CN106019301A - 一种电子开关切换式单光路免分光镜的激光测距系统 - Google Patents

Abstract

一种电子开关切换式单光路免分光镜的激光测距系统，包括主控制器、激光驱动光路切换电路、光电传感器、放大电路、滤波电路、滤波整形电路和本振放大电路；主控制器包括微处理器和信号源；激光驱动光路切换电路包括激光驱动电路、电子开关、外光路激光器、内光路激光器；本发明根据上述内容，提出一种电子开关切换式单光路免分光镜的激光测距系统，既有测距的快速性和系统的稳定性，又降低了光路系统及电路系统的复杂度，同时也降低了光路系统及其检测系统的功耗及成本。

Description

一种电子开关切换式单光路免分光镜的激光测距系统

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种电子开关切换式单光路免分光镜的激光测距系统。

背景技术

精确的测距系统对科学研究、工程测量、基础设施建设以及国民经济的发展都具有十分重要的意义。其中相位式激光测距仪凭借其良好的环境适应性、简单的结构和优秀的测距性能，在地质勘探、地图测绘和建筑测量等工程领域，得到了广泛的应用。在光路的结构上，现有技术中典型的有双光路、四光路和单光路之分。双光路方案的缺点是无法消除电路系统引入的测距误差。四光路方案缺点是光路结构复杂，要两套分光镜光学装置及两套光电传感器及其检测电路，检测电路功耗高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电子开关切换式单光路免分光镜的激光测距系统，既有测距的快速性和系统的稳定性，又降低了光路系统及电路系统的复杂度，同时也降低了光路系统及其检测系统的功耗及成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种电子开关切换式单光路免分光镜的激光测距系统，包括主控制器、激光驱动光路切换电路、光电传感器、放大电路、滤波电路、滤波整形电路和本振放大电路；

所述主控制器包括微处理器和信号源；

所述激光驱动光路切换电路包括激光驱动电路、电子开关、外光路激光器、内光路激光器；

所述主控制器产生的主振信号LD_Signal输入至所述激光驱动电路，若激光驱动控制信号LD_SW=1，则进行激光驱动放大；若LD_SW=0，则关断激光驱动；

经激光驱动放大后的主振信号送至所述电子开关，所述电子开关在光路切换控制信号LD_CH_SW的控制下，分时切换，将主振信号分时送至并驱动所述外光路激光器或所述内光路激光器发出激光；

若光路切换控制信号LD_CH_SW=1，所述电子开关向上闭合，经所述激光驱动电路放大后的主振信号驱动所述外光路激光器发光，产生外光路，此时传送的是外光路主振信号；

若光路切换控制信号LD_CH_SW=0，所述电子开关向下闭合，经所述激光驱动电路放大后的主振信号驱动所述内光路激光器发光，产生内光路，此时传送的是内光路主振信号；

所述主控制器产生本振信号，经所述本振放大电路放大的本振信号通过所述光电传感器电外差的方式，对外光路主振信号或内光路主振信号进行混频，输出的频率为1KHz的差频信号，所述差频信号即为回波信号，所述回波信号经过所述放大电路、滤波电路、滤波整形电路的放大、滤波与整形处理之后，最终送入所述微处理器的定时器的输入捕获通道1；

在所述微处理器的控制下，可获得参考信号，即所述微处理器的定时器的输入捕获通道0与回波信号的相位差计算测程S2或S1，最后根据测程S2或S1计算测量距离；

得出以下测距公式：

内光路：

外光路：

故，

其中，；

为所述外光路激光器及其驱动电路引入的测距误差；

为所述内光路激光器及其驱动电路引入的测距误差；

为所述光电传感器及其驱动电路引入的测距误差；

S1和分别为所述内光路激光器的测程和光程；

S2和分别为所述外光路激光器的测程和光程；

为最终的测距数据。

进一步，所述激光驱动光路切换电路包括：电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电容C26、电容C27、电容C28、电容C29、电容C30、电容C31、电容C32、电感L1、电感L2、电感L3、NMOS管U5、外光路激光器U6、电子开关U7、内光路激光器U8和三极管U9；

