CN1052555A

CN1052555A - 精密脉冲测距***中的不完全同步计数测时法

Info

Publication number: CN1052555A
Application number: CN 89109146
Authority: CN
Inventors: 徐承天
Original assignee: SURVEYING AND MAPPING SCIENCE RESEARCH INST STATE SURVEYING AND MAPPING BUREAU
Current assignee: SURVEYING AND MAPPING SCIENCE RESEARCH INST STATE SURVEYING AND MAPPING BUREAU
Priority date: 1989-12-11
Filing date: 1989-12-11
Publication date: 1991-06-26

Abstract

一种精密脉冲测距***中的不完全同步计数测时法，本方法是以一高频计数脉冲对被测距离方波序列作大量填充计数，只要方波周期不恰为计数脉冲周期的整数倍，则可以本方法求取的一个方波内的填充计数的平均值与计数脉冲的周期的积来表示方波的精确宽度，从而得出被测距离。本方法精度高，电路简单，工艺要求低，可在同一量测模式中，一次获取全部读数，省去时间尾数的精密电路。本方法还可应用于其他测时***。

Description

本发明属于精密脉冲测距***中的测时方法，适合于由半导体发光器件组成脉冲源的测距***。

脉冲测距仪通常以高频计数脉冲对距离方波进行填充计数，通过测定脉冲测距信号在测线上的往返时间来推算被测距离，其本质上是一种精密测定时间间隔的装置，脉冲测距仪由于信号幅度大，在长距离和无合作目标的应用场合中，常为相位法测距仪所不能取代。

过去，脉冲法仅能应用于低精度测量，其测距精度一般仅为米级至分米级。仪器的测时分辨率低，是影响测距精度提高的主要原因之一，而应用常规的填充计数方法，计数频率必须高达15GC，方能取得与1Cm距离分辨率相应的测时分辨率。

七十年代以后，高压高速脉冲源小型固体化技术的发展，使得半导体发光器件能输出十纳秒甚至纳秒级的强功率脉冲，以后国际上应用这种技术的脉冲测距仪成功地求取了不足一个计数脉冲周期的时间尾数，极大地提高了测距精度，为测距仪的发展开创了一个新阶段。著名的测距生产厂商，瑞士的WILD公司便是通过在与时间尾数相对应的非常短暂的时间间隔内对一电容进行恒流充电，然后检测电容两端电平的方法，提高测时分辨率，并使仪器达到亚厘米级精度的。但此类方法工艺上难度大，具体实现颇感不易。

本发明目的是提供一种具有较高精度的测时方法，从而精确测出被测距离，本测时方法可在同一量测模式中，一次获取全部读数，省去了专门用来测知时间尾数，工艺要求甚高的精测电路，毋需进行模式转换以及粗、精测值的正确衔接。

为达到上述目的，本发明采用以下方案：采用与被测距离方波序列不完全同步的计数脉冲对该方波进行大量量测，来精确求取方波的宽度，从而得出被测距离，所述的不完全同步是指方波周期不恰为计数脉冲周期的整数倍。

以下结合附图、实例对本发明作进一步说明：

图1：测时电路原理图;

图2：被测距离方波序列以计数脉冲填充示意图（φ₀-φ＜0）;

图3：被测距离方波序列以计数脉冲填充示意图（φ₀-φ≥0）;

图4：双路实验电路示意图;

图5：多路实验电路示意图。

图1中，〔1〕为计数脉冲信号f，〔2〕为距离方波D，〔3〕〔4〕为与门，当计算机给出开门信号后，f输入并与D相与，随后送入计数器〔5〕，同时，计算机内计数器对D方波计数。当该计数值达到***设定值时，关闭f信号的输入和机内计数器，计算机〔6〕对内外二计数器的计数值演算，并送显示器〔7〕显示。

图2、图3所示为二种理想的填充计数情况，D为待测方波序列中的一个方波，其前、后沿分别对应于测距信号的发射与接收时刻，其宽度可表示为D＝nT+φ，式中T为计数脉冲f的周期。通常也称测尺长度，作为测时的基准，需有极高的稳定性，并应经严格标定。φ为不足一计数脉冲周期的时间尾数0≤φ＜T，常规的脉冲法中，舍去φ不计，在精密脉冲法中，要求精确地求取φ值。

