CN101216562A - 激光测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光测距系统，其包括发射模块和接收模块，所述发射模块包括发射光学系统及激光发射器，发射脉冲激光信号；所述接收模块包括接收光学系统及激光接收器，接收脉冲激光信号并将其转化为脉冲电信号；时间/数字转换器，检测和计算发射脉冲信号和接收脉冲信号的时间差；时钟发生器，输出校准时钟信号给时间/数字转换器；以及单片机微控制器，控制所述发射模块、接收模块、时间/数字转换器及时钟发生器，并据所述时间差计算相应的目标物与激光测距系统所在位置的真实距离。本发明的激光测距系统光学系统简洁，时间差的检测、计算和校准精确度高，整机产品体积小、成本低、且误差小，可靠性高。

Description

激光测距系统

【技术领域】

本发明涉及一种激光测距系统，尤其是涉及一种采用脉冲回波式(TOF，Time-of-Flight)激光测距方式的激光测距系统。

【背景技术】

当前现有的激光测距仪种类较多，利用激光测距的原理也有多种。目前，激光测距所运用的原理大致可分为干涉式、相位式及脉冲回波式三种：

一、干涉式激光测距。干涉式激光测距方式对外界环境的震动极为敏感，并且只能测量相对位移量，所以适合使用在极短距离且外界环境稳定的精密测量上。

二、相位式激光测距。相位式激光测距方式分辨率较高，但由于相位检测器只能测量到两信号(发射和接收激光脉冲信号)的相位差，当相位差超过调制波长的一半时，则不易判断。因此在测量较长距离时，必须将调制频率变小，但这会使距离的分辨率变差。如果同时要保证高的分辨率与大的测量范围，就必需利用几个不同的调制频率对同一距离作测量，这样会大大增加系统电路的复杂程度。加上不同目标物的材质会对回波的相位产生误判的影响，故必须使用一个角锥棱镜作目标物，使其回波相位不受目标物材质的影响，才能得到真正的实际距离，而这在实际应用上不易达成。并且因为要使用连续光波输出，过强的输出功率会伤害人眼，测量距离将因激光输出功率的限制而受限。

三、脉冲回波式激光测距。脉冲回波式即激光脉冲飞行时间TOF(Time-of-Flight)方式。

一般而言，相位式激光测距的分辨率比脉冲回波式激光测距方式要高，但是脉冲回波式激光测距却有以下优点：在相同的总平均光功率输出的条件下，脉冲回波式可测量的距离远比相位式的要长。这是因为脉冲激光通常可以有很高的瞬间输出光功率，使较远处之目标物仍能反射回足够被检测到的激光信号强度。单次测距速率较快，可多次测量增加准确度。由于相位检测器所测量的是两个连续信号间的相对相位差，因此相位式在测量时间上也比较费时，这对于必须有高速测量速率及多次测量的系统而言，是一个不利因素。脉冲回波式测距的系统架构较为简单。在分辨率要求不太高的激光测距系统上，脉冲回波式是具有最理想架构的实现方式。

由于脉冲回波式测距是计算发射波与接收回波间的时间差求得待测距离，其中影响测距准确度的主要误差有：因物体的反射性质不同或测量距离的远近不同所产生回波脉冲的上升时间(上升沿)与振幅变化带来的误差，以及回波的时间差计算误差。目前的脉冲回波式(TOF)激光测距方式所应用的时间差计算方法，其缺陷是电路或较复杂，或成本较高，亦或精准度低、分辨率低、稳定和可靠性差。采用脉冲回波式激光测距方式的大多数产品存在光学系统、机械结构和电路组成均较为复杂的缺点。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种采用脉冲回波式激光测距方式的激光测距系统，其发射和接收不可见激光信号，采用高集成度和高精度的时间差计算电路。所述激光测距系统光学系统和机械构造简单，系统简易、精准度高、误差小，稳定可靠，且成本较低。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种激光测距系统，其包括发射模块和接收模块，所述发射模块包括由发射透镜及装设该发射透镜的发射腔体组成的发射光学系统、及激光发射器，经由发射光学系统发射脉冲激光信号；所述接收模块包括由接收透镜及装设该接收透镜的接收腔体组成的接收光学系统、及激光接收器，经由接收光学系统接收脉冲激光信号并将其转化为脉冲电信号；时间/数字转换器，用于检测和计算发射脉冲信号和接收脉冲信号的时间差；时钟发生器，输出校准时钟信号给时间/数字转换器；以及单片机微控制器，控制所述发射模块、接收模块时钟发生器时间/数字转换器及时钟发生器，并据所述时间差计算相应的目标物与激光测距系统所在位置的真实距离。

