一種基於脈衝式的雷射測距儀及其測距方法
2023-06-03 11:01:36
一種基於脈衝式的雷射測距儀及其測距方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於脈衝式的雷射測距儀及其測距方法，包括以下步驟：(1)打開電源，對系統進行初始化；設定測距模式為近距測量模式；(2)將設備對準測量目標，按住測量按鈕，使測量用的光波信號對著目標發射出去，設備會自動接收反射回來的回波信號；(3)通過時間測量單元計算光波信號發射和接收之間的時間間隔；(4)判斷步驟(3)得到的測量值是否滿足測距結果輸出要求；若滿足，則經換算輸出距離結果；若不滿足，則進入步驟(5)；(5)自動切換並啟動遠距離測量模式，依次再運行上述(2)、(3)步驟；(6)判斷(5)得到的測量值是否滿足測距結果輸出要求；若滿足，則經換算輸出距離結果；若不滿足，則結束此次測量過程。本發明在保證測量精度的前提下，測程可以提高2倍以上，且測距精準。
【專利說明】一種基於脈衝式的雷射測距儀及其測距方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及測量儀器【技術領域】，特別涉及一種基於脈衝式的雷射測距儀及其測距 方法。
【背景技術】
[0002] 脈衝雷射測距儀使用脈衝雷射器發射單個雷射脈衝信號照射目標，並對由目標返 回的回波脈衝雷射信號進行探測，通過測量雷射發射時刻和回波信號返回時刻之間的時間 間隔，可獲得目標到測距儀的距離。脈衝雷射測距儀的測距公式為：R = cAt / 2。其中， R是測量距離，c是光速，At是雷射飛行時間包括脈衝雷射信號往返飛行時間。由測距公 式可知，脈衝雷射測距儀的測距精度由對雷射飛行時間的測量精度決定。由於回波脈衝激 光信號幅度的變化和波形的展寬，使得回波接收電路輸出的脈衝信號的幅度和波形發生變 化，帶來計時點的漂移，引起雷射飛行時間的測量誤差。因此需要採用時刻鑑別電路對回波 接收信號進行時刻鑑別，為時間測量電路提供不受脈衝信號形狀變化影響的計時點，減小 飛行時間測量誤差，提高計時精度。
[0003] 目前，時刻鑑別電路的實現方法主要有以下三種：
[0004] 一、前沿鑑別法（Leading Edge Discriminator)。前沿鑑別法通過固定閾值的方 式，以脈衝前沿幅度等於所設閾值的時刻作為鑑別時刻，產生計時信號。前沿鑑別法由於觸 發比不恆定，在信號幅度變化會引起較大的漂移誤差。
[0005] 二、恆定比值鑑別法（Constant Fraction Discriminator)〇恆比定時法將放大電 路輸出的脈衝信號分為兩路，一路信號進行延遲後輸入到鑑別比較器的同相輸入端，另一 路信號進行衰減後輸入到鑑別比較器的反相輸入端，鑑別比較器在兩路信號的幅度相等時 翻轉，產生計時信號。恆比定時法可以消除由信號幅度變化引起的漂移誤差，但當信號形狀 發生變化時，仍會產生一定的漂移誤差。
[0006] 三、高通容阻鑑別法（CR-High pass Discriminator)。高通容阻鑑別法使用高通 濾波器將回波接收放大電路輸出的單極性脈衝信號轉變為雙極性脈衝信號輸出，使得原來 脈衝信號的極值點變為零點，再由過零比較器對輸出的雙極性信號的過零點進行鑑別。高 通容阻鑑別法對輸入脈衝信號的幅度變化不敏感，但要求接收通道工作在嚴格的線性範圍 內。它的誤差主要來自信號脈衝在計時點附近斜率的變化。
[0007] 從時刻鑑別電路的設計原則上講，在對信號進行時刻鑑別時，應該儘量避免對信 號的幅度和波形進行模擬變化，以減少在時刻鑑別中引入的額外誤差。在以上介紹的時刻 鑑別方法中，方法二中對輸入脈衝信號的延遲過程和衰減過程以及方法三中使用高通濾波 器將回波接收放大電路輸出的單極性脈衝信號轉變為雙極性脈衝信號輸出過程，均對信號 進行了模擬變化，會引入新的誤差。而前沿鑑別法使用一個電壓比較器和一個閾值電平就 可以實現，電路形式簡單，除了進行電平比較之外，不對信號進行任何其他處理，不引入其 他誤差。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的是克服現有技術存在的缺陷，提供一種體積小、外型美觀、測距精準 的基於脈衝式的雷射測距儀及其測距方法。
