專利名稱：激光測距方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
激光測距方法及其系統(tǒng)屬于激光測距技術(shù)領(lǐng)域。
傳統(tǒng)的測距方法，是利用電子電路技術(shù)，將要測的飛行時間ΔT的信號寬度拉長以便測量；或?qū)w行時間ΔT的信號轉(zhuǎn)換成其它易于測量的電氣數(shù)值(例如電壓等)試圖以該電氣數(shù)值的變化，反推飛行時間ΔT的大小。精度要求越高，其電子電路的復(fù)雜度與精密電子元件的需求量都要大大提高。一種提高測量精度的方法是采取多次測量取平均的方法，一般情況下，測量N次取平均值，其測量精度可以提高N1/2倍，但相應(yīng)的測量時間也增加了N倍。
一次測量的時間T0包括飛行時間ΔT及時間測量所需時間T1，通常ΔT都遠(yuǎn)小于T1，如100米測距，其ΔT約為670ns(10-9秒)，而T1通常在毫秒量級，兩者相差1000倍以上，因此，T0約等于T1，如果測量1000次取平均，總的測量所需時間T約為T1×1000。
本發(fā)明所述的激光測距方法的特征在于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構(gòu)成的光電信號振蕩環(huán)路中，在激光接收器的控制下，受控激光發(fā)射器的工作狀態(tài)由有光輸出→無光輸出→再有光輸出構(gòu)成一個光電信號振蕩周期，周期的不斷循環(huán)就構(gòu)成一個穩(wěn)定的光電信號環(huán)路，上述周期t0可表述如下t0＝ΔT+t1＝ΔT+t11+t12連續(xù)測量N個周期后取t0的均值；其中，t1振蕩電路延時時間；t11光接收器輸出信號與輸入信號之間的時間間隔，即光接收器本身的延遲時間；t12受控激光發(fā)射器輸入電信號與發(fā)射光信號之間所需的時間，即受控激光發(fā)射器本身的延遲時間；
測出光接收器相鄰的兩個輸出信號的時間間隔再乘以2，即可得到光電信號振蕩周期t0，從中即可計算出飛行時間ΔT。
本發(fā)明所述的激光測距系統(tǒng)的特征在于它含有由受控激光發(fā)射器，被測目標(biāo)和輸出電平代表有光或無光控制信號的光接收器依次串接而閉環(huán)構(gòu)成的光電信號振蕩電路，輸入端與光接收器輸出端相連且設(shè)置著測量時間或測量周期數(shù)而又與上述振蕩電路滯后NT0時間運行的飛行時間測量單元，輸入端與飛行的時間測量單元輸出端相連的微處理器。所述的受控激光發(fā)射器含有輸入端與光接收器輸出端相連的激光發(fā)射驅(qū)動器，與激光發(fā)射驅(qū)動器輸出端相連的受驅(qū)激光二極管，經(jīng)光纖接收受驅(qū)激光二極管輸出的激光信號后再向被測目標(biāo)發(fā)射的透鏡。所述的光接收器含有接收被測目標(biāo)的反射激光的透鏡，經(jīng)光纖接收上述反射激光的光傳感器，輸入信號為已由跨阻抗放大器放大的光傳感器輸出的電壓反饋信號而輸出信號分別為輸入到受控激光發(fā)射器、飛行時間測量單元的有光或無光控制信號的電壓快速比較器，所述的有光或無光控制信號是由預(yù)先設(shè)定在電壓快速比較器上的參考電壓和電壓快速比較器從光傳感器輸出端接收并放大了的電壓反饋信號之差決定的。
實驗證明它達(dá)到了預(yù)期目的。
圖2

圖1中光電信號振蕩環(huán)路內(nèi)的光電信號時序圖。
在圖2中，受控激光發(fā)射器1輸出的激光信號光經(jīng)被測目標(biāo)2反射后再被光接收器接收，其所需的飛行時間為ΔT；光接收器3的電路延時間t11即接收到信號后再到輸出電信號的時間；受控激光發(fā)射器1的電路延遲時間為t12即接收到光接收器輸出電信號到受控激光發(fā)射器發(fā)射激光信號的時間。然后，再由受控激光發(fā)射器1輸出光信號。
測量開始時，置受控激光發(fā)射器1為發(fā)射狀態(tài)向被測目標(biāo)2發(fā)射一束激光，經(jīng)被測目標(biāo)2反射后由光接受器3接收到，期間的大氣傳輸延時為ΔT；當(dāng)光接收器3接收到激光后，輸出高電平信號至受控激光發(fā)射器1，期間電路延時為t11；受控激光發(fā)射器1接收到高電平信號后，即有光控制信號后，被置于停止發(fā)射狀態(tài)，即終止向被測目標(biāo)2發(fā)射激光，期間從接收到高電平信號到停止發(fā)射激光經(jīng)電路延時t12。
受控激光發(fā)射器1終止發(fā)光的信號經(jīng)大氣傳輸延時ΔT后，被光接收器3接收到，即它收到無光信號；該無光信號經(jīng)電路延時t11后，光接收器輸出低電平信號即無光信號經(jīng)電路延時t12，傳送至受控激光發(fā)射器1使它恢復(fù)發(fā)射激光。
