CN103941262A - 一种脉冲激光测距装置及采用该装置的脉冲激光测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种脉冲激光测距装置，包括激光发射器、激光接受器、分光镜、发光二极管电路以及计时器，激光接受器包括光电探测器一和光电探测器二，发光二极管电路与光电探测器一和光电探测器二光路连接。本发明还提供一种采用该测距装置的测距方法，系统启动后先进入自标定模式，计算延时时间；导通激光二极管产生脉冲激光；经分光镜分成两路光束，被光电探测器一和二接收，计算并记录测距时间差值；根据测距时间差值及延时时间计算目标的距离。本发明的优点在于只需要一个发光二极管电路就可完成脉冲激光测距的自标定，实时得到接收电路实际延时时间，不受环境温度和其他因素的影响，测距精度高，而且具有成本低、体积小的优点。

Description

一种脉冲激光测距装置及采用该装置的脉冲激光测距方法
技术领域
本发明属于脉冲激光测量技术领域，涉及一种脉冲激光测距装置及采用该装置的脉冲激光测距方法。
背景技术
脉冲激光测距的一般原理是，驱动电路发射一束脉冲激光，同时记下该起始时刻T0，脉冲激光信号到达被测目标后反射回来，接收电路接受回波信号，并记下该终止时刻T1，根据公式L=C*(T1-T0)/2，就可计算出测距装置到被测目标之间的距离，其中C为光速，L为得到的距离。
上述公式为理论公式，而在实际测量中，距离公式应改为L=C*(T1-T0-ΔT1)/2，ΔT1为接收电路中光电探测器、运算放大器和比较器等电子器件传输延迟特性引起的延时时间，电子器件延迟特性引起的延时时间会随环境温度、元件老化等原因出现波动。
有些脉冲激光测距仪，△T1只是通过简单标定的方式给出一个固定的延时时间，这在不同的环境温度下和长期使用时，会带来距离测量误差。为了减少△T1波动引起的测量误差，有些脉冲激光测距仪采用两路相同的接收电路，包括同一型号的光电探测器、运算放大器和比较器等。一路接收电路，或称为内光路，记录起始时刻T0′=T0+△T10，另一路接收电路，或称为外光路，记录终止时刻T1′=T1+△T11，距离公式L=C*(T1′-T0′）/2=C*(T1+△T11-T0-△T10）/2，由于同一型号的电子器件其延迟传输特性基本相同，所以这里△T11≈△T10，可得到距离L=C*(T1-T0)/2，基本解决了电子器件传输延迟特性引起的测量误差，提高了测距精度。但这种脉冲激光测距仪由于采用两路接收电路，增加了成本和电路体积，而且，即使同一型号的电子器件，其传输特性也不可能完全相同，同样会有△T引起的距离测量误差。
发明内容
本发明提供一种脉冲激光测距装置及采用该装置的脉冲激光测距方法，用于解决脉冲激光测距中因电子器件传输延迟特性等原因引起的测量误差，提高脉冲激光测距精度。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种脉冲激光测距装置，包括激光发射器、激光接受器、分光镜以及计时器，该激光发射器设置在分光镜的入射光路上，激光接受器设置在分光镜的反射光路上，激光接受器的信号输出端与计时器的信号输入端连接，该激光接受器包括用于接受分光镜反射激光的光电探测器一和用于接受被测目标反射激光的光电探测器二，所述激光发射器的信号输出端还连接有发光二极管电路，该发光二极管电路能通过发光二极管分别与光电探测器一和光电探测器二光路连接。该发光二极管电路起到自标定作用，在系统每次启动时，先进入自标定模式，在该模式下，驱动电路不发出脉冲激光，而是由激光发射器发出指令点亮发光二极管，该发光二极管发出的红外光能同时送到光电探测器一和二并被接受，从而计算出电子器件传输延迟特性引起的延时时间。
进一步地，所述激光发射器包括依次连接的微处理器、驱动电路和激光二极管，其中微处理器的信号输出端与发光二极管电路的信号输入端连接。微处理器可以用来发送驱动信号和自标定信号，分别导通激光二极管和点亮发光二极管，激光二极管发出用于测距的脉冲激光，发光二极管发出用于自标定的红外光。
