专利名称：一种提高激光测距仪精度的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量仪器领域，特别涉及激光测距仪领域，具体是指一种用于提高激光测距仪精度的方法及设备。
背景技术：
激光测距仪，由于其测量精度高而被广泛应用于建筑、室内装演等领域。它们具有 几十米的测距范围并且通常被设计成手持式装置。其测量的一般原理是发射器发射出强 度经过调制的测量光束到被测物体上，光电接收器接收到被被测物体反射回的测量光束， 由测量光束发射和接收时的相位差确定测距装置到被测物体之间的距离。目前，市场上的 激光测距仪均采用半导体激光器LD和光敏元件组成的发射和接收系统。由于测距仪在不 同环境下工作，环境变化对测距精度有很大的影响，最多可以达到几厘米。这种误差对于要 求高精度的测距仪中是不可被接受的。目前，为了提高激光测距仪的精度，一般采用如下几 种解决方案。一、在激光测距仪中设置两个APD和一个LD。因为环境对每个器件的影响是相同 的。所以用一个LD同时发射激光给两个APD接收。用内部发射去出的是内光路，发射去出 的外光路则用来测试外面的距离。这个用外光路测得的距离减去内光路的距离，便可以把 环境的影响减去。这种方案的缺点是APD的成本很高。二、在激光测距仪中设置一个LD，一个APD，一块光学挡板。LD先发射给外面，由 外面反射到APD上。测试完后用挡板将光路全部挡到从里面直接让APD接收。这个光路 转换的外光路减内光路便可以减去环境的影响。具体的说，该结构是利用电机带动一个反 光板，将激光源E投射的校准光线反射到一端开口的测距仪光路接收腔内，在接收腔内形 成漫反射后，接收腔内的光敏元件D接收到光信号，从而进行信号比对，该结构存在的缺陷 是在光线接收过程中反光板是参与基准定位的重要零部件，故在转动后对回到初始位置 的同一性要求较高，而在实际使用过程中反光板往往会有转动或移动所产生的机械形变结 构误差，该误差被引入校准光学系统中，就会大大影响校准精度；同时反光板工作过程中对 两个内外光路切换位置必须锁定准确，而通常的反光板都是轻重不一的结构，且需与其它 部件进行配合锁定，为了到达正确切换位置，往往会导致电机驱动功耗增大；另外反光板漫 反射的光线接收方式稳定性差、容易与外部光混杂，造成仪器识别错误，降低仪器工作稳定 性，影响测量结果精确性。第三、在激光测距仪中设置两个LD，一个APD。先开外光路的LD，测试外面的距离。 测试完后关内光路，开内光路。让内光路的信号打到APD上。这样外光路减内光路就可以 减去APD的影响。这种方案的缺点是虽然可以减去APD的影响，但LD本身的发热量大。两 个LD的发热量很难相等。所以LD的影响也很难减去。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种直接将器件受到的环境影响误差进行补偿和消除的方法和装置，提高激光测距仪的精度。为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案一种提高激光测距仪精度的方法，包括半导体激光发射器LD和光敏元件组成的发射和接收系统，其特征在于分别将环境对 LD和光敏元件造成的影响补偿消除，其中，所述将环境对LD造成的影响进行补偿消除包括 如下步骤将LD的真实发射信号引出，进行放大、混频、鉴相得到相位；同时LD的发射出去 的测量信号由光敏元件接收也进行放大、混频、鉴相处理得到相位，再将两次的相位相减， 这样得到信号就是没有环境影响的真实相位；所述将环境对光敏元件造成的影响进行补偿 消除包括如下步骤首先，采用热敏传感器对光敏元件的环境温度采样，得到一个温度值； 由光敏元件本来有温度补偿的系数，这个温度系数是可以计算出温度每上升一度，光敏元 件的偏置电压上升多少伏；最后用单片机的PWM控制器，控制升压电路，ADC采样电压给PWM 控制升压电路，得到相应的偏置电压，再用光敏元件温度补偿率补偿光敏元件的偏压，得到 一个稳定的增益倍数。