專利名稱：斜波輔助測時精密脈沖激光測速儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量儀器，更確切地說是涉及一種測量運動物體速度的脈沖激光測速儀。
隨著公路建設和交通運輸業(yè)的飛速發(fā)展、公路交通事故也日益增多，現(xiàn)我國平均每年發(fā)生交通事故20余萬起，死傷25萬余人，給國家財產(chǎn)和人民的生命安全造成極大的損失和威脅。眾所周知“十次肇事九次快”，超速行駛是造成行車事故的主要原因。因此監(jiān)測車輛行駛速度并及時對超速車輛給予警告和制止是避免或減少此類交通事故的重要交通管理手段。
目前，我國交通管理部門全部是采用微波雷達測速儀對車速進行檢測，這種測速儀有以下幾項致命的缺陷一是微波發(fā)散角達2-4弧度，當超速車距測速點500米時，其擴散程度可高達75米，因此很難從車群中準確地將可疑超速車揭示出來，從而失去了執(zhí)法依據(jù)；二是雷達測速系統(tǒng)檢測時間需要2-3秒，這樣長的時間給超速車駕駛員提供了減速的機會，使檢控率下降；第三，微波雷達工作在微波段，長期暴露在雷達微波輻射場內(nèi)的人容易患上腦腫瘤等嚴重疾病，因此也限制了它的推廣使用。雷達測速儀已屬于被淘汰之列，急需用一種新的測速儀取而代之。
脈沖激光測速儀采用半導體激光器發(fā)射一串近紅外激光脈沖，經(jīng)運動目標反射后，回射的激光被光電管接收，通過對發(fā)射脈沖之間的時間間隔和脈沖傳輸時間的測量以及計算處理，可求得運動目標相對于測試點的距離和目標的運動速度。
假設脈沖激光測速儀一次僅發(fā)射兩個測量光脈沖，這兩個光脈沖之間的時間間隔固定為Δt0，兩個測量光脈沖與相應的回波光脈沖信號的時間間隔分別為Δt1和Δt2，設c為空氣中的光速，并考慮到Δt1和Δt2是脈沖光往返傳輸所花費的時間，因此由第一個測量光脈沖所測得的距離S1=cΔt1/2……(1)由第二個測量光脈沖所測得的距離S2=cΔt2/2……(2)運動目標的運動速度為 V=(S1-S2)/Δt0……(3)由于Δt0為事先設定的值，由(3)式可知，測速問題實際上是測距問題，因此測速的精度也就取決于測距的精度。
在實施脈沖激光測距時，是在發(fā)射測量光脈沖的同時也給出參考脈沖(起始脈沖)，經(jīng)整形后打開一個電子門，這時與電子門連接的時鐘振蕩器的時鐘脈沖通過電子門進入計數(shù)電路，開始統(tǒng)計時鐘脈沖個數(shù)進行測時，一直到反射的回波光脈沖信號到來(結束脈沖)關閉電子門停止計時。由于時鐘振蕩頻率fo是已知的，若記錄的脈沖數(shù)為Ni，則可求得光脈沖的往返傳輸時間Δti=ni/fo……(4)。
顯然，由于計時停止的時間并不等于最后一個計數(shù)脈沖到來或結束的時間，因此這種通過時鐘脈沖計數(shù)測距的計數(shù)精度為1個時鐘脈沖，例如最后一個計數(shù)脈沖到計時停止之間的時間段ΔT被忽略不計了，從而帶來測量誤差。換句話說，脈沖計數(shù)測距的測量精度決定于一個計數(shù)時鐘脈沖所對應的周期T，即測距精度2ΔS=CT=c/f0或fo=c/2ΔS……(5)，可見，為了達到15cm的測距精度，fo=(3×1010)/2×15=1GHZ，即需要用1GHZ的計數(shù)器，這對計數(shù)器及相關電路的要求是較高的，對實施帶來難度。