上述發(fā)光→停止→再發(fā)光的過程的時間，即光電信號振蕩周期t0，它的構(gòu)成及計算公式已如上述。
光接收器3輸出的電信號同時被傳送至由芯片MAX191等構(gòu)成的飛行時間測量單元4，該信號即以t0為周期的周期脈動信號，被測飛行時間ΔT也包含在其中，飛行時間測量單元4從t0中得出ΔT。它可以測量包含N個連續(xù)脈動周期信號的時間Nt0來得出t0平均值以提高測量精度。
在一般情況下，t1在100ns以內(nèi)。以100米測距為例，t1取最大值100ns，t0則為770ns，當(dāng)僅測量一個周期時，測量所需時間t為T0與T1之和，T1為時間測量所需的時間，通常在毫秒量級，遠(yuǎn)大于t0，故測量時間t約為T1；在本發(fā)明中，飛行時間測量單元滯后于上述振蕩電路Nt0時間運行，因而，當(dāng)測量一個周期時，測量所需時間t為t0×1000＝770μs與T1之和，約為2T1，但同時也獲得了1000次平均之精度，但測量所需時間t即大幅度減少，傳統(tǒng)技術(shù)是T1×1000，本發(fā)明是2T1，為前者的1/500，測量所需的時間t大幅度下降但測量精度反而提高了。
權(quán)利要求
1.激光測距方法，它是把距離轉(zhuǎn)化為飛行時間來實現(xiàn)的，即距離＝1/2×光速×飛行時間，其中，飛行時間是指從發(fā)出測距用激光信號→照射在目標(biāo)物上→反射并接收上述激光信號所需的時間ΔT，其特征在于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構(gòu)成的光電信號振蕩環(huán)路中，在激光接收器的控制下，受控激光發(fā)射器的工作狀態(tài)由有光輸出→無光輸出→再有光輸出構(gòu)成一個光電信號振蕩周期，周期的不斷循環(huán)就構(gòu)成一個穩(wěn)定的光電信號環(huán)路，上述周期t0可表述如下t0＝ΔT+t1＝ΔT+t11+t12連續(xù)測量N個周期后取t0的均值；其中，t1振蕩電路延時時間；t11光接收器輸出信號與輸入信號之間的時間間隔，即光接收器本身的延遲時間；t12受控激光發(fā)射器輸入電信號與發(fā)射光信號之間所需的時間，即受控激光發(fā)射器本身的延遲時間測出光接收器相鄰的兩個輸出信號的時間間隔再乘以2，即可得到光電信號振蕩周期t0，從中即可計算出飛行時間ΔT。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光測距方法而提出的系統(tǒng)，其特征在于，它含有由受控激光發(fā)射器，被測目標(biāo)和輸出電平代表有光或無光控制信號的光接收器依次串接而閉環(huán)構(gòu)成的光電信號振蕩電路，輸入端與光接收器輸出端相連且設(shè)置著測量時間或測量周期數(shù)而又與上述振蕩電路滯后NT0時間運行的飛行時間測量單元，輸入端與飛行時間測量單元輸出端相連的微處理器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光測距系統(tǒng)，其特征在于，所述的受控激光發(fā)射器含有輸入端與光接收器輸出端相連的激光發(fā)射驅(qū)動器，與激光發(fā)射驅(qū)動器輸出端相連的受驅(qū)激光二極管，經(jīng)光纖接收受驅(qū)激光二極管輸出的激光信號后再向被測目標(biāo)發(fā)射的透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光測距系統(tǒng)，其特征在于，所述的光接收器含有接收被測目標(biāo)的反射激光的透鏡，經(jīng)光纖接收上述反射激光的光傳感器，輸入信號為已由跨阻抗放大器放大的光傳感器輸出的電壓反饋信號而輸出信號分別為輸入到受控激光發(fā)射器、飛行時間測量單元的有光或無光控制信號的電壓快速比較器，所述的有光或無光控制信號是由預(yù)先設(shè)定在電壓快速比較器上的參考電壓和電壓快速比較器從光傳感器輸出端接收并放大了的電壓反饋信號之差決定的。
全文摘要
激光測距方法及其系統(tǒng)屬于激光測距技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于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→無光輸出→再有光輸出構(gòu)成一個光電信號振蕩周期t
文檔編號G01S17/00GK1403834SQ02130849
公開日2003年3月19日 申請日期2002年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月11日
發(fā)明者陳千頌, 楊成偉, 霍玉晶 申請人:清華大學(xué)