CN1598616A - 用于测距之脉波反射振荡装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于测距的脉波反射振荡装置及其方法，用于量测距离。该脉波反射振荡法是利用量测反射波闭环回路的振荡周期，来决定参考点和被测点之间的往返传播时间，配合以计频器去量测振荡周期，即可在极高精度的状态下，获知距离数值。本发明特别是将接收到的反射脉冲用以作为下一个发射脉冲的触发，实施时电路设计与制作上相当简单，且能达到很高的精度。

Description

用于测距之脉波反射振荡装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种用于测距之脉波反射振荡装置及其方法。
背景技术
当法国人A.H.L.Fizeau(1819-1896)于公元1849年，在地面上成功的测量出光速，开启了利用光速来测量距离的时代；在二次世界大战期间，雷达技术蓬勃发展，当时利用无线电波往返于目标物与参考点之间，并以所需的往返时间，来度量距离；1950年代，就有人利用雷达的观念，以大电容放电产生强烈闪光，并以抛物面镜聚光来测量距离；公元1960年第一具激光问世，隔年，第一套激光测距系统正式出现。
由于激光光具有以下的光学性质：它的频谱宽度很窄，具有高度的单色性(monochromaticity)；经过长距离的传播后，仍能保持细小的光束，具有高度的指向性(directionality)；相较于普通光源，激光光在空间与时间上都具有高度的同调性(coherence)；激光光由于功率高及扩散开的立体角甚小，因此具有高亮度(brightness)。这些优异的特质，使得激光测距技术广泛应用于各种不同的领域：在军事上，它用来量测炮弹发射的距离；在大地工程上，它应用于地基量测和土木工程的量测；此外在室内装潢和汽车测距上也都得到很好的应用。
由于光在给定介质中的传播速度是一定的，因此测量光在参考点和被测点之间的往返传播时间，就可定出目标和参考点之间的距离，传统上，根据传播时间测量方法的不同，常用的激光测距方法，可分为二种：当激光光以正弦波调制时，此时是相位法，当激光光以脉冲波调制时，这时就是脉冲法。相位法测距是对光波作某种形式的调制，然后测量发射波与反射波之间的相位差，再由此计算距离；而脉冲法测距是直接测量光脉冲的飞行时间来计算距离。
然而不管是相位法测距，还是脉冲法测距，要想获得高精度的距离量测，前者必须设计很好的相位计和处理两种以上不同频率的振荡电路；而后者必须设计高精度的时距(time interval)量测电路，它包含各式各样的时间插补(timeinterpolation)技术，两者所需要的电路设计，都相当复杂，都需要相当高的技术，才能达成。
以下简述习知相位法测距与脉冲法测距的原理。
相位法测距原理
首先请参阅图1，是相位测距基本方框图，激光光经过振幅调制后输出，经由目标物返回，光检测器将其转换为电信号，然后由放大器放大，再送入相位计，反射波所形成的信号与发射波信号间将因传播延迟而产生相位差，相位差经由相位计读取后，送到处理器加以计算而得到距离的大小。
假设调制的频率fAM，调制波长为λAM，光与目标物之间的距离为R(光往返于测量地与目标物之间经过2R的距离)，所造成的相位为Φ，则发射信号A(t)、反射信号B(t)与距离R之间的关系可以利用以下第(1-1)式、(1-2)式与(1-3)式来表示：
A(t)＝sin(2πfAM)                       (1-1)
B(t)＝sin(2πfAM+Φ)                    (1-2)
2R＝λAMΦ/(2π)＝NλAM+λAM/(2π)  (1-3)
R＝N×(λAM/2)+/(2π)×(λAM/2)      (1-4)
       ＝N×U+/(2π)×U                (1-5)
定义测尺长度U＝λAM/2
U：为量测尺的长度，它为调制波长λAM的一半
当相位计量得相位差之后，由(1-4)式即可得到待测距离R，距离R可由量测尺的长度和在量测尺上所读到的刻度值(相位差)两者决定，因此，相位计成为这种测距法的重要装置。相位计只能量得两信号间不满一个周期的相对相位差，如果在(1-4)式中的N不为零，相位计是无法得知实际相位Φ之大小的，为了避免此一不明确现象的发生，测量距离必须限制在量测尺的长度之内，如果要测量较长的距离，就要增加量测尺的长度，即增加调制波长λAM。将(1-4)式等号左右两边同时对微分，得到以下第(1-6)式，可以用它来推估距离的分辨率：