本发明的激光测距系统采用脉冲回波式原理，发射和接收不可见激光信号，并采用高集成度和高精度的时间差计算电路。光学系统简洁，时间差的检测、计算和校准是基于高集成度的CMOS大规模集成电路“时间/数字转换器”TDC电路来实现的，从而使其实现的激光测距仪整机产品体积小、系统简易、精确度高，误差小，稳定可靠、读数方便直观，且成本较低。所述激光测距系统可应用于激光测距仪、激光测距望远镜，还可应用于激光测速系统、汽车防撞系统等。

【附图说明】

图1是本发明激光测距系统的整体模块示意图。

图2是本发明激光测距系统的发射模块和接收模块示意图。

图3是本发明激光测距系统的整机装配示意图。

图4为本发明激光测距系统的工作原理示意图。

图5a是本发明激光测距系统的发射电路框图。

图5b是本发明激光测距系统的发射光学系统示意图。

图6a是本发明激光测距系统的接收电路框图。

图6b是本发明激光测距系统的接收光学系统示意图。

图7是本发明激光测距系统的时间/数字转换器TDC电路原理图。

【具体实施方式】

以下将结合具体实施方式对本发明进行详细描述。

请参阅图1，图1为本发明激光测距系统的整体模块示意图。本发明的激光测距系统包括：发射模块100，接收模块200，导向激光模块20，时间/数字转换器(TDC，Time-to-Digital Converter)30，单片机微控制器(Single ChipMicrocontroller)40，时钟发生器50，带背光的LCD液晶显示设备60，键盘70，电源装置80，JTAG(Joint Test Action Group，边界扫描测试标准)仿真和调试接口90，及烧录和标定接口95。

请一并参阅图1及图2，该发射模块100进一步包括：由发射透镜125及装设该发射透镜125的发射腔体128组成的发射光学系统，脉冲激光二极管150，及主要用于控制该脉冲激光二极管150的发射控制电路130。

该接收模块200进一步包括：由接收透镜225及装设该接收透镜225的接收腔体228组成的接收光学系统，硅PIN光敏二极管250，及主要用于控制该硅PIN光敏二极管250的接收控制电路230。

该导向激光模块20包括：用以发射可见激光的导向激光发射器22，以及用以控制该导向激光发射器22的开关的导向激光控制电路24。

该电源装置80包括电池82及电源管理器84。

请继续参阅图3，图3是本发明激光测距系统的整机装配示意图。所述激光测距系统整体装设于一壳体，其中发射模块100的发射光学系统，接收模块200的接收光学系统，以及导向激光模块20的导向激光发射器22装设于壳体的前端，便于发射、接收光信号以及可见激光点的出射。

而脉冲激光二极管150及发射控制电路130，硅PIN光敏二极管250及接收控制电路230，导向激光控制电路24，时间/数字转换器30，单片机微控制器40，时钟发生器50，LCD液晶显示设备60的驱动电路，JTAG仿真和调试接口90，及烧录和标定接口95都集成在PCB板上。发射控制电路130，接收控制电路230，导向激光控制电路24，时间/数字转换器30，时钟发生器50，LCD液晶显示设备60，键盘70，电源装置80，JTAG仿真和调试接口90，烧录和标定接口95都与单片机微控制器40的相应引脚电联接，而这些元件又都与电源装置80联接供给电源。

