差的第1时钟信号与第2时钟信号，其中第1时钟信号经单稳态触发器2形成的脉冲信号作为激光器驱动电路的输入，驱动脉冲半导体激光器4产生满足一定发射功率与幅度的发射脉冲序列，经过准直透镜朝目标发射。激光脉冲在物体表面漫反射后由聚焦透镜聚焦，利用雪崩光电二极管5检测微弱光信号并转化为电信号，而后通过前置滤波放大电路6进行放大得到满足后续电路处理所需的幅度。得到的接收脉冲序列与发射脉冲序列分别输入至抽样保持电路7，由时钟控制电路1产生的第2时钟信号经单稳态触发器2得到的窄脉冲信号用于控制抽样保持电路7抽样开关工作。扩展后的发射与接收脉冲序列分别通过恒比定时检测电路8检测相应的定时时刻，利用门控逻辑电路9判别两扩展信号检测时刻的时间间隔。最后通过微处理器10进行信号处理，由液晶显示器11显示换算得到待测距离值。

本发明采用的脉冲半导体激光器选择输出波长为905nm的砷化锢稼(InGaAs)半导体激光器。光电探测器选用雪崩光电二极管，前置滤波放大电路采用低噪声放大器设计。

本发明要求实现两个频率稳定，并且存在微小周期差的时钟信号，相关时钟控制电路采用锁相及频率合成技术设计，参见图2，其中晶振频率和分频器参数可依据不同的测量指标进行设定，以满足实际应用的要求。图2给出了一实施例，选择稳定度为10^-6量级的温度补偿晶体振荡器TCXO作为第1时钟发生器，且使得第1时钟频率为3MHz，第2时钟频率为2.99985MHz，即两时钟周期差为16.67ps。温补晶振101的标称频率为60MHz，压控晶体振荡器102的中心频率调在59.997MHz，两个晶振信号送到数字混频器产生的差频约为0.003MHz，与60MHz晶振信号经20000分频器103产生的0.003MHz信号通过鉴相器104进行鉴相，输出鉴相电压经环路滤波105控制压控晶振，以保证压控晶振输出时钟为59.997MHz。之后利用60MHz温补晶振经20分频器107产生需要的第一时钟信号，利用中心频率59.997MHz的压控振荡器经20分频器108产生需要的第二时钟信号，两者分别作为后续抽样保持电路的时钟控制信号。

抽样保持电路参见图3。S1为发送脉冲序列或经放大的接收脉冲序列，开关的控制是时钟控制电路1产生的第2时钟信号经单稳态触发器2得到的脉冲信号S2。S3为测距启动信号，当启动测量，输入信号通过开关门M1的通断对电容C3进行充电/保持。输出电压通过电压跟随器A1保持较长时间不变，再第过运算放大器A2进行放大并输出，实现发送(接收)脉冲序列的时域上的扩展。

恒比定时检测电路图参见图4，经过抽样保持的发射脉冲序列(接收脉冲序列)分为两路，第一路信号经过电阻R11和R12构成的衰减网络对信号进行衰减；第二路信号经电阻R14，R15，R16及电容C6构成的低通滤波器进行延迟。衰减信号与延迟信号经过比较器A5，得到发射信号(回波)的时间的时间信息。由直流电源、电阻R8，R9及可变电阻器R10提供的可调偏置电压，可以减小由于比较器正端输入电压需大于负端输入电压一定值才会翻转所引入的幅值相关的误差。

门控逻辑原理如图5所示，S5与S6分别为发射与接收扩展信号的恒比定时时刻检测输出脉冲，反向后通过RS触发器整合，得到扩展的收发时间间隔门控信号S8，与时钟控制电路1产生的第2时钟信号S7相与，得到待时钟计数的信号序列S9。

信号处理时序图参见图6，第1时钟信号通过脉冲形成电路产生发射脉冲序列，用于调制半导体激光器，向待测目标发射激光脉冲。经目标反射后的激光回波经雪崩光电二极管极收并通过前置滤波及低噪放大，得到接收脉冲序列。第2时钟信号通过脉冲形成电路产生抽样脉冲序列，当启动测距后，抽样脉冲序列分别对发射脉冲序列与接收脉冲序列进行抽样保持，实现其时域上的扩展。通过恒定定时检测电路，得到体现发射接收时刻的脉冲信号，经过整后输出扩展的收发时间间隔门控信号，并利用第2时钟对其进行时钟计数。

Claims (1)

1.激光多脉冲扩时测距装置，其特征在于设有相关时钟控制电路、第1单稳态触发器、第2单稳态触发器、脉冲驱动电路、脉冲半导体激光器、雪崩光电二极管、前置滤波放大电路、第1抽样保持电路、第2抽样保持电路、第1恒比定时检测电路、第2恒比定时检测电路、门控逻辑、微处理器、液晶显示器、准直透镜和聚焦透镜；

相关时钟控制电路的第1时钟信号和第2时钟信号输出端分别接第1单稳态触发器和第2单稳态触发器的输入端，第1单稳态触发器的脉冲信号输出端接脉冲驱动电路输入端，第2单稳态触发器的窄脉冲信号输出端分别接第2抽样保持电路输入端和第1抽样保持电路输入端；

脉冲驱动电路输出端接脉冲半导体激光器输入端，脉冲半导体激光器的发射脉冲序列输出经准直透镜朝目标发射，目标表面漫反射后的激光脉冲由聚焦透镜聚焦；雪崩光电二极管的电信号输出端接前置滤波放大电路的输入端，前置滤波放大电路的接收脉冲序列与发射脉冲序列输出端分别接第1抽样保持电路的输入端，第1抽样保持电路的输出端接第1恒比定时检测电路输入端，第1恒比定时检测电路输出端接门控逻辑输入端，门控逻辑与微处理器连接，微处理器的输出接口接液晶显示器输入端；

第2抽样保持电路的输出端接第2恒比定时检测电路输入端，第2恒比定时检测电路输出端接门控逻辑输入端，相关时钟控制电路的第2时钟信号输出端接门控逻辑输入端，门控逻辑的输出端分别接第1抽样保持电路和第2抽样保持电路输入端。

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