所述外光路激光器U6和内光路激光器U8的内部均设置有光敏二极管PD和激光二极管LD；

所述电阻R22的一端、NMOS管U5的栅极和激光驱动控制信号端LD_SW电连接，所述电阻R22的另一端接地，所述NMOS管U5的漏极与VCC_LD电源端电连接，所述NMOS管U5的源极与所述电感L2的一端电连接，所述电感L2的另一端、电容C25的一端与所述电子开关U7的公共端电连接，所述电容C25的另一端接地，

所述电子开关U7的VCC电源端、电容C26的一端与VCC_3V电源端电连接，所述电容C26的另一端接地；所述电子开关U7的控制信号输入端与所述电阻R26的一端电连接，所述电阻R26的另一端与所述信号端LD_CH_SW电连接；

所述电子开关U7的GND端接地，所述电子开关U7的常开端、电容C29的一端与电感L3的一端电连接，所述内光路激光器U8的光敏二极管PD的负极电连接于所述内光路激光器U8的激光二极管LD的正极，所述电感L3的另一端、电容C28的一端电连接于所述内光路激光器U8的光敏二极管PD的负极与所述内光路激光器U8的激光二极管LD的正极的电连接点上，所述电容C28和电容C29的另一端均接地；

所述电子开关U7的常闭端、电容C24的一端与电感L1的一端电连接，所述外光路激光器U6的光敏二极管PD的负极电连接于所述外光路激光器U6的激光二极管LD的正极，所述电感L3的另一端、电容C23的一端电连接于所述外光路激光器U6的光敏二极管PD的负极与所述外光路激光器U6的激光二极管LD的正极的电连接点上，所述电容C23、电容C24的另一端均接地；

所述光电流检测端LD_CH0、电容C22的一端、电阻R23的一端与所述外光路激光器U6的光敏二极管PD的正极电连接，所述电容C22的另一端和电阻R23的另一端均接地；

所述内光路激光器U8的光敏二极管PD的正极、电阻R30的一端、电容C32的一端与光电流检测端LD_CH1电连接，所述电容C32的另一端与电阻R30的另一端均接地；

所述外光路激光器U6的激光二极管LD的负极、内光路激光器U8的激光二极管LD的负极与电阻R25的一端电连接，所述电阻R25的另一端与所述三极管U9的集电极电连接，所述三极管U9的发射极接地，所述三极管U9的基极、电容C27的一端与所述电阻R24的一端电连接，所述电阻R24的另一端与VCC_3V电源端电连接；

所述电容C27的另一端与电阻R29的一端电连接，所述电阻R29的另一端、电容C31的一端与电阻R28的一端电连接，所述电阻R28的另一端、电容C30的一端与电阻R27的一端电连接，所述电容C30、电容C31的另一端均接地；所述电阻R27的另一端与主振信号端LD_Signal电连接。

本发明根据上述内容，提出一种电子开关切换式单光路免分光镜的激光测距系统，既有测距的快速性和系统的稳定性，又降低了光路系统及电路系统的复杂度，同时也降低了光路系统及其检测系统的功耗及成本。

附图说明

图1是本发明其中一个实施例的系统框图。

图2是本发明其中一个实施例激光驱动光路切换电路的电路原理图。

图3是芯片SGM3157的封装图。

图4是芯片SGM3157的引脚功能图。

其中：主控制器3、微处理器31、信号源32、激光驱动光路切换电路2、激光驱动电路13、光电传感器17、放大电路18、滤波电路19、滤波整形电路20、本振放大电路21、电子开关U7、外光路激光器U6、内光路激光器U8。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

一种电子开关切换式单光路免分光镜的激光测距系统，包括主控制器3、激光驱动光路切换电路2、光电传感器17、放大电路18、滤波电路19、滤波整形电路20和本振放大电路21；

所述主控制器3包括微处理器31和信号源32；

所述激光驱动光路切换电路2包括激光驱动电路13、电子开关U7、外光路激光器U6、内光路激光器U8；

所述主控制器3产生的主振信号LD_Signal输入至所述激光驱动电路13，若激光驱动控制信号LD_SW=1，则进行激光驱动放大；若LD_SW=0，则关断激光驱动；

经激光驱动放大后的主振信号送至所述电子开关U7，所述电子开关U7在光路切换控制信号LD_CH_SW的控制下，分时切换，将主振信号分时送至并驱动所述外光路激光器U6或所述内光路激光器U8发出激光；

