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CN110753825A - 汽车用积分式电光测距仪 - Google Patents

汽车用积分式电光测距仪 Download PDF

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Abstract

本发明的装置为一种电光测距仪，其通过将光束发射离开需要知道距所述仪表的距离的目标或物体来工作。与传统光学飞行时间仪表不同，在这种情况下，光束为形成功能部分的连续正弦信号，其包括其路径、馈电高增益放大器的正反馈线路的路径，从而变成具有与物体所处距离成比例的频率的振荡器，频率‑距离比为对数。该电路的本质特征在于，尽管用光来计算距离，但是其不需要超高速电路，而只需要传统的工业级电路、甚至商业级电路，以紧凑的形式为估计短程距离的需要提供低成本的解决方案。

Description

汽车用积分式电光测距仪
发明领域
本发明是在电子工程、光学物理和机械工程领域中发展起来的，其主要发展领域为光电子学。
背景技术
随着工业、自动化和运输工业在过去三十年中的发展，静态或动态地测量各种物体之间距离的需求也越来越大，并且已经出现了使用磁、声和光传感器装置或传感器的各种设计。基于磁场的测距装置的主要问题在于，其在短距离(通常小于20cm)上的操作受限，并且在存在高精度范围测量元件的情况下，构成更多的传感器。
声学型测距装置通常是称作飞行时间仪的装置，例如声纳和声雷达，在这些情况下，通常在超声波范围内，在希望知道距发射器的距离的物体的方向上且在已知声波在进行测量的介质中的传播速度的情况下，发出声脉冲，通过测量脉冲去和来所花费的时间来确定到物体的距离是相对容易的，这种类型的距离仪不仅可以确定距离本身，还可以通过利用多普勒效应确定物体与测量基准之间的相对速度；然而，当这些装置用于确定车辆之间的距离时，有两个因素在评估其在这类应用中的性能时肯定是负面的，第一个因素是成本，通常成本可能非常高，第二个问题是来自反弹或在附近工作的其他类似传感器的无用信号的频繁检测，这可能导致错误的测量。
同样重要的是，要强调近几十年来诸如MIR(微脉冲雷达)的微脉冲雷达的发展，这些装置刚开始非常有前景，但专利公司所做出的仅仅向少数公司授权许可的处理，限制了它的扩散和广泛应用。
就传统采用三角测量的光学测距仪或采用对焦方法的光学测距仪相比较而言，后一种工序到上世纪末才广泛用于摄影相机，但是这两种技术都不适用于运输车辆。然而，在过去的五年里，基于飞行时间测量原理的光学距离传感器和仪表出现了。这种类型的装置在20世纪非常昂贵，因为光速非常高且光脉冲击中目标并返回其发射源所花费的时间是飞秒的一部分，而操纵处于这种速度的信号所需的电子器件是非常昂贵的，干扰技术的结合和激光的使用已经允许覆盖所有这些仪表，但对于测量两车辆或两物体之间的距离的需要，仍然构成了非常昂贵的解决方案。
本发明涉及本发明的解决方案，并且其旨在成为本发明的目，它采用低频电子器件，可以使用激光二极管或led二极管，用于在1-300厘米范围内的距离测量，其仅使用调制光，并且成本非常低。
发明内容
以下所述的设计是高精度测量近程距离的需求的解决方案，其占用最小的空间且低成本。本发明的电光测距仪由电子电路组成，该电子电路包括两级放大；可以是激光二极管或led的发光器；以及由配有透镜的光电二极管组成的光检测器，该透镜将入射光集中到光电二极管所在的焦点上，该仪表的总体结构与传统的飞行时间仪表方案完全不同，具体地，传统的飞行时间仪表在一侧具有振荡器、脉冲发生器和发射器，且另一方面具有传感器、滤波电路和定时器，定时器通过运行仪表到目标的距离和从目标到仪表的距离来确定光脉冲行进所需的时间，最后是在飞行时间之间以光速进行基本的距离运算的装置，通常是微控制器；我们的设计采用完全不同的架构，其由正向供电的高增益电路和由光脉冲经过的空间组成，该电路包括在反馈路径中，且空间的长度直接影响电路的表现，该电路基本上表现得像距离控制的振荡器。
