CN103760566A - 激光测距*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光测距***，该激光测距***在发射模块上同时设置正弦波调制激光驱动电路和脉冲激光驱动电路两种信号产生电路，两个电路通过双刀双掷继电器与激光二极管连接，这样就可通过控制双刀双掷继电器使该激光测距***在相位法测距和脉冲法之间进行转化，这样使用者就可根据具体的分辨率、测速、测程要求通过双刀双掷继电器选择相位法测距或脉冲法进行测距。本发明采用相位法和脉冲法合二为一的综合激光测距方法，发挥了激光相位法和激光脉冲法测距的各自优势，形成优势互补，而且***成本较低，使用的电子元器件较普通，采购容易，光学结构也较简洁。

Description

激光测距***
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，特别一种分辨率、测速、测程可变的激光测距***。
背景技术
激光相位测距方法是通过激光作为光源对目标距离进行精确测定的一种方法，目前激光测距主要通过干涉法、相位法、脉冲法三种方式实现。其中干涉法激光测距对震动很敏感，只适于测量相对位移量，在无震动、测程很短的精密测量中能适用，因此这种激光测距方法应用范围较窄，不能得到较为广泛的应用。脉冲法激光测距是通过将激光脉冲飞行时间换算成测程的方式进行测距，由于激光发射器能在瞬间输出超强功率的红外波段的激光脉冲，且单次脉冲持续的时间很短，因此该测距方法的优点是：超远程、对人体无伤害、抗干扰能力较强等；缺点是，测量分辨率低。相位式激光测距方式是通过计算二个频率较高的测量信号的相位差来计算测程，激光发射器发射的是经调制的可见光，所以该测距方法的优点是：测量分辨率高，应用灵活；缺点是：测程短，单次测量速度较慢，由于使用的是可见光，抗可见光干扰的能力差。
在人们进行测距活动的过程中，测量的距离越短，要求的分辨率就越高，测距的速度也要求较快，测量的距离越远，要求的分辨率就越低，测距的速度要求不高。这就是我们在大多数实际应用中要求的状况。比如，我们在室内装修或建筑测量中，测程一般在100米以内，但是测量分辨率要求较高，在毫米级的水平；再比如，在机动车辆安全距离检测的应用中，测量距离在某个范围以内时，测量分辨率要求在毫米级，测量速度也要求较快，当测量距离在某个范围以外时，测量的分辨率就显得并不重要。在测距望远镜的实际应用中，能做到近距离分辨率较高，且盲区较小，那么该测距望远镜就显得更有优势。因此对于激光测距***来说，最好能做到测量的分辨率、测速、测程灵活可变，然而就现有技术而言，实现这种方式将会使激光测距***的成本大幅升高。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种分辨率、测速、测程可变的激光测距***。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供激光测距***，其包括：发射模块，所述发射模块包括正弦波发射信号形成电路、正弦波调制激光驱动电路、脉冲激光驱动电路、双刀双掷继电器、激光二极管、发射透镜和单片机微控制器电路，正弦波发射信号形成电路与正弦波调制激光驱动电路连接，所述正弦波调制激光驱动电路、脉冲激光驱动电路分别与所述双刀双掷继电器的两个输入端连接，所述双刀双掷继电器的输出端与所述激光二极管连接，所述激光二极管发出光经发射透镜变为平行光，所述单片机微控制器电路与所述双刀双掷继电器连接，所述控制所述双刀双掷继电器使正弦波调制激光驱动电路或脉冲激光驱动电路向所述激光二极管发送信号；接收模块，所述接受模块包括接收透镜、APD雪崩光电二极管、APD偏压自混频运放电路、本振耦合APD偏压电路、所述收透镜用于接收反射光并照射在APD雪崩光电二极管上，APD雪崩光电二极管上与APD偏压自混频运放电路连接，APD偏压自混频运放电路与本振耦合APD偏压电路连接；混频电路，所述混频电路的信号输入端与激光二极管驱动电路的信号输出端连接，混频电路的本振频率输入端与正弦波本振形成电路连接，所述正弦波本振形成电路还与本振耦合APD偏压电路的本振频率输入端连接；所述混频电路的输出端通过运放整形电路与一计时电路连接，所述APD偏压自混频运放电路通过运放整形电路与所述计时电路连接。