为了保证光电探测器能可靠接受到光信号，所述发光二极管发出的红外光的波长与激光二极管发出的脉冲激光的波长相同，并能同时被光电探测器一和光电探测器二接受，保证与采用激光二极管进行测距时的一致性和准确性。
进一步地，所述光电探测器一的信号输出端与所述计时器的信号输入端连接，光电探测器一可以将接受到的脉冲激光或红外光转换成电信号并发送至计时器记录起始时刻。光电探测器二的信号输出端通过接收电路与所述计时器的信号输入端连接，所述接收电路包括模拟放大器和滤波器，光电探测器二将脉冲激光或红外光转换成电信号并进行放大和滤波，最终送至计时器中记录终止时刻。
进一步地，所述发光二极管电路包括NPN型三极管，该三极管的基极通过限流电阻R1与激光发射器的信号输出端连接，三极管的集电极通过限流电阻R2与电源连接，三极管的发射极与发光二极管的输入端连接，该发光二极管的输出端接地。
本发明还提供一种采用上述脉冲激光测距装置的脉冲激光测距方法，该测距方法包括如下步骤：
步骤一：系统启动后，先进入自标定模式，计算并记录接收电路中各电子器件传输延迟特性产生的延时时间△T1；
步骤二：微处理器判断△T1是否有效，是，则执行步骤三，否，则执行步骤一；
步骤三：微处理器发送信号至驱动电路，驱动电路导通激光二极管产生脉冲激光；
步骤四：脉冲激光经过分光镜反射和穿透后分成两路光束，一路反射至光电探测器一，由光电探测器一转换成电信号发送至计时器并记录测距起始时刻T0，另一路穿透到达被测目标并反射至光电探测器二，由光电探测器二转换成电信号并经接收电路放大和滤波后发送至计时器，计时器记录测距终止时刻T1；
步骤五：计时器计算得出测距时间差值△T2=T1-T0；
步骤六：微处理器计算目标的距离其中C为光速。
其中步骤一具体为：
（1）微处理器发出自标定信号至发光二极管电路，发光二极管电路通过发光二极管发出红外光；
（2）发光二极管发出的红外光同时送至光电探测器一和光电探测器二，其中光电探测器一将红外光转换成电信号，并送至计时器记录自标定起始时刻T2，光电探测器二将红外光转换成电信号并送至接收电路进行放大和滤波后，计时器记录自标定终止时刻T3；
（3）计时器计算得出自标定模式下的延时时间△T1=T3-T2，并将△T1送至微处理器中存储。
由以上技术方案可知，本发明具有如下有益效果：
与现有技术相比，本发明的优点在于只需要一个发光二极管电路就可完成脉冲激光测距的自标定，实时得到接收电路实际延时时间，不受环境温度和其他因素的影响，测距精度高，而且具有成本低、体积小的优点。
附图说明
图1为本发明脉冲激光测距装置的电路结构框图；
图2为图1中发光二极管电路的电路示意图；
图3为本发明脉冲激光测距方法的流程图。
图中：1、分光镜，2、计时器，3、光电探测器一，4、光电探测器二，5、发光二极管电路，51、发光二极管，6、微处理器，7、驱动电路，8、激光二极管，9、接收电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
本发明提供一种脉冲激光测距装置，具有正常测距模式和自标定模式，自标定模式可以在线检测接收电路9中光电探测器、运算放大器和比较器等电子器件传输延迟特性引起的延时时间△T1，用于正常测距模式中消除测距误差。如图1所示，该测距装置包括激光发生器、激光接受器、分光镜1、计时器2以及发光二极管电路5，其中激光发生器包括依次连接的微处理器6、驱动电路7和激光二极管8，激光接受器包括光电探测器一4、光电探测器二5和接收电路9。
激光二极管8设置在分光镜1的入射光路上，光电探测器一3设置在分光镜1的反射光路上，光电探测器二4设置在被测目标的反射光路上。光电探测器一3的信号输出端与计时器2的信号输入端连接，能将接受到的光信号转换成有效的电信号，并将电信号送至计时器内，计时器根据该电信号到达时间记录为起始时刻。光电探测器二4的信号输出端与计时器2的信号输入端之间通过接收电路9连接，接收电路将光电探测器二转换成的电信号进行放大和滤除噪音后送至计时器，由计时器记录终止时刻，同时计算出时间差，并将该时间差送至微处理器6中存储或计算得出需要测量的距离。
