CN2265525Y

CN2265525Y - 脉冲半导体激光测距装置

Info

Publication number: CN2265525Y
Application number: CN 96231306
Authority: CN
Inventors: 陆建红; 关芸菁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1996-02-12
Publication date: 1997-10-22
Anticipated expiration: 2006-02-12

Abstract

本实用新型脉冲半导体激光测距装置，包括：信号发射系统、信号接收系统、微处理器和显示器，其信号发射系统由脉冲半导体激光器、切边透镜组成，信号接收系统由与切边透镜切边紧贴的聚焦透镜、限制光阑、干涉滤光片、雪崩光电二极管组成，其中脉冲半导体激光器与连在微处理器上的驱动电路相连，雪崩光电二极管与分别接在微处理器上的峰值采样电路和t-v变换电路上的接收放大电路相连，尤其适用在近距离及无人为合作目标场合的测距。

Description

脉冲半导体激光测距装置

本实用新型为一种测距装置，属于半导体激光及光电子技术领域。

现有YAG脉冲激光测距机测距工作最近距离很难小于30米即有一个测距机工作盲区。对于便携式小型YAG脉冲激光测距机，长时间工作频率低于10次/分，测距精度难以提高，工作寿命受器件寿命的限制。

本实用新型的目的在于：提供一种脉冲半导体激光测距装置，在近距离及无人为合作目标场合，实现快速测量目标的距离和速度。

本实用新型的目的可通过下述技术方案实现：其包括信号发射系统、信号接收系统和微处理器(7)、显示器(13)，其中，微处理器(7)是由CPU、锁存器、EPROM及其外围电路组成的单片机系统。信号发射系统由脉冲半导体激光器LD(14)、切边透镜(16)组成，信号接收系统由与切边透镜(16)切边紧贴的切边聚焦透镜(17)、限制光阑(18)、干涉滤光片(19)、雪崩光电二极管(20)组成，其中脉冲半导体激光器LD(14)与驱动电路(2)相连，驱动电路(2)与微处理器(7)相接，雪崩光电二极管(20)连接在接收放大电路(4)中，该电路分别与峰值采样电路(5)、成形电路(6)相连接，峰值采样电路(5)和t-v变换电路(8)与模数电路(9)相连，模数变换电路(9)接在微处理器(7)上。对信号接收、信号发射采用微机处理控制，从而大大提高了数据处理速度、提高测距精度和减小测距盲区。其光学系统装置图(一)，如图2。

在上述技术方案基础上，为保证测距精度，本实用新型信号发射系统中可加设一反光镜(15)，使脉冲半导体激光器LD转向90°，这种结构有利于总体结构合理布局，并利于激光内部光路校正。如图3.本实用新型光学系统装置图(二)所示。

为使测距精度更加精确，本实用新型的信号发射系统可采用内部校正光路装置(12)，其由电机(22)和与电机(22)连接的遮光板(23)、光路隔离板(24)上的聚焦透镜(25)、反光器(21)组成。内部校正光路装置(12)受微处理器(7)控制，从而提高测距精度。

本实用新型采用的半导体激光器LD的驱动电路(2)由微处理器之CPU提供S_p信号，由反向门电路D₅隔离反相，再由反向门电路D₆、D₇和电阻R₃₄、电容C₂₀组成积分型单稳态电路得到负向窄脉冲，由反向门电路D₈反相，经三极管V₁₈、V₁₉电流放大，最后由功率场效应管V₂₁产生大电流窄脉冲驱动半导体激光器LD。时基电路N₁为一振荡器，该信号驱动场效应管V₁₃经由电感L₂贮能升压，整流二极管V₁₄、V₁₆整流，稳压二极管V₁₅、V₁₇稳压，分别为电流放大和功率管提供工作电压。

