專利名稱：智能型全固化激光測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能型、全固化激光測(cè)量?jī)x器，尤其涉及一種能在野外條件下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)、目標(biāo)距離及方位等參數(shù)測(cè)量的儀器。
背景技術(shù)：
目前，現(xiàn)有的激光測(cè)距機(jī)主要有兩種類型，一種是“氣-固”激光測(cè)距機(jī)，其激光發(fā)射機(jī)理是氙燈(氣體)泵浦YAG(固體)發(fā)射激光。由于氙燈屬氣體器件，需要上千伏高電壓才能工作，因此，這種激光器的激光電源相當(dāng)復(fù)雜，且電源效率低、體積大而笨重；氣體器件的另一個(gè)致命的弱點(diǎn)就是壽命很短；再者就是氙燈(氣體)泵浦YAG(固體)發(fā)射激光的效率很低。但“氣-固”激光器的輸出激光能量較高，作用距離在幾公里到數(shù)十公里范圍內(nèi)，成本約數(shù)萬元，一般軍用。另一種是“單固體”式激光測(cè)距機(jī)(又稱半導(dǎo)體激光測(cè)距機(jī))，其激光發(fā)射機(jī)理就是一種能發(fā)射激光的發(fā)光二極管。由于半導(dǎo)體二極管的驅(qū)動(dòng)電壓一般在1伏以下，因此其激光電源相對(duì)簡(jiǎn)單得多，而且體積小，重量輕。但現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器輸出激光能量較低，作用距離小，一般在幾公里以內(nèi)；另外，還有一個(gè)限制半導(dǎo)體激光器應(yīng)用范圍的原因——半導(dǎo)體激光器溫度特性差。因?yàn)檐娖芬话阋笤凇?0℃的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，而半導(dǎo)體激光器要求在常溫下才能穩(wěn)定工作。因此，半導(dǎo)體激光器一般民用，成本約數(shù)千元。
上述兩種類型的激光測(cè)距機(jī)主要用于目標(biāo)測(cè)距，其功能單一，操作不便。而且，由于半導(dǎo)體激光測(cè)距機(jī)的作用距離太小，一般只能民用；“氣-固”激光測(cè)距機(jī)的作用距離較遠(yuǎn)，一般軍用，但由于太笨重，已遠(yuǎn)不能滿足快速反應(yīng)部隊(duì)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠?qū)σ欢▍^(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行距離、方位等參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)能給出地理位置參數(shù)并對(duì)被測(cè)目標(biāo)目標(biāo)進(jìn)行定位，分析、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示測(cè)量結(jié)果的激光測(cè)量?jī)x本發(fā)明所涉及的智能型全固化激光測(cè)量?jī)x，由激光發(fā)射裝置、激光接收裝置、智能化測(cè)量裝置組成，激光發(fā)射裝置為一種全固化激光發(fā)射器，由半導(dǎo)體激光器1、半導(dǎo)體激光電源2、YAG固體激光器3、半導(dǎo)體冷暖器4、半導(dǎo)體恒溫盒5、激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)6組成，半導(dǎo)體恒溫盒5一端與半導(dǎo)體激光電源2連接，另一端與激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)6相連，半導(dǎo)體激光器1、YAG固體激光器3、半導(dǎo)體冷暖器4置于半導(dǎo)體恒溫盒5內(nèi)；激光接收裝置為一個(gè)激光接收光學(xué)系統(tǒng)7；智能化測(cè)量裝置由光電傳感器8、信號(hào)處理裝置9，單片機(jī)系統(tǒng)10，晶振裝置11、測(cè)量電路12、衛(wèi)星定位裝置13、數(shù)顯裝置14依次相互相連構(gòu)成。
本發(fā)明基于“固-固”激光器模型，應(yīng)用智能化測(cè)試技術(shù)，研制了一種能測(cè)量距離、方位等參數(shù)的測(cè)量?jī)x器，稱之為智能型全固化激光測(cè)量?jī)x。這種全固化激光器，采用半導(dǎo)體激光器即激光二極管(固體)和YAG晶體激光器(固體)構(gòu)成“固-固”激光器，這種全固化激光器，通過半導(dǎo)體激光二極管(固體)泵浦YAG(固體)發(fā)射激光。
全固化激光器的激光發(fā)射機(jī)理是半導(dǎo)體激光二極管(固體)泵浦YAG(固體)發(fā)射激光。即用半導(dǎo)體激光二極管(固體)取代了氙燈(氣體)，這樣徹底擺脫了因氙燈(氣體)帶來的所有缺點(diǎn)，而充分發(fā)揮了半導(dǎo)體激光二極管(固體)的所有優(yōu)點(diǎn)，更為重要的是半導(dǎo)體激光二極管(固體)泵浦YAG(固體)發(fā)射激光的效率比氙燈(氣體)泵浦YAG(固體)發(fā)射激光的效率高出很多倍。這里保留YAG(固體)，是因?yàn)閅AG(固體)的輸出激光能量較高。