微处理器6的信号输出端还连接有发光二极管电路5，该发光二极管电路能通过发光二极管51分别与光电探测器一3和光电探测器二4进行光路连接，实现自标定功能。如图2所示，该发光二极管电路5包括三极管和发光二极管51，本实施例中三极管选用NPN型三极管，该三极管的基极通过限流电阻R1与微处理器6的信号输出端连接，可以通过微处理器发出的高电平控制信号来控制三极管的通断，三极管的集电极通过限流电阻R2与电源VCC连接，三极管的发射极与发光二极管51的输入端连接，发光二极管51的输出端接地。发光二极管51离光电探测器一3和光电探测器二4的距离相等，保证两个光电探测器能同时接受到红外光，且发光二极管发出的红外光的波长与测距时使用的脉冲激光的波长相同，这样设计可以保证光电探测器能可靠接受到该红外光。
当进入正常的测距模式时，微处理器6给出脉冲调制信号至驱动电路7，导通激光二极管8，激光二极管发射出脉冲激光，该脉冲激光一部分经分光镜1反射至光电探测器一3，脉冲激光另一部分穿透分光镜后，经被测目标反射至光电探测器二4，计时器2分别记录下测距起始时刻T0和测距终止时刻T1，并计算出测距时间差△T2=T1-T0。
当进入自标定模式时，微处理器6给出高电平控制信号，经限流电阻R1到三极管，三极管导通，VCC电压经过限流电阻R2，发光二极管51导通，并发出与脉冲激光的波长相同的红外光，该红外光能同时被光电探测器一3和光电探测器二4接受，计时器2分别记录下自标定起始时刻T2和自标定终止时刻T3，并计算出延时时间ΔT1=T3-T2，将延时时间△T1送至微处理器6中存储，用于在正常测距模式计算目标的距离其中C为光速。
本发明还提供一种采用该脉冲激光测距装置的脉冲激光测距方法，在系统每次启动时，先进入自标定模式，在该模式下，驱动电路不发出脉冲激光，而是由微处理器发出指令点亮发光二极管，该发光二极管发出的红外光能同时送到光电探测器一和光电探测器二并被接受。一路红外光经光电探测器一产生自标定计时起始时刻T2，另一路红外光经光电探测器二和接收电路，产生自标定计时终止时刻T3。计时器计算自标定终止时刻与起始时刻的时间差△T1=T3-T2，该差值就是接收电路电子器件传输延迟特性等原因造成的延时时间，自标定模式结束后，记录下ΔT1，然后判断该ΔT1值是否在一个合理的区间范围内，比如过大或者过小都判断为无效，如果无效则返回重新标定，有效则进入正常的测距模式，并将延时时间ΔT1送到微处理器中存储。
在测出延时时间△T1后，系统进入正常的测距模式。在该模式下，驱动电路产生脉冲激光，经过分光镜，一部分脉冲激光送到光电探测器一，产生测距计时起始时刻T0，另一部分脉冲激光经被测目标反射送到光电探测器二，经接收电路放大滤波后，产生测距计时终止时刻T1。计时器计算测距终止时刻与起始时刻的时间差△T2=T1-T0，并送到微处理器，微处理器将该时间差△T2再减去前面得到的延时时间△T1，就得到激光在测距装置与被测目标间的实际的飞行时间，从而得到距离信息。
如图3所示，该脉冲激光测距方法包括如下步骤：
步骤一：系统启动后，先进入自标定模式，计算并记录接收电路中各电子器件传输延迟特性产生的延时时间△T1;
步骤二：微处理器判断△T1是否有效，是，则执行步骤三，否，则执行步骤一；
步骤三：微处理器发送信号至驱动电路，驱动电路导通激光二极管产生脉冲激光；
步骤四：脉冲激光经过分光镜反射和穿透后分成两路光束，一路反射至光电探测器一，由光电探测器一转换成电信号发送至计时器并记录测距起始时刻T0，另一路穿透到达被测目标并反射至光电探测器二，由光电探测器二转换成电信号并经接收电路放大和滤波后发送至计时器，计时器记录测距终止时刻T1；
步骤五：计时器计算得出测距时间差值△T2=T1-T0；
步骤六：微处理器计算目标的距离其中C为光速。
其中步骤一具体为：
（1）微处理器发出自标定信号至发光二极管电路，发光二极管电路通过发光二极管发出红外光；