若光路切换控制信号LD_CH_SW=1，所述电子开关U7向上闭合，经所述激光驱动电路13放大后的主振信号驱动所述外光路激光器U6发光，产生外光路L2，此时传送的是外光路主振信号；

若光路切换控制信号LD_CH_SW=0，所述电子开关U7向下闭合，经所述激光驱动电路13放大后的主振信号驱动所述内光路激光器U8发光，产生内光路L1，此时传送的是内光路主振信号；

所述主控制器3产生本振信号，经所述本振放大电路21放大的本振信号通过所述光电传感器17电外差的方式，对外光路主振信号或内光路主振信号进行混频，输出的频率为1KHz的差频信号，所述差频信号即为回波信号，所述回波信号经过所述放大电路18、滤波电路19、滤波整形电路20的放大、滤波与整形处理之后，最终送入所述微处理器31的定时器的输入捕获通道1；

在所述微处理器31的控制下，可获得参考信号，即所述微处理器31的定时器的输入捕获通道0与回波信号的相位差计算测程S2或S1，最后根据测程S2或S1计算测量距离；

得出以下测距公式：

内光路：

外光路：

故，

其中，；

为所述外光路激光器U6及其驱动电路引入的测距误差；

为所述内光路激光器U8及其驱动电路引入的测距误差；

为所述光电传感器17及其驱动电路引入的测距误差；

S1和分别为所述内光路激光器U8的测程和光程；

S2和分别为所述外光路激光器U6的测程和光程；

为最终的测距数据。

对于所述外光路激光器U6和内光路激光器U8及其驱动电路引入的误差和，所述外光路激光器U6和内光路激光器U8共用所述激光驱动电路13，其误差可近似为相等，即。所以，该光路可消除系统误差对测距稳定性的影响，从而得到可靠的测距数据；

由于本发明采用免分光镜的单光路结构，简化了光路结构,避免了输出光强被削弱的缺陷，由于所述电子开关U7的开关频率高，因而可实现快速的分时光路切换，在所述电子开关U7的控制下，分时切换所述外光路激光器U6和内光路激光器U8的通电与断电，既有测距的快速性和系统的稳定性，又降低了光路系统及电路系统的复杂度，同时也降低了光路系统及其检测系统的功耗及成本。

进一步，所述激光驱动光路切换电路2包括：电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、 电阻R29、电阻R30、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电容C26、电容C27、电容C28、电容C29、电容C30、电容C31、电容C32、电感L1、电感L2、电感L3、NMOS管U5、外光路激光器U6、电子开关U7、内光路激光器U8和三极管U9；

所述外光路激光器U6和内光路激光器U8的内部均设置有光敏二极管PD和激光二极管LD；

所述电阻R22的一端、NMOS管U5的栅极和激光驱动控制信号端LD_SW电连接，所述电阻R22的另一端接地，所述NMOS管U5的漏极与VCC_LD电源端电连接，所述NMOS管U5的源极与所述电感L2的一端电连接，所述电感L2的另一端、电容C25的一端与所述电子开关U7的公共端电连接，所述电容C25的另一端接地，

所述电子开关U7的VCC端、电容C26的一端与VCC_3V电源端电连接，所述电容C26的另一端接地；所述电子开关U7的控制信号输入端与所述电阻R26的一端电连接，所述电阻R26的另一端与所述信号端LD_CH_SW电连接；

所述电子开关U7的GND端接地，所述电子开关U7的常开端、电容C29的一端与电感L3的一端电连接，所述内光路激光器U8的光敏二极管PD的负极电连接于所述内光路激光器U8的激光二极管LD的正极，所述电感L3的另一端、电容C28的一端电连接于所述内光路激光器U8的光敏二极管PD的负极与所述内光路激光器U8的激光二极管LD的正极的电连接点上，所述电容C28和电容C29的另一端均接地；

所述电子开关U7的常闭端、电容C24的一端与电感L1的一端电连接，所述外光路激光器U6的光敏二极管PD的负极电连接于所述外光路激光器U6的激光二极管LD的正极，所述电感L1的另一端、电容C23的一端电连接于所述外光路激光器U6的光敏二极管PD的负极与所述外光路激光器U6的激光二极管LD的正极的电连接点上，所述电容C23、电容C24的另一端均接地；

