專利名稱：激光多脈沖擴(kuò)時測距裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光測距裝置，尤其是涉及一種激光多脈沖擴(kuò)時測距裝置。
背景技術(shù)：
激光具有高速、高方向性、高單色性和相干性等優(yōu)點(diǎn)，使其適合于非接觸式的測距 應(yīng)用。根據(jù)所發(fā)射激光狀態(tài)的不同，可分為脈沖激光測距和連續(xù)波激光測距，后者根據(jù)起止 時刻標(biāo)識的不同又分為相位激光測距和調(diào)頻激光測距。相位激光測距是通過測量高頻調(diào)制相位差來實(shí)現(xiàn)測距。光源發(fā)出連續(xù)光，經(jīng)過調(diào) 制器按正弦波調(diào)制后成為調(diào)制光射向目標(biāo)，調(diào)制光的光強(qiáng)隨時間作周期變化，測定光波往 返過程中的正弦波整周期數(shù)及不足一個周期的正弦函數(shù)的相位，就可確定光波往返時間間 隔，從而計(jì)算所測距離。相位激光測距需要復(fù)雜的鑒相裝置，并且由于工作期間持續(xù)發(fā)射激 光信號，系統(tǒng)功耗較大。而脈沖式激光測距是隔一定時間間隔發(fā)射脈沖信號，其功耗相對于 連續(xù)波調(diào)制式可以減小很多。脈沖激光測距利用了光脈沖飛行時間測量原理，由脈沖激光器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)出一持 續(xù)時間很短的脈沖激光，經(jīng)待測目標(biāo)反射后被光電傳感器接收，測量發(fā)射脈沖和接收脈沖 之間的時間間隔，就可以算出待測目標(biāo)的距離L = ct/2，其中t為時間間隔，c為光速。因 此時間間隔測量的精度將直接影響激光脈沖測距精度，是問題研究的關(guān)鍵。但由于光傳播 速度接近3. OX 108m/s，近距離測量時收發(fā)脈沖時間間隔很短，直接采用時鐘計(jì)數(shù)法測量時 間間隔會產(chǎn)生較大誤差，并且一味提高時鐘頻率會對器件工作速度、系統(tǒng)功耗等因素提出 較高要求，因此有必要在不增加工作頻率的情況下，采用特別的處理方法以提高測時精度。目前，大多數(shù)激光脈沖測距系統(tǒng)是基于單脈沖工作方式，即向待測目標(biāo)發(fā)射單個 激光脈沖并接收反射信號，再利用各種改進(jìn)技術(shù)提高時間間隔測量精度。考慮到多周期測 量技術(shù)是一種有效的頻率測量方法，若將其應(yīng)用于激光脈沖測距，能在達(dá)到相同測量分辨 率的條件下，比單脈沖測距方式降低系統(tǒng)工作頻率，并且通過多次測量求取平均值能提高 測量精度。中國專利CN 1152233C公開一種自動調(diào)節(jié)視頻設(shè)備如顯示器的圖像尺寸的裝置 和方法。由于采用的視頻設(shè)備的電特征數(shù)據(jù)被預(yù)先設(shè)置在視頻設(shè)備中，與輸入何種外部數(shù) 據(jù)無關(guān)，用戶的一次性輸入或者是自動圖像調(diào)節(jié)模式的選擇均會使外部輸入數(shù)據(jù)與預(yù)置的 特征數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，這樣存儲于視頻設(shè)備中的視頻設(shè)備的水平和垂直圖像的尺寸即被自動 調(diào)節(jié)，如此，在顯示器的制造過程中，調(diào)節(jié)步驟被簡化，提高了生產(chǎn)率，并降低了成本。中國專利CN1403834A公開一種激光測距方法及其系統(tǒng)，它在一個由受控激光發(fā) 射器、被測目標(biāo)和光接收器三者依次串接而成的光電信號振蕩環(huán)路中，在光接收器的控制 下，受控激光發(fā)射器從有光輸出一無光輸出一再有光輸出構(gòu)成一個光電信號振蕩周期V 周期連續(xù)循環(huán)就形成一個穩(wěn)定的光電信號環(huán)路但、=ΔΤ+、，ΔΤ是飛行時間，、是振蕩 電路延時時間，求出ΔΤ就得出距離。該振蕩電路為連續(xù)測定N個周期創(chuàng)造了條件。它用 飛行時間測量單元和微處理器去測定N個周期后、的均值，從中求出ΔΤ，就提高了測量精度；但又由于其連續(xù)測定N個周期所用的時間僅僅是一次時間測量時間T1,從而大幅度地 降低時間測量次數(shù)，因而縮短了總的測量時間。但是上述專利的思路仍是基于單脈沖的工作方式，即在脈沖回波返回后再次發(fā)射 激光脈沖，從而形成一個多脈沖的閉環(huán)振蕩，測量激光往返多個周期累計(jì)時間再求平均值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用激光脈沖飛行時間間隔擴(kuò)展測量，能有效提高對 目標(biāo)的測距精度的激光多脈沖擴(kuò)時測距裝置。