本實用新型的目的是設計一種斜波輔助測時精密脈沖激光測速儀，通過采用斜波輔助法測時，可大大降低對計數(shù)器及相關電路的要求，同時提高測時和測距的精度，最終提高測速的精度。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，斜波輔助測時精密脈沖激光測速儀，包括測距裝置、微控制器單元和顯示單元；所述的測距裝置包括由測量脈沖發(fā)生器、激光發(fā)射器和發(fā)射望遠光學系統(tǒng)組成的發(fā)射部分，和由接收光學系統(tǒng)、第一、第二光探測器和起始脈沖信號放大整形電路及結束脈沖信號放大整形電路組成的接收部分；所述的微控制器單元包括微處理器、計數(shù)器和計數(shù)脈沖振蕩器，其特征在于所述的微控制器單元還包括有第一斜波發(fā)生器、第一斜波發(fā)生器的控制電路、第二斜波發(fā)生器、第二斜波發(fā)生器的控制電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；第一斜波發(fā)生器控制電路連接在所述起始脈沖信號放大整形電路輸出端與第一斜波發(fā)生器的控制端間，第二斜波發(fā)生器的控制電路連接在所述結束脈沖信號放大整形電路輸出端與第二斜波發(fā)生器的控制端間；所述第一、第二斜波發(fā)生器的輸出端分別連接所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的兩個輸入通道，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出連接所述的微處理器；所述計數(shù)器的計數(shù)允許端上連接有邏輯門電路，邏輯門電路的兩輸入端分別連接起始脈沖信號放大整形電路輸出端和結束脈沖信號放大整形電路輸出端。
所述的測量脈沖發(fā)生器、激光發(fā)射器是由PNP晶體三極管U3、Mos場效應晶體管U2、半導體脈沖激光器U1、電阻R1、R2，電容c1、電感L1連接組成的RLC脈沖形成電路；U3發(fā)射極接電源，U3基極連接所述的微處理器，U3集電極與U2的柵極連接并通過電阻接地，U2的漏極接地，U2的源極連接U1陰極，U1陽極接R2一端，R2另一端接L1一端，L1另一端連接R1一端及C1一端，C1另一端接地，R1另一端接電源。
所述的起始脈沖信號放大整形電路具有與結束脈沖信號放大整形電路相同的電路結構，由將第一或第二光探測器的電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號的前置放大器和進行整形并輸出起始、結束脈沖的電壓比較器連接構成。
所述的第一斜波發(fā)生器具有與第二斜波發(fā)生器相同的電路結構，由恒流源、充電電容和電壓放大器連接構成。
所述的第一斜波發(fā)生器的控制電路具有與第二斜波發(fā)生器的控制電路相同的電路結構，分別由JK觸發(fā)器、第一D觸發(fā)器、反相器、第二D觸發(fā)器、第三D觸發(fā)器和多路轉(zhuǎn)換器、PNP晶體三極管順序連接構成；兩JK觸發(fā)器輸出還分別連接多路轉(zhuǎn)換器的另一輸入端，第一斜波發(fā)生器的控制電路中的反相器輸出端和第二斜波發(fā)生器的控制電路中的反相器輸入端還分別連接所述計數(shù)器邏輯門電路的兩輸入端。
本實用新型的斜波輔助測時精密脈沖激光測速儀，利用半導體激光器向運動目標發(fā)出近紅外激光脈沖，再利用兩光探測器分別接收測量光脈沖及經(jīng)運動目標反射后的光脈沖，而分別形成供測量的起始脈沖和結束脈沖，利用起始脈沖及結束脈沖分別打開、關閉計數(shù)器，對時鐘脈沖計數(shù)，正整數(shù)倍的計數(shù)時鐘脈沖周期即構成這一時段測時的整數(shù)值部分；為了解決起始脈沖與結束脈沖與時鐘脈沖的不同步所造成的測量誤差問題，本實用新型還同時利用起始脈沖和結束脈沖分別控制兩個斜波發(fā)生器，完成時間-電壓轉(zhuǎn)換測量，并由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器完成電壓-數(shù)字轉(zhuǎn)換測量，測量數(shù)據(jù)經(jīng)微處理器運算構成起始脈沖至結束脈沖時段測時的小數(shù)值部分，微處理器還進一步計算出運動目標的速度及距測試點間的距離。
