專利名稱：用于測距之脈波反射振蕩裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測距之脈波反射振蕩裝置及其方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)法國人A.H.L.Fizeau(1819-1896)于公元1849年，在地面上成功的測量出光速，開啟了利用光速來測量距離的時(shí)代；在二次世界大戰(zhàn)期間，雷達(dá)技術(shù)蓬勃發(fā)展，當(dāng)時(shí)利用無線電波往返于目標(biāo)物與參考點(diǎn)之間，并以所需的往返時(shí)間，來度量距離；1950年代，就有人利用雷達(dá)的觀念，以大電容放電產(chǎn)生強(qiáng)烈閃光，并以拋物面鏡聚光來測量距離；公元1960年第一具激光問世，隔年，第一套激光測距系統(tǒng)正式出現(xiàn)。
由于激光光具有以下的光學(xué)性質(zhì)它的頻譜寬度很窄，具有高度的單色性(monochromaticity)；經(jīng)過長距離的傳播后，仍能保持細(xì)小的光束，具有高度的指向性(directionality)；相較于普通光源，激光光在空間與時(shí)間上都具有高度的同調(diào)性(coherence)；激光光由于功率高及擴(kuò)散開的立體角甚小，因此具有高亮度(brightness)。這些優(yōu)異的特質(zhì)，使得激光測距技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種不同的領(lǐng)域在軍事上，它用來量測炮彈發(fā)射的距離；在大地工程上，它應(yīng)用于地基量測和土木工程的量測；此外在室內(nèi)裝潢和汽車測距上也都得到很好的應(yīng)用。
由于光在給定介質(zhì)中的傳播速度是一定的，因此測量光在參考點(diǎn)和被測點(diǎn)之間的往返傳播時(shí)間，就可定出目標(biāo)和參考點(diǎn)之間的距離，傳統(tǒng)上，根據(jù)傳播時(shí)間測量方法的不同，常用的激光測距方法，可分為二種當(dāng)激光光以正弦波調(diào)制時(shí)，此時(shí)是相位法，當(dāng)激光光以脈沖波調(diào)制時(shí)，這時(shí)就是脈沖法。相位法測距是對光波作某種形式的調(diào)制，然后測量發(fā)射波與反射波之間的相位差，再由此計(jì)算距離；而脈沖法測距是直接測量光脈沖的飛行時(shí)間來計(jì)算距離。
然而不管是相位法測距，還是脈沖法測距，要想獲得高精度的距離量測，前者必須設(shè)計(jì)很好的相位計(jì)和處理兩種以上不同頻率的振蕩電路；而后者必須設(shè)計(jì)高精度的時(shí)距(time interval)量測電路，它包含各式各樣的時(shí)間插補(bǔ)(timeinterpolation)技術(shù)，兩者所需要的電路設(shè)計(jì)，都相當(dāng)復(fù)雜，都需要相當(dāng)高的技術(shù)，才能達(dá)成。
以下簡述習(xí)知相位法測距與脈沖法測距的原理。
相位法測距原理首先請參閱圖1，是相位測距基本方框圖，激光光經(jīng)過振幅調(diào)制后輸出，經(jīng)由目標(biāo)物返回，光檢測器將其轉(zhuǎn)換為電信號，然后由放大器放大，再送入相位計(jì)，反射波所形成的信號與發(fā)射波信號間將因傳播延遲而產(chǎn)生相位差，相位差經(jīng)由相位計(jì)讀取后，送到處理器加以計(jì)算而得到距離的大小。
假設(shè)調(diào)制的頻率fAM，調(diào)制波長為λAM，光與目標(biāo)物之間的距離為R(光往返于測量地與目標(biāo)物之間經(jīng)過2R的距離)，所造成的相位為Φ，則發(fā)射信號A(t)、反射信號B(t)與距離R之間的關(guān)系可以利用以下第(1-1)式、(1-2)式與(1-3)式來表示A(t)＝sin(2πfAM) (1-1)B(t)＝sin(2πfAM+Φ)(1-2)2R＝λAMΦ/(2π)＝NλAM+λAM/(2π) (1-3)R＝N×(λAM/2)+/(2π)×(λAM/2) (1-4)＝N×U+/(2π)×U(1-5)定義測尺長度U＝λAM/2U為量測尺的長度，它為調(diào)制波長λAM的一半當(dāng)相位計(jì)量得相位差之后，由(1-4)式即可得到待測距離R，距離R可由量測尺的長度和在量測尺上所讀到的刻度值(相位差)兩者決定，因此，相位計(jì)成為這種測距法的重要裝置。