CN1448728A

CN1448728A - 一种激光测距方法和装置

Info

Publication number: CN1448728A
Application number: CN 02103822
Authority: CN
Inventors: 蔡成; 马虹
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-15

Abstract

本发明提供了一种激光测距方法及装置，基本特征是采用接收转发技术获得激光信号发射与接收时间差的多次测量累加时间，经过累加时间的进行平均计算，就可以实现对距离的精确测量。本方法在电路处理最小可分辨时间不变的情况下，可以实现高精度、快速距离测量，克服了最小测量距离的限度。可以制作低成本的、小巧的高精度距离测量装置。本发明能够用于测量长度、面积、体积各种设备中，能够与其它测量设备配合使用，可以用于建筑测量、物品检测、自动控制等领域。

Description

一种激光测距方法和装置

激光测距是采用激光信号进行距离测量的方法。目前，现有的激光测距方法主要包括激光单脉冲距离测量法、激光调制信号相位检测法等。激光测距有两项重要的技术指标：测距精度、最小测量距离。测距精度是指测量距离时所能分辨的最小距离误差。最小测量距离是激光测距机的最小可探测距离，即在测距装置附近存在的测量盲区，测量盲区内的距离无法直接测量，测量盲区的半径就是最小测量距离。

激光单脉冲距离测量法，是发射单次激光脉冲信号，照射到物体后反射回来，测量出激光脉冲的往返时间，再根据光在空气中的恒定速度就可以计算距离。其主要缺点是测距精度较差，典型值一般为几米；最小测量距离较大，通常是几十米。

激光调制信号相位检测法，是利用激光调制信号发射、接收的相位变化，计算出测量距离。这种方法虽然可以获得较高测距精度，典型值一般为几毫米，但难于实现亚毫米测距精度要求，而且需要较长的稳定测量时间，最小测量距离仍然较大。

由于电路对时间信号处理极限的限制，这些已有激光测距方法存在很多局限性，主要表现在三个方面，一是距离测量精度较差，二是存在最小测量距离的限制，三是为提高测量精度需要较长的稳定测量时间。

本发明的目的是提供一种激光测距方法和测距装置，有别于现有的激光测距方法，在性能上有显著提高，很好地克服了现有的激光测距方法中的这些缺陷。本发明采用了接收转发技术，在电路对时间信号处理极限不变的情况下，可以获得极高的距离测量精度，大大减小了激光测距技术中最小测量距离的限制，并且可以实现快速精确测量。

本发明描述了一种激光测距方法及装置。该方法包括如下步骤：

第一步：设置测距精度。

本发明中测距精度与激光信号转发测量次数直接相关，激光信号转发测量次数越多，测距精度越高。因此可以通过调整激光信号转发测量次数，达到调整测距精度的要求。

第二步：瞄准目标并发射激光信号，同时启动计时、记次，记录激光信号的行程时间和激光信号转发次数。

第三步：接收反射信号并进行延时。

第四步：反射信号经准确延时后发射下一次激光。

第五步：重复第三、四步。

第六步：当转发次数达到设置值时，停止发射激光信号。

第七步：计算距离及精度并显示。

本发明采用了激光信号接收转发技术，也就是每次测距机接收到目标反射回的激光信号后，触发延时电路，经准确延时，再转发下一次激光测距信号，激光信号在被测距离上进行多次发射接收。这样经过多次转发，如n次，把n次发射、接收、及每次延时的时间差累加到一起，获得总的时间长度。由于延时是已知的，在计算时将其扣除，就可以获得激光信号在被测路程上往返n次所用的时间，实际上将被测距离扩展了n倍。

由于电子线路对时间的分辨能力是一定的，假设其值为Δt，而光速是已知的，根据距离、时间、速度的关系，可知，电子线路对距离的分辨能力Δl是一定的。测距精度的指标只取决于距离分辨能力Δl。因此，现有激光测距方法中测距精度的指标只取决于Δt。本发明中，电子线路对n次发射、接收的往返时间的分辨能力仍为Δt，但测量累计次数提高了n倍，即被测距离扩展了n倍，从而使测距精度提高到Δ1/n。理论上，采用本测距方法，可以获得任意测距精度，并消除了最小测量距离的限制。在实际应用上，可使测距精度提高成千上万倍，使最小测量距离减小成千上万倍，可以轻而易举地实现亚毫米精度的激光测距，并且可以进行每秒几十、几百次的快速测量。

图1是激光测距通用的基本原理示意图。

图2是本发明激光测距方法的基本原理和装置示意图。

在图1中，说明了激光测距共通的基本原理。激光测距机104对被测距离另一端的配合物102发射激光信号101，该物体对激光信号产生漫反射，或在物体上设置角反射体而产生反射。反射回来的激光信号103被激光测距机104接收。探测激光信号从发射到接收的时间差为t。由于光在空气中是匀速直线传播的，激光测距信号是收、发双向传输，其测量距离可由下式计算：

l＝c·t/2其中c是光在空气中的传播速度，约3×10⁸m/s。上式就是基本的脉冲激光测距方程。

假设电路处理最小可分辨时间为Δt，其最小可分辩的距离即测距精度为Δl，两者关系符合关系式：

Δl＝c·Δt/2

可见，测距精度为Δl与最小可分辨时间为Δt成正比，由于电路能够处理的最小时间分辨极限是一定的，因此其测距精度也是有极限的。

在图2中，说明了本发明的激光测距方法原理和装置。由图2可见，激光信号是在被测距离上进行了多次发射、接收。本发明巧妙避开了电路能够处理的最小时间分辩极限的限制，使测距性能得到了极大改善。