优选地，所述计时电路通过一CPLD逻辑器件实现。
优选地，所述本振耦合APD偏压电路为倍压升压及本振耦合APD偏压电路，所述倍压升压及本振耦合APD偏压电路与PWM缓冲驱动电路连接，所述倍压升压及本振耦合APD偏压电路通过PWM信号的占空比控制升压值，所述倍压升压及本振耦合APD偏压电路还与一APD偏压取样电路连接，所述APD偏压取样电路与所述单片机微控制器电路连接，所述单片机微控制器电路与所述CPLD逻辑器件连接，所述CPLD逻辑器件与所述PWM缓冲驱动电路连接；单片机微控制器电路根据APD偏压取样电路反馈信号大小通过所述CPLD逻辑器件控制PWM缓冲驱动电路的信号输出。
优选地，所述正弦波本振形成电路为缓冲正弦波本振形成电路，该缓冲正弦波本振形成电路的信号输入端与所述CPLD逻辑器件连接，所述CPLD逻辑器件输出本振方波信号给所述缓冲正弦波本振形成电路。
优选地，所述脉冲激光驱动电路还与一脉冲激光控制电路连接，所述脉冲激光控制电路与所述CPLD逻辑器件连接，所述CPLD逻辑器件通过所述脉冲激光控制电路控制所述脉冲激光驱动电路的脉冲输出频率。
优选地，所述单片机微控制器电路通过一继电器驱动电路与所述双刀双掷继电器连接。
优选地，所述单片机微控制器电路上设有外部复位、RS232接口及ISP接口。
优选地，所述APD偏压自混频运放电路为APD偏压自混频及高精密运放电路。
如上所述，本发明的激光测距***具有以下有益效果：该激光测距***在发射模块上同时设置正弦波调制激光驱动电路和脉冲激光驱动电路两种信号产生电路，两个电路通过双刀双掷继电器与激光二极管连接，这样就可通过控制双刀双掷继电器使该激光测距***在相位法测距和脉冲法之间进行转化，这样使用者就可根据具体的分辨率、测速、测程要求通过双刀双掷继电器选择相位法测距或脉冲法进行测距。本发明采用相位法和脉冲法合二为一的综合激光测距方法，发挥了激光相位法和激光脉冲法测距的各自优势，形成优势互补，而且***成本较低，使用的电子元器件较普通，采购容易，光学结构也较简洁，能广泛使用于建筑、装修行业的测距仪，还能用于高尔夫测距仪和野外狩猎测距仪中。在机动车防撞测距***中也能用到，还能用于机器人***和工业自动化***中，在军事领域也能用到。
附图说明
图1本发明实施例的***框图。
图2为本发明实施例的工作原理示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，该激光测距仪***包括主要包括发射模块、接收模块和混频电路几部分。其中发射模块包括缓冲及正弦波发射信号形成电路16、正弦波调制激光驱动电路4、脉冲激光驱动电路30、双刀双掷继电器31、发射管21、发射透镜22和单片机微控制器电路1。缓冲及正弦波发射信号形成电路16与正弦波调制激光驱动电路4连接，正弦波调制激光驱动电路4、脉冲激光驱动电路30分别与双刀双掷继电器31的两个输入端连接，双刀双掷继电器31的输出端与发射管21连接，发射管21为发光二极管，经该激光二极管发出光经发射透镜22变为平行光。单片机微控制器电路1与双刀双掷继电器31连接，双刀双掷继电器31控制双刀双掷继电器使正弦波调制激光驱动电路或脉冲激光驱动电路向发射管21发送信号。
正弦波调制激光驱动电路4是相位法激光发射驱动电路，该电路采用正弦波调制且具有一定功率的信号去驱动激光发射管在测量时间内发出一段时间的905纳米的红外光。脉冲激光驱动电路30是脉冲法激光发射驱动电路，该电路采用电容储能元件，通过将储存在高压电容内的能量瞬间（100纳秒以内）通过激光发射管释放的方法，使激光发射管在瞬间发出波长是905nm的高功率（几十瓦以上）的红外光。双刀双掷继电器31用于切换正弦波调制激光驱动电路4和脉冲激光驱动电路（30），当用相位法测距时，双刀双掷继电器31接通正弦波调制激光驱动电路4至发射管21，当用脉冲测距时，双刀双掷继电器31接通脉冲激光驱动电路30至发射管21。