本發(fā)明設(shè)有相關(guān)時鐘控制電路、第1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、第2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、脈沖驅(qū)動 電路、脈沖半導(dǎo)體激光器、雪崩光電二極管、前置濾波放大電路、第1抽樣保持電路、第2抽 樣保持電路、第1恒比定時檢測電路、第2恒比定時檢測電路、門控邏輯、微處理器、液晶顯 示器、準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡；相關(guān)時鐘控制電路的第1時鐘信號和第2時鐘信號輸出端分別接第1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā) 器和第2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端，第1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖信號輸出端接脈沖驅(qū)動電路輸 入端，第2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的窄脈沖信號輸出端分別接第2抽樣保持電路輸入端和第1抽樣 保持電路輸入端；脈沖驅(qū)動電路輸出端接脈沖半導(dǎo)體激光器輸入端，脈沖半導(dǎo)體激光器的發(fā)射脈沖 序列輸出經(jīng)準(zhǔn)直透鏡朝目標(biāo)發(fā)射，目標(biāo)表面漫反射后的激光脈沖由聚焦透鏡聚焦；雪崩光 電二極管的電信號輸出端接前置濾波放大電路的輸入端，前置濾波放大電路的接收脈沖序 列與發(fā)射脈沖序列輸出端分別接第1抽樣保持電路的輸入端，第1抽樣保持電路的輸出端 接第1恒比定時檢測電路輸入端，第1恒比定時檢測電路輸出端接門控邏輯輸入端，門控邏 輯與微處理器連接，微處理器的輸出接口接液晶顯示器輸入端；第2抽樣保持電路的輸出端接第2恒比定時檢測電路輸入端，第2恒比定時檢測 電路輸出端接門控邏輯輸入端，相關(guān)時鐘控制電路的第2時鐘信號輸出端接門控邏輯輸入 端，門控邏輯的輸出端分別接第1抽樣保持電路和第2抽樣保持電路輸入端。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到的窄脈沖信號用于控制抽樣保持電路抽樣開關(guān)工作。擴(kuò)展后的 發(fā)射與接收脈沖序列分別通過恒比定時檢測電路檢測相應(yīng)的定時時刻，利用門控邏輯電路 判別兩擴(kuò)展信號檢測時刻的時間間隔。最后通過微處理器進(jìn)行信號處理，由液晶顯示器顯 示換算得到待測距離值。本發(fā)明采用的脈沖半導(dǎo)體激光器選擇輸出波長為905nm的砷化錮稼(InGaAs)半 導(dǎo)體激光器。光電探測器選用雪崩光電二極管，前置濾波放大電路采用低噪聲放大器設(shè)計(jì)。本發(fā)明要求實(shí)現(xiàn)兩個頻率穩(wěn)定，并且存在微小周期差的時鐘信號，相關(guān)時鐘控制 電路采用鎖相及頻率合成技術(shù)設(shè)計(jì)，其中晶振頻率和分頻器參數(shù)可依據(jù)不同的測量指標(biāo)進(jìn) 行設(shè)定，以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。本發(fā)明由時鐘控制電路產(chǎn)生的第1時鐘信號調(diào)制半導(dǎo)體激光器，使其對準(zhǔn)目標(biāo)按 固定周期持續(xù)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到發(fā)射端， 經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。再由時鐘控制電路產(chǎn)生周期比第1時鐘略大 的第2時鐘，依次對發(fā)射脈沖序列與接收脈沖序列抽樣保持，從而將兩序列在時間域上進(jìn) 行擴(kuò)展，擴(kuò)時后的信號分別通過恒比定時鑒別電路檢測相應(yīng)的定時時刻，利用邏輯電路判別兩擴(kuò)展信號檢測時刻的時間間隔。最后通過微處理器進(jìn)行信號處理，由液晶顯示器顯示 換算得到待測距離值。本發(fā)明基于激光多脈沖的測距方式和恒比定時的時刻鑒別原理，提出一種采用激 光多脈沖方式的測距裝置，用以解決短程激光脈沖測距中時間間隔難以精確測量的問題。 