專利名稱：一種激光測距方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測距方法與裝置。
激光測距的基本原理為計算激光信號光由測距器射出開始、照射在目標(biāo)物上、再反射回到測距器的光傳感器元件上為止，所需的飛行時間(time-of-fly)△T;利用此飛行時間△T，可直接估算測距器與目標(biāo)物間的距離D(若不考慮空氣折射率，則飛行時間△T約等于激光信號返的之兩倍距離2D除以光速)。然而，由于激光信號以光速行進(jìn)，且光速為一極大的值，欲使距離D的精度達(dá)到15cm時，其飛行時間△T的測量精度需達(dá)1ns(10-9秒)。故，如何準(zhǔn)確且快速的測量出飛行時間△T，是激光測距的關(guān)鍵技術(shù)。
傳統(tǒng)的測距方法，是利用電子電路技術(shù)，將要測的飛行時間△T的信號寬度拉長以便測量;或?qū)w行時間△T的信號轉(zhuǎn)換成其他易于測量的電氣數(shù)值(例如電壓等)試圖以該電氣數(shù)值的變化，反推飛行時間△T的大小;然而，無論利用上述哪個方法，都將大大增加電子電路的復(fù)雜度與精密電子元件的需求量，且易受溫度的影響。當(dāng)然，也可利用激光信號的相位變化測量飛行時間△T，然而此測量方式的電子電路更加復(fù)雜且計算速度更慢。
一般的激光測距器，有利用兩個光傳感器分別感應(yīng)發(fā)射及接收的激光信號，用此計算激光信號的飛行時間△T;但是，由于使用兩個光傳感器使得信號處理量加倍，相對地其電路復(fù)雜度也為之提高。于是，較進(jìn)步的激光測距器是利用一個光傳感器負(fù)責(zé)感應(yīng)由測距器發(fā)射及接收的激光信號，這固然簡化其電路的復(fù)雜度，但此設(shè)計因須利用光纖將反饋的激光導(dǎo)至光傳感器上，光纖將遮擋部份激光光源的發(fā)射面積，導(dǎo)致激光發(fā)射信號減少，造成光學(xué)設(shè)計的難度增加，且光傳感器接收信號的效率也為之降低;進(jìn)一步說，由于一個光傳感器須負(fù)責(zé)感應(yīng)由測距器發(fā)射及接收的激光信號，故其信號處理電路設(shè)計的困難度也將因此而大為提高。
一般的激光測距器其測距范圍的精度，都因不同的需求而須有不同的設(shè)計;并且任何激光測距方式，其測距精度均受其測距方法的解析度(resolution)限制，要改變?nèi)我患す鉁y距器的精度，使之適合需求而改變設(shè)計，其耗費的人力、物力，無異于開發(fā)新的激光測距器，在現(xiàn)階段無法輕易實現(xiàn)。然而，激光測距器常因應(yīng)用場合不同，而有不同的精度需求。
有鑒于此，本發(fā)明乃提供一種激光測距裝置，利用數(shù)個數(shù)字可程式信號延遲發(fā)生器(digitallyprogrammabledelaygenerator，以下簡稱DPDG)為關(guān)鍵元件，設(shè)計出一種較熟知的測距電路簡化許多的測距電路。
本發(fā)明的主要目的，在于利用DPDG的特性，以數(shù)字程式控制手段，使一個脈沖信號(pulsesignal)的上升邊界(risingedge)延遲適當(dāng)?shù)臅r間，藉以設(shè)計成簡化的測距電路;不須將時間信號寬度拉長或作信號形式的轉(zhuǎn)變。
本發(fā)明的又一目的，在提供一種激光測距方法，利用DPDG的電路，作時間差的精密修正及測量，可準(zhǔn)確而有效地完成測距的功效;且激光信號的發(fā)射時間，可直接由激光驅(qū)動電路的觸發(fā)邊緣信號提供，故測距電路僅須負(fù)責(zé)檢測返回的激光信號，而無光纖反饋的必要，大大地提高光傳感器的效率、減少光學(xué)設(shè)計的難度，也降低了信號處理電路設(shè)計的困難度。且因以數(shù)字信號處理，受溫度的影響不大。
