專利名稱：手持式脈沖激光測距儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光精確測量距離的技術(shù)，具體是一種手持式脈沖激光測距儀。
背景技術(shù)：
脈沖激光測儀測距過程是通過發(fā)射一束激光脈沖，激光經(jīng)過被測目標(biāo)反射后再回到測距儀，通過測量激光從發(fā)射到再次回到測距儀的時(shí)間來計(jì)算測距儀到目標(biāo)的距離，計(jì)算公式是D = CX t/2，其中D是測量距離；C是光速；t是激光飛行時(shí)間；可見，激光飛行時(shí)間測量的精度決定了測距儀的分辨率；傳統(tǒng)的激光測距儀主要采用高速計(jì)數(shù)法和恒流源充電法。高速計(jì)數(shù)法就是采用高速計(jì)數(shù)器來直接測量激光飛行時(shí)間，激光發(fā)射時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)激光被反射回測距儀時(shí)停止計(jì)數(shù)，由計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以計(jì)算出激光的飛行時(shí)間t = N/f N是計(jì)數(shù)值；f是計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率。要想獲得0. 5米的分辨率，則計(jì)數(shù)頻率必須達(dá)到300MHz，而且頻率必須非常穩(wěn)定，如此高的頻率對于手持式激光測距儀，無論從成本還是從電路設(shè)計(jì)來說都是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。恒流源充電法是在激光發(fā)射時(shí)通過一個(gè)恒流源對一只電容充電，當(dāng)激光被反射回測距儀時(shí)停止充電，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測量電容上的電壓值就可以間接計(jì)算出激光飛行時(shí)間，通過調(diào)整恒流源對電容充電的速率或提高ADC的分辨率就可以提高時(shí)間測量的分辨率，當(dāng)ADC的分辨率一定的情況下，測距分辨為d = R/ (2N-1) R是最大測程；N是ADC的位數(shù)，如果采用10位ADC，不考慮測距系統(tǒng)本身的延遲，當(dāng)測距儀的測程為500米時(shí)，理論上可達(dá)到的測距分辨率為500/1023 = 0. 489米，如果想保證該分辨率而想增加最大測程，就必須提高ADC的轉(zhuǎn)換分辨率，也就是采用更高位數(shù)的ADC，隨著ADC分辨率的提高，對于電源噪聲要求也就越來越高，而且高分辨率AD器件的價(jià)格也比較高。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明旨在解決傳統(tǒng)測距方式中必須采用高速計(jì)數(shù)器電路或采用高精度ADC電路帶來的高電路難度和高成本問題。為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)目的，本發(fā)明的方案是一種手持式脈沖激光測距儀，包括脈沖激光發(fā)射裝置、直接測量激光飛行時(shí)間的時(shí)鐘頻率第一計(jì)數(shù)器和第二計(jì)數(shù)器、通過恒流源對電容電壓充電來間接測量激光飛行時(shí)間的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、用于數(shù)據(jù)計(jì)算的微處理器單元 MCU;其中，脈沖激光發(fā)射裝置發(fā)射激光的同時(shí)啟動(dòng)第一計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，激光的返回信號在停止第一計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的同時(shí)啟動(dòng)恒流源對電容充電，并啟動(dòng)第二計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，第二計(jì)數(shù)器是一個(gè)帶進(jìn)位的IBit計(jì)數(shù)器；當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器出現(xiàn)進(jìn)位時(shí)，發(fā)出進(jìn)位信號停止恒流源對電容的充電，并啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；微處理器單元MCU讀取第一計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果來計(jì)算激光的飛行時(shí)間，進(jìn)而得出測試的距離。所述計(jì)數(shù)器采用數(shù)兆赫茲計(jì)數(shù)頻率的低頻計(jì)數(shù)器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC為普通精度的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)，本方案的測距儀的抗溫度漂移性能則優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)型，而且通過采用低速計(jì)數(shù)器和通用ADC結(jié)合，既能保證測距儀的測程和精度同時(shí)還能兼顧電路制作成本較低的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明所用方法的示意圖。圖2為本發(fā)明的測距儀的原理框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。針對傳統(tǒng)手持式脈沖激光測距儀存在的上述問題，本專利提出了一粗尺、精尺相結(jié)合的方法解決了高分辨率、低成本與遠(yuǎn)測程之間的矛盾；如圖1所示，當(dāng)接收到激光回波信號時(shí)第一計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為N，相應(yīng)的激光飛行時(shí)間為to，而實(shí)際的激光飛行時(shí)間是tl， 通過AD可以測出tl到t2的時(shí)間，實(shí)際激光飛行時(shí)間為tl = t2(t2 tl) = (N+2)/f-(t2 tl)第一計(jì)數(shù)器即為粗尺，測距分辨率要求不高；8位ADC即為精尺，只需要測量最長為兩個(gè)計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間，通過調(diào)整恒流源的充電速率，最大可實(shí)現(xiàn)的分辨率為2/ (255Xf)。如采用4MHz的計(jì)數(shù)器頻率，可以得到1. 96ns的時(shí)間分辨率，測距分辨率為0. 29 米，最大測程為DMAX = (2N-1) XC/fN是第一計(jì)數(shù)器的位數(shù)；f是計(jì)數(shù)頻率；C是光速；對于8位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)頻率為 4MHz，最大測程為9562米，如果想增加測程，只需要提高第一計(jì)數(shù)器的位數(shù)即可。