專利名稱：手持式脈沖激光測距儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光精確測量距離的技術，具體是一種手持式脈沖激光測距儀。
背景技術：
脈沖激光測儀測距過程是通過發(fā)射一束激光脈沖，激光經(jīng)過被測目標反射后再回到測距儀，通過測量激光從發(fā)射到再次回到測距儀的時間來計算測距儀到目標的距離，計算公式是D = CX t/2，其中D是測量距離；C是光速；t是激光飛行時間；可見，激光飛行時間測量的精度決定了測距儀的分辨率；傳統(tǒng)的激光測距儀主要采用高速計數(shù)法和恒流源充電法。高速計數(shù)法就是采用高速計數(shù)器來直接測量激光飛行時間，激光發(fā)射時計數(shù)器開始計數(shù)，當激光被反射回測距儀時停止計數(shù)，由計數(shù)器的計數(shù)值可以計算出激光的飛行時間t = N/f N是計數(shù)值；f是計數(shù)器的時鐘頻率。要想獲得0. 5米的分辨率，則計數(shù)頻率必須達到300MHz，而且頻率必須非常穩(wěn)定，如此高的頻率對于手持式激光測距儀，無論從成本還是從電路設計來說都是一個極大的挑戰(zhàn)。恒流源充電法是在激光發(fā)射時通過一個恒流源對一只電容充電，當激光被反射回測距儀時停止充電，通過模數(shù)轉換器(ADC)測量電容上的電壓值就可以間接計算出激光飛行時間，通過調整恒流源對電容充電的速率或提高ADC的分辨率就可以提高時間測量的分辨率，當ADC的分辨率一定的情況下，測距分辨為d = R/ (2N-1) R是最大測程；N是ADC的位數(shù)，如果采用10位ADC，不考慮測距系統(tǒng)本身的延遲，當測距儀的測程為500米時，理論上可達到的測距分辨率為500/1023 = 0. 489米，如果想保證該分辨率而想增加最大測程，就必須提高ADC的轉換分辨率，也就是采用更高位數(shù)的ADC，隨著ADC分辨率的提高，對于電源噪聲要求也就越來越高，而且高分辨率AD器件的價格也比較高。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明旨在解決傳統(tǒng)測距方式中必須采用高速計數(shù)器電路或采用高精度ADC電路帶來的高電路難度和高成本問題。為實現(xiàn)該技術目的，本發(fā)明的方案是一種手持式脈沖激光測距儀，包括脈沖激光發(fā)射裝置、直接測量激光飛行時間的時鐘頻率第一計數(shù)器和第二計數(shù)器、通過恒流源對電容電壓充電來間接測量激光飛行時間的模數(shù)轉換器ADC、用于數(shù)據(jù)計算的微處理器單元 MCU;其中，脈沖激光發(fā)射裝置發(fā)射激光的同時啟動第一計數(shù)器進行計數(shù)，激光的返回信號在停止第一計數(shù)器計數(shù)的同時啟動恒流源對電容充電，并啟動第二計數(shù)器進行計數(shù)，第二計數(shù)器是一個帶進位的IBit計數(shù)器；當?shù)诙嫈?shù)器出現(xiàn)進位時，發(fā)出進位信號停止恒流源對電容的充電，并啟動模數(shù)轉換器ADC進行模數(shù)轉換；微處理器單元MCU讀取第一計數(shù)器的計數(shù)值和模數(shù)轉換器ADC的轉換結果來計算激光的飛行時間，進而得出測試的距離。所述計數(shù)器采用數(shù)兆赫茲計數(shù)頻率的低頻計數(shù)器，所述模數(shù)轉換器ADC為普通精度的8位模數(shù)轉換。
經(jīng)實驗，本方案的測距儀的抗溫度漂移性能則優(yōu)于現(xiàn)有技術的機型，而且通過采用低速計數(shù)器和通用ADC結合，既能保證測距儀的測程和精度同時還能兼顧電路制作成本較低的特點。


圖1為本發(fā)明所用方法的示意圖。圖2為本發(fā)明的測距儀的原理框圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。針對傳統(tǒng)手持式脈沖激光測距儀存在的上述問題，本專利提出了一粗尺、精尺相結合的方法解決了高分辨率、低成本與遠測程之間的矛盾；如圖1所示，當接收到激光回波信號時第一計數(shù)器的計數(shù)值為N，相應的激光飛行時間為to，而實際的激光飛行時間是tl， 通過AD可以測出tl到t2的時間，實際激光飛行時間為tl = t2(t2 tl) = (N+2)/f-(t2 tl)第一計數(shù)器即為粗尺，測距分辨率要求不高；8位ADC即為精尺，只需要測量最長為兩個計數(shù)脈沖之間的時間，通過調整恒流源的充電速率，最大可實現(xiàn)的分辨率為2/ (255Xf)。如采用4MHz的計數(shù)器頻率，可以得到1. 