相位計(jì)只能量得兩信號間不滿一個(gè)周期的相對相位差，如果在(1-4)式中的N不為零，相位計(jì)是無法得知實(shí)際相位Φ之大小的，為了避免此一不明確現(xiàn)象的發(fā)生，測量距離必須限制在量測尺的長度之內(nèi)，如果要測量較長的距離，就要增加量測尺的長度，即增加調(diào)制波長λAM。將(1-4)式等號左右兩邊同時(shí)對微分，得到以下第(1-6)式，可以用它來推估距離的分辨率dR＝d/(2π)×λAM/2＝d/(2π)×U(1-6)
由(1-6)式看出，分辨率由兩個(gè)因子決定，一個(gè)是量測尺的長度，另一個(gè)是量測尺的刻度劃分程度(由相位計(jì)的分辨率決定)，要想達(dá)到高分辨率的距離量測，量測尺的刻度劃分要細(xì)(多)(高分辨率的相位計(jì))，同時(shí)量測尺的長度要短，這將使得測距范圍變小。要想同時(shí)保持高分辨率與大的測距范圍，至少必須使用兩把不同長度的量測尺，長尺用來決定測距范圍，短尺用來決定分辨率，而相位計(jì)用來決定兩把尺刻度劃分的程度。
相位測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常以分辨率和測距范圍為規(guī)格，假設(shè)分辨率為1mm，測距范圍為100m，假設(shè)每把尺刻度10000等分，則需要高分辨率的相位計(jì)1/10000；短尺長度為1mm×10000＝10m，調(diào)制波長為20m，調(diào)制頻率15MHz；長尺長度為100m，調(diào)制波長為200m，調(diào)制頻率為1.5MHz；1/10000分辨率的相位計(jì)，若以15MHz的頻率計(jì)數(shù)，接收的反射調(diào)制信號，需降頻至15MHz/10000＝1.5KHz。在這個(gè)系統(tǒng)中需要兩種調(diào)制頻率，還需要混頻技術(shù)(降頻)......，其電路相當(dāng)復(fù)雜。
假設(shè)相位計(jì)只有1/1000的分辨率，那么短尺長度為1mm×1000＝1m，調(diào)制波長為2m，調(diào)制頻率為150MHz，如此一來，就必須處理高頻電路。是以，習(xí)知相位法測距，制作復(fù)雜不易。
脈沖法測距原理習(xí)知脈沖法測距裝置基本方框圖，即如圖2所示，系統(tǒng)處理器發(fā)出觸發(fā)信號給脈沖產(chǎn)生器，然后驅(qū)動激光，發(fā)射出窄而高峰值的光脈沖，經(jīng)由待測目標(biāo)反射后，回到接收系統(tǒng)，光檢測器將返回之光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖，然后經(jīng)由放大器放大振幅至一定位階。由于目標(biāo)距離的遠(yuǎn)近和目標(biāo)之間反射率的差異，使得返回的信號，振幅變化很大，為求計(jì)時(shí)之準(zhǔn)確性不受信號強(qiáng)弱變化的影響，因此須設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖高度鑒別器，它選擇適當(dāng)?shù)膖hreshold點(diǎn)，以便觸發(fā)產(chǎn)生終止脈沖，然后由計(jì)時(shí)電路，計(jì)算光脈沖往返的時(shí)間T，最后由處理器利用第(1-7)式，計(jì)算出該目標(biāo)物之距離R。
2R＝T×C0/Ng(1-7)其中C0為光在真空中的速度Ng為空氣的折射率。
距離量測的精度將由時(shí)間T的量測精度決定，因此要想獲得高精度的距離量測，就需要高精度的時(shí)距量測電路，為了節(jié)省功率的消耗，可以使用低頻時(shí)脈計(jì)數(shù)，并選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間插補(bǔ)(time interpolation)技術(shù)，對不足一個(gè)時(shí)脈(timing clock)的部份，以時(shí)間插補(bǔ)法進(jìn)行細(xì)分的工作。