本發(fā)明的另一目的，在于可利用將測量時間差用的DPDG予以串接，而能輕易地增加數(shù)倍至數(shù)十倍的測距范圍精度，以滿足各種不同精度需求的場合。
本發(fā)明激光測距的方法及裝置是包括一激光信號驅(qū)動器、一光發(fā)射器、一光接受器、一飛行時間處理單元及一微處理器;利用飛行時間處理單元中的一或兩個DPDG作發(fā)射及接受信號時間差的校正，再以至少一個DPDG配合一數(shù)據(jù)正反器(dataflip-flop)作時間差的測量，使微處理器可準(zhǔn)確而快速地計算激光信號的飛行時間△T，完成測距的功效。
結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明內(nèi)容。
圖1為本發(fā)明系統(tǒng)組成的示意圖。本發(fā)明包括一激光信號驅(qū)動器1，除用以驅(qū)動一光發(fā)射器2產(chǎn)生經(jīng)調(diào)制的激光脈沖信號光，并提供一發(fā)射時間(transmitting time)觸發(fā)邊緣信號Tt至飛行時間處理單元4，以即時反應(yīng)激光信號的發(fā)射時間;一光發(fā)射器2，是包含一激光二極管21，用以發(fā)出激光信號光，此激光信號光經(jīng)由光纖22導(dǎo)入透鏡23，投射至目標(biāo)物(未圖示)上;一光接收器3，用以將從目標(biāo)物反射的激光信號光經(jīng)由透鏡31，導(dǎo)入光纖32，接引至一光傳感器33，并使之產(chǎn)生另一相當(dāng)于激光信號光飛行時間△T的反向散射時間(backscatter time)觸發(fā)邊緣信號Tb到飛行時間處理單元4;該飛行時間處理單元4將上述發(fā)射及接收的兩個觸發(fā)邊緣信號Tt及Tb，在一微處理器5的控制下，作時間差的精密修正及測量，即可計算激光信號光的飛行時間△T，完成測距的功效。
圖2為本發(fā)明飛行時間處理單元4的組成實施例及信號流程圖。此例中，飛行時間處理電路單元4包含三個數(shù)字可程式信號延遲發(fā)生器DPDG411，412，413及一數(shù)據(jù)正反器42。首先，激光信號發(fā)射及接收的兩個觸發(fā)邊緣信號Tt及Tb，按第一圖所述產(chǎn)生，分別輸入如圖示的DPDG411與DPDG413中，此二DPDG依據(jù)微處理器5的控制信號，將信號Tt及Tb作延遲時間的精密修正，分別產(chǎn)生適當(dāng)延遲信號T與R(如圖示)，使該延遲信號T與R之間的時差恰等于飛行時間△T。微處理器5進(jìn)一步控制DPDG412將延遲信號T作再次的延遲處理，產(chǎn)生變動的延遲信號TT，變動的延遲信號TT與延遲信號R分別輸入數(shù)據(jù)正反器42延遲，由其輸出狀態(tài)的變化，可使微處理器5準(zhǔn)確而快速地得知激光信號的飛行時間△T，此程序?qū)⒂趫D4詳述。在此說明延遲信號R的信號脈寬W可由DPDG外加(未圖示)的延遲線路(delayline)調(diào)整設(shè)定至適當(dāng)值(DPDG電路為已知技術(shù)，如下述)，以利計測飛行時間△T;延遲信號T及TT則僅取其上升緣信號(此等作用詳于第四圖敘述)。