[0009] 實現本發明目的的技術方案是：一種基於脈衝式的雷射測距儀的測距方法，包括 以下步驟：
[0010] (1)打開雷射測距儀電源，對系統進行初始化；設定雷射測距儀的測距模式為近 距測量模式；
[0011] (2)將雷射測距儀對準測量目標，按住測量按鈕，使測量用的光波信號對著目標發 射出去，雷射測距儀會自動接收反射回來的回波信號；
[0012] (3)通過時間測量單元計算光波信號發射和接收的時間間隔；
[0013] (4)判斷步驟（3)得到的測量值是否滿足測距結果輸出要求；若滿足，則經換算輸 出距離結果；若不滿足，則進入步驟（5);
[0014] (5)自動切換並啟動遠距離測量模式，依次再運行上述步驟（2)和步驟（3);
[0015] (6)判斷步驟（5)得到的測量值是否滿足測距結果輸出要求；若滿足，則經換算輸 出距離結果；若不滿足，則結束此次測量過程。
[0016] 上述技術方案所述步驟（1)的具體步驟為：
[0017] a、發射並接收預測量光信號；
[0018] b、自動計算當前測量環境的信噪比，根據信噪比設定一個測量"初始閾值" &3、根 據權利要求2所述的一種基於脈衝式的雷射測距方法，其特徵在於，所述步驟（3)的具體步 驟為：
[0019] a、雷射發射器發射雷射脈衝信號的同時觸發時間測量單元的起始埠，時間測量 單元受觸發後開始計時；
[0020] b、雷射接收器接收到雷射脈衝回波信號時觸發時間測量單元的停止埠，時間測 量單元受觸發後停止計時，並自動計算出起始和停止之間的時間間隔Λ t
[0021] c、通過數據處理，時間測量單元計算輸出發射和接收光波信號的時間間隔 Δ t=t2_t1〇
[0022] 上述技術方案所述步驟（4)的具體步驟為：以"初始閾值進行近距離測距。
[0023] 上述技術方案所述步驟（5)的具體步驟為：
[0024] a、根據"初始閾值" &設定一個"二次閾值" K2 ;
[0025] b、在"二次閾值"Κ2的基礎上通過發射和接收預測量光信號自動計算出一個比實 際目標小的"目標近似值" ％，並根據"二次閾值"Κ2設定一個"三次閾值"Κ3，其中;
[0026] c、設置電路的屏蔽單元，屏蔽當使用"三次閾值" Κ3測距時，小於"目標近似值" D。 的回波信號，保留大於"目標近似值" ％的回波信號，從而得到實際的距離值。
[0027] -種基於脈衝式的雷射測距儀，包括殼體，以及設置在殼體前端的雷射發射器和 雷射接收器，所述殼體內部設有雷射指向單元、雷射測距單元、無線通訊模塊、中央控制單 元、電源模塊、光電轉換器、放大器、距離顯示單元、時間測量單元和接收電路，殼體上具有 開關按鈕、運行按鈕和模式選擇按鈕；所述中央控制單元與雷射測距單元、無線通訊模塊均 為雙向通訊；所述距離顯示單元的輸入端和雷射指向單元的輸入端分別接中央控制單元的 輸出端；所述光電轉換器的輸入端接雷射接收器的輸出端，輸出端接放大器的輸入端；所 述放大器的輸出端接中央控制單元的輸入端；所述時間測量單元的輸入端接光電轉換器的 輸出端。
[0028] 上述技術方案所述接收電路包括閾值電路，以及依次電性連接的接收光路、高壓 偏置與光電轉換電路、前置放大電路、主放大電路、比較電路和計時電路；所述閾值電路的 輸出端接比較電路的輸入端。
[0029] 採用上述技術方案後，本發明具有以下積極的效果：
[0030] 本發明將測量用的光波信號對著目標發射出去，反射回來的回波信號被接收，通 過時間測量單元計算發射和接收光波信號的時間間隔實現目標距離測量的目的，在保證測 量精度的前提下，測程可以提高2倍以上，且測量數據精準。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031] 為了使本發明的內容更容易被清楚地理解，下面根據具體實施例並結合附圖，對 本發明作進一步詳細的說明，其中
