CN1384371A - 高精确度激光测距仪装置 - Google Patents

Abstract

一种高精确度激光测距仪装置,主要是利用一自动峰值控制回路以提高量测精准度,该自动峰值控制回路是由一信号接收电路、一峰值保持电路、一积分电路及一高压电源电路组成,因随着目标物其反射率的不同,接收的信号强度也不同,而透过信号接收电路及峰值保持电路等处理,使对于不同反射率的目标物其反射接收信号强度皆为定值,则计时偏差的问题将被排除,精确度亦因而提高至1cm。

Description

高精确度激光测距仪装置

本发明提供一种高精确度激光测距仪装置，尤指一种具有自动峰值控制回路(automatic peak control)的激光测距仪装置，由该装置可准确地达成距离量测。

按，激光测距仪长期以来一直是做为距离量测的重要工具之一，其原理乃是由一激光发射器对目标物发射出一脉冲信号，而再由一低噪声、高感度的激光接收器接收由目标物所反射回来的信号，由该反射信号计算出目标物的距离，其公式如下所述：

          Td＝2L/C

在上述公式中，Td代表的是发射的脉冲信号及接收的脉冲信号两者的间的时间延迟，而L代表的是目标物的距离，C所代表的则是光速。而只要精准地量测出延迟时间Td，则目标物的距离L即可得到。为了更精准地量测出距离，因而准确地量测出延迟时间Td是必然的，其改善方向可朝以下数点进行：

1.尽可能地缩窄所发射出脉冲信号的脉冲宽度。

2.从目标物所反射回来的接收脉冲信号须要加以稳定，因此由目标物的反射性不同，造成接收信号的启始时间点的变动须尽可能维持在最低值。

3.需要一高灵敏度的延迟时间测量电路来提升激光测距仪的测量解析度。

而由美国专利号码3,921,095一案上可得知该案是以一启动式锁相电路(startable phase-locked loop)来改善延迟时间的测量，而将解析度提高至10-12秒，在这个发明中乃是由一个启动式振荡器(startableoscillator)的振荡频率做为一个参考频率，该参考频率于启动瞬间的初始相位可精确地保留下来，但因为该启动式振荡器只能在高速时间脉冲信号下操作，尤其是在ECL逻辑闸元件中操作，因此在以电池做为电力来源的装置中，其功率消耗乃是一极须克服的问题。

而在另一美国专利发明案，专利号码为5,075,878一案中的利用取样技术来改善延迟时间的量测准确性，由发射及接收的脉冲信号取样出一参考信号，利用此参考信号而得到一取样波形信号，该取样波形信号的周期较脉冲信号长。而在此发明案中，该取样电路有可能发生失真问题，因此在电路中会有量测误差的存在。

由上述可知，现有激光测距仪的测距技术上仍有不足之处，故有待进一步改善。

因此本发明的主要目的在提供一种高精确度激光测距仪装置，该激光测距仪可提高量测解析度，达到低功率消耗，因而适用于以电池做为电力来源的装置。

为达成前述的目的，本发明所提出高精确度激光测距仪装置，包括有：一驱动电路，是驱动一红外线激光二极管对目标物发射脉冲信号；一自动峰值控制回路，是接收目标物所反射回来的脉冲信号并控制前述驱动电路的输出脉冲信号强度；一放大电路，是将反射回来的脉冲信号放大；一单击电路，是将前述放大电路输出的电压信号转为时脉信号；一时间对振幅转换电路，是连接至前述单击电路的输出端，是将时脉信号转换为数字信号；一微处理器，是与前述时间对振幅转换电路及驱动电路连接，以控制前述驱动电路的触发时机，并提供重置信号予该时间对振幅转换电路；一显示器，是与前述微处理器连接，将微处理器的距离量测计算结果显示出来。

其中该自动峰值控制回路包含有：一崩溃光检知器，是将感测到的光信号转为电流信号输出；一信号接收电路，是接收前述崩溃光检知器的电流信号，并转换为电压信号；一峰值保持电路，是连接至该信号接收电路的输出端，将其电压信号的峰值固定；一积分电路，是连接至该峰值保持电路的输出端，并将其输出电压信号与一参考电压比较取得一电压差值，将该电压差值做积分动作；一高压电源电路，是连接至该积分电路的输出端，其输出端则与前述驱动电路及信号接收电路连接，控制驱动电路的发射信号强度，及崩溃光检知器的增益。