当D方波宽度恰为计数脉冲周期的整数倍，即D＝nT，φ＝0时，不论方波前沿与计数脉冲作用沿的相角φ₀为何值，一个D方波内能填入的计数脉冲数均为n。当φ≠0时，一个D方波内的计数脉冲数则可能为n，也可能为（n+1），需视φ₀的大小。φ₀为D方波的上升沿与其后的第一个计数脉冲的时间间隔，当φ₀小于φ时，计数值为n+1（见图2），当φ₀大于或等于φ时，则为n（见图3）。

***可适当选择距离方波D的重复周期T_D，使T_D＝n′T- (T)/(m) （式中n′，m为正整数，n′需足够大，以使发射器件重复频率低于容许值，并保证仪器测距时可能出现的n始终＜n′，便可使D方波序列中每二个相邻方波φ₀均有一增量△φ₀＝ (T)/(m) 的发生，我们定义相同φ₀重复出现的周期为测回周期，则在一测回所含的m= (T)/(△φ₀) 个方波中，便有 (φ)/(△φ₀) 个D方波满足φ₀-φ＜0的条件，在每个D方波内包含了（n+1）个计数脉冲，而其余 (T-φ)/(△φ₀) 个D方波满足φ₀-φ≥0条件，每个D方波内包含了n个计数脉冲。

于是一测回中全部填充数为

N=n·m+ (φ)/(△φ₀) 将△φ₀＝ (T)/(m) 代入

得到N＝m（n+ (φ)/(T) ）

于是D＝nT+φ＝ (NT)/(m)

这表明D方波的脉宽即可通过一个测回对m个D方波填充计数得到的每个D方波的平均填充计数值与测尺长度T的乘积来求得。在理想情况下，***的测时分辨能力便因此提高了m倍。

若计数频率取15MC，重复频率f_D= 1/(T_D) =kc，m＝1000，则时间分辨率即可由67^ns提高到67^ps，距离分辨率由10m提高至1Cm，而取得一完整的测值即一个测回，需时0.1秒。

进一步的试验表明，只要一次测量中能对数量足够多的D方波进行填充计数，并非必须以测回为单位来获取填充计数值，而D值的量测仍能呈现出非常良好的重复性，这是因为从统计的观点看，在一个方波内填充计数值为n或为n+1的几率仅与方波的时间尾数φ线性相关的缘故，这样***得以进一步简化（如图1所示），并使本技术也在一定范围内适用于重复周期不由***本身决定的外部方波序列脉宽的精密测定。

图4为双路实验电路，为了获得较高精度或需较高量测速度时，可设置多个通道如图5所示。图4、图5中，〔1〕为计数脉冲信号f，〔2〕距离方波，〔3〕与门，〔5〕计数器，〔8〕分频器，〔6〕单片微机，〔7〕显示器，〔9〕非门，〔10〕清零，〔11〕多路选择器，〔12〕延时器。

应当指出的是：测量的分辨率提高的幅度是不能不受器件频响特性及其他因素制约的，如将这项技术用于绝对测量，则应在***中设置基准通道，以消除***常数漂移的影响。

发明人曾应用图4所示的线路图，以15M（±3ppm）温补晶体的输出信号经整形作为计数脉冲，对模拟数十米至十公里的距离方波进行量测，取得内部符合标准偏差约为±3mm的良好效果。

本发明优点是：本方法是一种具有较高精度的测时（距离）的方法，线路简单，工艺要求低，可在同一量测模式中，一次获取全部读数，省去了专门用来测知时间尾数、工艺要求甚高的精测电路，毋需进行模式转换和粗、精测值的正确衔接。本方法适于测量中、短距离。

Claims

1、一种精密脉冲测距***中的不完全同步计数测时法，其特征在于测量中采用与被测距离方波序列不完全同步的计数脉冲对该方波进行大量填充计数，来精确求取被测方波的宽度，所述的不完全同步是指方波周期不恰为计数脉冲周期的整数倍。

2、按权利要求1所述的计数测时法，其特征在于所述被测距离方波的个数为整测回数，所述的测回是指D方波与f计数脉冲的相位重复出现的周期。

3、按权利要求1所述的计数测时法，其特征在于被测的距离方波和填充后取得的一路或多路脉冲信号送入计算机内部（或填充后取得的一路或多路脉冲信号先经分频器再送入计算机内部计数器）或外部计数器计数，当距离方波计数值达到设定值后，由计算机算出被测方波的宽度（相当于被测距离），并在显示器上显示。