dR＝d/(2π)×λAM/2＝d/(2π)×U    (1-6)
由(1-6)式看出，分辨率由两个因子决定，一个是量测尺的长度，另一个是量测尺的刻度划分程度(由相位计的分辨率决定)，要想达到高分辨率的距离量测，量测尺的刻度划分要细(多)(高分辨率的相位计)，同时量测尺的长度要短，这将使得测距范围变小。要想同时保持高分辨率与大的测距范围，至少必须使用两把不同长度的量测尺，长尺用来决定测距范围，短尺用来决定分辨率，而相位计用来决定两把尺刻度划分的程度。
相位测距系统设计时，通常以分辨率和测距范围为规格，假设分辨率为1mm，测距范围为100m，假设每把尺刻度10000等分，则需要高分辨率的相位计1/10000；短尺长度为1mm×10000＝10m，调制波长为20m，调制频率15MHz；长尺长度为100m，调制波长为200m，调制频率为1.5MHz；1/10000分辨率的相位计，若以15MHz的频率计数，接收的反射调制信号，需降频至15MHz/10000＝1.5KHz。在这个系统中需要两种调制频率，还需要混频技术(降频)......，其电路相当复杂。
假设相位计只有1/1000的分辨率，那么短尺长度为1mm×1000＝1m，调制波长为2m，调制频率为150MHz，如此一来，就必须处理高频电路。是以，习知相位法测距，制作复杂不易。
脉冲法测距原理
习知脉冲法测距装置基本方框图，即如图2所示，系统处理器发出触发信号给脉冲产生器，然后驱动激光，发射出窄而高峰值的光脉冲，经由待测目标反射后，回到接收系统，光检测器将返回之光脉冲转换为电脉冲，然后经由放大器放大振幅至一定位阶。由于目标距离的远近和目标之间反射率的差异，使得返回的信号，振幅变化很大，为求计时之准确性不受信号强弱变化的影响，因此须设计一个脉冲高度鉴别器，它选择适当的threshold点，以便触发产生终止脉冲，然后由计时电路，计算光脉冲往返的时间T，最后由处理器利用第(1-7)式，计算出该目标物之距离R。
     2R＝T×C0/Ng            (1-7)
其中C0：为光在真空中的速度
    Ng：为空气的折射率。
距离量测的精度将由时间T的量测精度决定，因此要想获得高精度的距离量测，就需要高精度的时距量测电路，为了节省功率的消耗，可以使用低频时脉计数，并选择适当的时间插补(time interpolation)技术，对不足一个时脉(timing clock)的部份，以时间插补法进行细分的工作。
图3是以低频时脉计数的时间数字转换时序图(timing diagram)，由图中可看出，T由3部份组成，T＝Tab+Ta-Tb，Tab与计时时脉同步，因此它可以用低频计数器计数，Ta为起始(start)脉冲和其后第二个计时时脉上升边缘间的时间差，Tb为终止(stop)脉冲和其后第二个计时时脉上升边缘间的时间差，若是测距系统以10MHz为计时频率，那么Ta和Tb的时距范围将落在100～200ns之间，以下将以时间振幅转换法，针对此范围，进行时距细分的估算，假设100～200ns的脉冲已转换为电压，若以10位的A/D转换器去计算100ns的时间范围，其分辨率约为0.1ns(100ns/1024)，相当于空间分辨率15mm，要想达到1.5mm的分辨率，A/D转换器至少得14位，或者提高计时时脉至100MHz，使所要细分的时间范围减为10ns，是以，习知脉冲法在电路设计上也是相当复杂，不符实际需要。
由此可知，习知测距方法中，相位法与脉冲法皆存有：电路设计不易、实施困难度高、量测精度低以及成本高等诸多限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于测距的脉波反射振荡装置及其方法，具有电路设计简易、量测精度高、成本低且实施容易等特点。
本发明的原理是，藉由脉波反射振荡法以获致上述目的。其利用量测反射波闭环回路的振荡周期，来决定参考点和被测点之间的往返传播时间，配合以计频器去量测振荡周期，即可在极高精度的状态下，获知距离数值。
下面结合附图以具体实例对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是习知相位法测距装置基本方框图；