[0032] 圖1為本發明的原理框圖；
[0033] 圖2為本發明的流程圖；
[0034] 圖3為本發明的初始化流程圖；
[0035] 圖4為本發明遠距測量模式的流程圖；
[0036] 圖5為本發明的接收電路示意圖；
【具體實施方式】
[0037] (實施例1，一種基於脈衝式的雷射測距方法）
[0038] 見圖2至圖4, 一種基於脈衝式的雷射測距方法，包括以下步驟：
[0039] (1)打開雷射測距儀電源，對系統進行初始化；設定雷射測距儀的測距模式為近 距測量模式；
[0040] (2)將雷射測距儀對準測量目標，按住測量按鈕，使測量用的光波信號對著目標發 射出去，雷射測距儀會自動接收反射回來的回波信號；
[0041] (3)通過時間測量單元計算光波信號發射和接收的時間間隔；
[0042] (4)判斷步驟（3)得到的測量值是否滿足測距結果輸出要求；若滿足，則經換算輸 出距離結果；若不滿足，則進入步驟（5);
[0043] (5)自動切換並啟動遠距離測量模式，依次再運行上述步驟（2)和步驟（3);
[0044] (6)判斷步驟（5)得到的測量值是否滿足測距結果輸出要求；若滿足，則經換算輸 出距離結果；若不滿足，則結束此次測量過程。
[0045] 步驟（1)的具體步驟為：
[0046] a、發射並接收預測量光信號；
[0047] b、自動計算當前測量環境的信噪比，根據信噪比設定一個測量"初始閾值"&
[0048] 所述步驟（3)的具體步驟為：
[0049] a、雷射發射器發射雷射脈衝信號的同時觸發時間測量單元的起始埠，時間測量 單元受觸發後開始計時；
[0050] b、雷射接收器接收到雷射脈衝回波信號時觸發時間測量單元的停止埠，時間測 量單元受觸發後停止計時，並自動計算出起始和停止之間的時間間隔Λ t
[0051] 步驟（4)的具體步驟為：以"初始閾值進行近距離測距。
[0052] 步驟（5)的具體步驟為：
[0053] a、根據"初始閾值" &設定一個"二次閾值" K2 ;
[0054] b、在"二次閾值"Κ2的基礎上通過發射和接收預測量光信號自動計算出一個比實 際目標小的"目標近似值" ％，並根據"二次閾值"Κ2設定一個"三次閾值"Κ3，其中;
[0055] c、設置電路的屏蔽單元，屏蔽當使用"三次閾值" Κ3測距時，小於"目標近似值" D。 的回波信號，保留大於"目標近似值" ％的回波信號，從而得到實際的的距離值。
[0056] (實施例2, 一種基於脈衝式的雷射測距儀）
[0057] 見圖1，一種基於脈衝式的雷射測距儀，包括殼體，以及設置在殼體前端的雷射發 射器1和雷射接收器2,殼體內部設有雷射指向單元3、雷射測距單元4、無線通訊模塊5、中 央控制單元6、電源模塊7、光電轉換器8、放大器9、距離顯示單元10、時間測量單元11和接 收電路12,殼體上具有開關按鈕、運行按鈕和模式選擇按鈕；中央控制單元6與雷射測距單 元4、無線通訊模塊5均為雙向通訊；距離顯示單元10的輸入端和雷射指向單元3的輸入 端分別接中央控制單兀6的輸出端；光電轉換器8的輸入端接雷射接收器2的輸出端，輸出 端接放大器9的輸入端；放大器9的輸出端接中央控制單元6的輸入端；時間測量單元11 的輸入端接光電轉換器8的輸出端。
[0058] 見圖5,接收電路12包括閾值電路121，以及依次電性連接的接收光路122、高壓偏 置與光電轉換電路124、前置放大電路125、主放大電路126、比較電路127和計時電路123 ; 閾值電路121的輸出端接比較電路127的輸入端。
[0059] 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護範圍之內。