本實用新型的激光測速儀，由于激光發(fā)射的平行性決定了它的發(fā)散角只有3毫弧度，因此可以從遠處車群中準確地測出可疑車輛的速度；測量時間只需0.3秒，令超速駕駛員來不及作出減慢車速的反應；射線對人體無害；測速儀的作用距離可達600米，比雷達測速儀高100米。


圖1、本實用新型脈沖激光測速儀結構原理框圖；圖2、本實用新型斜波輔助測時波形示意圖；圖3、斜波輔助測時精密脈沖激光測速儀電路圖；圖4、時間間隔Δt計算關系圖；圖5、計數(shù)脈沖及相應的三角波、鋸齒波工作波形圖。
參見圖1、脈沖激光測速儀是光、機、電三位一體的測試儀器，由測距單元11、微控制器單元12和顯示單元13三大部件組成。
測距單元11包括發(fā)射、接收兩大部分，發(fā)射部分包括脈沖發(fā)生器111，激光發(fā)射器112和發(fā)射望遠光學系統(tǒng)113。激光發(fā)射器112中的激光器發(fā)出峰值光功率極高的窄光脈沖，激光器的出光面置于發(fā)射望遠光學系統(tǒng)113中鏡頭的焦點位置，由于鏡頭對光源的夾角約為25°，因此幾乎所有的發(fā)射光都可經(jīng)由發(fā)射望遠光學系統(tǒng)113呈平行光出射，對于半導體激光器來說，實現(xiàn)小于3毫弧度的輸出發(fā)散角是保證可以做到的。接收部分包括接收光學系統(tǒng)114、光探測器115和信號放大整形電路116，圖中117為激光發(fā)射器112的取樣器。光探測器115位于接收光學系統(tǒng)114中鏡頭的后焦面上。光探測器115包括對目標回射光的探測和對激光器取樣光的探測，同樣信號放大整形電路116也包括對兩者信號的放大及整形，即獲得測量的起始脈沖與結束脈沖。
微控制單元12對測距單元11所測的結果進行處理，獲得運動目標距測試點的距離及運動速度。主要包括實時分析與計數(shù)電路121、微處理器122和存貯器123。微處理器分別通過邏輯控制總線CB及數(shù)據(jù)總線DB與脈沖發(fā)生器111、實時分析與計數(shù)電路121連接。
顯示單元13主要包括數(shù)據(jù)輸出插口131和顯示器132，與數(shù)據(jù)總線DB連接。
微控制器單元12中的實時分析與計數(shù)電路121是本實用新型技術的關鍵所在，其工作原理請結合參見圖2，在起始脈沖到來時啟動計數(shù)器對時鐘脈沖計數(shù)，在結束脈沖到來時關閉計數(shù)器并同時啟動一斜波發(fā)生器，該斜波發(fā)生器由下一個時鐘脈沖關閉。如圖2中所示，在這一段時間ΔT內(nèi)斜波發(fā)生器的電壓由0上升到Vc。假設在一個計數(shù)周期T內(nèi)斜波發(fā)生器的電壓可從o上升到Vm，則ΔT/T=(Vm-Vc)/Vm=Vo/Vm……(6)以及 ΔT=nT+ΔT……(7)式中，V0為假設的結束脈沖到來時(t關)斜波發(fā)生器的電壓，Δt為測量光脈沖往返傳輸時間，n為計數(shù)器在起始脈沖至結束脈沖期間所計的時鐘脈沖總個數(shù)。采用以Vm為參考電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以測得Vm-Vc/Vm的比值，計數(shù)周期T已知，相應可求得ΔT值。