LCD液晶显示设备60和键盘70安装在壳体的外表面，电池82则安装在壳体的电池槽中。

请继续参阅图4，图4为本发明激光测距系统的工作原理示意图。本发明激光测距系统的基本原理是通过检测脉冲激光二极管150发射出的脉冲信号和硅PIN光敏二极管250收到的反射激光脉冲信号的时间差从而达到测量距离目的，并在LCD液晶显示设备60上显示出来的激光测距系统。激光测距系统前面有一个作为激光发射器的脉冲激光二极管150和一个作为激光接收器的硅PIN光敏二极管250，它们通过导向激光定位目标物后，向目标发射激光脉冲信号并接收目标反射回来的激光脉冲信号；再由时间/数字转换器30及时钟发生器50计算和校准出二者的时间差，然后由单片机微控制器40计算和修正出相应的目标物与激光测距系统所在位置的真实距离，最后在LCD液晶显示设备60上显示测量结果。

下面将进一步结合附图，对激光测距系统的具体构造和工作原理做详细的说明。

请一并参阅图5a及图5b，单片机微控制器40发出发射脉冲信号(TX pulse)到发射控制电路130，该发射控制电路130相当于一个控制开关，使脉冲激光二极管150导通，发射脉冲激光信号，然后透过发射透镜125以小束平行激光脉冲形式发射到目标物上。脉冲激光二极管150发射出的激光为905nm波长的不可见光，不会对人眼造成伤害。而导向激光发射器22发射出的可见激光是符合EN60825-1：XXXX标准的650nm波长之微功率(＜1mW)二级激光(CLASS 2)，则需要对人眼进行防护。

请一并参阅图6a及图6b，接收光学系统包括一片对905nm波长激光具有高透过率的聚焦接收透镜225、一片置于硅PIN光敏二极管250和接收透镜225之间的滤光片226和一个接收腔体。目标物反射回的脉冲激光信号透过接收透镜225，经过滤光片226滤波后，聚焦到硅PIN光敏二极管250上，转化为脉冲电流信号，再送到放大电路进行放大，然后在电流/电压(I/V)转换电路里把放大的脉冲电流信号变成脉冲电压信号，最后在整形比较电路里，将脉冲电压信号和单片机微控制器40送出的稳定比较电平(Comp.level)进行比较，再输出方波形式的接收脉冲信号(RX pulse)，并送到时间/数字转换器30。

通过导向激光定位目标物后，激光脉冲信号从测距仪向目标物发射，然后从目标物反射回测距仪的整个飞行时间TOF(time-of-flight)，亦即激光脉冲信号发射和接收时间差的检测、计算和校准是使用国际先进的专用CMOS大规模集成电路(ASIC)“时间/数字转换器”TDC电路来实现的。

请继续参阅图7，时间/数字转换器30主要用于时间差的检测、计算和校准，具有较高的集成度和精度。时间/数字转换器30把单片机微控制器40送来的启动脉冲信号(Start pulse)和射脉冲信号(TX pulse)，同接收控制电路230送来的接收脉冲信号(RX pulse)进行相关计算，算出发射脉冲(TX pulse)和接收脉冲信号(RX pulse)到达时间/数字转换器30的时间差值，然后再用时钟发生器50送来的校准时钟(Calclk)进行时间校准，得到准确的时间差值(ΔTCAL)，并用并行数据的方式送给单片机微控制器40进行处理。

时间/数字转换器30是一个高精度的用低成本的门阵列(Gate Array)技术实现的TDC(TDC，Time-to-Digital Converter)模式器件。它采用了0.6μm CMOS制程技术，可工作在2.7V-5.5V的宽电源范围，封装形式为LQFP440.8mm微距封装。

在5V工作电源时，此TDC电路可达到45ps(皮秒)的典型分辨率。这是传统的测量器件不能达到的。它结合了多次击发和多通道功能，可以进行时间差的同时和/或逐次连续测量。脉冲串触发测量模式(Burst Measurement Mode)和内部集成的运算器(ALU)使其性能更为完善。