本發(fā)明使用的DPDG為熟知元件，基本上含有一線性斜波發(fā)生器(linearrampgenerator)，D/A轉(zhuǎn)換器(D/Aconverter)及電壓比較器，外部輸入信號的上升緣首先觸發(fā)斜波發(fā)生器，電壓比較器隨即監(jiān)測下降中的斜波電壓，當(dāng)其到達(dá)由D/A轉(zhuǎn)換器界定的參考電壓值時輸出延遲信號。參考電壓值可由外界的微處理器等以數(shù)字信號輸入，因而可程式化地調(diào)設(shè)。至于斜波的長度，即最大可延遲時段，可用外加的電阻、電容依據(jù)本發(fā)明所能測量的最大距離范圍而調(diào)整決定，以下稱此最大可延遲時段為FS(full-scalerange)，在FS內(nèi)，利用微處理器的n個位元(bit)的輸入，能令DPDG將該FS劃分成2n段。例如n為8位元輸入，則FS可劃分成256段，亦即，對應(yīng)的測量距離也認(rèn)為劃分成256段;若微處理器輸入DPDG的資料為「1111111」，則延遲信號(其上升緣)產(chǎn)生于FS最遠(yuǎn)處;又如若微處理器輸入DPDG為「11111000」，則延遲信號發(fā)生在FS的第248段處;故經(jīng)由微處理器n個位元輸入的可程式作用，即可指定任一延遲時段，使DPDG產(chǎn)生正確、符合要求的延遲信號。
本發(fā)明使用的數(shù)據(jù)正反器42，具有數(shù)值輸入端D、時脈輸入端CLK及輸出端Q，其作用狀態(tài)為當(dāng)CLK端有觸發(fā)信號輸入時，若D端為高位準(zhǔn)輸入，則Q端為高位準(zhǔn)輸出;若I)端為低位準(zhǔn)輸入，則Q端也為低位準(zhǔn)輸出。亦即，數(shù)據(jù)正反器42的Q輸出端位準(zhǔn)的高或低，取決于CLK端觸發(fā)邊緣信號TT輸入時，D端延遲信號R位準(zhǔn)的高或低。
圖3，為本發(fā)明作飛行時間補嘗校正的信號延遲時脈圖。測距系統(tǒng)中，由于電子元件、電路及光纖…等因素造成的反應(yīng)時間延遲，使得飛行時間△T計算的不準(zhǔn)度提高;現(xiàn)有的激光測距技術(shù)卻因必須作時間補嘗校正而增加測距電路的復(fù)雜度。本發(fā)明運用DPDG可程式控制延遲信號的作用，使輸入脈沖信號Tt、Tb的上升緣，各延遲一指定的時間△t1、△t3而輸出，成為延遲的信號T及R。亦即，本發(fā)明可在對已知距離的測定下，校正DPDG411與DPDG413的延遲時間△t1及△t3，使延遲信號T與R之間的時差恰為飛行時間△T，亦即，系統(tǒng)反應(yīng)時間的延遲，均可由DPDG411與DPDG413作一次總補嘗(需注意信號T應(yīng)在信號R之前)。這樣不必變更測距電路，即可輕易解決系統(tǒng)反應(yīng)時間延遲的問題。進(jìn)一步言之，若本發(fā)明的應(yīng)用場合固定，即觸發(fā)邊緣信號Tt與Tb信號延遲狀況可利用多次實驗而獲得一較穩(wěn)定的結(jié)果，則可預(yù)先調(diào)設(shè)一固定的延遲時間，使之適合測距全程的信號補嘗，則DPDG411與DPDG413可舍去其一，即僅利用一DPDG作上述的總補嘗校正，達(dá)到精簡構(gòu)件的目的。
圖4為本發(fā)明中飛行時間處理單元計算激光信號飛行時間的信號時脈圖。