图2是习知脉冲法测距装置基本方框图；
图3是习知脉冲法测距中低频时脉计数的时间数字转换时序图；
图4是本发明脉波反射振荡法测距示意图；
图5是本发明脉波反射振荡法激光测距基本方框图；
图6是以本发明脉波反射振荡法所设计的光纤传播延迟量测系统方框图；
图7系以电缆为延迟线的脉波反射振荡器；
图8是电缆断点位置量测系统示意图。
图9是反射脉波通过电路图。
具体实施方式
图4是本发明的波反射振荡法测距示意图，当“start(开始)”信号激活后，发射器发出P1a第一个脉冲，经面镜M1反射后，接收器将接到的光信号转换为电信号，然后产生P1b第一个脉冲，重新触发产生P1a第二个脉冲，因而形成周期性脉冲串；同理，将面镜M 1拿掉后，发射器发出P2a第一个脉冲，经面镜M2反射后，接收器将接到的光信号转换为电信号，然后产生P2b第一个脉冲，重新触发产生P2a第二个脉冲，也形成周期性脉冲串。假设P1a的脉冲串周期为T1，P2a的脉冲串周期为T2，则面镜M1与面镜M2之间的距离R＝C×(T2-T1)/2，量测距离R的精度可由T2-T1决定，因此若能精确量测周期T1及T2，即可获得高精度的距离量测，而T1或T2通常可由计频器精确的量得。
当以脉波反射振荡法设计测距系统时，假设测距范围为150m，往返距离为300m，那么所需的往返时间约为1000ns，振荡频率约为1MHz，若计频器计时时间1秒钟，产生1个计数误差，则往返时间量测的相对误差为百万分之一，距离量测的误差为0.15mm(150m/1000000)。由于脉波反射振荡法是以计频器量测振荡频率，只要计频时间够长，在脉波往返时间的量测上是非常精确的，因此在设计测距系统时，重心不在计时上(计频器的设计，相当简单)，而在发射器电路，和接收器电路。
图5是脉波反射振荡法激光测距基本方框图，由激光当光源，分光镜(beam splitter)一方面让激光光通过，另一方面将反射光偏向光检测器(PIN)，信号处理电路将光检测器转换的电信号放大至适当电平，脉冲产生电路2产生触发脉冲(P1b，P2b)，它的脉波宽度较宽，它一方面要送信号给计频器，另一方面触发脉冲产生电路1产生窄脉冲(P1a，P2a)，然后驱动激光发光，start为激活脉冲信号，前述图4的面镜M1和面镜M2可由图5的移动式面镜(Mirror)取代。
由于激光束在空气中会散开，这将造成空间传输损耗，因此设计激光测距系统时，必须有很好的光学系统，然而这并不是件容易的事；当传输介质由空气改为光纤时，由于光纤的传输损耗低，测距系统的设计就比较容易完成；同样，若传输介质由空气改为同轴电缆，系统设计也较容易完成。不管是空间传输，光纤传输，还是电缆传输，只是传输介质的不同，对于脉波反射振荡测距法而言，其工作原理是相同的，因此，本发明所提出的脉波反射振荡测距法，也可应用在光纤传播延迟量测系统和电缆断点量测系统中，兹简述如下。
如图6所示的以脉波反射振荡法所设计的光纤传播延迟量测系统方框图，开始时，以手动压微动开关PB，触发脉冲产生器(Trig1)，产生脉波宽度10ns的电脉冲；发射器为电/光转换模块，由激光和电流驱动电路组成，它将电脉冲转换为1310nm波长的光脉冲；多模纤耦合器(multimode coupler 50:50 ratio)一方面将来自发射器的光脉冲耦合至待测光纤，另一方面将来自光纤端面的菲涅耳(Fresnel)反射光耦合至接收器；接收器为光/电转换模块，它由光检测器PIN，转阻放大器，和后级放大器(postamp)组合而成，它将输入的光信号转换为电信号，并放大至ECL电平。
由于耦合器端面和光纤端面均会产生菲涅耳反射，因此设计了端面选择电路(End-choice circuit)，它让反射脉冲r1(来自于耦合器端面)，或反射脉冲r2(来自于光纤端面)，其中之一通过，并且将其脉波宽度加宽至20ns(为了供较低频宽的计频器使用)。通过的反射脉冲一方面再触发脉冲产生器(Trig2)，以形成闭环回路振荡，另一方面经过ECL/TTL转换电路，以供计频器计数用；计算机通过I/O接口对计频器读取资料，然后计算振荡周期T，它是由系统传播延迟Tsys和光纤传播延迟Tfib组合而成。
T＝Tsys+Tfib＝Tsys+2NfibL/C0        (2-1)
Tsys：为系统传播延迟，代表组成系统各零组件传播延迟之和包括电子组件，光耦合器，激光，PIN...