在上述技术方案基础上，本实用新型微处理器逻辑电路可设置为如图5所示的电路，即微处理器部分由CPU D₁₀、锁存器D₁₃、EPROM D₁₄组成的单片机系统，EPROM可以根据测距装置不同的工作内容进行选择，其中CPU D₁₀可采用8051系列、Z80系列、68HCXX系列、PIC165XX系列等。与非门电路(D₁₅、D₁₆)和D触发器(D₁₆)形成激光发射时刻到信号S_A时刻间的脉冲宽度，D触发器(D₁₈、D₁₉)、与非门电路(D₂₀)和D触发器(D₂₁、D₂₂)、与非门电路D₂₃分别为二路标准脉宽信号，该标准信号由分频器D₂₉提供，分频器的输入信号与CPU时脉频率为同一晶振G₁产生。在CPU控制下，三路信号分时经与非门电路(D₂₄、D₂₅)，最后由与非门电路(D₂₆)、恒流二极管(V₂₇)、三极管(V₂₆)组成的t-v转换电路将脉宽变为电压，保持在电容(C₂₄)上，再经运算放大器(N₃)跟随输出，反向门电路(D₂₇)为一受微机控制的放电支路。三极管(V₂₂、V₂₄)及其外围阻容元件组成对S_B信号峰值放大的峰值采样电路(5)，再经三极管(V₂₅)在电容(C₂₂)形成与信号幅度成正比的电压，再经运算放大器(N₂)跟随输出，同样反向门电路(D₉)为受微机控制的放电支路。上述运算放大器(N₂、N₃)二路电压在微机控制下由模拟开关(D₃₀)分时送至模数变换电路A/D(9)，A/D为变换器(D₃₂)进行A/D变换、再由CPU处理。芯片(D₃₃)为一串行接口，完成与外界的串行信号传送，由CPU提供的激光器驱动信号经反向门电路(D₁₁、D₁₂)送至驱动电路，根据固化在EPROM中的程序，机外车速信号S_v和送机外的制动信号S_z直接由CPU提供，显示数据由CPU数据总线DB直接输出，显示控制信号dip由CPU提供，串行输出信号R₀、串行输入信号R₁、车速信号Sv、制动信号Sz，显示控制信号dip以及数据总线的输出等可以根据需要配置。

另外，本实用新型的显示电路可由带驱动器的液晶显示器F₁组成，该显示器数据直接由数据总线DB提供，控制信号dip由CPU直接提供，显示电路也可以用砷化镓数码管，或可根据需要省去显示器，由串行接口输出测距结果。

本实用新型采用了高压控制型接收放大电路，其包括三极管(V₂、V₃、V₄)组成的放大电路，由跟随器(V₆)产生行信号S_A输出给峰值采样电路(5)，确定其信号幅值大小，进而由微处理器(7)根据信号幅值提供脉冲调光信号PWM(10)。跟随器(V₅)分二路输出：一路由施密特触发器(D₁、D₂)组成噪声成形电路，另一路由施密特触发器(D₃、D₄)组成回收信号成形电路(6)，噪声成形电路经三极管(V₉)发射极和自微处理器(7)的脉冲调光信号PWM(10)经三极管(V₈)发射极共同连在三极管(V₇)之基极组成了高压控制电路(11)，从而控制雪崩光电二极管V₁(20)的工作高压。

本实用新型之优越性通过与已有技术YAG的比较如下表：

	LD	YAG
	LD	YAG	测距范围	0～1000米	30米～10000米
测距工作频率	10～1000次/秒	10次/分	测距范围	0～1000米	30米～10000米
测距工作频率	10～1000次/秒	10次/分	测距精度	0.05米～2米	0.5米
寿命	100,000小时	2×10⁴次	测距精度	0.05米～2米	0.5米
寿命	100,000小时	2×10⁴次	用降额使用延长寿命的可能性	有效	困难