该测距电路设计为基本上用在车辆(如汽车或卡车)中，用于集成防撞系统，特别是并入用于防止停放车辆损坏的系统中，该系统允许当其他车辆靠近的特征(速度、距离和轨迹)表现出撞击危险时警告其他靠近的车辆。
附图说明
图1示出了使用微控制器作为线性化电路的电光测距电路。
图2示出了使用组件的电光测距电路，该组件构成非线性电压-电压转换器以补偿传感器电路的适当指数非线性。
图3示出了传统飞行时间光学测距系统与本发明的电光设计之间的比较。
具体实施方式
用于汽车用途的电光测距仪，本发明的目的基本上由三块构成，第一个是准直和透镜组件，其允许划定为了执行测量而产生的光束的作用区域，第二元件是具有高增益和临界稳定性的电子电路，通过提供一定量的正反馈，该电路进入振荡，从而产生与测量装置和需要估计距离的目标之间的距离保持对数关系的频率，最后，该系统具有线性化单元，其允许重新形成响应函数，该响应函数建立了距离和仪表输出频率之间的关系，以便于其实际应用。
在图1中，示出了整个系统的示意图，并且重要的是要强调，与用于飞行时间测距的传统光学系统或光学装置不同，本设计基于具有临界稳定性的完全闭合的正反馈电路，并且在该电路中，所述正反馈由发出的光束提供，该光束从目标反弹，并由光学传感器重新记录，在图1中，发光二极管(1)发出随后被视为基本正弦的信号，它经过朝向目标的路径(17)，撞击在目标(19)上，在目标(19)上反射并通过返回路径(18)撞击在透镜(16)上，透镜(16)将入射光集中在放置在透镜(16)焦点上的光电二极管(2)上，由于光电二极管(2)的灵敏度很低，所以初级放大器(3)必须在高增益配置下工作，其中反馈电阻(6)确定了该第一放大级的增益，电阻(14)和电容器(15)并联工作，以限制直流(DC)增益但保持最大的交流(AC)增益，初级放大器(3)的输出通过耦合电容器(7)与次级运算放大器(4)耦合，次级运算放大器(4)形成为反相放大器，其非常高的增益通过将电阻(9)的值除以电阻(8)的值确定；耦合电容器(7)和电阻(8)反过来有助于建立电路可以在其中振荡的频带，振荡频率与路径(17)、(18)的长度变化成比例。
电平调节器(10)可与极化电阻(11)和稳定电容器(12)一起为发光二极管(1)建立电源电平，由于该电平调节器(10)，允许电流放大器(5)发射极的初始电平变化，并且从该电压开始，在其上、下产生正弦振荡，限制电阻(13)防止发光二极管(1)超过其允许的最大电流水平，该发光二极管可以是简单的led或激光二极管，取决于测距仪的最终应用所需的是成本还是更大的操作距离。
为了正确地划定和引导光束，使用了两根管作为准直器，它们是输入准直器(20)和输出准直器(21)，其中分别容纳有光电二极管(2)和发光二极管(1)。仪表与目标(19)之间的距离L等于朝向目标的路径(17)和返回路径(18)之和除以2，并且是这两部分路径的长度的变化通过改变电路的正反馈，确定电路的振荡频率变化作为光束被发射、在目标中反弹并被记录回来所经过的总长度的函数。
在晶体管(5)的发射极上，可以提取与距离L成比例的频率信号，施密特输入反相器(29)可以将晶体管(5)发射极上存在的正弦信号转换为方波信号，以将该信号提供给预先编写了线性化算法的微控制器(30)，由于L(到目标的距离)的大小与电路产生的频率之间的关系是对数函数，因此微控制器(30)可以根据最终应用的要求发出完全线性化的输出信号(31)(无论是用二进制数表示的值，还是PWM信号，或甚至是与距离成正比的电压信号)。