因为光敏元件是一个高增益的器件，所以环境温度对它的影响更严 重。所以我们采用热敏传感器，采样环境温度给MCU (Micro Controller Unit，即微型控制 单元)，又称单片微型计算机，再用光敏元件温度补偿率进行补偿光敏元件的偏压。光敏元 件的偏压越高增益就越高。这样只要采样到温度后，按光敏元件温度的补偿率进行补偿就 可以了。所述光敏元件包括雪崩光电二极管APD或PD或光电倍增管。所述LD的真实发射信号为所述LD的主要回路上的电流信号。所述LD的主要回 路为LD回路的地线端或电源端。所述LD的真实发射信号为LD内部的PD光敏二极管得到的高频信号，该信号来自 于如下步骤首先，用LD内部的PD光敏二极管取得LD的亮度，同时将这个亮度放大，送入 可调LDO做电压补偿；当电压过大时，说明光功率不够，这样通过LDO将电压升高，到光功率 与设定的值平稳；当PD的电压过低时，说明光功率过大，这样则通过LDO将电压降低，使光 功率与设定的值相稳定；当LD的光功率恒定后，因为LD和PD是在一起的，PD同样会得到 LD发射去出的信号，这时得到PD的高频信号即满足要求。所述将LD的真实发射信号为LD的真实电流信号，该信号来自于如下方法首先， 用LD内部的PD光敏二极管取得LD的亮度，同时将这个亮度放大，送入可调LDO做电压补 偿；当电压过大时，说明光功率不够，这样通过LDO将电压升高，到光功率与设定的值平稳； 当PD的电压过低时，说明光功率过大，这样则通过LDO将电压降低，使光功率与设定的值相 稳定；当LD的光功率恒定后，这样得到LD的电流信号即为LD的真实发射信号。在测量过程中，在所述单片机的PWM的导通时间不变的基础上，延长所述光敏元 件的关断时间。由于对APD的电压控制要十分的精确，而一般单片机的频率的不可能很高， 就算是50M，当PWM的频率为50KHZ时，也只能分成1000份，因此单片机每调一次升压电路 的精度也十分的低，而且因为APD的BIAS的电压在80V以上，而且PWM的占空比不能大于 50%，所以不大可能实现高精度，我们的方案是让导通时间不变，控制关断的时间变长，这 样可能实现一个高精度，这样调整的精度十分的高。一种提高激光测距仪精度的设备，包括半导体激光器LD和光敏元件组成的发射 和接收系统，包括对所述LD进行环境影响补偿的电路和对所述光敏元件进行环境影响补 偿的电路。
所述对LD进行环境影响补偿的电路为将发射测量信号，由C6给Ql调制后给Q1， 由R9，C7给PD —个偏置电压；同时LD的发射强度由PD转换为电信号，给IC2放大；放大的 光强度电压给LDO的电压调节脚作电压调节，ICl的输出电压与发射的三极管Ql相连接； 这样便可以实现对光强度的调节，使任何温度情况下有一个恒定的光功率，同时引出PD的 高频信号，或是LD的电流信号给混频电路，这样可以做到减去温度对LD的影响。
所述对光敏元件进行环境影响补偿的电路为由Li，Ql, Dl, C2组成一个升压电 路，MCU产生PWM导通，PWM电平为高电平；使Ql导通，Ll储能，Dl截止，由C2给后面的电 路供电；导通时间过了后，PWM电平变为低电平，Ql截止，Dl导通给C2充电同时给后面的电 路供电。如此反复，实现升压；R1，C4组成滤波电路；R3，R4将高压比例变小，给A/D采样得 到后面的电压；R2为限流电阻，给D2、光敏元件提供偏置电压；光敏元件由偏置电压控制增 益倍数大小。整个电路的工作原理是先由热敏传感器采样得外界温度，由外界温度得到要 得到的偏置电压值，由升压电路得到要得到的偏置电压，得到一个稳定的增益倍数。所述热 敏传感器采用NTC。(NTC是Negative Temperature Coefficient的缩写)，意思是负的温 度系数，泛指(负温度系数热敏电阻)很大的半导体材料或元器件。本发明的有益效果在于因为激光测距仪最容易受环境影响的器件有两个，即发 射系统中用的LD和接收系统中用的光敏元件。本发明专门针对这两个电子器件做补偿消 除法。便可以减去环境对这两个元件的影响，从而实现高精度测量的要求。