圖3是以低頻時(shí)脈計(jì)數(shù)的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)序圖(timing diagram)，由圖中可看出，T由3部份組成，T＝Tab+Ta-Tb，Tab與計(jì)時(shí)時(shí)脈同步，因此它可以用低頻計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，Ta為起始(start)脈沖和其后第二個(gè)計(jì)時(shí)時(shí)脈上升邊緣間的時(shí)間差，Tb為終止(stop)脈沖和其后第二個(gè)計(jì)時(shí)時(shí)脈上升邊緣間的時(shí)間差，若是測距系統(tǒng)以10MHz為計(jì)時(shí)頻率，那么Ta和Tb的時(shí)距范圍將落在100～200ns之間，以下將以時(shí)間振幅轉(zhuǎn)換法，針對此范圍，進(jìn)行時(shí)距細(xì)分的估算，假設(shè)100～200ns的脈沖已轉(zhuǎn)換為電壓，若以10位的A/D轉(zhuǎn)換器去計(jì)算100ns的時(shí)間范圍，其分辨率約為0.1ns(100ns/1024)，相當(dāng)于空間分辨率15mm，要想達(dá)到1.5mm的分辨率，A/D轉(zhuǎn)換器至少得14位，或者提高計(jì)時(shí)時(shí)脈至100MHz，使所要細(xì)分的時(shí)間范圍減為10ns，是以，習(xí)知脈沖法在電路設(shè)計(jì)上也是相當(dāng)復(fù)雜，不符實(shí)際需要。
由此可知，習(xí)知測距方法中，相位法與脈沖法皆存有電路設(shè)計(jì)不易、實(shí)施困難度高、量測精度低以及成本高等諸多限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于測距的脈波反射振蕩裝置及其方法，具有電路設(shè)計(jì)簡易、量測精度高、成本低且實(shí)施容易等特點(diǎn)。
本發(fā)明的原理是，藉由脈波反射振蕩法以獲致上述目的。其利用量測反射波閉環(huán)回路的振蕩周期，來決定參考點(diǎn)和被測點(diǎn)之間的往返傳播時(shí)間，配合以計(jì)頻器去量測振蕩周期，即可在極高精度的狀態(tài)下，獲知距離數(shù)值。
下面結(jié)合附圖以具體實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。


圖1是習(xí)知相位法測距裝置基本方框圖；圖2是習(xí)知脈沖法測距裝置基本方框圖；圖3是習(xí)知脈沖法測距中低頻時(shí)脈計(jì)數(shù)的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)序圖；圖4是本發(fā)明脈波反射振蕩法測距示意圖；圖5是本發(fā)明脈波反射振蕩法激光測距基本方框圖；圖6是以本發(fā)明脈波反射振蕩法所設(shè)計(jì)的光纖傳播延遲量測系統(tǒng)方框圖；圖7系以電纜為延遲線的脈波反射振蕩器；
圖8是電纜斷點(diǎn)位置量測系統(tǒng)示意圖。
圖9是反射脈波通過電路圖。
具體實(shí)施例方式
圖4是本發(fā)明的波反射振蕩法測距示意圖，當(dāng)“start(開始)”信號激活后，發(fā)射器發(fā)出P1a第一個(gè)脈沖，經(jīng)面鏡M1反射后，接收器將接到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后產(chǎn)生P1b第一個(gè)脈沖，重新觸發(fā)產(chǎn)生P1a第二個(gè)脈沖，因而形成周期性脈沖串；同理，將面鏡M 1拿掉后，發(fā)射器發(fā)出P2a第一個(gè)脈沖，經(jīng)面鏡M2反射后，接收器將接到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后產(chǎn)生P2b第一個(gè)脈沖，重新觸發(fā)產(chǎn)生P2a第二個(gè)脈沖，也形成周期性脈沖串。假設(shè)P1a的脈沖串周期為T1，P2a的脈沖串周期為T2，則面鏡M1與面鏡M2之間的距離R＝C×(T2-T1)/2，量測距離R的精度可由T2-T1決定，因此若能精確量測周期T1及T2，即可獲得高精度的距離量測，而T1或T2通?？捎捎?jì)頻器精確的量得。