所述光电流检测端LD_CH0、电容C22的一端、电阻R23的一端与所述外光路激光器U6的光敏二极管PD的正极电连接，所述电容C22的另一端和电阻R23的另一端均接地；

所述内光路激光器U8的光敏二极管PD的正极、电阻R30的一端、电容C32的一端与光电流检测端LD_CH1电连接，所述电容C32的另一端与电阻R30的另一端均接地；

所述外光路激光器U6的激光二极管LD的负极、内光路激光器U8的激光二极管LD的负极与电阻R25的一端电连接，所述电阻R25的另一端与所述三极管U9的集电极电连接，所述三极管U9的发射极接地，所述三极管U9的基极、电容C27的一端与所述电阻R24的一端电连接，所述电阻R24的另一端与VCC_3V电源端电连接；

所述电容C27的另一端与电阻R29的一端电连接，所述电阻R29的另一端、电容C31的一端与电阻R28的一端电连接，所述电阻R28的另一端、电容C30的一端与电阻R27的一端电连接，所述电容C30、电容C31的另一端均接地；所述电阻R27的另一端与主振信号端LD_Signal电连接。

在激光驱动控制信号LD_SW的控制下，电源VCC_LD通过所述NMOS管U5对激光电路供电，所述NMOS管U5起开关作用，当LD_SW=1，NMOS管导通，对激光电路供电；当LD_SW=0，NMOS管关断，对激光电路不供电。

所述电子开关U7为芯片SGM3157，在光路切换控制信号LD_CH_SW的控制下，所述电子开关U7完成对所述外光路激光器U6与内光路激光器U8的分时供电。当LD_CH_SW=1，电子开关向上闭合，向外光路激光器U6供电；LD_CH_SW=0，电子开关向下闭合，向内光路激光器U8供电。

所述电阻R27、电阻R28、电容C30和电容C31组成二阶RC滤波器，主振信号LD_Signal通过所述二阶RC滤波器接入所述三极管U9的基级，以对所述三极管的集射级电流i_ce进行控制，从而达到对所述外光路激光器U6或内光路激光器U8的激光电流进行控制，即光强的调制，放大后的主振信号即为调制信号。

所述外光路激光器U6和内光路激光器U8内部的光强检测二极管，即所述光敏二极管PD的输出反映激光平均强度的光电流，检测的光电流经过所述电阻R23或电阻R30进行电流-电压的转换，转换后的电压通过所述光电流检测端LD_CH0或光电流检测端LD_CH1送入至所述微处理器31的模拟电压通道AD0或AD1,以便微处理器对转换后的电压，即检测的光电流进行采样。

采样光电流的目的是对所述外光路激光器U6或内光路激光器U8发出的激光光强进行稳定控制，即通过采样光电流，采用反馈控制算法，控制电源VCC_LD电压的大小，从而调节所述外光路激光器U6或内光路激光器U8的激光二极管LD的电流，即调节所述外光路激光器U6或内光路激光器U8的激光二极管LD发出的光的光强；通过PID控制算法，使检测的光电流保持恒定，从而达到稳定平均光强的目的。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电子开关切换式单光路免分光镜的激光测距系统，其特征在于：包括主控制器、激光驱动光路切换电路、光电传感器、放大电路、滤波电路、滤波整形电路和本振放大电路；

所述主控制器包括微处理器和信号源；

所述激光驱动光路切换电路包括激光驱动电路、电子开关、外光路激光器、内光路激光器；

所述主控制器产生的主振信号LD_Signal输入至所述激光驱动电路，若激光驱动控制信号LD_SW=1，则进行激光驱动放大；若LD_SW=0，则关断激光驱动；

经激光驱动放大后的主振信号送至所述电子开关，所述电子开关在光路切换控制信号LD_CH_SW的控制下，分时切换，将主振信号分时送至并驱动所述外光路激光器或所述内光路激光器发出激光；

若光路切换控制信号LD_CH_SW=1，所述电子开关向上闭合，经所述激光驱动电路放大后的主振信号驱动所述外光路激光器发光，产生外光路，此时传送的是外光路主振信号；

若光路切换控制信号LD_CH_SW=0，所述电子开关向下闭合，经所述激光驱动电路放大后的主振信号驱动所述内光路激光器发光，产生内光路，此时传送的是内光路主振信号；