图1为本发明的对LD进行环境影响补偿的电路；图2为本发明的对光敏元件APD进行环境影响补偿的电路。
具体实施例方式下面结合附图和实施例进一步说明本发明实施例1，一种提高激光测距仪精度 的方法，包括半导体激光发射器LD和APD组成的发射和接收系统，其特征在于分别将环境 对LD和APD造成的影响补偿消除，其中，所述将环境对LD造成的影响进行补偿消除包括如 下步骤将LD回路的地线端或电源端的电流信号引出，进行放大、混频、鉴相得到相位；同 时LD的发射出去的测量信号由APD接收也进行放大、混频、鉴相处理得到相位，再将两次的 相位相减，这样得到信号就是没有环境影响的真实相位；所述将环境对APD造成的影响进 行补偿消除包括如下步骤首先，采用NTC对光敏元件的环境温度采样，得到一个温度值； 由APD本来有温度补偿的系数，这个温度系数是可以计算出温度每上升一度，APD的偏置电 压上升多少伏；最后用单片机的PWM控制器，控制升压电路，ADC采样电压给PWM控制升压 电路，得到相应的偏置电压，再用APD温度补偿率补偿APD的偏压，得到一个稳定的增益倍 数。因为APD是一个高增益的器件，所以环境温度对它的影响更严重。所以我们采用NTC， 采样环境温度给MCU (Micro Controller Unit，即微型控制单元)，又称单片微型计算机，再 用APD温度补偿率进行补偿APD的偏压。APD的偏压越高增益就越高。这样只要采样到温 度后，按APD温度的补偿率进行补偿就可以了。上述LD回路的地线端或电源端的电流信号来自于如下方法首先，用LD内部的 PD光敏二极管取得LD的亮度，同时将这个亮度放大，送入可调LDO做电压补偿；当电压过大时，说明光功率不够，这样通过LDO将电压升高，到光功率与设定的值平稳；当PD的电压 过低时，说明光功率过大，这样则通过LDO将电压降低，使光功率与设定的值相稳定；当LD 的光功率恒定后，这样得到LD的电流信号即为LD的真实发射信号。在测量过程中，在所述单片机的PWM的导通时间不变的基础上，延长所述光敏元件的关断时间。由于对APD的电压控制要十分的精确，而一般单片机的频率的不可能很高， 就算是50M，当PWM的频率为50KHZ时，也只能分成1000份，因此单片机每调一次升压电路 的精度也十分的低，而且因为APD的BIAS的电压在80V以上，而且PWM的占空比不能大于 50%，所以不大可能实现高精度，我们的方案是让导通时间不变，控制关断的时间变长，这 样可能实现一个高精度，这样调整的精度十分的高。实施例2，一种提高激光测距仪精度的方法，包括半导体激光发射器LD和APD组 成的发射和接收系统，其特征在于分别将环境对LD和APD造成的影响补偿消除，其中，所 述将环境对LD造成的影响进行补偿消除包括如下步骤将LD内部的PD得到的高频信号引 出，进行放大、混频、鉴相得到相位；同时LD的发射出去的测量信号由APD接收也进行放大、 混频、鉴相处理得到相位，再将两次的相位相减，这样得到信号就是没有环境影响的真实相 位；所述将环境对APD造成的影响进行补偿消除包括如下步骤首先，采用NTC对光敏元件 的环境温度采样，得到一个温度值；由APD本来有温度补偿的系数，这个温度系数是可以计 算出温度每上升一度，APD的偏置电压上升多少伏；最后用单片机的PWM控制器，控制升压 电路，ADC采样电压给PWM控制升压电路，得到相应的偏置电压，再用APD温度补偿率补偿 APD的偏压，得到一个稳定的增益倍数。