本發(fā)明在持續(xù)脈沖發(fā)射工作方式下，利用兩個周期相差很小的時鐘信號內(nèi)插擴(kuò)展激光脈沖 飛行時間以提高測時精度。其中第1時鐘產(chǎn)生的脈沖信號用于調(diào)制激光器使其持續(xù)發(fā)射激 光脈沖，目標(biāo)反射的激光回波經(jīng)光電傳感器接收后，形成與發(fā)射信號同周期的脈沖接收序 列。而后利用周期比第1時鐘略大的第2時鐘，依次對發(fā)射與接收脈沖序列抽樣保持，從而 將兩序列在時間域上進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)時后的信號分別通過恒比定時鑒別電路檢測相應(yīng)的定時 時刻，相比于脈沖前沿時刻鑒別法，恒比定時法能有效消除由脈沖幅度變化帶來的誤差，從 而提高激光多脈沖擴(kuò)時測距的抗干擾性與穩(wěn)定性。最后測量兩擴(kuò)展信號相應(yīng)檢測時刻的時 間間隔，再除以擴(kuò)展倍數(shù)，即可得到距離換算所需要的激光脈沖飛行時間。將本發(fā)明應(yīng)用于 短程激光脈沖測距系統(tǒng)，能有效提高對目標(biāo)的測距精度。本發(fā)明解決激光單脈沖測距方式下，脈沖飛行時間間隔難以精確測定的不足，實(shí) 現(xiàn)了高精度、非接觸式的近距離激光測距，本發(fā)明尤其適合于短程精密工程測量。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的整體框圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的相關(guān)時鐘控制電路原理圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的抽樣保持電路原理框圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例的恒比定時檢測電路電路圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例的門控邏輯原理圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例的信號處理時序圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有相關(guān)時鐘控制電路1、第1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器21、第2單 穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器22、脈沖驅(qū)動電路3、脈沖半導(dǎo)體激光器4、雪崩光電二極管5、前置濾波放大電 路6、第1抽樣保持電路71、第2抽樣保持電路72、第1恒比定時檢測電路81、第2恒比定 時檢測電路82、門控邏輯9、微處理器10、液晶顯示器11、準(zhǔn)直透鏡12和聚焦透鏡13 ；相關(guān)時鐘控制電路1的第1時鐘信號和第2時鐘信號輸出端分別接第1單穩(wěn)態(tài)觸 發(fā)器21和第2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器22的輸入端，第1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器21的脈沖信號輸出端接脈沖 驅(qū)動電路3輸入端，第2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器22的窄脈沖信號輸出端分別接第2抽樣保持電路72 輸入端和第1抽樣保持電路71輸入端；脈沖驅(qū)動電路3輸出端接脈沖半導(dǎo)體激光器4輸入端，脈沖半導(dǎo)體激光器4的發(fā) 射脈沖序列輸出經(jīng)準(zhǔn)直透鏡12朝目標(biāo)發(fā)射，目標(biāo)表面漫反射后的激光脈沖由聚焦透鏡13 聚焦；雪崩光電二極管5的電信號輸出端接前置濾波放大電路6的輸入端，前置濾波放大電 路6的接收脈沖序列與發(fā)射脈沖序列輸出端分別接第1抽樣保持電路71的輸入端，第1抽 樣保持電路71的輸出端接第1恒比定時檢測電路81輸入端，第1恒比定時檢測電路81輸 出端接門控邏輯9輸入端，門控邏輯9與微處理器10連接，微處理器10的輸出接口接液晶顯示器11輸入端；第2抽樣保持電路72的輸出端接第2恒比定時檢測電路82輸入端，第2恒比定 時檢測電路82輸出端接門控邏輯9輸入端，相關(guān)時鐘控制電路1的第2時鐘信號輸出端接 門控邏輯9輸入端，門控邏輯9的輸出端分別接第1抽樣保持電路71和第2抽樣保持電路 72輸入端。