所述主控制器产生本振信号，经所述本振放大电路放大的本振信号通过所述光电传感器电外差的方式，对外光路主振信号或内光路主振信号进行混频，输出的频率为1KHz的差频信号，所述差频信号即为回波信号，所述回波信号经过所述放大电路、滤波电路、滤波整形电路的放大、滤波与整形处理之后，最终送入所述微处理器的定时器的输入捕获通道1；

在所述微处理器的控制下,可获得参考信号，即所述微处理器的定时器的输入捕获通道0与回波信号的相位差计算测程S2或S1，最后根据测程S2或S1计算测量距离；

得出以下测距公式：

内光路：

外光路：

故，

其中，；

为所述外光路激光器及其驱动电路引入的测距误差；

为所述内光路激光器及其驱动电路引入的测距误差；

为所述光电传感器及其驱动电路引入的测距误差；

S1和分别为所述内光路激光器的测程和光程；

S2和分别为所述外光路激光器的测程和光程；

为最终的测距数据。

2.根据权利要求1所述的一种电子开关切换式单光路免分光镜的激光测距系统，其特征在于：

所述激光驱动光路切换电路包括：电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电容C26、电容C27、电容C28、电容C29、电容C30、电容C31、电容C32、电感L1、电感L2、电感L3、NMOS管U5、外光路激光器U6、电子开关U7、内光路激光器U8和三极管U9；

所述外光路激光器U6和内光路激光器U8的内部均设置有光敏二极管PD和激光二极管LD；

所述电阻R22的一端、NMOS管U5的栅极和激光驱动控制信号端LD_SW电连接，所述电阻R22的另一端接地，所述NMOS管U5的漏极与VCC_LD电源端电连接，所述NMOS管U5的源极与所述电感L2的一端电连接，所述电感L2的另一端、电容C25的一端与所述电子开关U7的公共端电连接，所述电容C25的另一端接地，

所述电子开关U7的VCC电源端、电容C26的一端与VCC_3V电源端电连接，所述电容C26的另一端接地；所述电子开关U7的控制信号输入端与所述电阻R26的一端电连接，所述电阻R26的另一端与所述信号端LD_CH_SW电连接；

所述电子开关U7的GND端接地，所述电子开关U7的常开端、电容C29的一端与电感L3的一端电连接，所述内光路激光器U8的光敏二极管PD的负极电连接于所述内光路激光器U8的激光二极管LD的正极，所述电感L3的另一端、电容C28的一端电连接于所述内光路激光器U8的光敏二极管PD的负极与所述内光路激光器U8的激光二极管LD的正极的电连接点上，所述电容C28和电容C29的另一端均接地；

所述电子开关U7的常闭端、电容C24的一端与电感L1的一端电连接，所述外光路激光器U6的光敏二极管PD的负极电连接于所述外光路激光器U6的激光二极管LD的正极，所述电感L1的另一端、电容C23的一端电连接于所述外光路激光器U6的光敏二极管PD的负极与所述外光路激光器U6的激光二极管LD的正极的电连接点上，所述电容C23、电容C24的另一端均接地；

所述光电流检测端LD_CH0、电容C22的一端、电阻R23的一端与所述外光路激光器U6的光敏二极管PD的正极电连接，所述电容C22的另一端和电阻R23的另一端均接地；

所述内光路激光器U8的光敏二极管PD的正极、电阻R30的一端、电容C32的一端与光电流检测端LD_CH1电连接，所述电容C32的另一端与电阻R30的另一端均接地；

所述外光路激光器U6的激光二极管LD的负极、内光路激光器U8的激光二极管LD的负极与电阻R25的一端电连接，所述电阻R25的另一端与所述三极管U9的集电极电连接，所述三极管U9的发射极接地，所述三极管U9的基极、电容C27的一端与所述电阻R24的一端电连接，所述电阻R24的另一端与VCC_3V电源端电连接；

所述电容C27的另一端与电阻R29的一端电连接，所述电阻R29的另一端、电容C31的一端与电阻R28的一端电连接，所述电阻R28的另一端、电容C30的一端与电阻R27的一端电连接，所述电容C30、电容C31的另一端均接地；所述电阻R27的另一端与主振信号端LD_Signal电连接。