从上表可看出本实用新型适用于近距离和需要快速反应的实时控制场合，尤其适用无人为合作目标场合。实现快速、精确测量目标的距离和速度。下面通过实施例详述。

附图1本实用新型的最佳实施例工作原理框图。

附图2本实用新型光学系统装置图(一)。

附图3本实用新型光学系统装置图(二)。

附图4本实施例光学系统装置图。

附图5本实用新型驱动电路图。

附图6本实用新型微处理器逻辑图。

附图7本实用新型接收放大、成形电路及高压控制电路

图。

附图8本实施例显示器图。

附图9本实用新型应用例。

实施例：如图1、图4、图5、图6、图7、图8，图1为本实用新型最佳实施例工作原理框图，本实用新型包括信号发射系统、信号接收系统、微处理器(7)和显示器(13)，如图4为本实施例光学系统装置图，其采用了内部校正光路装置(12)，信号发射系统由脉冲半导体激光器(14)、反光镜(15)、切边透镜(16)组成，信号发射系统由驱动电路(2)驱动，驱动电路与微处理器(7)相接，受微处理器(7)控制，驱动电路原理图如图5，驱动电路原理图信号接收系统由与切边透镜(16)切边紧贴的切边聚焦透镜(17)、限制光阑(18)、干涉滤光片(19)、雪崩光电二极管(20)组成，雪崩光电二极管(20)连接在接收放大电路中。图7为放大电路原理图，该电路分别与峰值采样电路(5)、成形电路(6)相连，峰值采样电路(5)和t-v变换电路(8)与模数变换电路(9)相连，模数变换电路(9)接在微处理器(7)上，如图6，微处理器逻辑图。在本实施例中采用了内部校正光路装置，其由电机(22)和与电机(22)相连接的遮光板(23)、光路隔板(24)上聚焦透镜(25)、反光器(21)组成。其工作原理为：如图1，脉冲半导体激光器发射系统(1)产生激光脉冲并变为平行光射向目标，脉冲半导体激光器LD(14)由驱动电路(2)驱动，该驱动信号由微处理器CPU系统(7)提供，信号接收系统(3)接收并汇聚从目标反射回来的微弱信号，经接收放大电路(4)放大，再由峰值采样电路(5)采集回波信号，由成形电路(6)得到计时结束信号，计时开始信号由CPU(7)提供和成形电路(6)提供的结束信号分别送至t-v变换电路(8)，得到与距离成正比的电压信号，该信号经模数变换(A/D)电路(9)变换后，变为数字信号由CPU(7)处理，峰值采样电路(5)得到的幅度信号也由模数电路A/D(9)变成数字信号，再由CPU(7)处理，CPU(7)根据回波信号大小提供脉冲调光信号PWM(10)，进而由高压控制电路(11)控制雪崩光电二极管的工作高压，从而使接收到的回波幅度满足预定的要求。内部校正光路(12)受CPU(7)控制，根据测距精度的需要，求得启动脉冲到发出光脉冲的时间差，以便对机内原来存入的值进行修正，测距结果经CPU(7)计算处理通过显示器(13)，图8为显示器图，或者显示信号通过串行接口送到机外。如图4，本实施例光学系统装置图，脉冲半导体激光器LD(14)发出光脉冲经反光镜(15)反射，由切边透镜(16)变为平行光射向目标，从目标反射回来的光脉冲经切边聚焦透镜(17)经限制光阑(18)、干涉滤光片(19)汇聚在雪崩光电二极管V₁(20)光敏面上。内部校正光路：由脉冲半导体激光器(14)发出的部分光脉冲，经由电机(22)控制的遮光板(23)(内部校正时遮光板(23)打开)，再通过光路隔离薄板(24)相应位置上安装的聚焦透镜(25)射向反光器(21)，反射的部分光脉冲汇聚在雪崩光电管二极管(20)光敏面上。本实施例采用了高压控制型接收放大电路，如图7，为接收放大、成形电路及高压控制电路图，带有PWM信号(10)实现高压控制的接收放大电路电原理图，由目标反射回来的微弱光脉冲信号经雪崩光电二极管V₁(20)光电转换后构成回波电信号经三极管(V₂、V₃、V₄)组成的放大电路进行放大。其后，放大后的回波信号由跟随器(V₆)产生信号SA输出给峰值采样电路(5)，确定其信号幅值的大小，进而由微机电路根据信号幅值的大小提供PWM信号(10)；另外由跟随器V₅分二路输出：一路经施密特触发器(D₁、D₂)对雪崩光电二极管(20)和放大电路的噪声进行成形，再经电阻、二极管、电容(R₁₈、V₁₁、C₁₁)整流成直流电平控制三极管(V₉)，进而控制高压调整管(V₇)；另一路经施密特触发器(D₃、D₄)对回收信号进行成形产生信号SB输出给微机电路作计时的结束信号。二路成形电路工作门限分别由电阻(R₁₉、R₂₀、R₂₁)和电阻、二极管(R₂₃、R₂₄、R₂₅、R₂₆、V₁₂)确定。由微机电路提供的脉冲宽度调节信号PWM(10)经电阻、二极管，电容(R₁₇、V₁₀、C₉)整流成直流电平控制三极管(V₈)进而控制高压调整管(V₇)。噪声成形电路经三极管(V₉)和由PWM信号(10)经三极管(V₈)二路电平同时作用在三极管(V₇)上控制其工作电流使外部提供的高压V_H在电阻(R₁₄)上产生压降，三极管(V₇)集电极得到经控制后的高压提供给雪崩光电二极管(20)作为其工作电压，达到信号幅度的最佳控制。本实施例如图6微处理器(7)的逻辑框图，CPU采用8031芯片，其应用领域扩展到近距离和快速工作需要无人为合作目标进行实时控制的场合。如装在汽车的前端探测前方目标的距离和目标变化的状态，以便及时控制车上的制动系统起防撞保证汽车安全行驶的作用。再如可以对运动目标进行实时距离、速度测量。可以替代“钢皮尺”的各种距离测量领域。