為了解決半導(dǎo)體激光器溫度特性差的問題，本發(fā)明采用了正/負(fù)溫度補(bǔ)償電路，從而改善了半導(dǎo)體激光器溫度特性；為了保證當(dāng)環(huán)境溫度在±40℃的溫度范圍內(nèi)變化時(shí)，半導(dǎo)體激光器始終處于線性工作的溫度范圍內(nèi)，采用了對(duì)半導(dǎo)體激光器恒溫法，即采用半導(dǎo)體致冷及保溫材料制成恒溫盒，將“全固化激光器”置于“恒溫盒”中。
高精度高穩(wěn)定度有源晶振技術(shù)為了提高測(cè)量精度，需要頻率較高的時(shí)鐘信號(hào)源，這里采用了高精度高穩(wěn)定度有源晶振技術(shù)。
智能化測(cè)試技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)量，使其具有分析、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示測(cè)量結(jié)果等功能，采用了單片機(jī)技術(shù)。


圖1為智能全固化激光測(cè)量?jī)x的組成原理框圖。
圖2為激光測(cè)距的工作原理框圖。
圖3為測(cè)量時(shí)間t的工作時(shí)序圖。
圖4為全固化激光器的組成原理框圖。
圖5為激光接收器的組成原理框圖。
圖6為智能化測(cè)量裝置組成原理框圖。
其中1為由半導(dǎo)體激光器，2為半導(dǎo)體激光電源，3為YAG固體激光器，4為半導(dǎo)體冷暖器，5為半導(dǎo)體恒溫盒，6為激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，7為激光接收裝置(即激光接收光學(xué)系統(tǒng))，8為智能化測(cè)量裝置由光電傳感器，9為信號(hào)處理裝置，10為單片機(jī)系統(tǒng)，11晶振裝置，12測(cè)量電路，13為衛(wèi)星定位裝置，14為數(shù)顯裝置。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明如下；智能全固化激光測(cè)量?jī)x由全固化激光發(fā)射器、激光接收器、智能化測(cè)量裝置及電源系統(tǒng)等部分組成，其組成原理框圖如圖1所示。
激光測(cè)距的工作原理示意圖如圖2所示。測(cè)距波束從測(cè)距機(jī)向待測(cè)目標(biāo)發(fā)射，當(dāng)測(cè)距波束到達(dá)待測(cè)目標(biāo)時(shí)，再由目標(biāo)表面反射回測(cè)距機(jī)，其測(cè)距方程為S=ct2]]>式中，S為測(cè)距機(jī)與被測(cè)目標(biāo)的距離，c＝3×108m/s即激光束，t為測(cè)距波束從測(cè)距機(jī)出發(fā)到達(dá)被測(cè)目標(biāo)再由該目標(biāo)反射回測(cè)距機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。
從上述的分析可見，測(cè)距波束的傳播速率是已知的，只要能準(zhǔn)確地測(cè)量出往返波束所經(jīng)歷的時(shí)間，就能得到距離值。測(cè)量時(shí)間t的工作時(shí)序圖如圖3所示。
在圖3中，S1為測(cè)距波束發(fā)射脈沖，S2為測(cè)距波束反射回波激勵(lì)脈沖，S3為測(cè)距計(jì)時(shí)脈沖，S4為時(shí)基脈沖。用計(jì)時(shí)脈沖對(duì)時(shí)基脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，便可實(shí)現(xiàn)時(shí)間的測(cè)量，進(jìn)而得出距離值。值得注意的是在實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)中，由于電路的時(shí)延、時(shí)間基準(zhǔn)的漂移、計(jì)數(shù)誤差等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生測(cè)距誤差。
反射式測(cè)距要求被測(cè)目標(biāo)具有良好的反射特性，這有利于回波的接收。如果被測(cè)物的反射特性較差，一般是在被測(cè)物表面安放反射靶，以增強(qiáng)測(cè)距效果。
全固化激光器主要由半導(dǎo)體激光器1、半導(dǎo)體激光電源2、YAG固體激光器3、半導(dǎo)體冷暖器4、半導(dǎo)體恒溫盒5、激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)6等部分，其具體結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4所示。