在开始测距前，首先根据测量要求设定测量精度。由于本发明的测量精度与转发测量次数有关，所以可以根据要求调整转发测量次数，达到调整测量精度的要求。

然后，开始测距，发射激光信号后，照射到配合物，激光信号反射回来，测距装置接收到反射激光信号，不立即进行距离计算，而是触发延时电路，经过准确延时后再触发激光器再次进行激光信号的发射、接收，如此经过多次转发，收发次数共为n。从第一次发射激光信号到第n次接收激光信号，共经过时间t，而每次收、发之间的延时时间为U，则测距方程为：

L = \frac{c [t - (n - 1) U]}{2 n}

Δl＝c·Δt/2n

可见，测距精度与n成反比关系，在Δt不变的情况下，随着n的增加，测距精度会有很大提高，可以满足精确测距的要求。

若转发次数n为1000次，设Δt为1毫微秒，可以算出，测距精度Δl为0.15毫米。

最小测量距离与测距精度、处理电路动态范围、激光信号发射与接收的光路位置等因素是相关的，本发明中测距精度提高了，最小测量距离也可以同时得到很大改善，在不考虑其他因素时，最小测量距离可以做到与测量精度相近。

如图2所示，实现本发明的激光测距方法的装置包括：激光发射光学部件201、激光器204、激光转发控制器203、激光接收光学部件202、接收光电管205、信号放大整形处理器206、控制计算单元207、显示单元212、功能键213。

其中控制计算单元207包括信号识别处理器211、转发延时控制器210、记时器208、计算处理器209。

其中激光转发控制器203、转发延时控制器210是本发明的测距装置特有的，是本发明装置与现有激光测距装置的主要区别。这两部分与其它部分协调作用共同完成激光信号转发控制功能。

本发明激光测距装置各部分的主要功能及工作原理说明如下。

激光发射光学部件201是激光扩束镜，将激光器204发出的激光束扩大，使得激光的发散角减小到毫弧度量级，可以采用短焦距镜发散，也可以采用望远系统准直。激光接收光学部件202是一光学聚焦镜头，将接收回来的激光光束会聚到接收光电管205上。

激光转发控制器203用于接收控制计算单元207发射激光的指令，驱动激光器发射激光信号。

接收光电管205用于对接收回来的激光信号进行光电转换。信号放大整形处理器206将接收光电管205光电转换的弱信号进行放大、整形处理，并将处理后的信号送至控制计算单元207。

显示单元212用于显示测量结果和测量装置状态等信息。

功能键213用于设置测量精度、测量量程和气象条件等测量参数，能够启动测量。

控制计算单元207是中心控制单元，能够进行延时处理、距离计算、键盘信号处理和显示控制等工作。

激光转发控制器203在控制计算单元207的控制下，驱动激光器204发出激光信号，发射激光经由激光发射光学部件201准直，形成束散角极小的激光束214，照射被测距离另一端的配合物215，激光在配合物215上漫反射，或被215处的角反射体反射，反射激光信号216沿原路返回到激光接收光学部件202，经光学汇聚，到达焦点附近的接收光电管205，实现光电转换。电信号经放大整形处理器206，送到控制计算单元207。

控制计算单元207由微处理器和逻辑控制电路组成，是本发明装置的中心控制部分，用于控制各部分协调工作，计算测量结果。控制计算单元207包括信号识别处理器211、转发延时控制器210、记时器208、计算处理器209等部分。信号识别处理器211用于识别激光信号，能够根据脉冲宽度，时延等特征识别激光信号，消除干扰信号造成的测量误差。转发延时控制器210能够根据需要设定不同的延时时间，控制转发次数，用于产生精确延时，设定转发次数，在到达转发次数时通知记时器208停止记时，并通知计算处理器209计算测距结果。计算处理器209根据转发延时控制器210的延时时间、转发次数、记时器208的记时时间和气象条件等信息计算出测距结果。

显示单元212在控制计算单元207的控制下显示测量距离、精度等信息，功能键213用于人机对话、启动测量、调整测量精度等。

Claims

1、一种激光测距方法，包括如下步骤：

第一步：设置测距精度；

第二步：瞄准目标并发射激光信号，同时启动计时、记次，记录激光信号的行程时间和激光信号转发次数；

第三步：接收反射信号并进行延时；

第四步：反射信号经准确延时后发射下一次激光；

第五步：重复第三、四步；

第六步：当转发次数达到设置值时，停止发射激光信号；

第七步：计算距离及精度并显示。

2、一种激光测距装置，包括：

激光发射光学部件201；

激光器204；

激光转发控制器203；

激光接收光学部件202；

接收光电管205；

信号放大整形处理器206；

控制计算单元207；

显示单元212；

功能键213。

3、根据权利要求2所述的激光测距装置，其中控制计算单元207包括信号识别处理器211、转发延时控制器210、记时器208、计算处理器209。

4、根据权利要求2或3所述的激光测距装置，其中激光发射光学部件201是激光扩束镜。

5、根据权利要求2或3所述的激光测距装置，其中激光发射光学部件201是短焦距发散镜。

6、根据权利要求2或3所述的激光测距装置，其中激光发射光学部件201是准直望远系统。

7、根据权利要求2至6中任何一项所述的激光测距装置，其中激光接收光学部件202是一光学聚焦镜头。

8、根据权利要求2所述的激光测距装置，其中控制计算单元207由微处理器和逻辑控制电路组成。