其中该自动峰值控制回路包含有：一崩溃光检知器，是将感测到的光信号转为电流信号输出；一信号接收电路，是接收前述崩溃光检知器的电流信号，并转换为电压信号；一峰值保持电路，是连接至该信号接收电路的输出端，将其电压信号的峰值固定；一A/D转换器，是连接至该峰值保持电路的输出端，并将其输出电压信号转换为数字信号送至微处理器；一D/A转换器，是连接至微处理器的输出端，并将微处理器送出的信号转换为模拟信号；一高压电源电路，是连接至该D/A转换器的输出端接收其输出的模拟信号，其输出端则与前述驱动电路及信号接收电路连接，控制驱动电路的发射信号强度，及崩溃光检知器的增益。

其中该时间对振幅转换电路包含有：一正反器，其输入端的与单击电路的输出端及微处理器连接，由单击电路及微处理器决定其输出时脉信号宽度；一线性充电电路，是将正反器的输出时脉信号转换为电压信号输出；一A/D转换器，是将该线性充电电路的电压信号转换为数字信号输入微处理器。

其中该驱动电路的透过一极化分光器，对发射的脉冲信号进行合光处理。

其中该正反器的为一R-S正反器。

为使审查员能进一步了解本发明的设备及方法设计以及其他目的，以下结合附图详细说明如后，其中：

图1是本发明的电路方块图。

图2是本发明驱动电路的电路图。

图3是本发明信号接收电路的电路图。

图4是本发明峰值保持电路的电路图。

图5是本发明积分电路的电路图。

图6是本发明高压电源电路的电路图。

图7是本发明放大电路及单击电路的电路图。

图8是本发明的计时偏差原理图

图9是本发明R-S正反器的电路图。

图10是本发明线性充电电路的电路图。

图11是本发明时间对振幅转换电路的时序图。

图12是本发明另一较佳实施例的电路方块图。

有关本发明所提出的高精确度激光测距仪装置，请参阅图1所示，其包括：

一极化分光器10，是对发射的激光脉冲信号做合光处理；

一驱动电路20，是驱动一红外线激光二极管21发出脉冲信号；

一自动峰值控制回路30，包含有一崩溃光检知器35，该自动峰值控制回路30是接收目标物所反射回来的信号并控制前述驱动电路20的输出脉冲信号强度及崩溃光检知器35的偏压值。

一放大电路40，是与前述自动峰值控制回路30连接，以便对反射回来的脉冲信号做放大处理；

一单击电路50，是连接至前述放大电路40的输出端，是将放大电路40输出的电压信号转为时脉信号；

一时间对振幅转换电路60，是连接至前述单击电路50的输出端，是将时脉信号转换为数字信号；

一微处理器70，是分别与前述时间对振幅转换电路60及驱动电路20连接，控制前述驱动电路20的触发时机，并依前述数字信号做距离计算处理；

一液晶显示器80，是与前述微处理器70连接，将微处理器70的距离量测计算结果显示出来；

其中该自动峰值控制回路30包含有：

一崩溃光检知器35，是将感测到的光信号转为电流信号输出；

一信号接收电路31，是连接至前述崩溃光检知器35，并将其输出电流信号转为电压信号；

一峰值保持电路32，是连接至该信号接收电路31的输出端，将其电压信号的峰值固定；

一积分电路33，是连接至该峰值保持电路32的输出端，并将其输出电压信号与一参考电压比较取得一电压差值，将该电压差值做积分动作；

一高压电源电路34，是连接至该积分电路33的输出端，其输出端则与前述驱动电路20及信号接收电路31连接，控制驱动电路20的发射信号强度，及崩溃光检知器35的增益。

该信号接收电路31是透过崩溃光检知器35接收由目标物所反射回来的激光脉冲信号，而将接收到的脉冲信号经处理后，传送到峰值保持电路32，由峰值保持电路32侦测出接收信号的振幅强度，并与一参考电压值做比较取其电压差值，利用积分电路33对此电压差值做积分处理，积分处理完的输出信号传递至高压电源电路34，借此控制高压电源电路34的输出电压，而此输出电压是用以控制驱动电路20的输出信号强度，以及崩溃光检知器35的增益。一旦此回路达到稳定时，接收信号的强度与参考电压值彼此之间的电压差值可维持在零。