单片机微控制器电路1通过一继电器驱动电路32与双刀双掷继电器31连接。双刀双掷继电器31的控制信号由继电器驱动电路32提供，该控制信号是由单片机微控制器电路1发出的，当进行近距离测量时，单片机微控制器电路1发出控制信号去控制双刀双掷继电器31接通正弦波调制激光驱动电路4至发射管21，进行相位法测距，当进行远距离测量时，单片机微控制器电路1发出控制信号去控制双刀双掷继电器31接通脉冲激光驱动电路30至发射管21，进行脉冲法测距，其工作原理如图2所示。
正弦波调制激光驱动电路4与IF1混频电路13连接，IF1混频电路13的信号输入端与正弦波调制激光驱动电路4的信号输出端连接，IF1混频电路13的本振频率输入端与缓冲及正弦波本振形成电路15连接。缓冲及正弦波本振形成电路15还与倍压升压及本振耦合APD偏压电路8的本振频率输入端连接；IF1混频电路13的输出端通过运放整形电路与一计时电路连接，该计时电路通过CPLD逻辑器件1来实现。从正弦波调制激光驱动电路4取出一路发射信号去IF1混频电路13进行下变频得到发射中频信号IF1，IF1混频电路13的本振频率来自缓冲及正弦波本振形成电路15。
接收模块包括接收透镜24、接收管23、APD偏压自混频及高精密运放电路9、倍压升压及本振耦合APD偏压电路8。接收透镜24用于接收反射光并照射在接收管23上，接收管23采用APD雪崩光电二极管，接收管23与倍压升压及本振耦合APD偏压电路8，倍压升压及本振耦合APD偏压电路8用于向接收管23提供APD偏压，倍压升压及本振耦合APD偏压电路8还与APD偏压自混频及高精密运放电路9连接。APD偏压自混频及高精密运放电路9对接收管23形成的和发射信号同频率的电流信号进行混频下变频并变成电压信号IF2中频信号，并进行高精密的放大，该电路的APD反相偏压来自倍压升压及本振耦合APD偏压电路8，倍压升压及本振耦合APD偏压电路8采用倍压升压电路，通过调节PWM的占空比可改变升压值，其中PWM信号来自PWM缓冲驱动电路7，该倍压升压及本振耦合APD偏压电路8还将来自缓冲及正弦波本振形成电路15的本振信号耦合到APD偏压上，这样APD偏压自混频及高精密运放电路9就实现了混频下变频的功能。APD偏压自混频及高精密运放电路9通过运放整形电路与CPLD逻辑器件1中的计时电路连接。
如附图1中所示，虚线框中的发射模块和接收模块结合成一整体的发射接收模块，实现了光学结构和发射管、接收管及小信号高频电路的紧密结合，使得高频小信号的失真度能有效的减小，保证测量的精度。
下面先详细描述单频相位法测距的工作流程及原理。
当双刀双掷继电器31接通正弦波调制激光驱动电路4至发射管21时，激光发射管21工作，发出905nm的正弦波调制的红外光，通过发射透镜22变成小束平行激光发射出去，激光发射管输出的光功率大约5mw左右，因为光功率很小，所以对人体是安全的。同时从正弦波调制激光驱动电路4取出一路发射信号去IF1混频电路13进行下变频得到发射中频信号IF1，IF1混频电路13的本振频率来自缓冲及正弦波本振形成电路15。APD偏压自混频及高精密运放电路9对接收管23形成的和发射信号同频率的电流信号进行混频下变频并变成电压信号IF2中频信号，并进行高精密的放大，该电路的APD反相偏压来自倍压升压及本振耦合APD偏压电路8，倍压升压及本振耦合APD偏压电路8采用倍压升压电路，通过调节PWM的占空比可改变升压值，其中PWM信号来自PWM缓冲驱动电路7，该电路还将来自缓冲及正弦波本振形成电路15的本振信号耦合到APD偏压上，这样APD偏压自混频及高精密运放电路9就实现了混频下变频的功能。
APD偏压取样电路实现对来自倍压升压及本振耦合APD偏压电路8的APD偏压信号进行取样并送往单片机微控制器电路1的ADC端口，这样单片机能得到APD偏压的真实大小，然后通过CPLD逻辑器件2输出的PWM控制信号来调节倍压升压及本振耦合APD偏压电路8输出的APD偏压的大小。IF2运放10对来自APD偏压自混频及高精密运放电路9的IF2中频信号进行第二次放大，这样IF2信号就能达到较大的幅值，以供后续处理使用。
高精度有源晶振17产生误差小于5ppm的较高稳定度的高频方波信号，该信号输出到缓冲及正弦波发射信号形成电路16，由缓冲及正弦波发射信号形成电路16将方波信号经反相器缓冲后，由LC滤波器滤掉高次谐波分量，使其成为一个标准的正弦波信号，该正弦波信号输出到正弦波调制激光驱动电路4，形成发射信号。CPLD逻辑模块2可输出的本振方波信号输出至缓冲及正弦波本振形成电路15，缓冲及正弦波本振形成电路15将方波信号经反相器缓冲后，由LC滤波器滤掉高次谐波分量，使其成为一个标准的正弦波信号，该正弦波信号作为本振信号，输出到倍压升压及本振耦合APD偏压电路8和IF1混频电路13，供混频下变频使用。
