专利名称：斜波辅助测时精密脉冲激光测速仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量仪器，更确切地说是涉及一种测量运动物体速度的脉冲激光测速仪。
随着公路建设和交通运输业的飞速发展、公路交通事故也日益增多，现我国平均每年发生交通事故20余万起，死伤25万余人，给国家财产和人民的生命安全造成极大的损失和威胁。众所周知“十次肇事九次快”，超速行驶是造成行车事故的主要原因。因此监测车辆行驶速度并及时对超速车辆给予警告和制止是避免或减少此类交通事故的重要交通管理手段。
目前，我国交通管理部门全部是采用微波雷达测速仪对车速进行检测，这种测速仪有以下几项致命的缺陷一是微波发散角达2-4弧度，当超速车距测速点500米时，其扩散程度可高达75米，因此很难从车群中准确地将可疑超速车揭示出来，从而失去了执法依据；二是雷达测速系统检测时间需要2-3秒，这样长的时间给超速车驾驶员提供了减速的机会，使检控率下降；第三，微波雷达工作在微波段，长期暴露在雷达微波辐射场内的人容易患上脑肿瘤等严重疾病，因此也限制了它的推广使用。雷达测速仪已属于被淘汰之列，急需用一种新的测速仪取而代之。
脉冲激光测速仪采用半导体激光器发射一串近红外激光脉冲，经运动目标反射后，回射的激光被光电管接收，通过对发射脉冲之间的时间间隔和脉冲传输时间的测量以及计算处理，可求得运动目标相对于测试点的距离和目标的运动速度。
假设脉冲激光测速仪一次仅发射两个测量光脉冲，这两个光脉冲之间的时间间隔固定为Δt0，两个测量光脉冲与相应的回波光脉冲信号的时间间隔分别为Δt1和Δt2，设c为空气中的光速，并考虑到Δt1和Δt2是脉冲光往返传输所花费的时间，因此由第一个测量光脉冲所测得的距离S1=cΔt1/2……(1)由第二个测量光脉冲所测得的距离S2=cΔt2/2……(2)运动目标的运动速度为 V=(S1-S2)/Δt0……(3)由于Δt0为事先设定的值，由(3)式可知，测速问题实际上是测距问题，因此测速的精度也就取决于测距的精度。
在实施脉冲激光测距时，是在发射测量光脉冲的同时也给出参考脉冲(起始脉冲)，经整形后打开一个电子门，这时与电子门连接的时钟振荡器的时钟脉冲通过电子门进入计数电路，开始统计时钟脉冲个数进行测时，一直到反射的回波光脉冲信号到来(结束脉冲)关闭电子门停止计时。由于时钟振荡频率fo是已知的，若记录的脉冲数为Ni，则可求得光脉冲的往返传输时间Δti=ni/fo……(4)。
显然，由于计时停止的时间并不等于最后一个计数脉冲到来或结束的时间，因此这种通过时钟脉冲计数测距的计数精度为1个时钟脉冲，例如最后一个计数脉冲到计时停止之间的时间段ΔT被忽略不计了，从而带来测量误差。换句话说，脉冲计数测距的测量精度决定于一个计数时钟脉冲所对应的周期T，即测距精度2ΔS=CT=c/f0或fo=c/2ΔS……(5)，可见，为了达到15cm的测距精度，fo=(3×1010)/2×15=1GHZ，即需要用1GHZ的计数器，这对计数器及相关电路的要求是较高的，对实施带来难度。
本实用新型的目的是设计一种斜波辅助测时精密脉冲激光测速仪，通过采用斜波辅助法测时，可大大降低对计数器及相关电路的要求，同时提高测时和测距的精度，最终提高测速的精度。