请参考图2所示，该驱动电路20是接收由高压电源电路34所提供的电压及微处理器70的触发信号以使激光半导体以正确时间产生激光脉冲。

请参考图3所示，该信号接收电路31其崩溃光检知器35是偏压值由一去耦滤波器310连接至崩溃光检知器35的负端，接收崩溃光检知器35的输出电流信号，输入至一转阻放大器311，由该转阻放大器311将由崩溃光检知器35送出的电流信号转换为电压信号并送入一射极随耦器312及一共射极放大器313，以便将此电压信号经放大处理后送至峰值保持电路32及放大电路40。

请参考图4所示，该峰值保持电路32中主要是由一缓冲器321接收由信号接收电路31所输出的信号，再经过一级主要由运算放大器OP1所组成的峰值维持电路322将信号峰值固定后输出至积分电路33，使其输出信号强度的与输入信号的脉波强度成正比关系。

请参考图5所示，该积分电路33是由一积分器构成，是将峰值保持电路32的输出信号与参考电压比较，将两者的差值经过积分放大处理后送入高压电源电路34，借由积分电路33以消除自动峰值控制回路30的稳态误差。

请参考图6所示，该高压电源电路34的由一脉宽调变器U501及一升压电路组成，其中脉宽调变器U501的输出脉宽的由积分电路33的输出电压信号所控制，而高压电源电路34的输出电压则分别提供至驱动电路20及崩溃光检知器35，因此可以控制驱动电路20的激光输出脉冲信号强度及崩溃光检知器35的增益。

请参考图7所示，该放大电路40是由一偏压稳定回路41、一放大器U201及一低通滤波器42所组成，为防止放大器U201的直流电压漂移经放大器U201放大输出而使单击电路50产生误动作，故由偏压稳定回路41来稳定放大器的输入偏压，同时该放大器U201输入端的偏压是由输出端回授经低通滤波器42所调整，如此可稳定输入偏压不受温度变化所影响。而单击电路50主要的由一集成电路U401所构成，其功能主要是将放大电路40的输出电压信号转为宽度为定值的数字脉冲信号后输入R-S正反器61，做为触发用，即使因目标物的反射率不同导致反射信号的强弱度不同，在经过自动峰值控制回路30处理后，其输出脉波的振幅将保持定值，因此经由放大电路40及单击电路50处理后，因振幅变动而产生的计时偏差(timing jitter)的问题即可解决。

请参考图8(A)所示，即使在相同的距离随著目标物的反射率不同，导致接收到的反射信号强度也不一样，因此经过放大电路40后，其输出信号有强度不同的变化，如图中所示C曲线代表高反射度物体，D曲线则是代表低反射度物体经放大电路40输出的信号，图8(B)中的输出信号C′及D′为对应的比较器的输出所引起的计时偏差(timingjitter)，然而再经过自动峰值控制回路30后，其输出脉波的振幅宽度则皆保持为一定值，如此一来则计时偏差(timing jitter)的问题即可解决。

请再参考图1所示，该时间对振幅转换电路60是由一R-S正反器61、一线性充电电路62及一A/D转换器63所组成。

前述单击电路50的输出脉冲信号与微处理器70的触发信号送入R-S正反器61处理后(详细电路结构请参考图9所示)由其正相输出端输出触发信号控制线性充电电路62中(详细电路如图10所示)晶体管开关Q9的导通与否，而此触发信号的脉宽是与激光测距仪的发射信号及接收信号其延迟时间成一正比关系。

又线性充电电路62包含有一定电流源621，当R-S正反器61的触发脉冲信号导通晶体管Q9时，电流流经晶体管Q9向电容C23充电，因此可由电容C23的电压得知触发脉冲信号的脉宽，而其中一运算放大器OP4是做为一缓冲放大器，另一运算放大器OP5则是对A/D转换器63做增益及补偿调整。

由运算放大器OP5输出电压，再经A/D转换器63将电容C23的电压转换为数字信号后送入微处理器70，由微处理器70读取数字信号计算出目标物的距离，再显示于液晶显示器80上，而完成距离量测，同时微处理器70在读取A/D转换器63的输出数字信号后，即刻送出一重置信号予线性充电电路62，将电容C23的电压放电为零。该时间对振幅转换电路60的时序图如图11所示，其中a代表发射信号，b代表接收信号，c代表R/S正反器61的输出，d代表线性充电电路62的充电状态，e则代表由微处理器70所送出的重置信号。

