CN1329744C - 积分累加脉冲激光中短距离测距方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度、中短距离积分累加脉冲激光测距方法，属于光电技术领域。采用脉冲调制方法以扩大测量距离，采用积分累加方法实现超短脉冲测量，以提高测量速度和抗干扰能力，多通道积分以扩大测距范围，从而满足中短距离非合作目标的高精度快速测距要求。该方法可应用于建筑、交通、自动化制造业和机器人等要求对近、中距离，零点几米到上百米的非合作目标作高精度的测距场合。

Description

积分累加脉冲激光中短距离测距方法

技术领域

本发明为一种高精度、中短距离积分累加脉冲激光测距方法，属于光电技术领域。

背景技术

在建筑、交通、自动化制造业和机器人等应用中，要求对近、中距离，零点几米到上百米的非合作目标作高精度的测距。常用的测距方法从原理上分，一般有“三角测量法”和“时间测量法”。“三角测距法”依据几何原理将目标的距离变为目标像点的横向位移距离，发射和接收横向要有一定的距离——基线，测距精度与基线长度成比例，在测量远距离目标时，要求基线较长，整体结构较大，使用不方便，适用于距离较短的情况(通常在10m以内)。“时间测量法”是测量激光回波的时间差，计算出目标的距离，时间的测量方法又分为激光脉冲测距法和相位测距法，这两种方法的实质都一样，只是时间的具体测量方法不同。激光脉冲测距法采用脉冲调制方式，相位测距法通常采用连续正弦调制。在平均发射功率相等的情况下，激光的峰值脉冲功率要比连续辐射功率高很多。正弦调制法调制深度不能达到100％，其峰值功率也不高，仅局限于合作目标的测距。对于非合作目标，必须使用脉冲调制才能达到长距离测距的要求。激光脉冲测距法是测量激光单脉冲的回波时间，在目标距离较近时，脉冲时间的宽度很窄，不可能用脉冲计数的方式测量脉冲宽度。单次测量的精度一定时，往往要多次测量取平均才能得到比单次测量高的精度，测量次数越多，精度越高。单测量次数增多，会增加测量的时间。激光脉冲测距法每次测量有一定的时间间隔，多次测量时，要较长的时间，因此测量次数或测量精度有一定的限制。这种方法不适合近距离测距(一般不小于1公里)。

本发明的目的是为解决以上已有技术的不足，提出一种积分累加脉冲激光测距方法。这种方法测距范围大，可以从几十分米到几百米甚至更远；测量精度高，稳定性好；***简单，成本低，轻便小巧；可用于各种领域的测距使用，特别是机器人的空间定位。

发明内容

本发明是这样实现的：采用脉冲调制方法以扩大测量距离，用积分累加方法实现超短脉冲直接多次累加测量，以提高中短距离的测量精度和速度，多通道积分以扩大测距范围，从而克服了现有测距方法的不足，满足中短距离非合作目标的高精度快速测距要求。

该方法按以下步骤实现：

第一步：由脉冲调制器产生调制脉冲，一路送给激光驱动器，一路送给积分次数控制器开始记数，一路送给触发积分器开始积分；

第二步：由激光发射器向目标发射出脉冲激光；

第三步：由光电探测器接收脉冲激光转换成脉冲电信号，送入积分器使积分停止保持；

第四步：在上述过程累加到一定次数以后，积分次数控制器控制采集积分器的积分电压并清零；

第五步：单片机控制A/D转换器采集积分器的输出电压，并计算出目标的距离；

具体的计算方法是：

$\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{U\τ}}{U_{0}n}$

Δt为发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔，U为积分器输出电压，τ为积分器时间常数，U₀为脉冲幅值，n为积分常数。