Tfib：为光纤传播延迟
L：   为光纤的长度
Nfib：为光纤的折射率
C0：  为真空中的光速
在未加待测光纤下，将端面选择器开关切换至S1，让来自耦合器端面的反射脉冲通过，此时可测得系统传播延迟，Tsys；当接上待测光纤时，将端面选择器开关切换至S2，让来自光纤端面的反射脉冲通过，此时所测得的传播延迟即为振荡周期，T，而Tfib可由T-Tsys获得。该种脉波反射振荡法是一种很实用的光纤传播延迟量测法，它具有高精度，电路设计简单，而且只须单端接触光纤，极适合应用于现场测试仪器。
至于以脉波反射振荡法所设计应用的电缆断点量测系统，请参阅图7，其以电缆为延迟线的脉波反射振荡器，反射脉冲来自电缆断点，Loop2为振荡回路，断点位置可由振荡周期的量测而确定。再请参阅图8，是电缆断点位置量测系统示意图，当start脉冲触发后，脉冲产生器产生10ns的窄脉冲，发射器(由MC10116制作)将其送至参考电缆(reference cable)；发射信号(T)和断点反射信(R)一起通过接收器(也由MC10116组成)，接收器为两级放大器，它将反射信号放大至ECL电平；反射脉波通过电路，它只让反射脉波通过，并产生20ns的R-Pass脉波信号，以便再触发脉冲产生器。ECL/TTL转换器，它将ECL电平信号转换为TTL电平信号，以便计频器计数；计算机通过I/O接口对计频器读取资料，然后进行演算，推估断点位置所在。图9是反射脉波通过电路图，它由两位的移位缓存器(由D型正反器MC10131制作)和20ns的延迟电路组合而成。它遮挡T脉冲，而让R脉冲通过，20ns的延迟电路使R脉冲的脉波宽度加宽至20ns。
本发明实际应用于距离量测时，量测介质至少可以是空气、水、光纤与电缆，但不以此为限制。
本发明虽藉由实施例来描述，但仍可变化其形态与细节，而不脱离本发明的精神，并由本领域的熟练技术人员了解。
上述本发明的最佳实施例仅是根据本发明原理可以具体实施的方式之一，但本发明并不以此为限制，而应以所附的权利要求界定为准。

Claims (6)

1、一种用于测距的脉波反射振荡方法，包括下述步骤：
藉发射器发出探测脉冲，该探测脉冲经被测物反射后，产生反射脉冲；
反射脉冲经接收器接收后，利用该脉冲触发发射器再产生探测脉冲，然后重复探测-反射-接收的处理，形成周期性的脉冲串；
量测脉冲串的频率或周期并加以计数及计算，获得高精度的距离量测数值。
2、一种用于测距的脉波反射振荡装置，包括：
一发射器，可接受信号的触发，并向被测物发出探测脉冲；
一接收器，接收由发射器所发射并经被测物反射所生的反射脉冲，以及利用该脉冲触发发射器产生探测脉冲，以此形成一周期性的脉冲串；
一测量和计算装置，量测脉冲串的频率或周期并加以计数及计算，获得高精度的距离量测数值。
3、如权利要求1所述用于测距的脉波反射振荡方法，其中该被测物包括一参考点与一被测点。
4、如权利要求2所述用于测距的脉波反射振荡装置，其中该被测物包括一参考点与一被测点。
5、如权利要求3所述用于测距的脉波反射振荡方法，其中参考点与被测点之间的往返传播时间通过量测脉冲串的频率或周期得到，从而得知距离数值。
6、如权利要求4所述用于测距的脉波反射振荡装置，其中该参考点与被测点之间的往返传播时间通过藉量测脉冲串的频率或周期得到，以获知距离数值。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication