激光测距系统的制作方法

文档序号:6127584
专利名称:激光测距系统的制作方法
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沖回波式(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千涉式、相位式及脉沖回波式三种一、 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(发射和接收激光脉沖信号)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、 脉沖回波式激光测距。脉沖回波式即激光脉冲飞行时间TOF(Time-of-Flight)方式。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, 脉沖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,脉沖回波 式是具有最理想架构的实现方式。由于脉沖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 不同所产生回波脉沖的上升时间(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。目前的脉沖回波式(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釆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沖激光信号;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沖信号和接收脉冲 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沖回波式原理,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。
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 Chip Microcontroller )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"l妻口 95。请一并参阅图1及图2,该发射模块IO'O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15()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i殳于一壳体,其中发射才莫块100的发射光学系统,接收才莫块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沖激光二极管150发射出的脉沖信号和 硅PIN光敏二极管250收到的反射激光脉沖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沖信号;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