目标距探测器之间的距离为s，则有：

$s=\frac{\mathrm{\Δtc}}{2}$

其中c为光速。

本发明采用连续脉冲调制方式，经驱动功率放大驱动半导体激光器发射连续激光脉冲，由调制器输出另一路信号，送入一积分器使积分器开始线性积分。又目标反射的激光被光电接收器转换为电信号，经放大后整形为方波控制积分器，使积分过程停止。积分器将脉冲的时间转化为相应的电压，并能保持，测量时间可相对延长。积分器可直接对多个脉冲积分累加，不需要每个脉冲时间测量完后再对其测量结果累加求平均值，提高了测量速度和累加次数。由于输入积分器控制其积分起停的信号都是脉冲信号(它们分别来自发射和接收电路)，则积分运算过程也是分段进行的，每一段积分结果都与起停的时间差有关，它表示的是光线由发射到接收所走过的距离。如果不对积分器清零，则积分运算会周而复始的进行下去，把每段的积分结果相加，把调制脉冲信号送入计算机，得到积分次数控制信号，控制积分器累加的次数。当累加次数达到设定值时，停止积分，并将积分器电压输出到A/D变为数字信号，然后再送入单片机，同时将积分器清零，进行下次测量过程。

积分器的时间常数和累加次数应根据测量距离(或时间长短)测量速度和测距精度合理选择。如要测距范围很大，则可用多路积分方式，每一路的积分时间常数可逐步增加，积分时间常数的增加倍数与测距范围成正比。测量距离较近时，选用积分时间短的一路积分器；测量距离较远时，则使用积分时间较长的一路积分器。

本发明的有效效益是：

1、测距范围大，可以从几十分米到几百米甚至更远；

2、测量精度高，稳定性好；

3、***简单，成本低，轻便小巧；

4、可用于各种领域的测距使用，特别是机器人的空间定位。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的测距原理图，其中：1-激光驱动器，2-脉冲调制器，3-积分次数控制器，4-整形器，5-放大器，6、7-触发积分器，8-单片机.。9-A/D转换器1，10-A/D转换器2。

图2～图5是测量时序图，其中：图2-发射信号，图3-接受信号，图4-积分输出信号，图5-积分控制信号.

具体实施方式

积分累加脉冲激光测距方法，按以下步骤实现：

第一步：由脉冲调制器产生调制脉冲，一路送给激光驱动器，一路送给积分次数控制器开始记数；一路送给触发积分器开始积分；

第二步：由激光发射器向目标发射出脉冲激光；

第三步：由光电探测器接收脉冲激光转换成脉冲电信号经放大后送入整形器整形，再送入积分器使积分停止保持。每接收一个激光脉冲上述过程重复一次；

第四步：在上述过程累加到一定次数以后(一般在2～10⁶次)，积分次数控制器控制采集积分器的积分电压输出到A/D转换器并清零；

第五步：单片机控制A/D转换器采集积分器的输出电压，并计算出目标的距离；

具体的计算方法是：

$\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{U\τ}}{U_{0}n}$

Δt为发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔，U为积分器输出电压，τ为积分器时间常数，U₀为脉冲幅值，n为积分次数。

目标距探测器之间的距离为s，则有：

$s=\frac{\mathrm{\Δtc}}{2}$

其中c为光速。

本发明具有的优点是：测距范围大，可以从几十分米到几百米甚至更远；测量精度高，稳定性好；***简单，成本低，轻便小巧；可用于各种领域的测距使用，特别是机器人的空间定位。

Claims (1)

1.一种积分累加脉冲激光中短距离测距方法，其特征在于：该方法按以下步骤实现：第一步：由脉冲调制器产生调制脉冲，一路送给激光驱动器，一路送给积分次数控制器开始记数，一路送给触发积分器开始积分；

第二步：由激光发射器向目标发射出脉冲激光；

第三步：由光电探测器接收脉冲激光转换成脉冲电信号经放大后送入整形器整形，再送入积分器使积分停止并保持；每接收一个激光脉冲上述第一步、第二步、第三步过程重复一次；

第四步：在上述过程累加到2～10⁶次次数以后，积分次数控制器控制采集积分器的积分电压输出到A/D转换器并清零；

第五步：单片机控制A/D转换器采集积分器的输出电压，并计算出目标的距离；

具体的计算方法是：

$\mathrm{\Δt}=\frac{U_{\mathrm{\τ}}}{U_{0}n}$

Δt为发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔，U为积分器输出电压，τ为积分器时间常数，U₀为脉冲幅值，n为积分次数；

目标距探测器之间的距离为s，则有：

$s=\frac{\mathrm{\Δtc}}{2}$

其中c为光速。

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