应用例如图9，作为本实施例的一种重要应用，半导体激光器组成的测距装置用于汽车防撞安全保证系统。如图9，本实用新型脉冲半导体激光测距装置(A)装在汽车的前端，不断对前方目标(汽车、行人或其它障碍物)进行测距，同时通过汽车上的速度传感器(26)将速度参数输入本实用新型之实施例装置内，通过微处理器之CPU对上述二个基本参数进行计算判别，从而确定本汽车是否处于可能与前方目标发生碰撞的紧急状态，再由微处理器CPU输出信号驱动汽车的制动系统(27)，并可根据紧急的程度来确定制动的频率和强度，达到安全行车防止碰撞的目的。

Claims

1.脉冲半导体激光测距装置，包括：信号发射系统(1)、信号接收系统(3)、微处理器(7)、显示器(13)，其中微处理器是由CPU(D₁₀)、锁存器(D₁₃)、EPROM(D₁₄)及其外围电路组成的单片机系统，特征在于：信号发射系统由脉冲半导体激光器(14)、切边透镜(16)组成，信号接收系统由与切边透镜(16)切边紧贴的切边聚焦透镜(17)、限制光阑(18)、干涉滤光片(19)、雪崩光电二极管(20)组成，脉冲半导体激光器(14)与连在微处理(7)上的驱动电路(2)相连，雪崩光电二极管(20)连接在接收放大电路中，该电路分别与接在微处理器上的峰值采样电路(5)和成形电路(6)相连接。

2.由权利要求1所述的脉冲半导体激光测距装置，特征在于：发射系统(1)中加设一使脉冲半导体激光器LD转向的反光镜(15)。

3.由权利要求2所述的脉冲半导体激光测距装置，特征在于：发射系统(1)中装有内部校正光路装置(12)，所述内部校正光路装置(12)由电机(22)和与电机(22)连接的遮光板(23)、光路隔板(24)上的聚焦透镜(25)、反光器(21)组成。

4.由权利要求1或2或3所述的脉冲半导体激光测距装置，特征在于：驱动电路(2)由微处理器(7)的CPU提供SP信号，SP信号经反向门电路(D₅)与由反向门电路(D₆、D₇)、电阻(R₃₄)、电容(C₂₀)组成的积分型单稳态电路相连，并依次与反向门电路(D₈)、三极管(V₁₈、V₁₉)、功率场效应管(V₂₁)相连，振荡器(N₁)与功率场效应管(V₁₃)栅极相连，功率场效应管(V₁₃)的源极上连有电感线圈(L₂)，功率场效应管(V₁₃)依次与整流稳压元件(V₁₄、V₁₅、V₁₆、V₁₇)相连，脉冲半导体激光器LD并接在二极管(V₂₀)上，二极管(V₂₀)接在场效应管(V₂₁)的源极上。

5.由权利要求1或2或3所述的脉冲半导体激光测距装置，特征在于：接收放大电路包括：功率场效应管(V₈)、三极管(V₃、V₄)组成的放大电路，作为跟随器的三极管(V₅、V₆)，施密特触发器(D₁、D₂)组成的噪声成形电路(6)、施密特触发器(D₃、D₄)组成的回收信号成形电路(6)，噪声成形电路经三极管(V₉)之发射极与微处理器(7)脉冲调光信号PWM(10)经三极管(V₈)发射极共同连在三极管(V₇)之基极上组成的高压控制电路(11)。