CPLD逻辑模块2输出PWM控制信号至PWM缓冲驱动电路7，经该电路驱动的PWM控制信号去控制倍压升压及本振耦合APD偏压电路8，使其产生APD偏压。CPLD逻辑模块2同时输出开关SW控制信号至开关SW驱动电路3，SW信号经驱动后作为开关信号去控制正弦波调制激光驱动电路4，SW能控制正弦波调制激光驱动电路4是处于工作还是停止状态。IF1混频电路13输出的IF1中频信号至IF1运放5，IF1经放大到理想幅值后输出至IF1过零比较器整形电路6，IF1正弦波经IF1过零比较器整形电路6整形后输出IF1方波信号至CPLD逻辑模块2的计时电路，该IF1方波信号的相位减去IF2方波信号的相位就是发射信号和接收信号的相位差，该相位差和测量距离成正比。
IF2方波信号：IF2运放10输出理想幅度的正弦波IF2信号至IF2过零比较器整形电路11，经整形后IF2过零比较器整形电路11输出IF2方波信号至CPLD逻辑模块2的计时电路。IF1运放5输出的正弦波IF1信号也送至检波电路14，经检波后输出和正弦波IF1信号幅值成正比的直流电平信号至单片机微控制器电路1的ADC端口进行AD转换，单片机微控制器根据正弦波IF1信号幅值的大小通过CPLD逻辑模块2输出的PWM信号的占空比来调节APD 偏压的大小。
下面再详细描述脉冲法测距的工作流程及原理。
当双刀双掷继电器31接通脉冲激光驱动电路30至发射管21时，发射管21工作，发出905nm的单次持续时间100ns左右的瞬间光功率可达几十瓦的脉冲红外光，通过发射透镜22变成小束平行激光发射出去，因为单次脉冲光的持续时间很短，且是905nm的红外光，所以该激光对人体是安全的。当目标物体反射905nm红外激光回波至接收管23时，APD偏压自混频及高精密运放电路9对接收管23形成的回波脉冲电流信号转换成脉冲电压信号并进行高精密的放大，APD偏压自混频及高精密运放电路9的APD反相偏压来自倍压升压及本振耦合APD偏压电路8。IF2运放10对来自APD偏压自混频及高精密运放电路9的回波脉冲电压信号进行第二次放大，这样回波脉冲电压信号就能达到较大的幅值，以供后续处理使用。
IF2运放10输出的较大的幅值的回波脉冲电压信号至IF2过零比较器整形电路11，经整形后IF2过零比较器整形电路11输出回波脉冲方波信号至CPLD逻辑模块2的计时电路。CPLD逻辑模块2的计时电路比较发射信号和回波脉冲方波信号的前沿，就可以得出激光从发射到接收所经历的时间，CPLD逻辑模块2的计时电路将该时间告知单片机微控制器电路1，再根据光在空气中的传播速度，单片机微控制器电路1就可计算出激光测距***和目标物体之间的距离。脉冲激光驱动电路30还与一脉冲激光控制电路33连接，脉冲激光控制电路33与CPLD逻辑器件2连接，单片机微控制器电路1通过CPLD逻辑器件2、脉冲激光控制电路33控制脉冲激光驱动电路33的脉冲输出频率。
单片机微控制器电路1和CPLD逻辑模块2通过数据、地址、控制信号来进行通信。单片机微控制器电路1还可以通过外部复位25进行强制复位。RS232外部接口26负责单片机微控制器电路1和外部进行通信，比如测量距离数据的传输等。单片机微控制器电路1通过ISP接口程序下载及通信27进行实施程序下载、烧录以及和外部的通信等功能。CPLD逻辑模块2通过程序下载JTAG  28进行程序下载和烧录等。CPLD逻辑模块2通过外部控制TG1,2   29对外实施双向控制功能。
该***的外部电源接口采用外接12V直流电源的方式通过12V电源输入接口18接入12V直流电源。12V直流电经5V稳压电路19输出纹波小的5V直流电供整个***使用，主要是模拟电路部分使用。5V直流电再经过3.3V稳压电路20输出3.3V纹波小的直流电供***的数字电路部分使用。总之，CPLD模块2负责实施IF1、IF2方波信号相位差的检测和回波脉冲信号和发射信号的前沿的比较以及发射、接收的控制功能。单片机微控制器电路1负责实施反馈采样信号的AD转换和相位/距离转换计算功能以及外部通信的功能，另外，外部接口功能也由单片机微控制器电路1负责实施。