當(dāng)以脈波反射振蕩法設(shè)計(jì)測距系統(tǒng)時(shí)，假設(shè)測距范圍為150m，往返距離為300m，那么所需的往返時(shí)間約為1000ns，振蕩頻率約為1MHz，若計(jì)頻器計(jì)時(shí)時(shí)間1秒鐘，產(chǎn)生1個(gè)計(jì)數(shù)誤差，則往返時(shí)間量測的相對誤差為百萬分之一，距離量測的誤差為0.15mm(150m/1000000)。由于脈波反射振蕩法是以計(jì)頻器量測振蕩頻率，只要計(jì)頻時(shí)間夠長，在脈波往返時(shí)間的量測上是非常精確的，因此在設(shè)計(jì)測距系統(tǒng)時(shí)，重心不在計(jì)時(shí)上(計(jì)頻器的設(shè)計(jì)，相當(dāng)簡單)，而在發(fā)射器電路，和接收器電路。
圖5是脈波反射振蕩法激光測距基本方框圖，由激光當(dāng)光源，分光鏡(beam splitter)一方面讓激光光通過，另一方面將反射光偏向光檢測器(PIN)，信號處理電路將光檢測器轉(zhuǎn)換的電信號放大至適當(dāng)電平，脈沖產(chǎn)生電路2產(chǎn)生觸發(fā)脈沖(P1b，P2b)，它的脈波寬度較寬，它一方面要送信號給計(jì)頻器，另一方面觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路1產(chǎn)生窄脈沖(P1a，P2a)，然后驅(qū)動激光發(fā)光，start為激活脈沖信號，前述圖4的面鏡M1和面鏡M2可由圖5的移動式面鏡(Mirror)取代。
由于激光束在空氣中會散開，這將造成空間傳輸損耗，因此設(shè)計(jì)激光測距系統(tǒng)時(shí)，必須有很好的光學(xué)系統(tǒng)，然而這并不是件容易的事；當(dāng)傳輸介質(zhì)由空氣改為光纖時(shí)，由于光纖的傳輸損耗低，測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就比較容易完成；同樣，若傳輸介質(zhì)由空氣改為同軸電纜，系統(tǒng)設(shè)計(jì)也較容易完成。不管是空間傳輸，光纖傳輸，還是電纜傳輸，只是傳輸介質(zhì)的不同，對于脈波反射振蕩測距法而言，其工作原理是相同的，因此，本發(fā)明所提出的脈波反射振蕩測距法，也可應(yīng)用在光纖傳播延遲量測系統(tǒng)和電纜斷點(diǎn)量測系統(tǒng)中，茲簡述如下。
如圖6所示的以脈波反射振蕩法所設(shè)計(jì)的光纖傳播延遲量測系統(tǒng)方框圖，開始時(shí)，以手動壓微動開關(guān)PB，觸發(fā)脈沖產(chǎn)生器(Trig1)，產(chǎn)生脈波寬度10ns的電脈沖；發(fā)射器為電/光轉(zhuǎn)換模塊，由激光和電流驅(qū)動電路組成，它將電脈沖轉(zhuǎn)換為1310nm波長的光脈沖；多模纖耦合器(multimode coupler 50:50 ratio)一方面將來自發(fā)射器的光脈沖耦合至待測光纖，另一方面將來自光纖端面的菲涅耳(Fresnel)反射光耦合至接收器；接收器為光/電轉(zhuǎn)換模塊，它由光檢測器PIN，轉(zhuǎn)阻放大器，和后級放大器(postamp)組合而成，它將輸入的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并放大至ECL電平。
由于耦合器端面和光纖端面均會產(chǎn)生菲涅耳反射，因此設(shè)計(jì)了端面選擇電路(End-choice circuit)，它讓反射脈沖r1(來自于耦合器端面)，或反射脈沖r2(來自于光纖端面)，其中之一通過，并且將其脈波寬度加寬至20ns(為了供較低頻寬的計(jì)頻器使用)。通過的反射脈沖一方面再觸發(fā)脈沖產(chǎn)生器(Trig2)，以形成閉環(huán)回路振蕩，另一方面經(jīng)過ECL/TTL轉(zhuǎn)換電路，以供計(jì)頻器計(jì)數(shù)用；計(jì)算機(jī)通過I/O接口對計(jì)頻器讀取資料，然后計(jì)算振蕩周期T，它是由系統(tǒng)傳播延遲Tsys和光纖傳播延遲Tfib組合而成。
T＝Tsys+Tfib＝Tsys+2NfibL/C0(2-1)Tsys為系統(tǒng)傳播延遲，代表組成系統(tǒng)各零組件傳播延遲之和包括電子組件，光耦合器，激光，PIN...
Tfib為光纖傳播延遲L 為光纖的長度Nfib為光纖的折射率C0 為真空中的光速在未加待測光纖下，將端面選擇器開關(guān)切換至S1，讓來自耦合器端面的反射脈沖通過，此時(shí)可測得系統(tǒng)傳播延遲，Tsys；當(dāng)接上待測光纖時(shí)，將端面選擇器開關(guān)切換至S2，讓來自光纖端面的反射脈沖通過，此時(shí)所測得的傳播延遲即為振蕩周期，T，而Tfib可由T-Tsys獲得。該種脈波反射振蕩法是一種很實(shí)用的光纖傳播延遲量測法，它具有高精度，電路設(shè)計(jì)簡單，而且只須單端接觸光纖，極適合應(yīng)用于現(xiàn)場測試儀器。
至于以脈波反射振蕩法所設(shè)計(jì)應(yīng)用的電纜斷點(diǎn)量測系統(tǒng)，請參閱圖7，其以電纜為延遲線的脈波反射振蕩器，反射脈沖來自電纜斷點(diǎn)，Loop2為振蕩回路，斷點(diǎn)位置可由振蕩周期的量測而確定。再請參閱圖8，是電纜斷點(diǎn)位置量測系統(tǒng)示意圖，當(dāng)start脈沖觸發(fā)后，脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生10ns的窄脈沖，發(fā)射器(由MC10116制作)將其送至參考電纜(reference cable)；發(fā)射信號(T)和斷點(diǎn)反射信(R)一起通過接收器(也由MC10116組成)，接收器為兩級放大器，它將反射信號放大至ECL電平；反射脈波通過電路，它只讓反射脈波通過，并產(chǎn)生20ns的R-Pass脈波信號，以便再觸發(fā)脈沖產(chǎn)生器。ECL/TTL轉(zhuǎn)換器，它將ECL電平信號轉(zhuǎn)換為TTL電平信號，以便計(jì)頻器計(jì)數(shù)；計(jì)算機(jī)通過I/O接口對計(jì)頻器讀取資料，然后進(jìn)行演算，推估斷點(diǎn)位置所在。圖9是反射脈波通過電路圖，它由兩位的移位緩存器(由D型正反器MC10131制作)和20ns的延遲電路組合而成。它遮擋T脈沖，而讓R脈沖通過，20ns的延遲電路使R脈沖的脈波寬度加寬至20ns。
本發(fā)明實(shí)際應(yīng)用于距離量測時(shí)，量測介質(zhì)至少可以是空氣、水、光纖與電纜，但不以此為限制。
本發(fā)明雖藉由實(shí)施例來描述，但仍可變化其形態(tài)與細(xì)節(jié)，而不脫離本發(fā)明的精神，并由本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員了解。
上述本發(fā)明的最佳實(shí)施例僅是根據(jù)本發(fā)明原理可以具體實(shí)施的方式之一，但本發(fā)明并不以此為限制，而應(yīng)以所附的權(quán)利要求界定為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種用于測距的脈波反射振蕩方法，包括下述步驟藉發(fā)射器發(fā)出探測脈沖，該探測脈沖經(jīng)被測物反射后，產(chǎn)生反射脈沖；反射脈沖經(jīng)接收器接收后，利用該脈沖觸發(fā)發(fā)射器再產(chǎn)生探測脈沖，然后重復(fù)探測-反射-接收的處理，形成周期性的脈沖串；量測脈沖串的頻率或周期并加以計(jì)數(shù)及計(jì)算，獲得高精度的距離量測數(shù)值。
2.一種用于測距的脈波反射振蕩裝置，包括一發(fā)射器，可接受信號的觸發(fā)，并向被測物發(fā)出探測脈沖；一接收器，接收由發(fā)射器所發(fā)射并經(jīng)被測物反射所生的反射脈沖，以及利用該脈沖觸發(fā)發(fā)射器產(chǎn)生探測脈沖，以此形成一周期性的脈沖串；一測量和計(jì)算裝置，量測脈沖串的頻率或周期并加以計(jì)數(shù)及計(jì)算，獲得高精度的距離量測數(shù)值。
3.如權(quán)利要求1所述用于測距的脈波反射振蕩方法，其中該被測物包括一參考點(diǎn)與一被測點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求2所述用于測距的脈波反射振蕩裝置，其中該被測物包括一參考點(diǎn)與一被測點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求3所述用于測距的脈波反射振蕩方法，其中參考點(diǎn)與被測點(diǎn)之間的往返傳播時(shí)間通過量測脈沖串的頻率或周期得到，從而得知距離數(shù)值。
6.如權(quán)利要求4所述用于測距的脈波反射振蕩裝置，其中該參考點(diǎn)與被測點(diǎn)之間的往返傳播時(shí)間通過藉量測脈沖串的頻率或周期得到，以獲知距離數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于測距的脈波反射振蕩裝置及其方法，用于量測距離。該脈波反射振蕩法是利用量測反射波閉環(huán)回路的振蕩周期，來決定參考點(diǎn)和被測點(diǎn)之間的往返傳播時(shí)間，配合以計(jì)頻器去量測振蕩周期，即可在極高精度的狀態(tài)下，獲知距離數(shù)值。本發(fā)明特別是將接收到的反射脈沖用以作為下一個(gè)發(fā)射脈沖的觸發(fā)，實(shí)施時(shí)電路設(shè)計(jì)與制作上相當(dāng)簡單，且能達(dá)到很高的精度。
文檔編號G01S17/10GK1598616SQ0315735
公開日2005年3月23日 申請日期2003年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月18日
發(fā)明者李翠瑚 申請人:李翠瑚