在本實施例中，微處理器5即依據(jù)前述的補嘗校正目的，調(diào)整DPDG411與DPDG413延遲時間，使之分別將激光信號發(fā)射及接收的兩個觸發(fā)邊緣信號Tt及Tb延遲為適當(dāng)?shù)难舆t信號T與R，使其間的時間差為所要測量的飛行時間△T;接著，微處理器5依據(jù)后述的二分搜尋法(binary search)，隨著后續(xù)各次激光信號的發(fā)射、接收，不斷地發(fā)出控制指令改變DPDG412的延遲時間C值(如圖示之C1、C2等)，使得DPDG412在如圖示的FS內(nèi)，將延遲信號T嘗試作多次不同的延遲處理，并分別產(chǎn)生對應(yīng)的TT1、TT2…等延遲信號;數(shù)據(jù)正反器42依據(jù)由輸入端D及CLK輸入的信號R及TT而作用其輸出，可供微處理器5尋得正確的C值，以計算對應(yīng)的量測距離，其作用如下如圖4所示，假設(shè)DPDG412已設(shè)定其適當(dāng)?shù)淖畲笱舆t范圍FS，則由DPDG413輸出的延遲信號R的信號脈寬W亦被適當(dāng)調(diào)設(shè)至大于FS的一半，以便下述分析程序的進(jìn)行。在此假設(shè)DPDG412對FS的分段數(shù)為16(＝24)，而信號R的上升緣(即△T的末端)位于FS第5段與第6段之間，則微處理器5利用二分搜尋法，藉正反器42輸出端Q的信號狀態(tài)即可在n(在此為4)次搜尋后，得知適當(dāng)一延遲時間C值，使之與飛行時間△T極為近似，以計算對應(yīng)的測量距離。即首先，微處理器5令第一次延遲時間C1＝FS/2(即C1＝8)，使DPDG412產(chǎn)生如圖示的延遲信號TT1，則因其上升緣在延遲信號R之后，故數(shù)據(jù)正反器42之輸出端Q為高位準(zhǔn)，可將之定義為Q1＝1，故微處理器5令第二次延遲時間C2＝C1-FS/4(即C2＝4)，使DPDG412產(chǎn)生如圖示的延遲信號TT2，則因其上升緣在延遲信號R之前，故正反器42之輸出端Q為低位準(zhǔn)，定義為Q2＝-1，故微處理器5令第三次延遲時間C3＝C2+FS/8(即C3＝6)，使DPDG412產(chǎn)生如圖示的延遲信號TT3，則因其上升緣位于延遲信號R之后，正反器42之輸出Q3＝1，于是微處理器5令第四次延遲時間C4＝C3-FS/16，同理得Q4＝-1。至此即可得知延遲信號R，亦即飛行時間△T位于延遲時間C3(5)與C4(6)之間，可取中間值5.5表示，藉以計算距離值。當(dāng)然，若DPDG412對FS的分段數(shù)提高為28(即n＝8)，則測量的單位精度也提高，而此時二分搜尋需8次。上述程序可以概括方程式表示如下ΔT≈FS2-Σx=1nFS*QX2X+1]]>其中△T＝飛行時間FS＝DPDG412的最大可延遲時段n＝FS的分段數(shù)QX(X＝1，2，…n)＝第X次數(shù)值正反器42之Q端輸出;
定義為高位準(zhǔn)輸出值為1，低位準(zhǔn)輸出值為-1。
更進(jìn)一步說，上述的微處理器n個位元的數(shù)字輸入方式，乃因DPDG硬件的選用決定，n越大即分段越多，對測量的單位精度有幫助。其次，測量的距離范圍的需求，對應(yīng)FS范圍的大小，也決定激光測距裝置的單位精度。即FS愈大，其劃分的2n段當(dāng)然愈疏，其單位精度亦相對降低，反之，若FS愈小，其劃分的2n段愈密，其單位精度相對提高;由此可發(fā)現(xiàn)若以串接至少兩個DPDG的方式(即DPDG412之后再附加另一個DPDG)，使前者為較低單位精度，后者為較高單位精度，則可經(jīng)由低單位精度的DPDG先于其FS內(nèi)，快速尋得涵括延遲信號R(升緣信號部份)的一較窄時域范圍，再利用高單位精度的DPDG于該較窄的時段區(qū)間內(nèi)，以較細(xì)密的時域劃分作精確的逼近，如此，便可于兩個或更多DPDG搭配下，輕易地增加數(shù)倍至數(shù)十倍的測距精度。
本發(fā)明的測距裝置電路構(gòu)造簡單，易于彈性設(shè)計其精度特性，且微處理器以數(shù)值方式控制測距電路的運作，受環(huán)境溫度的影響較小，可適用于如汽車上對障礙物的動態(tài)測量，可快速測取相對移動的速度。