相關(guān)時鐘控制電路1產(chǎn)生兩路周期穩(wěn)定并且保持微小周期差的第1時鐘信號與第 2時鐘信號，其中第1時鐘信號經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2形成的脈沖信號作為激光器驅(qū)動電路的輸 入，驅(qū)動脈沖半導(dǎo)體激光器4產(chǎn)生滿足一定發(fā)射功率與幅度的發(fā)射脈沖序列，經(jīng)過準(zhǔn)直透 鏡朝目標(biāo)發(fā)射。激光脈沖在物體表面漫反射后由聚焦透鏡聚焦，利用雪崩光電二極管5檢 測微弱光信號并轉(zhuǎn)化為電信號，而后通過前置濾波放大電路6進(jìn)行放大得到滿足后續(xù)電路 處理所需的幅度。得到的接收脈沖序列與發(fā)射脈沖序列分別輸入至抽樣保持電路7，由時鐘 控制電路1產(chǎn)生的第2時鐘信號經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2得到的窄脈沖信號用于控制抽樣保持電 路7抽樣開關(guān)工作。擴(kuò)展后的發(fā)射與接收脈沖序列分別通過恒比定時檢測電路8檢測相應(yīng) 的定時時刻，利用門控邏輯電路9判別兩擴(kuò)展信號檢測時刻的時間間隔。最后通過微處理 器10進(jìn)行信號處理，由液晶顯示器11顯示換算得到待測距離值。本發(fā)明采用的脈沖半導(dǎo)體激光器選擇輸出波長為905nm的砷化錮稼(InGaAs)半 導(dǎo)體激光器。光電探測器選用雪崩光電二極管，前置濾波放大電路采用低噪聲放大器設(shè)計(jì)。本發(fā)明要求實(shí)現(xiàn)兩個頻率穩(wěn)定，并且存在微小周期差的時鐘信號，相關(guān)時鐘控制 電路采用鎖相及頻率合成技術(shù)設(shè)計(jì)，參見圖2，其中晶振頻率和分頻器參數(shù)可依據(jù)不同的 測量指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。圖2給出了一實(shí)施例，選擇穩(wěn)定度為10_6量 級的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器TCXO作為第1時鐘發(fā)生器，且使得第1時鐘頻率為3MHz，第2時 鐘頻率為2. 99985MHz，即兩時鐘周期差為16. 67ps。溫補(bǔ)晶振101的標(biāo)稱頻率為60MHz，壓 控晶體振蕩器102的中心頻率調(diào)在59. 997MHz，兩個晶振信號送到數(shù)字混頻器產(chǎn)生的差頻 約為0. 003MHz,與60MHz晶振信號經(jīng)20000分頻器103產(chǎn)生的0. 003MHz信號通過鑒相器 104進(jìn)行鑒相，輸出鑒相電壓經(jīng)環(huán)路濾波105控制壓控晶振，以保證壓控晶振輸出時鐘為 59. 997MHz。之后利用60MHz溫補(bǔ)晶振經(jīng)20分頻器107產(chǎn)生需要的第一時鐘信號，利用中 心頻率59. 997MHz的壓控振蕩器經(jīng)20分頻器108產(chǎn)生需要的第二時鐘信號，兩者分別作為 后續(xù)抽樣保持電路的時鐘控制信號。抽樣保持電路參見圖3。Sl為發(fā)送脈沖序列或經(jīng)放大的接收脈沖序列，開關(guān)的控 制是時鐘控制電路1產(chǎn)生的第2時鐘信號經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2得到的脈沖信號S2。S3為測 距啟動信號，當(dāng)啟動測量，輸入信號通過開關(guān)門Ml的通斷對電容C3進(jìn)行充電/保持。輸出 電壓通過電壓跟隨器Al保持較長時間不變，再第過運(yùn)算放大器A2進(jìn)行放大并輸出，實(shí)現(xiàn)發(fā) 送(接收)脈沖序列的時域上的擴(kuò)展。恒比定時檢測電路圖參見圖4，經(jīng)過抽樣保持的發(fā)射脈沖序列(接收脈沖序列)分 為兩路，第一路信號經(jīng)過電阻Rll和R12構(gòu)成的衰減網(wǎng)絡(luò)對信號進(jìn)行衰減；第二路信號經(jīng)電 阻R14，R15，R16及電容C6構(gòu)成的低通濾波器進(jìn)行延遲。衰減信號與延遲信號經(jīng)過比較器 A5，得到發(fā)射信號(回波)的時間的時間信息。由直流電源、電阻R8，R9及可變電阻器RlO 提供的可調(diào)偏置電壓，可以減小由于比較器正端輸入電壓需大于負(fù)端輸入電壓一定值才會 翻轉(zhuǎn)所引入的幅值相關(guān)的誤差。