【權利要求】
1. 一種基於脈衝式的雷射測距儀的測距方法，其特徵在於，包括以下步驟：（1)打開激 光測距儀電源，對系統進行初始化；設定雷射測距儀的測距模式為近距測量模式； (2) 將雷射測距儀對準測量目標，按住測量按鈕，使測量用的光波信號對著目標發射出 去，雷射測距儀會自動接收反射回來的回波信號； (3) 通過時間測量單元計算光波信號發射和接收的時間間隔； (4) 判斷步驟⑶得到的測量值是否滿足測距結果輸出要求；若滿足，則經換算輸出距 離結果；若不滿足，則進入步驟（5); (5) 自動切換並啟動遠距離測量模式，依次再運行上述步驟（2)和（3); (6) 判斷步驟（5)得到的測量值是否滿足測距結果輸出要求；若滿足，則經換算輸出距 離結果；若不滿足，則結束此次測量過程。
2. 根據權利要求1所述的一種基於脈衝式的雷射測距儀的測距方法，其特徵在於，所 述步驟（1)的具體步驟為： a、 發射並接收預測量光信號； b、 自動計算當前測量環境的信噪比，根據信噪比設定一個測量"初始閾值"I。
3. 根據權利要求2所述的一種基於脈衝式的雷射測距儀的測距方法，其特徵在於，所 述步驟（3)的具體步驟為： a、 雷射發射器發射雷射脈衝信號的同時觸發時間測量單元的起始埠，時間測量單元 受觸發後開始計時； b、 雷射接收器接收到雷射脈衝回波信號時觸發時間測量單元的停止埠，時間測量單 元受觸發後停止計時，並自動計算出起始和停止之間的時間間隔At ; c、 通過數據處理，時間測量單元計算輸出發射和接收光波信號的時間間隔Λ t=t2_ti。
4. 根據權利要求2所述的一種基於脈衝式的雷射測距儀的測距方法，其特徵在於，所 述步驟（4)的具體步驟為：以"初始閾值進行近距離測距。
5. 根據權利要求2所述的一種基於脈衝式的雷射測距儀的測距方法，其特徵在於，所 述步驟（5)的具體步驟為： a、 根據"初始閾值" &設定一個"二次閾值" K2 ; b、 在"二次閾值"Κ2的基礎上通過發射和接收預測量光信號自動計算出一個比實際目 標小的"目標近似值"D。，並根據"二次閾值"Κ 2設定一個"三次閾值"Κ3，其中1(/?% ; c、 設置電路的屏蔽單元，屏蔽當使用"三次閾值"K3測距時，小於"目標近似值"％的回 波信號，保留大於"目標近似值"％的回波信號，從而得到實際的的距離值。
6. -種基於脈衝式的雷射測距儀，包括殼體，以及設置在殼體前端的雷射發射器（1) 和雷射接收器（2)，其特徵在於：所述殼體內部設有雷射指向單元（3)、雷射測距單元（4)、 無線通訊模塊（5)、中央控制單元（6)、電源模塊（7)、光電轉換器（8)、放大器（9)、距離顯示 單元（10)、時間測量單元（11)和接收電路（12)，殼體上具有開關按鈕、運行按鈕和模式選 擇按鈕；所述中央控制單元（6)與雷射測距單元（4)、無線通訊模塊（5)均為雙向通訊；所 述距離顯示單元（10)的輸入端和雷射指向單元（3)的輸入端分別接中央控制單元（6)的 輸出端；所述光電轉換器（8)的輸入端接雷射接收器（2)的輸出端，輸出端接放大器（9)的 輸入端；所述放大器（9)的輸出端接中央控制單元￠)的輸入端；所述時間測量單元（11) 的輸入端接光電轉換器（8)的輸出端。
7.根據權利要求6所述的一種基於脈衝式的雷射測距儀，其特徵在於：所述接收電路 (12)包括閾值電路（121)，以及依次電性連接的接收光路（122)、高壓偏置（123)與光電轉 換電路（124)、前置放大電路（125)、主放大電路（126)、比較電路（127)和計時電路（128); 所述閾值電路（121)的輸出端接比較電路（127)的輸入端。
【文檔編號】G01S17/32GK104142504SQ201410114766
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年3月26日 優先權日:2014年3月26日
【發明者】梁立濤 申請人:常州大地測繪科技有限公司