本实用新型的目的是这样实现的，斜波辅助测时精密脉冲激光测速仪，包括测距装置、微控制器单元和显示单元；所述的测距装置包括由测量脉冲发生器、激光发射器和发射望远光学系统组成的发射部分，和由接收光学系统、第一、第二光探测器和起始脉冲信号放大整形电路及结束脉冲信号放大整形电路组成的接收部分；所述的微控制器单元包括微处理器、计数器和计数脉冲振荡器，其特征在于所述的微控制器单元还包括有第一斜波发生器、第一斜波发生器的控制电路、第二斜波发生器、第二斜波发生器的控制电路和模/数转换器；第一斜波发生器控制电路连接在所述起始脉冲信号放大整形电路输出端与第一斜波发生器的控制端间，第二斜波发生器的控制电路连接在所述结束脉冲信号放大整形电路输出端与第二斜波发生器的控制端间；所述第一、第二斜波发生器的输出端分别连接所述模/数转换器的两个输入通道，模/数转换器输出连接所述的微处理器；所述计数器的计数允许端上连接有逻辑门电路，逻辑门电路的两输入端分别连接起始脉冲信号放大整形电路输出端和结束脉冲信号放大整形电路输出端。
所述的测量脉冲发生器、激光发射器是由PNP晶体三极管U3、Mos场效应晶体管U2、半导体脉冲激光器U1、电阻R1、R2，电容c1、电感L1连接组成的RLC脉冲形成电路；U3发射极接电源，U3基极连接所述的微处理器，U3集电极与U2的栅极连接并通过电阻接地，U2的漏极接地，U2的源极连接U1阴极，U1阳极接R2一端，R2另一端接L1一端，L1另一端连接R1一端及C1一端，C1另一端接地，R1另一端接电源。
所述的起始脉冲信号放大整形电路具有与结束脉冲信号放大整形电路相同的电路结构，由将第一或第二光探测器的电流信号转变成电压信号的前置放大器和进行整形并输出起始、结束脉冲的电压比较器连接构成。
所述的第一斜波发生器具有与第二斜波发生器相同的电路结构，由恒流源、充电电容和电压放大器连接构成。
所述的第一斜波发生器的控制电路具有与第二斜波发生器的控制电路相同的电路结构，分别由JK触发器、第一D触发器、反相器、第二D触发器、第三D触发器和多路转换器、PNP晶体三极管顺序连接构成；两JK触发器输出还分别连接多路转换器的另一输入端，第一斜波发生器的控制电路中的反相器输出端和第二斜波发生器的控制电路中的反相器输入端还分别连接所述计数器逻辑门电路的两输入端。
本实用新型的斜波辅助测时精密脉冲激光测速仪，利用半导体激光器向运动目标发出近红外激光脉冲，再利用两光探测器分别接收测量光脉冲及经运动目标反射后的光脉冲，而分别形成供测量的起始脉冲和结束脉冲，利用起始脉冲及结束脉冲分别打开、关闭计数器，对时钟脉冲计数，正整数倍的计数时钟脉冲周期即构成这一时段测时的整数值部分；为了解决起始脉冲与结束脉冲与时钟脉冲的不同步所造成的测量误差问题，本实用新型还同时利用起始脉冲和结束脉冲分别控制两个斜波发生器，完成时间-电压转换测量，并由模/数转换器完成电压-数字转换测量，测量数据经微处理器运算构成起始脉冲至结束脉冲时段测时的小数值部分，微处理器还进一步计算出运动目标的速度及距测试点间的距离。
本实用新型的激光测速仪，由于激光发射的平行性决定了它的发散角只有3毫弧度，因此可以从远处车群中准确地测出可疑车辆的速度；测量时间只需0.3秒，令超速驾驶员来不及作出减慢车速的反应；射线对人体无害；测速仪的作用距离可达600米，比雷达测速仪高100米。
图1、本实用新型脉冲激光测速仪结构原理框图；图2、本实用新型斜波辅助测时波形示意图；图3、斜波辅助测时精密脉冲激光测速仪电路图；图4、时间间隔Δt计算关系图；图5、计数脉冲及相应的三角波、锯齿波工作波形图。
参见图1、脉冲激光测速仪是光、机、电三位一体的测试仪器，由测距单元11、微控制器单元12和显示单元13三大部件组成。