由(6)式、(7)式可知，采用斜波輔助測時對于提高測時、測距精度，以及最終提高測速精度的作用是顯而易見的。例如，若取ΔT精度為T的1/50，由前述測距精度式(5)，2ΔS=CΔT=0.02CT=0.02C/fo……(8)可見，為了達到15cm的測距精度，fo=0.02C/2ΔS=2×107HZ=20MHZ，只要求20MHZ的計數(shù)器，因此采用斜波輔助測時對計數(shù)器及其相關電路的要求可相應降低。
測速精度與測距精度是相關的，較高的測距精度影響了測速精度和測試時間。由前述(3)式可知ΔV=ΔS/Δto，設測速儀的測距精度提高到15cm，要求測速精度為ΔV=±1公里/小時，Δto=ΔS/ΔV=0.27秒可見，要保證±1公里/小時的測速精度，只需大約0.3秒的測試時間，顯然這個測速精度和測試時間對于實用的交通測速儀是十分合宜的。
參見圖3，測量脈沖由微處理器CPU提供，晶體三極管U3、MOS場效應晶體管U2及外圍元件電阻R1、電容C1、電感L1等連接組成激光器U1的驅(qū)動電路，是一個由RLC組成的脈沖形成電路。半導體脈沖激光器U1發(fā)出的是大功率、低抖動、固定寬度的窄脈沖光，C1是儲能元件，R1是充電電阻，充電時間由R1C1決定，L1是線路的集總電感，R2是負載電阻，U2起開關作用。測試前C1已充電到V1，測試時CPU送出觸發(fā)脈沖至觸發(fā)器D0(74)，再經(jīng)倒相觸發(fā)U3并使U2導通，C1經(jīng)L1、R2、U1、U2放電形成電流脈沖，激光器U1發(fā)出光脈沖。
在光接收電路中，光探測器U4通過取樣器(直接耦合)直接接收激光器U1的光脈沖信號，用于產(chǎn)生起始脈沖，由于接收的信號很強，因而可采用Pin探測器。光探測器U5接收從運動物體反射回來的光，用于產(chǎn)生結束脈沖，由于接收的信號較弱，因而采用APD探測器(二者均為高速探測器，其上升、下降時間都小于3ns)。U4、U5接收到光脈沖信號后即輸出電流信號，再經(jīng)高輸入阻抗、寬帶、低噪聲放大器(SN5212)前置放大形成電壓信號，最后經(jīng)電壓比較器(AD9696)整形，產(chǎn)生具有TTL電平的起始、結束方波脈沖信號，送入實時分析與計數(shù)電路進行測時。
實時分析與計數(shù)電路包括計數(shù)器IC1、模數(shù)變換器IC2、計數(shù)脈沖發(fā)生器IC3(20MHZ)、第一斜波發(fā)生器(晶體三極管U7、U8、U9，運算放大器IC4、電容C2等)、第二斜波發(fā)生器(晶體三極管U11、U12、U13，運算放大器IC5、電容C3等)，第一斜波發(fā)生器控制電路(JK觸發(fā)器DIA、D觸發(fā)器D2A、D3A、D4A和多路轉(zhuǎn)換器IC6等)和第二斜波發(fā)生器控制電路(J-K觸發(fā)器D1B、D觸發(fā)器D2B、D3B、D4B和多路轉(zhuǎn)換器IC7等)。第一斜波發(fā)生器控制電路接收起始方波脈沖信號，輸出信號控制第一斜波發(fā)生器的工作；第二斜波發(fā)生器控制電路接收結束方波脈沖信號，輸出信號控制第二斜波發(fā)生器的工作。
結合參見圖4，由起始脈沖到結束脈沖之間的時間間隔Δt可由三個時間段計算得到，其計算公式為Δt=T2+(T1-T3)……(9)其中T1為第一斜波發(fā)生器控制電路產(chǎn)生的第一個脈沖的寬度，它以起始脈沖的上升沿為起點，此后延時并以第二個時鐘脈沖的上升沿為終點。T3為第二斜波發(fā)生器控制電路產(chǎn)生的第二個脈沖的寬度，它以結束脈沖的上升沿為起點，此后延時并以第二個時鐘脈沖的上升沿為終點。其間的T2為一時間段，它以起始脈沖后的第1個時鐘脈沖的上升沿為起點，以結束脈沖后的第1個時鐘脈沖上升沿為終點?？梢?，T2相當于以時鐘脈沖寬度為計時單位時Δt的整數(shù)部分的數(shù)值，T1與T3的差則相當于Δt小數(shù)部分的數(shù)值，即式(9)。