（2）发光二极管发出的红外光同时送至光电探测器一和光电探测器二，其中光电探测器一将红外光转换成电信号，并送至计时器记录自标定起始时刻T2，光电探测器二将红外光转换成电信号并送至接收电路进行放大和滤波后，计时器记录自标定终止时刻T3；
（3）计时器计算得出自标定模式下的延时时间△T1=T3-T2，并将△T1送至微处理器中存储。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种脉冲激光测距装置，包括激光发射器、激光接受器、分光镜(1)以及计时器(2)，该激光发射器设置在分光镜(1)的入射光路上，激光接受器设置在分光镜(1)的反射光路上，激光接受器的信号输出端与计时器(2)的信号输入端连接，该激光接受器包括用于接受分光镜反射激光的光电探测器一(3)和用于接受被测目标反射激光的光电探测器二(4)，其特征在于：所述激光发射器的信号输出端还连接有发光二极管电路(5)，该发光二极管电路能通过发光二极管(51)分别与光电探测器一(3)和光电探测器二(4)光路连接。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光测距装置，其特征在于：所述激光发射器包括依次连接的微处理器(6)、驱动电路(7)和激光二极管(8)，其中微处理器(6)的信号输出端与发光二极管电路(5)的信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的脉冲激光测距装置，其特征在于：所述激光二极管(8)发出的脉冲激光波长与所述发光二极管(51)发出的红外光波长相同。
4.根据权利要求1所述的脉冲激光测距装置，其特征在于：所述光电探测器一(3)的信号输出端与所述计时器(2)的信号输入端连接，光电探测器二(4)的信号输出端通过接收电路(9)与所述计时器(2)的信号输入端连接。
5.根据权利要求4所述的脉冲激光测距装置，其特征在于：所述接收电路(9)包括模拟放大器和滤波器。
6.根据权利要求1所述的脉冲激光测距装置，其特征在于：所述发光二极管电路(5)包括NPN型三极管，该三极管的基极通过限流电阻R1与激光发射器的信号输出端连接，三极管的集电极通过限流电阻R2与电源连接，三极管的发射极与发光二极管(51)的输入端连接，该发光二极管的输出端接地。
7.一种采用权利要求1所述脉冲激光测距装置的脉冲激光测距方法，实现该测距方法的脉冲测距装置包括激光发生器、激光接受器、分光镜、计时器以及发光二极管电路，其中激光发生器包括微处理器、驱动电路和激光二极管，激光接受器包括光电探测器一、光电探测器二和接收电路，其特征在于该测距方法包括如下步骤：
步骤一：系统启动后，先进入自标定模式，计算并记录接收电路中各电子器件传输延迟特性产生的延时时间△T1;
步骤二：微处理器判断△T1是否有效，是，则执行步骤三，否，则执行步骤一；
步骤三：微处理器发送信号至驱动电路，驱动电路导通激光二极管产生脉冲激光；
步骤四：脉冲激光经过分光镜反射和穿透后分成两路光束，一路反射至光电探测器一，由光电探测器一转换成电信号发送至计时器并记录测距起始时刻T0，另一路穿透到达被测目标并反射至光电探测器二，由光电探测器二转换成电信号并经接收电路放大和滤波后发送至计时器，计时器记录测距终止时刻T1；
步骤五：计时器计算得出测距时间差值△T2=T1-T0；
步骤六：微处理器计算目标的距离其中C为光速。
8.根据权利要求7所述的测距方法，其特征在于，所述步骤一具体为：
（1）微处理器发出自标定信号至发光二极管电路，发光二极管电路通过发光二极管发出红外光，该红外光的波长与激光二极管产生的脉冲激光的波长相同；
（2）发光二极管发出的红外光同时送至光电探测器一和光电探测器二，其中光电探测器一将红外光转换成电信号，并送至计时器记录自标定起始时刻T2，光电探测器二将红外光转换成电信号并送至接收电路进行放大和滤波后，计时器记录自标定终止时刻T3；
（3）计时器计算得出自标定模式下的延时时间△T1=T3-T2，并将△T1送至微处理器中存储。
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