测距单元11包括发射、接收两大部分，发射部分包括脉冲发生器111，激光发射器112和发射望远光学系统113。激光发射器112中的激光器发出峰值光功率极高的窄光脉冲，激光器的出光面置于发射望远光学系统113中镜头的焦点位置，由于镜头对光源的夹角约为25°，因此几乎所有的发射光都可经由发射望远光学系统113呈平行光出射，对于半导体激光器来说，实现小于3毫弧度的输出发散角是保证可以做到的。接收部分包括接收光学系统114、光探测器115和信号放大整形电路116，图中117为激光发射器112的取样器。光探测器115位于接收光学系统114中镜头的后焦面上。光探测器115包括对目标回射光的探测和对激光器取样光的探测，同样信号放大整形电路116也包括对两者信号的放大及整形，即获得测量的起始脉冲与结束脉冲。
微控制单元12对测距单元11所测的结果进行处理，获得运动目标距测试点的距离及运动速度。主要包括实时分析与计数电路121、微处理器122和存贮器123。微处理器分别通过逻辑控制总线CB及数据总线DB与脉冲发生器111、实时分析与计数电路121连接。
显示单元13主要包括数据输出插口131和显示器132，与数据总线DB连接。
微控制器单元12中的实时分析与计数电路121是本实用新型技术的关键所在，其工作原理请结合参见图2，在起始脉冲到来时启动计数器对时钟脉冲计数，在结束脉冲到来时关闭计数器并同时启动一斜波发生器，该斜波发生器由下一个时钟脉冲关闭。如图2中所示，在这一段时间ΔT内斜波发生器的电压由0上升到Vc。假设在一个计数周期T内斜波发生器的电压可从o上升到Vm，则ΔT/T=(Vm-Vc)/Vm=Vo/Vm……(6)以及 ΔT=nT+ΔT……(7)式中，V0为假设的结束脉冲到来时(t关)斜波发生器的电压，Δt为测量光脉冲往返传输时间，n为计数器在起始脉冲至结束脉冲期间所计的时钟脉冲总个数。采用以Vm为参考电压的模数转换器可以测得Vm-Vc/Vm的比值，计数周期T已知，相应可求得ΔT值。
由(6)式、(7)式可知，采用斜波辅助测时对于提高测时、测距精度，以及最终提高测速精度的作用是显而易见的。例如，若取ΔT精度为T的1/50，由前述测距精度式(5)，2ΔS=CΔT=0.02CT=0.02C/fo……(8)可见，为了达到15cm的测距精度，fo=0.02C/2ΔS=2×107HZ=20MHZ，只要求20MHZ的计数器，因此采用斜波辅助测时对计数器及其相关电路的要求可相应降低。
测速精度与测距精度是相关的，较高的测距精度影响了测速精度和测试时间。由前述(3)式可知ΔV=ΔS/Δto，设测速仪的测距精度提高到15cm，要求测速精度为ΔV=±1公里/小时，Δto=ΔS/ΔV=0.27秒可见，要保证±1公里/小时的测速精度，只需大约0.3秒的测试时间，显然这个测速精度和测试时间对于实用的交通测速仪是十分合宜的。
参见图3，测量脉冲由微处理器CPU提供，晶体三极管U3、MOS场效应晶体管U2及外围元件电阻R1、电容C1、电感L1等连接组成激光器U1的驱动电路，是一个由RLC组成的脉冲形成电路。半导体脉冲激光器U1发出的是大功率、低抖动、固定宽度的窄脉冲光，C1是储能元件，R1是充电电阻，充电时间由R1C1决定，L1是线路的集总电感，R2是负载电阻，U2起开关作用。测试前C1已充电到V1，测试时CPU送出触发脉冲至触发器D0(74)，再经倒相触发U3并使U2导通，C1经L1、R2、U1、U2放电形成电流脉冲，激光器U1发出光脉冲。