内部集成的测量法则加之其使用的技术，此TDC器件可在低功耗情况下进行高精度时间差测量，从而使其在电池供电的应用中得到广泛使用。

总之，该时间/数字转换器30很适合时间差值的测量的应用，比如，在激光距离测量，相位测量，超声定位和温度测量等方面，可以成功地完成系统的实现方案。

单片机微控制器40控制电路实现如下功能：

1、接收键盘70按键发出的指令信号，进行相应的功能控制和操作，协调其它外围功能模块的运作步骤。

2、输出控制和数据信号给电源管理电路84，分别控制其它外围功能模块的供电电压值和供给时机；并同时接收电源管理电路84反馈回来的监测信号，进行监控，保证系统在测量状态时各供电电压的稳定和质量，以及系统在非测量状态时(待机，睡眠和关机状态)对其它外围功能模块部分或全部进行适时关断，以达到省电目的。

3、输出控制和数据信号给液晶显示驱动电路，使LCD液晶显示设备60显示期望测量数据和信息，并以背光照明。

4、输出使能信号(Laser enable)给导向激光控制电路24。控制导向激光发射器22的适时打开/关闭，以达到目标物的定位和系统省电目的。

5、输出启动脉冲信号(Start pulse)给时间/数字转换器30电路。起动/告知时间/数字转换器30测量状态的开始，并提供测量的起始时间参考点。

6、输出发射脉冲信号(TX pulse)到发射电路130和时间/数字转换器30电路。激励脉冲激光二极管150发出瞬间功率强的激光脉冲，并为时间/数字转换器30提供第一个计时暂停(Stop A)脉冲。

7、输出比较电平(COMP.level)给接收电路230。尽可能使接收脉冲波(RXpulse)整形锐化成上升沿很短的方波。

8、输出振荡使能信号(Osc.enable)给时钟发生器50电路。控制振荡器的适时打开/关闭，以达到提供时间校准源和系统省电目的。

9、通过JTAG仿真和调试接口90与相应的仿真器连接。可对系统进行实时在线仿真和调试，系统软件编程和硬件修改方便。

10、通过烧录和标定接口95，既可对单片机微控制器40的程序进行反复的修改和升级之烧写工作，也可对每一激光测距系统个体进行标定工作，便于产品生产。

11、单片机微控制器40通过并行口收到时间/数字转换器30时间送来的准确时间差值ΔTCAL，弃除发射电路130及发射光学系统对发射脉冲信号(TX pulse)的延迟时间ΔTTx，以及接收电路230及接收光学系统对接收脉冲信号(RX pulse)的延迟时间ΔTRx，并且考虑整个电路在时间域上的漂动(温漂、电磁干扰等)ΔTΔ，目标物反射率(色差、材质、光洁或粗糙度等)及测程信号强弱所带来的时间差异ΔTr，计算出从激光测距仪发射到目标物，再从目标物反射回激光测距仪之整个激光脉冲在空间的实际往还飞行时间(The time-of-flight)ΔTTOF：

ΔTTOF＝ΔTCAL-(ΔTTx+ΔTRx)+(ΔTΔ+ΔTr)        ①

(ΔTΔ和ΔTr可能是正或负值)，

由公式：d＝ct/2c为光速，t为往还飞行时间②

得到激光脉冲从激光测距仪到目标物的行程d：

d＝cΔTTOF/2                       ③

然后，修正激光飞行线路(光路，Light Path)行程与激光测距系统到目标物的真实距离(垂直距离或最短距离)的差值Δd，得到目标物与激光测距仪的真实距离D：

D＝d-Δd                                         ④

如果，选择的测量基准边(激光测距仪外观前沿或后沿)不同，还要考虑激光测距系统外观前后尺寸Δh，则有

最后，把相应数据送给LCD液晶显示电路，由显示屏显示测量距离。

12、单片机微控制器40还要进行测量距离的单位转换，面积/体积测量与中间值存储，延时测量，测量基准边(前沿/后沿)选择，最大及最小值测量与存储，持续测量，间接测量，勾股定律功能的实现，加减功能的实现，测量组数(如99组)存储，最后测量值(如99次)的调用等计算和功能操作。