96ns的時間分辨率，測距分辨率為0. 29 米，最大測程為DMAX = (2N-1) XC/fN是第一計數(shù)器的位數(shù)；f是計數(shù)頻率；C是光速；對于8位計數(shù)器，計數(shù)頻率為 4MHz，最大測程為9562米，如果想增加測程，只需要提高第一計數(shù)器的位數(shù)即可。試驗對象是一臺測程為1200米的脈沖激光測距儀，原型機采用的是恒流源充電法，采用12位ADC測量充電電容的電壓，12位ADC在基準電壓為5V時的分辨率為1. 2mV， 也就是說充電電容上的電壓有1. 2mV的波動都會造成AD轉換結果的波動；為解決上述問題，原型機采用了精密恒流源、溫度補償電路、低噪聲DC-DC電源芯片，充電電容也必須選用低漏電流的精密電容，成本進一步增加，而12位AD器件目前的市場價格約在Y16. 00以上。在1000米距離上原型機實測分辨率優(yōu)于0.6米。利用本專利所述方案對該機進行改造，采用4MHz計數(shù)頻率，AD為8位，8位AD在基準電壓為5V時的分辨率是19. 6mV,抗波動能力大幅提高，可使用普通瓷片電容作為充電電容，恒流源采用通用恒流二極管，在不增加硬件成本的前提下，軟件上增加了自校準功能，經(jīng)實驗在1000米距離上測距分辨率與原型機相當，但抗溫度漂移性能則優(yōu)于原型機，8位AD器件的市場價格約Y6. 00，成本降低較為明顯，在當前企業(yè)利潤微薄的情況下，該專利方案有較高的推廣價值。該專利的原理框圖如圖2所示。測距發(fā)射激光脈沖的同時啟動第一計數(shù)器進行計數(shù)；激光的返回信號則停止第一計數(shù)器計數(shù)，同時啟動恒流源對電容C充電，并啟動第二計數(shù)器進行計數(shù)，第二計數(shù)器是一個帶進位的IBit計數(shù)器；當?shù)诙嫈?shù)器出現(xiàn)進位時，進位信號停止充電并啟動ADC進行AD轉換，MCU讀取第一計數(shù)器的計數(shù)值和ADC的轉換結果來計算激光的飛行時間。
權利要求
1.一種手持式脈沖激光測距儀，包括脈沖激光發(fā)射裝置，其特征在于，還包括直接測量激光飛行時間的時鐘頻率第一計數(shù)器和第二計數(shù)器、通過恒流源對電容電壓充電來間接測量激光飛行時間的模數(shù)轉換器ADC、用于數(shù)據(jù)計算的微處理器單元MCU ；其中，脈沖激光發(fā)射裝置發(fā)射激光的同時啟動第一計數(shù)器進行計數(shù)，激光的返回信號在停止第一計數(shù)器計數(shù)的同時啟動恒流源對電容充電，并啟動第二計數(shù)器進行計數(shù)，第二計數(shù)器是一個帶進位的IBit計數(shù)器；當?shù)诙嫈?shù)器出現(xiàn)進位時，發(fā)出進位信號停止恒流源對電容的充電，并啟動模數(shù)轉換器ADC進行模數(shù)轉換；微處理器單元MCU讀取第一計數(shù)器的計數(shù)值和模數(shù)轉換器ADC的轉換結果來計算激光的飛行時間，進而得出測試的距離。
2.根據(jù)權利要求1所述的測距儀，其特征在于，所述計數(shù)器采用數(shù)兆赫茲計數(shù)頻率的低頻計數(shù)器，所述模數(shù)轉換器ADC為普通精度的8位模數(shù)轉換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種手持式脈沖激光測距儀，包括脈沖激光發(fā)射裝置、時鐘頻率第一計數(shù)器和第二計數(shù)器、模數(shù)轉換器，微處理器單元；其中，脈沖激光發(fā)射裝置發(fā)射激光的同時啟動第一計數(shù)器進行計數(shù)，激光的返回信號在停止第一計數(shù)器計數(shù)的同時啟動恒流源對電容充電，并啟動第二計數(shù)器進行計數(shù)，第二計數(shù)器是一個帶進位的1Bit計數(shù)器；當?shù)诙嫈?shù)器出現(xiàn)進位時，發(fā)出進位信號停止恒流源對電容的充電，并啟動模數(shù)轉換器進行模數(shù)轉換；微處理器單元讀取第一計數(shù)器的計數(shù)值和模數(shù)轉換器的轉換結果來計算激光的飛行時間，進而得出測試距離。本方案的抗溫度漂移性能則優(yōu)于現(xiàn)有機型，且通過采用低速計數(shù)器和通用ADC結合，既能保證測程和精度，還能兼顧電路制作的低成本。
文檔編號G01S17/08GK102466801SQ201010567678
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權日2010年11月18日
發(fā)明者付陸欣, 李春富 申請人:付陸欣, 李春富