試驗(yàn)對象是一臺測程為1200米的脈沖激光測距儀，原型機(jī)采用的是恒流源充電法，采用12位ADC測量充電電容的電壓，12位ADC在基準(zhǔn)電壓為5V時(shí)的分辨率為1. 2mV， 也就是說充電電容上的電壓有1. 2mV的波動(dòng)都會造成AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的波動(dòng)；為解決上述問題，原型機(jī)采用了精密恒流源、溫度補(bǔ)償電路、低噪聲DC-DC電源芯片，充電電容也必須選用低漏電流的精密電容，成本進(jìn)一步增加，而12位AD器件目前的市場價(jià)格約在Y16. 00以上。在1000米距離上原型機(jī)實(shí)測分辨率優(yōu)于0.6米。利用本專利所述方案對該機(jī)進(jìn)行改造，采用4MHz計(jì)數(shù)頻率，AD為8位，8位AD在基準(zhǔn)電壓為5V時(shí)的分辨率是19. 6mV,抗波動(dòng)能力大幅提高，可使用普通瓷片電容作為充電電容，恒流源采用通用恒流二極管，在不增加硬件成本的前提下，軟件上增加了自校準(zhǔn)功能，經(jīng)實(shí)驗(yàn)在1000米距離上測距分辨率與原型機(jī)相當(dāng)，但抗溫度漂移性能則優(yōu)于原型機(jī)，8位AD器件的市場價(jià)格約Y6. 00，成本降低較為明顯，在當(dāng)前企業(yè)利潤微薄的情況下，該專利方案有較高的推廣價(jià)值。該專利的原理框圖如圖2所示。測距發(fā)射激光脈沖的同時(shí)啟動(dòng)第一計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)；激光的返回信號則停止第一計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，同時(shí)啟動(dòng)恒流源對電容C充電，并啟動(dòng)第二計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，第二計(jì)數(shù)器是一個(gè)帶進(jìn)位的IBit計(jì)數(shù)器；當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器出現(xiàn)進(jìn)位時(shí)，進(jìn)位信號停止充電并啟動(dòng)ADC進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，MCU讀取第一計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值和ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果來計(jì)算激光的飛行時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種手持式脈沖激光測距儀，包括脈沖激光發(fā)射裝置，其特征在于，還包括直接測量激光飛行時(shí)間的時(shí)鐘頻率第一計(jì)數(shù)器和第二計(jì)數(shù)器、通過恒流源對電容電壓充電來間接測量激光飛行時(shí)間的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、用于數(shù)據(jù)計(jì)算的微處理器單元MCU ；其中，脈沖激光發(fā)射裝置發(fā)射激光的同時(shí)啟動(dòng)第一計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，激光的返回信號在停止第一計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的同時(shí)啟動(dòng)恒流源對電容充電，并啟動(dòng)第二計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，第二計(jì)數(shù)器是一個(gè)帶進(jìn)位的IBit計(jì)數(shù)器；當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器出現(xiàn)進(jìn)位時(shí)，發(fā)出進(jìn)位信號停止恒流源對電容的充電，并啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；微處理器單元MCU讀取第一計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果來計(jì)算激光的飛行時(shí)間，進(jìn)而得出測試的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測距儀，其特征在于，所述計(jì)數(shù)器采用數(shù)兆赫茲計(jì)數(shù)頻率的低頻計(jì)數(shù)器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC為普通精度的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種手持式脈沖激光測距儀，包括脈沖激光發(fā)射裝置、時(shí)鐘頻率第一計(jì)數(shù)器和第二計(jì)數(shù)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，微處理器單元；其中，脈沖激光發(fā)射裝置發(fā)射激光的同時(shí)啟動(dòng)第一計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，激光的返回信號在停止第一計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的同時(shí)啟動(dòng)恒流源對電容充電，并啟動(dòng)第二計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，第二計(jì)數(shù)器是一個(gè)帶進(jìn)位的1Bit計(jì)數(shù)器；當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器出現(xiàn)進(jìn)位時(shí)，發(fā)出進(jìn)位信號停止恒流源對電容的充電，并啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；微處理器單元讀取第一計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果來計(jì)算激光的飛行時(shí)間，進(jìn)而得出測試距離。本方案的抗溫度漂移性能則優(yōu)于現(xiàn)有機(jī)型，且通過采用低速計(jì)數(shù)器和通用ADC結(jié)合，既能保證測程和精度，還能兼顧電路制作的低成本。
文檔編號G01S17/08GK102466801SQ201010567678
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者付陸欣, 李春富 申請人:付陸欣, 李春富