雷射測距方法及其系統的製作方法

2024-03-21 06:10:05 3

專利名稱：雷射測距方法及其系統的製作方法
技術領域：
雷射測距方法及其系統屬於雷射測距技術領域。
傳統的測距方法，是利用電子電路技術，將要測的飛行時間ΔT的信號寬度拉長以便測量；或將飛行時間ΔT的信號轉換成其它易於測量的電氣數值(例如電壓等)試圖以該電氣數值的變化，反推飛行時間ΔT的大小。精度要求越高，其電子電路的複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採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都遠小於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約等於T1，如果測量1000次取平均，總的測量所需時間T約為T1×1000。
本發明所述的雷射測距方法的特徵在於在一個由受控雷射發射器、被測目標和光接收器三者依次串接而構成的光電信號振蕩環路中，在雷射接收器的控制下，受控雷射發射器的工作狀態由有光輸出→無光輸出→再有光輸出構成一個光電信號振蕩周期，周期的不斷循環就構成一個穩定的光電信號環路，上述周期t0可表述如下t0＝ΔT+t1＝ΔT+t11+t12連續測量N個周期後取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受控雷射發射器輸入電信號與發射光信號之間所需的時間，即受控雷射發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。
本發明所述的雷射測距系統的特徵在於它含有由受控雷射發射器，被測目標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構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置著測量時間或測量周期數而又與上述振蕩電路滯後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。所述的受控雷射發射器含有輸入端與光接收器輸出端相連的雷射發射驅動器，與雷射發射驅動器輸出端相連的受驅雷射二極體，經光纖接收受驅雷射二極體輸出的雷射信號後再向被測目標發射的透鏡。所述的光接收器含有接收被測目標的反射雷射的透鏡，經光纖接收上述反射雷射的光傳感器，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雷射發射器、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先設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並放大了的電壓反饋信號之差決定的。
實驗證明它達到了預期目的。
圖2

圖1中光電信號振蕩環路內的光電信號時序圖。
在圖2中，受控雷射發射器1輸出的雷射信號光經被測目標2反射後再被光接收器接收，其所需的飛行時間為ΔT；光接收器3的電路延時間t11即接收到信號後再到輸出電信號的時間；受控雷射發射器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雷射發射器發射雷射信號的時間。然後，再由受控雷射發射器1輸出光信號。
測量開始時，置受控雷射發射器1為發射狀態向被測目標2發射一束雷射，經被測目標2反射後由光接受器3接收到，期間的大氣傳輸延時為ΔT；當光接收器3接收到雷射後，輸出高電平信號至受控雷射發射器1，期間電路延時為t11；受控雷射發射器1接收到高電平信號後，即有光控制信號後，被置於停止發射狀態，即終止向被測目標2發射雷射，期間從接收到高電平信號到停止發射雷射經電路延時t12。
受控雷射發射器1終止發光的信號經大氣傳輸延時ΔT後，被光接收器3接收到，即它收到無光信號；該無光信號經電路延時t11後，光接收器輸出低電平信號即無光信號經電路延時t12，傳送至受控雷射發射器1使它恢復發射雷射。
上述發光→停止→再發光的過程的時間，即光電信號振蕩周期t0，它的構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晶片MAX191等構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。以100米測距為例，t1取最大值100ns，t0則為770ns，當僅測量一個周期時，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，遠大於t0，故測量時間t約為T1；在本發明中，飛行時間測量單元滯後於上述振蕩電路Nt0時間運行，因而，當測量一個周期時，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，傳統技術是T1×1000，本發明是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。
權利要求
1.雷射測距方法，它是把距離轉化為飛行時間來實現的，即距離＝1/2×光速×飛行時間，其中，飛行時間是指從發出測距用雷射信號→照射在目標物上→反射並接收上述雷射信號所需的時間ΔT，其特徵在於在一個由受控雷射發射器、被測目標和光接收器三者依次串接而構成的光電信號振蕩環路中，在雷射接收器的控制下，受控雷射發射器的工作狀態由有光輸出→無光輸出→再有光輸出構成一個光電信號振蕩周期，周期的不斷循環就構成一個穩定的光電信號環路，上述周期t0可表述如下t0＝ΔT+t1＝ΔT+t11+t12連續測量N個周期後取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受控雷射發射器輸入電信號與發射光信號之間所需的時間，即受控雷射發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.根據權利要求1所述的雷射測距方法而提出的系統，其特徵在於，它含有由受控雷射發射器，被測目標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構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置著測量時間或測量周期數而又與上述振蕩電路滯後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.根據權利要求2所述的雷射測距系統，其特徵在於，所述的受控雷射發射器含有輸入端與光接收器輸出端相連的雷射發射驅動器，與雷射發射驅動器輸出端相連的受驅雷射二極體，經光纖接收受驅雷射二極體輸出的雷射信號後再向被測目標發射的透鏡。
4.根據權利要求2所述的雷射測距系統，其特徵在於，所述的光接收器含有接收被測目標的反射雷射的透鏡，經光纖接收上述反射雷射的光傳感器，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雷射發射器、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先設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並放大了的電壓反饋信號之差決定的。
全文摘要
雷射測距方法及其系統屬於雷射測距技術領域，其特徵在於它在一個由受控雷射發射器、被測目標和光接收器三者依次串接而成的光電信號振蕩環路中，在光接收器的控制下，受控雷射發射器從有光輸出→無光輸出→再有光輸出構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 優先權日2002年10月11日
發明者陳千頌, 楊成偉, 霍玉晶 申請人:清華大學