13、单片机微控制器40还要实现系统测量状态(单次、持续测量状态)和非测量状态(待机，睡眠和关机状态)之间的转换。

比如单次测量状态时间为2S(时间可改变，下同)一次，持续测量状态为2S循环进行；待机状态为10S，睡眠状态为20S。系统在睡眠状态下超过20S后，即进入关机状态，直到下一次开机按键被触发，系统再进入待机状态。也就是说，激光测距系统装入电池82后：

(1)按一下开机键，系统复位，LCD液晶显示及背光电路工作，闪烁显示当前数据和信息(或上次测量数据和信息)，进入待机状态(2)。

(2)进入待机状态后，在10S钟内：

如有按测量键，则进入测量状态(3)；

如有按关机键，则进入关机状态(1)；

如果按除“测量键和关机键”外其它任一功能键，则维持待机状态(2)，重新记时10S；

如果没有按任何键，10S后则进入睡眠状态(4)。

(3)如果短暂按一下测量键，则进入单次测量状态，2S钟后LCD显示测量结果，测量完毕再进入待机状态(2)；如果按住测量键达2S，则进入持续测量状态，以2S为循环进行测量，即LCD显示每2S刷新一次测量结果，直到再按一下测量键，重新进入待机状态(2)。延时测量、面积/体积测量、最大及最小值测量、间接测量以及勾股定律功能和加减功能也可分为单次测量和持续测量，只是在待机状态下，先按一下想要选择的功能键，再短暂按一下或按住(2S)测量键，选择进入单次测量或者持续测量，然后经过对应所选择功能各自的运算法则进行计算后，最后在LCD上显示结果。

(4)进入睡眠状态后，LCD液晶显示器停止闪烁并静态显示最后一次测量结果之数据和信息，关掉LCD背光照明灯，单片机微控制器40运行在低速的省电模式，在20S钟内：

如有按关机键，则直接进入关机状态(1)；

如果按除“关机键”外其它任一按键，则再进入待机状态(2)；

如果没有按任何键，则自动进入关机状态(1)。

(5)在除“关机状态(1)”外任何状态下(即在任何时候的任何菜单里)，如有按关机键，则都可直接进入关机状态(1)，激光测距仪被关闭掉。

在测量状态下，时钟发生器50电路收到单片机微控制器40送来的振荡使能(Osc.enable)信号(低电平有效)，开始工作，再输出校准时钟(Calclk)信号给时间/数字转换器30进行测量时间差值的校准。在其它状态下振荡使能(Osc.enable)信号为高电平，时钟发生器50电路停止工作。

带背光的LCD液晶显示设备60及其驱动电路包含液晶显示驱动电路、LCD显示屏、背光驱动电路及背光灯片/板。

在除“关机状态”外任何状态下，LCD液晶显示设备60都会打开进行数据和信息的显示，背光灯则是在除“关机状态和睡眠状态”外其它状态下，才会点亮进行LCD显示屏的照明。

键盘70最基本配置有开机、关机、测量、单位转换和测量基准边选择键；也可扩展增加一些其它功能键，如持续测量、距离测量、面积测量、体积测量、延迟测量、间接测量、最大及最小值测量、调用最后测量值、勾股定律功能、加减功能、存储功能、清除及背光照明控制等按键；

一些两个或两个以上的按键也可复用为一个按键，如开机/关机、或开机/测量、或关机/清除、或加减/单位转换、或面积/体积测量选择、或距离/面积/体积测量选择等等复合按键。

电源管理电路84由主电源之升/稳压和控制电路、发射电路高压偏置和控制电路、接收电路高压偏置和控制电路三大部分组成。

在关机状态下：所有电源供给都会断开，达到最大限度的省电目的；

在睡眠状态下：只给单片机微控制器40和LCD显示电路供电，并且为了省电，单片机微控制器40工作在低速的省电模式；

在待机状态下：只给单片机微控制器40和LCD显示及背光电路供电，并且单片机微控制器40工作在其外设关闭的较高速之工作模式，这时整个系统耗电较大。

在测量状态下：系统所有功能模块的主电源均打开，发射和接收电路均获得高压，导向激光被点亮，单片机微控制器40工作在其外设打开的最高速之工作模式，整个系统全面正常工作，整机耗电达到最大。