圖4中半導(dǎo)體激光器1，可根據(jù)所需泵浦的功率選用激光二極管陣；半導(dǎo)體激光電源2，采用了高精度穩(wěn)壓穩(wěn)流技術(shù)，為半導(dǎo)體激光器1提供高質(zhì)量的電源，以確保泵浦激光的穩(wěn)定；YAG固體激光器3，采用發(fā)光效率高的YAG激光晶體，以提高出光效率；半導(dǎo)體冷暖器4，采用高效率的半導(dǎo)體致冷器，以調(diào)節(jié)恒溫盒5內(nèi)的溫度；半導(dǎo)體恒溫盒5，其內(nèi)壁采用絕熱效果很好的絕熱材料，以確保盒內(nèi)環(huán)境溫度的穩(wěn)定，具有良好的保溫效果；激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)6，對(duì)YAG固體激光器3發(fā)出的激光進(jìn)行光學(xué)處理，使激光束處于最佳的測(cè)距狀態(tài)。
圖4中半導(dǎo)體冷暖器4與半導(dǎo)體恒溫盒5共同構(gòu)成全固化激光器的恒溫系統(tǒng)，半導(dǎo)體激光器1、YAG固體激光器3置于半導(dǎo)體恒溫盒5中，使全固化激光器的工作溫度不受外界溫度的影響，以確保全固化激光器工作的穩(wěn)定。全固化激光器主要用來產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的測(cè)距激光。
激光接收器包括激光接收光學(xué)系統(tǒng)7，其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖5所示。由于從被測(cè)目標(biāo)反射回來的激光能量很弱，而且有一定的束散效應(yīng)。因此，必須對(duì)被測(cè)目標(biāo)反射回來的激光進(jìn)行聚集等光學(xué)處理，這一處理過程主要由激光接收光學(xué)系統(tǒng)7完成。激光接收器主要用來聚集從被測(cè)目標(biāo)反射回來的激光，為反射激光的探測(cè)做準(zhǔn)備。
智能化測(cè)量裝置包括光電傳感器8、信號(hào)處理裝置9，單片機(jī)系統(tǒng)10，晶振裝置11、測(cè)量電路12、衛(wèi)星定位裝置13、數(shù)顯裝置14，其基本的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖6所示。
在圖6中，光電傳感器8采用靈敏度很高的光電雪崩二極管；信號(hào)處理裝置9具有信號(hào)放大整形等功能；晶振裝置11為測(cè)量電路提高標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量時(shí)間基準(zhǔn)；衛(wèi)星定位裝置13用于得知本激光測(cè)量?jī)x所在的地理位置，據(jù)此，單片機(jī)系統(tǒng)10便可推得被測(cè)目標(biāo)的地理位置；數(shù)顯裝置14用于對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；整個(gè)系統(tǒng)在單片機(jī)系統(tǒng)10的控制下協(xié)調(diào)工作。
智能全固化激光測(cè)量?jī)x測(cè)距的工作原理瞄準(zhǔn)待測(cè)目標(biāo)，按一下單片機(jī)系統(tǒng)10的激光發(fā)射控制鍵，全固化激光器發(fā)射測(cè)距激光，同時(shí)，測(cè)量電路開始計(jì)時(shí)；測(cè)距激光到達(dá)被測(cè)目標(biāo)并由被測(cè)目標(biāo)反射回激光接收器7，經(jīng)智能化測(cè)量裝置對(duì)測(cè)距激光往返的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，最后經(jīng)過單片機(jī)系統(tǒng)10進(jìn)行換算處理，并將測(cè)量結(jié)果送數(shù)顯裝置進(jìn)行顯示，則完成一次目標(biāo)距離測(cè)量。
智能全固化激光測(cè)量?jī)x對(duì)被測(cè)目標(biāo)定位的工作原理在完成一次目標(biāo)距離測(cè)量后，便得到被測(cè)目標(biāo)相對(duì)于激光測(cè)量?jī)x的距離、方位等地理參數(shù)，再由衛(wèi)星定位裝置得到激光測(cè)量?jī)x的地理參數(shù)，便可得到被測(cè)目標(biāo)的地理參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的定位。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1全固化激光器技術(shù)是本發(fā)明的主要特色，促進(jìn)了激光技術(shù)應(yīng)用的小型化和微型化發(fā)展。
2半導(dǎo)體恒溫技術(shù)是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)，克服了半導(dǎo)體激光器溫度特性的不足，從而拓寬了半導(dǎo)體激光器的溫度適應(yīng)范圍。
3智能化技術(shù)也是本發(fā)明的主要特色之一，整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)統(tǒng)一管理和控制，并具有數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析功能，能存儲(chǔ)數(shù)萬個(gè)目標(biāo)參數(shù)，智能化程度高，操作使用方便。