圖1本發(fā)明系統(tǒng)組成的示意圖。
1-激光信號驅(qū)動器3-光接收器2-光發(fā)射器31-透鏡21-二極體32-光纖22-光纖33-光傳感器23-透鏡4-飛行時間處理單元5-微處理器圖2本發(fā)明中的飛行時間處理單元的組成及信號流程圖。
42-數(shù)據(jù)正反器411-數(shù)字可程式信號延遲發(fā)生器412-數(shù)字可程式信號延遲發(fā)生器
413-數(shù)字可程式信號延遲發(fā)生器圖3本發(fā)明作飛行時間補嘗校正的信號延遲時脈圖。
圖4本發(fā)明中的飛行時間處理單元計算激光信號飛行時間的信號時脈圖。
權(quán)利要求
1.一種激光測距方法及其裝置，它是由激光信號驅(qū)動器及發(fā)射器、接收器以及由一微處理器控制的飛行時間處理單元所構(gòu)成，其特徵在于該激光信號驅(qū)動器，在驅(qū)動發(fā)射器輸出激光脈沖時，同時提供發(fā)射時間觸發(fā)信號至該飛行時間處理單元；該接收器，依據(jù)從目標(biāo)物反射的激光信號產(chǎn)生對應(yīng)于激光信號飛行時間的反向散射時間觸發(fā)信號至該飛行時間處理單元；該飛行時間處理單元，包含至少兩個數(shù)位可程式信號延遲發(fā)生器及一數(shù)據(jù)正反器，將上述的發(fā)射時間及反向散射時間的兩個觸發(fā)信號，于該微處理器的控制下，作時間差的適當(dāng)修正，并輸入該數(shù)據(jù)正反器；該微處理器，控制上述時間差的修正，并依據(jù)數(shù)據(jù)正反器輸出的狀態(tài)，判斷激光信號的飛行時間。
2.如權(quán)利要求1所述的一種激光測距方法及其裝置，其特征在于該飛行時間處理單元中，至少一個數(shù)位可程式信號延遲發(fā)生器，首先將上述發(fā)射及反向散射時間觸發(fā)信號的至少其一作延遲，使其間的時間差恰為正確的飛行時間，亦即，將系統(tǒng)反應(yīng)時間的延遲，依據(jù)已知距離作一次總補嘗。
3.如權(quán)利要求2所述的一種激光測距方法及其裝置，其特征在于該飛行時間處理單元中的至少一個數(shù)位可程式信號延遲發(fā)生器將依據(jù)該微處理器的控制已校正為飛行時間差的兩信號中較提前者，再作變動的時間延遲，使之逐次趨近兩信號中較落后者;該微處理器藉該數(shù)據(jù)正反器輸出的狀態(tài)，判斷得知一與該飛行時間最接近的延遲時間以代表該飛行時間。
4.如權(quán)利要求3所述的一種激光測距方法及其裝置，其特征在于該飛行時間處理單元中含有兩個數(shù)位可程式信號延遲發(fā)生器作變動時間的延遲，其中之一在一較大的時間范圍內(nèi)，分段延遲尋得粗略的飛行時間所在范圍，另一在該粗略分段范圍內(nèi)，作較細(xì)密分段延遲的精確逼近，以增進(jìn)測距精度。
全文摘要
一種激光測距方法及其裝置，是利用數(shù)個“數(shù)字可程式信號延遲發(fā)生器”作時間差的精密修正及測量，以達(dá)到高精度的測距，此裝置是由激光信號驅(qū)動器及發(fā)射器、接收器以及由一微處理器控制的飛行時間處理單元所組成。本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)簡單、易于彈性設(shè)計精度特性，受環(huán)境溫度影響小，可進(jìn)行動態(tài)測量。
文檔編號G01S17/08GK1094515SQ93101669
公開日1994年11月2日 申請日期1993年2月24日 優(yōu)先權(quán)日1993年2月24日
發(fā)明者史宇華 申請人:新典自動化股份有限公司