在光接收电路中，光探测器U4通过取样器(直接耦合)直接接收激光器U1的光脉冲信号，用于产生起始脉冲，由于接收的信号很强，因而可采用Pin探测器。光探测器U5接收从运动物体反射回来的光，用于产生结束脉冲，由于接收的信号较弱，因而采用APD探测器(二者均为高速探测器，其上升、下降时间都小于3ns)。U4、U5接收到光脉冲信号后即输出电流信号，再经高输入阻抗、宽带、低噪声放大器(SN5212)前置放大形成电压信号，最后经电压比较器(AD9696)整形，产生具有TTL电平的起始、结束方波脉冲信号，送入实时分析与计数电路进行测时。
实时分析与计数电路包括计数器IC1、模数变换器IC2、计数脉冲发生器IC3(20MHZ)、第一斜波发生器(晶体三极管U7、U8、U9，运算放大器IC4、电容C2等)、第二斜波发生器(晶体三极管U11、U12、U13，运算放大器IC5、电容C3等)，第一斜波发生器控制电路(JK触发器DIA、D触发器D2A、D3A、D4A和多路转换器IC6等)和第二斜波发生器控制电路(J-K触发器D1B、D触发器D2B、D3B、D4B和多路转换器IC7等)。第一斜波发生器控制电路接收起始方波脉冲信号，输出信号控制第一斜波发生器的工作；第二斜波发生器控制电路接收结束方波脉冲信号，输出信号控制第二斜波发生器的工作。
结合参见图4，由起始脉冲到结束脉冲之间的时间间隔Δt可由三个时间段计算得到，其计算公式为Δt=T2+(T1-T3)……(9)其中T1为第一斜波发生器控制电路产生的第一个脉冲的宽度，它以起始脉冲的上升沿为起点，此后延时并以第二个时钟脉冲的上升沿为终点。T3为第二斜波发生器控制电路产生的第二个脉冲的宽度，它以结束脉冲的上升沿为起点，此后延时并以第二个时钟脉冲的上升沿为终点。其间的T2为一时间段，它以起始脉冲后的第1个时钟脉冲的上升沿为起点，以结束脉冲后的第1个时钟脉冲上升沿为终点。可见，T2相当于以时钟脉冲宽度为计时单位时Δt的整数部分的数值，T1与T3的差则相当于Δt小数部分的数值，即式(9)。
由光接收电路送来的与计数时钟不同步的起始和结束脉冲分别送到D1A和D1B J-K触发器，D1A、D1B输出信号一方面直接送到多路转换器D5A、D5B的10、6脚，并因此在D5A、D6A的输出端9、7脚产生T1、T3脉冲的上升沿，另一方面又经D触发器D2A、D3A、D4A、D2B、D3B、D4B时延(2倍的时钟脉冲)后送多路转换器D5A、D5B的13、3脚，从而产生T1、T3脉冲的下降沿。
T2由计数器IC1直接计数获得，计数器IC1为8位二进制计数器(74HC590)。起始、结束方波脉冲信号分别由D2A经反相器和由D2B送出，经或门IC8(74AC32)送到计数器IC1的CLKEN端，作为计数开始和结束的控制信号，由于计数时钟频率为20MHZ，因此计数器记录的T2数值是50ns的正整数倍。
T1和T3通过第一、第二斜波发生器及模＼数变换器进行时间-数字转换测量。它们首先通过斜波电路实现时间(脉冲宽度)-电压幅度的转换，然后再经过模数转换实现时间-数字的转换。图3电路中，时间-电压幅度的转换分别通过对已知电容C2、C3的恒流充电实现。例如，在IC6输出T1脉冲之前，U6导通，电容C2为零电位，T1脉冲到来时，T1的上升沿使U6断路，于是由U7、U8、U9组成的恒流源对C2充电，直到T1的下降沿到来时U6导通，充电停止，电容C2上电压正比于充电时间即T1的脉冲宽度，该电压值经放大器IC4(TLC277)放大后，送入A/D转换器IC2(LTC1093)的第1通道转换为数字量。
同理，也可完成对T3的测量，送A/D转换器IC2的第2通道。
微处理器CPU接收T1、T2、T3并按式(9)计算，即可求得实测的Δt值。激光测速仪间隔0.27秒时间对准运动物体发出两个测量光脉冲，测得相应的传输时间Δt1和Δt2，微处理器利用式(1)、(2)、(3)可计算出物体的运动速度。