4目標(biāo)定位技術(shù)是本發(fā)明的又一創(chuàng)新點(diǎn)，在測(cè)得被測(cè)目標(biāo)的距離、方位等地理參數(shù)的同時(shí)，便可推知被測(cè)目標(biāo)的地理位置。
5高精度高穩(wěn)定度有源晶振技術(shù)，是提高本激光測(cè)量?jī)x測(cè)量精度的關(guān)鍵，本激光測(cè)量?jī)x比現(xiàn)有的激光測(cè)距儀具有更高的測(cè)量精度。
本激光測(cè)量?jī)x能對(duì)一定區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行距離、方位等參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)，能給出被測(cè)目標(biāo)的地理位置參數(shù)即對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，并能分析、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示測(cè)量結(jié)果，可存儲(chǔ)數(shù)萬個(gè)已測(cè)目標(biāo)的距離、方位及地理位置參數(shù)。
本激光測(cè)量?jī)x廣泛適用于地理測(cè)繪、橋梁架設(shè)、隧道開挖、樓宇建筑等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)距離、角度、面積、體積等各種幾何參數(shù)的測(cè)量，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
權(quán)利要求
1.一種智能型全固化激光測(cè)量?jī)x，由激光發(fā)射裝置、激光接收裝置、智能化測(cè)量裝置組成，其特征在于激光發(fā)射裝置為一種全固化激光發(fā)射器，由半導(dǎo)體激光器(1)、半導(dǎo)體激光電源(2)、YAG固體激光器(3)、半導(dǎo)體冷暖器(4)、半導(dǎo)體恒溫盒(5)、激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(6)組成，半導(dǎo)體恒溫盒(5)一端與半導(dǎo)體激光電源(2)連接，另一端與激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(6)相連，半導(dǎo)體激光器(1)、YAG固體激光器(3)、半導(dǎo)體冷暖器(4)置于半導(dǎo)體恒溫盒(5)內(nèi)；激光接收裝置為一個(gè)激光接收光學(xué)系統(tǒng)(7)；智能化測(cè)量裝置由光電傳感器(8)、信號(hào)處理裝置(9)，單片機(jī)系統(tǒng)(10)，晶振裝置(11)、測(cè)量電路(12)、衛(wèi)星定位裝置(13)、數(shù)顯裝置(14)依次相互相連構(gòu)成。
全文摘要
一種智能型全固化激光測(cè)量?jī)x，由激光發(fā)射裝置、激光接收裝置、智能化測(cè)量裝置組成，激光發(fā)射裝置為一種全固化激光發(fā)射器，由半導(dǎo)體激光器1、半導(dǎo)體激光電源2、YAG固體激光器3、半導(dǎo)體冷暖器4、半導(dǎo)體恒溫盒5、激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)6組成，半導(dǎo)體恒溫盒5，一端與半導(dǎo)體激光電源2連接，另一端與激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)6相連，半導(dǎo)體激光器1、YAG固體激光器3、半導(dǎo)體冷暖器置于半導(dǎo)體恒溫盒5內(nèi)；激光接收裝置為一個(gè)激光接收光學(xué)系統(tǒng)7；智能化測(cè)量裝置由光電傳感器8、信號(hào)處理裝置9，單片機(jī)系統(tǒng)10，晶振裝置11、測(cè)量電路12、衛(wèi)星定位裝置13、數(shù)顯裝置14依次相互相連構(gòu)成。本激光測(cè)量?jī)x具有體積小，重量輕，攜帶方便，測(cè)量和定位精度高，工作穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，能對(duì)一定區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行距離、方位等參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，并能分析、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示測(cè)量結(jié)果。
文檔編號(hào)G01S17/06GK1598615SQ200410040730
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月15日
發(fā)明者仲元昌 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)