本发明采用单频相位法和脉冲法合二为一的综合激光测距方法，发挥了激光相位法和激光脉冲法测距的各自优势，形成优势互补。本发明的鲜明特点是，根据人们在各种测距情形下对测量分辨率、测速及测程的要求有所变化的特点，采用二种较为流行且通用的激光测距方法的组合，即单频相位激光测距法和脉冲激光测距法的组合，以达到使用一种测距***就能满足各种测量分辨率、测速及测程的不同组合要求，所以采用该方法原理开发的产品具有性价比极高的优点，而且***成本较低，使用的电子元器件较普通，采购容易，光学结构也较简洁，能广泛使用于建筑、装修行业的测距仪，还能用于高尔夫测距仪和野外狩猎测距仪中。在机动车防撞测距***中也能用到，还能用于机器人***和工业自动化***中，在军事领域也能用到。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种激光测距***，其特征在于，其包括：
发射模块，所述发射模块包括正弦波发射信号形成电路、正弦波调制激光驱动电路、脉冲激光驱动电路、双刀双掷继电器、激光二极管、发射透镜和单片机微控制器电路，正弦波发射信号形成电路与正弦波调制激光驱动电路连接，所述正弦波调制激光驱动电路、脉冲激光驱动电路分别与所述双刀双掷继电器的两个输入端连接，所述双刀双掷继电器的输出端与所述激光二极管连接，所述激光二极管发出光经发射透镜变为平行光，所述单片机微控制器电路与所述双刀双掷继电器连接，所述控制所述双刀双掷继电器使正弦波调制激光驱动电路或脉冲激光驱动电路向所述激光二极管发送信号；
接收模块，所述接受模块包括接收透镜、APD雪崩光电二极管、APD偏压自混频运放电路、本振耦合APD偏压电路、所述收透镜用于接收反射光并照射在APD雪崩光电二极管上，APD雪崩光电二极管上与APD偏压自混频运放电路连接，APD偏压自混频运放电路与本振耦合APD偏压电路连接；
混频电路，所述混频电路的信号输入端与激光二极管驱动电路的信号输出端连接，混频电路的本振频率输入端与正弦波本振形成电路连接，所述正弦波本振形成电路还与本振耦合APD偏压电路的本振频率输入端连接；
所述混频电路的输出端通过运放整形电路与一计时电路连接，所述APD偏压自混频运放电路通过运放整形电路与所述计时电路连接。
2.根据权利要求1所述的激光测距***，其特征在于：所述计时电路通过一CPLD逻辑器件实现。
3.根据权利要求2所述的激光测距***，其特征在于：所述本振耦合APD偏压电路为倍压升压及本振耦合APD偏压电路，所述倍压升压及本振耦合APD偏压电路与PWM缓冲驱动电路连接，所述倍压升压及本振耦合APD偏压电路通过PWM信号的占空比控制升压值，所述倍压升压及本振耦合APD偏压电路还与一APD偏压取样电路连接，所述APD偏压取样电路与所述单片机微控制器电路连接，所述单片机微控制器电路与所述CPLD逻辑器件连接，所述CPLD逻辑器件与所述PWM缓冲驱动电路连接；单片机微控制器电路根据APD偏压取样电路反馈信号大小通过所述CPLD逻辑器件控制PWM缓冲驱动电路的信号输出。
4.根据权利要求3所述的激光测距***，其特征在于：所述正弦波本振形成电路为缓冲正弦波本振形成电路，该缓冲正弦波本振形成电路的信号输入端与所述CPLD逻辑器件连接，所述CPLD逻辑器件输出本振方波信号给所述缓冲正弦波本振形成电路。
5.根据权利要求3所述的激光测距***，其特征在于：所述脉冲激光驱动电路还与一脉冲激光控制电路连接，所述脉冲激光控制电路与所述CPLD逻辑器件连接，所述CPLD逻辑器件通过所述脉冲激光控制电路控制所述脉冲激光驱动电路的脉冲输出频率。
6.根据权利要求2所述的激光测距***，其特征在于：所述单片机微控制器电路通过一继电器驱动电路与所述双刀双掷继电器连接。
7.根据权利要求2所述的激光测距***，其特征在于：所述单片机微控制器电路上设有外部复位、RS232接口及ISP接口。
8.根据权利要求1所述的激光测距***，其特征在于：所述APD偏压自混频运放电路为APD偏压自混频及高精密运放电路。
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