門控邏輯原理如圖5所示，S5與S6分別為發(fā)射與接收擴(kuò)展信號的恒比定時時刻 檢測輸出脈沖，反向后通過RS觸發(fā)器整合，得到擴(kuò)展的收發(fā)時間間隔門控信號S8,與時鐘 控制電路1產(chǎn)生的第2時鐘信號S7相與，得到待時鐘計(jì)數(shù)的信號序列S9。信號處理時序圖參見圖6，第1時鐘信號通過脈沖形成電路產(chǎn)生發(fā)射脈沖序列，用 于調(diào)制半導(dǎo)體激光器，向待測目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后的激光回波經(jīng)雪崩光電二 極管極收并通過前置濾波及低噪放大，得到接收脈沖序列。第2時鐘信號通過脈沖形成電 路產(chǎn)生抽樣脈沖序列，當(dāng)啟動測距后，抽樣脈沖序列分別對發(fā)射脈沖序列與接收脈沖序列 進(jìn)行抽樣保持，實(shí)現(xiàn)其時域上的擴(kuò)展。通過恒定定時檢測電路，得到體現(xiàn)發(fā)射接收時刻的脈 沖信號，經(jīng)過整后輸出擴(kuò)展的收發(fā)時間間隔門控信號，并利用第2時鐘對其進(jìn)行時鐘計(jì)數(shù)。
權(quán)利要求
1.激光多脈沖擴(kuò)時測距裝置，其特征在于設(shè)有相關(guān)時鐘控制電路、第1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、 第2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、脈沖驅(qū)動電路、脈沖半導(dǎo)體激光器、雪崩光電二極管、前置濾波放大電 路、第1抽樣保持電路、第2抽樣保持電路、第1恒比定時檢測電路、第2恒比定時檢測電路、 門控邏輯、微處理器、液晶顯示器、準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡；相關(guān)時鐘控制電路的第1時鐘信號和第2時鐘信號輸出端分別接第1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和 第2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端，第1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖信號輸出端接脈沖驅(qū)動電路輸入端， 第2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的窄脈沖信號輸出端分別接第2抽樣保持電路輸入端和第1抽樣保持電 路輸入端；脈沖驅(qū)動電路輸出端接脈沖半導(dǎo)體激光器輸入端，脈沖半導(dǎo)體激光器的發(fā)射脈沖序列 輸出經(jīng)準(zhǔn)直透鏡朝目標(biāo)發(fā)射，目標(biāo)表面漫反射后的激光脈沖由聚焦透鏡聚焦；雪崩光電二 極管的電信號輸出端接前置濾波放大電路的輸入端，前置濾波放大電路的接收脈沖序列與 發(fā)射脈沖序列輸出端分別接第1抽樣保持電路的輸入端，第1抽樣保持電路的輸出端接第 1恒比定時檢測電路輸入端，第1恒比定時檢測電路輸出端接門控邏輯輸入端，門控邏輯與 微處理器連接，微處理器的輸出接口接液晶顯示器輸入端；第2抽樣保持電路的輸出端接第2恒比定時檢測電路輸入端，第2恒比定時檢測電路 輸出端接門控邏輯輸入端，相關(guān)時鐘控制電路的第2時鐘信號輸出端接門控邏輯輸入端， 門控邏輯的輸出端分別接第1抽樣保持電路和第2抽樣保持電路輸入端。
全文摘要
激光多脈沖擴(kuò)時測距裝置，涉及一種激光測距裝置。提供一種采用激光脈沖飛行時間間隔擴(kuò)展測量，能有效提高對目標(biāo)的測距精度的激光多脈沖擴(kuò)時測距裝置。設(shè)有相關(guān)時鐘控制電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、脈沖驅(qū)動電路、脈沖半導(dǎo)體激光器、雪崩光電二極管、前置濾波放大電路、抽樣保持電路、恒比定時檢測電路、門控邏輯、微處理器、液晶顯示器、準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡?；诩す舛嗝}沖的測距方式和恒比定時的時刻鑒別原理，用以解決短程激光脈沖測距中時間間隔難以精確測量的問題。解決激光單脈沖測距方式下，脈沖飛行時間間隔難以精確測定的不足，實(shí)現(xiàn)高精度、非接觸式的近距離激光測距，應(yīng)用于短程激光脈沖測距系統(tǒng)，能有效提高對目標(biāo)的測距精度。
文檔編號G01S17/32GK102073051SQ20101055116
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者房永強(qiáng), 郭東輝 申請人:廈門大學(xué)