处理振荡器电路提供的信息的第二种方法如图2所示，在这种情况下，使用施密特输入反相器(22)来接收晶体管(5)的发射极产生的信号，该晶体管(5)，用作电流放大器，直接馈电发光二极管(1)。反相器(22)的输出连接到输入电容器(24)，在信号的各上升周期中，输入电容器(24)通过注入二极管(26)向积分电容器(27)泵送一定量的电荷，在信号下降期间，输入电容器(24)通过放电二极管(25)放电，并再次开始将电荷泵送至积分电容器(27)的过程，但由于积分电容器(27)中的电压越来越大，由输入电容器(24)传输到积分电容器(27)的电荷量将越来越少，产生补偿到目标(19)的距离与反馈电路产生的频率之间的关系的非线性的曲线，电阻(28)用于使积分电容器(27)和输出放大器(23)放电，它向积分电容器(27)提供高阻抗并向输出(S)提供低阻抗，允许在不改变电压信号的情况下的电压信号通过积分电容器(27)的输出，该输出放大器(23)的增益是单位的，并且只用作阻抗耦合器。
传统的用于测量距离的飞行时间光学仪表与我们的积分电光仪的主要区别如图3所示；传统的仪表展现出更复杂的结构，并且需要超高速电路，因为这种系统必须量化光脉冲到达物体并返回到仪表所需的时间，在图3中，传统仪表由本地振荡器(40)构成，该振荡器产生由功率放大器(38)放大的频率脉冲，功率放大器(38)为发射器(32)供电，发射器(32)是发射光束(36)的激光二极管，该光束(36)从目标(19)或物体被反弹，用于稍后被传感器(33)记录，传感器(33)产生信号，该信号被输入放大器(39)放大并激活超高速计时器(41)，该计时器与控制电路(43)一起确定光脉冲在仪表与目标(19)之间的距离行进两次所用的时间，另一方面，由于光速极高，这类系统必须处理的时间在飞秒范围内，因此需要非常复杂和昂贵的电子设备。
在图3的下部，示出了使用积分电光仪(42)的解决方案，在这种情况下，基本上存在执行所有操作的单个电路，使用发射元件(34)来发出光信号，发射元件可以是激光二极管和led，在这种情况下，光信号不是脉冲，而是连续的正弦信号(37)，信号从目标(19)反弹后，由传感器元件(35)读取，传感器元件(35)完成积分电光仪的正反馈，积分电光仪产生与仪表和目标(19)或物体之间的距离成比例的频率。
可以看出，本发明的设计目的采用了传统的低频低成本电路，并且可以在比传统的飞行时间光学系统短得多的距离处工作，另一方面，该电路可以与任何类型的激光二极管或简单的led一起工作，只要它们设置有如图1和图2中的注释所述的必要的组件和准直。
该电路也可以在电光晶体管而不是电光二极管的情况下正常工作，尽管随着电光晶体管使用的改变，输出频带会显著减少，但同样重要的是，使用滤光片也可以改善积分式电光仪的性能。

Claims (4)

1.一种积分式电光测距仪，其包括高增益放大电路、光发射器、光传感器、线性化电路以及正反馈装置，其特征在于，所述高增益放大电路由配置为连接在闭合电路中的反相放大器的两个运算放大器形成，所述闭合电路包括所述发光装置和所述光传感装置并形成单个正反馈工作电路，其特征还在于，控制所述电路的稳定性和振荡的所述正反馈是所述光束由所述光发射器产生并返回到需要测量到所述测量装置的距离的所述物体所经过的往返路径。
2.根据权利要求1所述的积分式电光测距仪，其中所述光传感器的特征在于其为光电二极管，而所述光发射器的特征在于其为激光发光二极管或传统LED。
3.根据权利要求1和2所述的积分式电光测距仪，其中所述线性化电路的特征在于，其为具有施密特输入的门供电的微控制器，并且配备有具有所述测距电路的对数自然响应的反向传递函数的程序。
4.根据权利要求1和2所述的积分式电光测距仪，其中所述线性化电路的特征在于，其由电荷泵送装置构成，所述电荷泵送装置由输入电容器、积分电容器、注入二极管、放电二极管、具有施密特输入的逻辑反相器以及作为阻抗耦合器的单位增益放大器形成。
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