由光接收電路送來的與計數(shù)時鐘不同步的起始和結束脈沖分別送到D1A和D1B J-K觸發(fā)器，D1A、D1B輸出信號一方面直接送到多路轉(zhuǎn)換器D5A、D5B的10、6腳，并因此在D5A、D6A的輸出端9、7腳產(chǎn)生T1、T3脈沖的上升沿，另一方面又經(jīng)D觸發(fā)器D2A、D3A、D4A、D2B、D3B、D4B時延(2倍的時鐘脈沖)后送多路轉(zhuǎn)換器D5A、D5B的13、3腳，從而產(chǎn)生T1、T3脈沖的下降沿。
T2由計數(shù)器IC1直接計數(shù)獲得，計數(shù)器IC1為8位二進制計數(shù)器(74HC590)。起始、結束方波脈沖信號分別由D2A經(jīng)反相器和由D2B送出，經(jīng)或門IC8(74AC32)送到計數(shù)器IC1的CLKEN端，作為計數(shù)開始和結束的控制信號，由于計數(shù)時鐘頻率為20MHZ，因此計數(shù)器記錄的T2數(shù)值是50ns的正整數(shù)倍。
T1和T3通過第一、第二斜波發(fā)生器及模＼數(shù)變換器進行時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換測量。它們首先通過斜波電路實現(xiàn)時間(脈沖寬度)-電壓幅度的轉(zhuǎn)換，然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)時間-數(shù)字的轉(zhuǎn)換。圖3電路中，時間-電壓幅度的轉(zhuǎn)換分別通過對已知電容C2、C3的恒流充電實現(xiàn)。例如，在IC6輸出T1脈沖之前，U6導通，電容C2為零電位，T1脈沖到來時，T1的上升沿使U6斷路，于是由U7、U8、U9組成的恒流源對C2充電，直到T1的下降沿到來時U6導通，充電停止，電容C2上電壓正比于充電時間即T1的脈沖寬度，該電壓值經(jīng)放大器IC4(TLC277)放大后，送入A/D轉(zhuǎn)換器IC2(LTC1093)的第1通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。
同理，也可完成對T3的測量，送A/D轉(zhuǎn)換器IC2的第2通道。
微處理器CPU接收T1、T2、T3并按式(9)計算，即可求得實測的Δt值。激光測速儀間隔0.27秒時間對準運動物體發(fā)出兩個測量光脈沖，測得相應的傳輸時間Δt1和Δt2，微處理器利用式(1)、(2)、(3)可計算出物體的運動速度。
參見圖5，利用斜波輔助測時方法可提高脈沖激光測速儀的測時、測速精度。作為類似的方法，也可在參考脈沖到來的同時，觸發(fā)一個三角波發(fā)生器或鋸齒波發(fā)生器等，其波形如圖5中所示，但它們的工作過程復雜，且鋸齒波還有多值問題，不如斜波法簡便易行。
權利要求1.