参见图5，利用斜波辅助测时方法可提高脉冲激光测速仪的测时、测速精度。作为类似的方法，也可在参考脉冲到来的同时，触发一个三角波发生器或锯齿波发生器等，其波形如图5中所示，但它们的工作过程复杂，且锯齿波还有多值问题，不如斜波法简便易行。
权利要求1.一种斜波辅助测时精密脉冲激光测速仪，包括测距装置、微控制器单元和显示单元；所述的测距装置包括由测量脉冲发生器、激光发射器和发射望远光学系统组成的发射部分，和由接收光学系统、第一、第二光探测器和起始脉冲信号放大整形电路及结束脉冲信号放大整形电路组成的接收部分；所述的微控制器单元包括微处理器、计数器和计数脉冲振荡器，其特征在于所述的微控制器单元还包括有第一斜波发生器、第一斜波发生器的控制电路、第二斜波发生器、第二斜波发生器的控制电路和模/数转换器；第一斜波发生器控制电路连接在所述起始脉冲信号放大整形电路输出端与第一斜波发生器的控制端间，第二斜波发生器的控制电路连接在所述结束脉冲信号放大整形电路输出端与第二斜波发生器的控制端间；所述第一、第二斜波发生器的输出端分别连接所述模/数转换器的两个输入通道，模/数转换器输出连接所述的微处理器；所述计数器的计数允许端上连接有逻辑门电路，逻辑门电路的两输入端分别连接起始脉冲信号放大整形电路输出端和结束脉冲信号放大整形电路输出端。
2.根据权利要求1所述的斜波辅助测时精密脉冲激光测速仪，其特征在于所述的测量脉冲发生器、激光发射器是由PNP晶体三极管U3、Mos场效应晶体管U2、半导体脉冲激光器U1、电阻R1、R2，电容C1、电感L1连接组成的RLC脉冲形成电路；U3发射极接电源，U3基极连接所述的微处理器，U3集电极与U2的栅极连接并通过电阻接地，U2的漏极接地，U2的源极连接U1阴极，U1阳极接R2一端，R2另一端接L1一端，L1另一端连接R1一端及C1一端，C1另一端接地，R1另一端接电源。
3.根据权利要求1所述的斜波辅助测时精密脉冲激光测速仪，其特征在于所述的起始脉冲信号放大整形电路具有与结束脉冲信号放大整形电路相同的电路结构，由将第一或第二光探测器的电流信号转变成电压信号的前置放大器和进行整形并输出起始、结束脉冲的电压比较器连接构成。
4.根据权利要求1所述的斜波辅助测时精密脉冲激光测速仪，其特征在于所述的第一斜波发生器具有与第二斜波发生器相同的电路结构，由恒流源、充电电容和电压放大器连接构成。
5.根据权利要求1所述的斜波辅助测时精密脉冲激光测速仪，其特征在于所述的第一斜波发生器的控制电路具有与第二斜波发生器的控制电路相同的电路结构，分别由JK触发器、第一D触发器、反相器、第二D触发器、第三D触发器和多路转换器、PNP晶体三极管顺序连接构成；两JK触发器输出还分别连接多路转换器的另一输入端，第一斜波发生器的控制电路中的反相器输出端和第二斜波发生器的控制电路中的反相器输入端还分别连接所述计数器逻辑门电路的两输入端。
专利摘要本实用新型涉及一种测量运动物体速度的脉冲激光测速仪,由测距装置、微控制器单元和显示单元组成。测距装置中的发射部分发射测量光脉冲,其接收部分分别接收测量光脉冲形成起始脉冲和接收经运动物体反射光形成结束脉冲。微控制器单元包括微处理器,对起始至结束脉冲间时段作主计时的计数器和实现辅助计时的两套斜波发生器及A/D转换器,完成时间－电压－数字的转换测量。由微处理器计算出物体运动速度。测速精度高且结构简单。
文档编号G01P3/36GK2310325SQ9722108
公开日1999年3月10日 申请日期1997年7月9日 优先权日1997年7月9日
发明者张应宁, 林世鸣 申请人:张应宁, 林世鸣