请参考图12所示，是为本发明的另一较佳实施例，与前一实施例不同处在于自动峰值控制回路30的变化设计，如该自动峰值控制回路30当中的积分电路33是由一组A/D转换器36及D/A转换器37取代，其中该A/D转换器36的连接于峰值保持电路32的输出端及微处理器70之间，将由峰值保持电路32输出的模拟信号转为数字信号后送至微处理器70，由微处理器70将该数字信号与其内部一参考数值作比较后而自动修正此一信号的大小，由此取代了原有积分电路33的功能。而再由微处理器70将修正过后的信号输出至D/A转换器37，由D/A转换器将该输出的数字信号转换为模拟信号后输出至高压电源电路34。

由以上所述，本发明的优点在于经由自动峰值控制回路取得接收信号的大小，经由积分电路控制高压电源电路，以改变崩溃光检知器的增益及驱动电路的发射信号强度，使对于不同反射率的目标物其反射接收信号的强度均为定值，则计时偏差(timing jitter)的问题将被排除，精确度因而提高。

综上所述，本发明设计可将激光测距仪装置的距离量测精确度提高至1公分，具备显著的功效增进，实为一极具产业利用价值的设计，因此，本发明符合发明专利要件，故依法提出申请。

Claims (6)

1.一种高精确度激光测距仪装置，其特征在于，包含有：

一驱动电路，是驱动一红外线激光二极管对目标物发射脉冲信号；

一自动峰值控制回路，是接收目标物所反射回来的脉冲信号并控制前述驱动电路的输出脉冲信号强度；

一放大电路，是将反射回来的脉冲信号放大；

一单击电路，是将前述放大电路输出的电压信号转为时脉信号；

一时间对振幅转换电路，是连接至前述单击电路的输出端，是将时脉信号转换为数字信号；

一微处理器，是与前述时间对振幅转换电路及驱动电路连接，以控制前述驱动电路的触发时机，并提供重置信号予该时间对振幅转换电路；

一显示器，是与前述微处理器连接，将微处理器的距离量测计算结果显示出来。

2.根据权利要求1所述的高精确度激光测距仪装置，其特征在于，该自动峰值控制回路包含有：

一崩溃光检知器，是将感测到的光信号转为电流信号输出；

一信号接收电路，是接收前述崩溃光检知器的电流信号，并转换为电压信号；

一峰值保持电路，是连接至该信号接收电路的输出端，将其电压信号的峰值固定；

一积分电路，是连接至该峰值保持电路的输出端，并将其输出电压信号与一参考电压比较取得一电压差值，将该电压差值做积分动作；

一高压电源电路，是连接至该积分电路的输出端，其输出端则与前述驱动电路及信号接收电路连接，控制驱动电路的发射信号强度，及崩溃光检知器的增益。

3.根据权利要求1所述的高精确度激光测距仪装置，其特征在于，该自动峰值控制回路包含有：

一崩溃光检知器，是将感测到的光信号转为电流信号输出；

一信号接收电路，是接收前述崩溃光检知器的电流信号，并转换为电压信号；

一峰值保持电路，是连接至该信号接收电路的输出端，将其电压信号的峰值固定；

一A/D转换器，是连接至该峰值保持电路的输出端，并将其输出电压信号转换为数字信号送至微处理器；

一D/A转换器，是连接至微处理器的输出端，并将微处理器送出的信号转换为模拟信号；

一高压电源电路，是连接至该D/A转换器的输出端接收其输出的模拟信号，其输出端则与前述驱动电路及信号接收电路连接，控制驱动电路的发射信号强度，及崩溃光检知器的增益。

4.根据权利要求2或3所述的高精确度激光测距仪装置，其特征在于，该时间对振幅转换电路包含有：

一正反器，其输入端的与单击电路的输出端及微处理器连接，由单击电路及微处理器决定其输出时脉信号宽度；

一线性充电电路，是将正反器的输出时脉信号转换为电压信号输出；

一A/D转换器，是将该线性充电电路的电压信号转换为数字信号输入微处理器。

5.根据权利要求4所述的高精确度激光测距仪装置，其特征在于，该驱动电路的透过一极化分光器，对发射的脉冲信号进行合光处理。

6.根据权利要求5所述的高精确度激光测距仪装置，其特征在于，该正反器的为一R-S正反器。

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