一種斜波輔助測時精密脈沖激光測速儀，包括測距裝置、微控制器單元和顯示單元；所述的測距裝置包括由測量脈沖發(fā)生器、激光發(fā)射器和發(fā)射望遠光學系統(tǒng)組成的發(fā)射部分，和由接收光學系統(tǒng)、第一、第二光探測器和起始脈沖信號放大整形電路及結束脈沖信號放大整形電路組成的接收部分；所述的微控制器單元包括微處理器、計數(shù)器和計數(shù)脈沖振蕩器，其特征在于所述的微控制器單元還包括有第一斜波發(fā)生器、第一斜波發(fā)生器的控制電路、第二斜波發(fā)生器、第二斜波發(fā)生器的控制電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；第一斜波發(fā)生器控制電路連接在所述起始脈沖信號放大整形電路輸出端與第一斜波發(fā)生器的控制端間，第二斜波發(fā)生器的控制電路連接在所述結束脈沖信號放大整形電路輸出端與第二斜波發(fā)生器的控制端間；所述第一、第二斜波發(fā)生器的輸出端分別連接所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的兩個輸入通道，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出連接所述的微處理器；所述計數(shù)器的計數(shù)允許端上連接有邏輯門電路，邏輯門電路的兩輸入端分別連接起始脈沖信號放大整形電路輸出端和結束脈沖信號放大整形電路輸出端。
2.根據(jù)權利要求1所述的斜波輔助測時精密脈沖激光測速儀，其特征在于所述的測量脈沖發(fā)生器、激光發(fā)射器是由PNP晶體三極管U3、Mos場效應晶體管U2、半導體脈沖激光器U1、電阻R1、R2，電容C1、電感L1連接組成的RLC脈沖形成電路；U3發(fā)射極接電源，U3基極連接所述的微處理器，U3集電極與U2的柵極連接并通過電阻接地，U2的漏極接地，U2的源極連接U1陰極，U1陽極接R2一端，R2另一端接L1一端，L1另一端連接R1一端及C1一端，C1另一端接地，R1另一端接電源。
3.根據(jù)權利要求1所述的斜波輔助測時精密脈沖激光測速儀，其特征在于所述的起始脈沖信號放大整形電路具有與結束脈沖信號放大整形電路相同的電路結構，由將第一或第二光探測器的電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號的前置放大器和進行整形并輸出起始、結束脈沖的電壓比較器連接構成。
4.根據(jù)權利要求1所述的斜波輔助測時精密脈沖激光測速儀，其特征在于所述的第一斜波發(fā)生器具有與第二斜波發(fā)生器相同的電路結構，由恒流源、充電電容和電壓放大器連接構成。
5.根據(jù)權利要求1所述的斜波輔助測時精密脈沖激光測速儀，其特征在于所述的第一斜波發(fā)生器的控制電路具有與第二斜波發(fā)生器的控制電路相同的電路結構，分別由JK觸發(fā)器、第一D觸發(fā)器、反相器、第二D觸發(fā)器、第三D觸發(fā)器和多路轉(zhuǎn)換器、PNP晶體三極管順序連接構成；兩JK觸發(fā)器輸出還分別連接多路轉(zhuǎn)換器的另一輸入端，第一斜波發(fā)生器的控制電路中的反相器輸出端和第二斜波發(fā)生器的控制電路中的反相器輸入端還分別連接所述計數(shù)器邏輯門電路的兩輸入端。
專利摘要本實用新型涉及一種測量運動物體速度的脈沖激光測速儀,由測距裝置、微控制器單元和顯示單元組成。測距裝置中的發(fā)射部分發(fā)射測量光脈沖,其接收部分分別接收測量光脈沖形成起始脈沖和接收經(jīng)運動物體反射光形成結束脈沖。微控制器單元包括微處理器,對起始至結束脈沖間時段作主計時的計數(shù)器和實現(xiàn)輔助計時的兩套斜波發(fā)生器及A/D轉(zhuǎn)換器,完成時間－電壓－數(shù)字的轉(zhuǎn)換測量。由微處理器計算出物體運動速度。測速精度高且結構簡單。
文檔編號G01P3/36GK2310325SQ9722108
公開日1999年3月10日 申請日期1997年7月9日 優(yōu)先權日1997年7月9日
發(fā)明者張應寧, 林世鳴 申請人:張應寧, 林世鳴