电池82，本系统可适应：4×1.5V LR03(AAA)四节7号碱性电池的供电，或者6F229V一枚方型碱性电池的供电。

在测量状态下，导向激光控制电路24收到单片机微控制器40发来的使能(Laser enable)信号，点亮导向激光发射器22，发射可见激光射向待测目标物。在其它状态下导向激光控制电路24会关闭导向激光发射器22，以达到省电目的。

本系统选择的可见导向激光波长为：650nm(＜1Mw，CLASS 2)。

本系统的可见导向激光使用标准为：EN60825-1：03；EN60825-1：1994；EN60825-1：1993。

在系统开发和维修中，系统通过JTAG仿真和调试接口90与相应的仿真器连接，可对系统进行实时在线仿真、调试及寻找故障点。

在系统开发中，通过烧录和标定接口95可对单片机微控制器40的程序进行反复的修改和升级烧写工作。在激光测试仪产品生产中，通过标定接口，可对每一激光测距仪个体进行标定工作。

本激光测距系统方案特点是光学系统简洁，时间差的检测、计算和校准是基于高集成度的CMOS大规模集成电路“时间/数字转换器”TDC电路来实现的，从而使其实现的激光测距仪整机产品体积小、成本低、精确度高，误差小，稳定性好、可靠性高、读数方便直观。

Claims (12)

1.一种激光测距系统，其包括发射模块和接收模块，所述发射模块包括由发射透镜及装设该发射透镜的发射腔体组成的发射光学系统，所述接收模块包括由接收透镜及装设该接收透镜的接收腔体组成的接收光学系统，其特征在于：

所述发射模块进一步包括激光发射器，经由发射光学系统发射脉冲激光信号；

所述接收模块进一步包括激光接收器，经由接收光学系统接收脉冲激光信号并将其转化为脉冲电信号；

时间/数字转换器，用于检测和计算发射脉冲信号和接收脉冲信号的时间差；

时钟发生器，输出校准时钟信号给时间/数字转换器；以及

单片机微控制器，控制所述发射模块、接收模块、时间/数字转换器及时钟发生器，并据所述时间差计算相应的目标物与激光测距系统所在位置的真实距离。

2.根据权利要求1所述的激光测距系统，其特征在于：所述发射模块的激光发射器为一脉冲激光二极管。

3.根据权利要求2所述的激光测距系统，其特征在于：所述脉冲激光二极管发射出的激光为不可见光，不会对人眼造成伤害。

4.根据权利要求1或2所述的激光测距系统，其特征在于：所述发射模块进一步包括一发射控制电路用以控制所述激光发射器。

5.根据权利要求1所述的激光测距系统，其特征在于：所述激光接收器为一硅PIN光敏二极管。

6.根据权利要求1或5所述的激光测距系统，其特征在于：所述接收模块进一步包括一接收控制电路用以控制所述激光接收器。

7.根据权利要求5所述的激光测距系统，其特征在于：所述接收模块进一步包括一置于硅PIN光敏二极管和接收透镜之间的滤光片。

8.根据权利要求1所述的激光测距系统，其特征在于：所述激光测距系统进一步包括导向激光模块，其包括导向激光发射器用以发射一可见激光定位于目标物，及用以控制该导向激光发射器的导向激光控制电路。

9.根据权利要求1所述的激光测距系统，其特征在于：所述激光测距系统进一步包括液晶显示设备，用以显示测量参数。

10.根据权利要求1所述的激光测距系统，其特征在于：所述激光测距系统进一步包括一键盘。

11.根据权利要求1所述的激光测距系统，其特征在于：所述激光测距系统进一步包括一JTAG仿真和调试接口。

12.根据权利要求1所述的激光测距系统，其特征在于：所述激光测距系统进一步包括一烧录和标定接口。

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