因为APD是一个高增益的器件，所以环境温度对它 的影响更严重。所以我们采用NTC，采样环境温度给MCU (Micro Controller Unit，即微型 控制单元)，又称单片微型计算机，再用APD温度补偿率进行补偿APD的偏压。APD的偏压 越高增益就越高。这样只要采样到温度后，按APD温度的补偿率进行补偿就可以了。上述LD内部的PD得到的高频信号来自于如下步骤首先，用LD内部的PD光敏二 极管取得LD的亮度，同时将这个亮度放大，送入可调LDO做电压补偿；当电压过大时，说明 光功率不够，这样通过LDO将电压升高，到光功率与设定的值平稳；当PD的电压过低时，说 明光功率过大，这样则通过LDO将电压降低，使光功率与设定的值相稳定；当LD的光功率恒 定后，因为LD和PD是在一起的，PD同样会得到LD发射去出的信号，这时得到PD的高频信 号即满足要求。在测量过程中，在所述单片机的PWM的导通时间不变的基础上，延长所述光敏元 件的关断时间。由于对APD的电压控制要十分的精确，而一般单片机的频率的不可能很高， 就算是50M，当PWM的频率为50KHZ时，也只能分成1000份，因此单片机每调一次升压电路 的精度也十分的低，而且因为APD的BIAS的电压在80V以上，而且PWM的占空比不能大于 50%，所以不大可能实现高精度，我们的方案是让导通时间不变，控制关断的时间变长，这 样可能实现一个高精度，这样调整的精度十分的高。如图1和图2所示，一种提高激光测距仪精度的设备，包括半导体激光器LD和雪 崩光电二极管APD组成的发射和接收系统，以及对所述LD进行环境影响补偿的电路和对所 述A P D进行环境影响补偿的电路。所述对LD进行环境影响补偿的电路为将发射测量信号，由C6给Ql调制后给Q1， 由R9，C7给PD —个偏置电压；同时LD的发射强度由PD转换为电信号，给IC2放大；放大的光强度电压给LDO的电压调节脚作电压调节，ICl的输出电压与发射的三极管Ql相连 接；这样便可以对光强度的调节，使任何温度情况下有一个恒定的光功率，同时引出PD的 信号，或是LD的电流信号给混频电路，这样可以做到减去温度对LD的影响。所述对APD进行环境影响补偿的电路为由L1，Q1，D1，C2组成一个升压电路，MCU 产生PWM导通，PWM电平为高电平；使Ql导通，Ll储能，Dl截止，由C2给后面的电路供电； 导通时间过了后，PWM电平变为低电平，Ql截止，Dl导通给C2充电同时给后面的电路供电。 如此反复，实现升压；R1，C4组成滤波电路；R3，R4将高压比例变小，给A/D采样得到后面的 电压；R2为限流电阻，给D2、APD提供偏置电压；APD由偏置电压控制增益倍数大小。整个电 路的工作原理是先由热敏传感器采样得外界温度，由外界温度得到要得到的偏置电压值， 由升压电路得到要得到的偏置电压，得到一个稳定的增益倍数。所述热敏传感器采用NTC。 (NTC是Negative Temperature Coefficient的缩写)，意思是负的温度系数，泛指(负温 度系数热敏电阻)很大的半导体材料或元器件。 虽然本发明的优选实例被以作为例证的目的进行披露，但本领域的技术人员可以 理解各种修改、添加和替换是可能的，只要其不脱离所附权利要求中详述的本发明的精神 和范围。
权利要求
一种提高激光测距仪精度的方法，包括半导体激光发射器LD和光敏元件组成的发射和接收系统，其特征在于分别将环境对LD和光敏元件造成的影响补偿消除，其中，所述将环境对LD造成的影响进行补偿消除包括如下步骤将LD的真实发射信号引出，进行放大、混频、鉴相得到相位；同时LD的发射出去的测量信号由光敏元件接收也进行放大、混频、鉴相处理得到相位，再将两次的相位相减；所述将环境对光敏元件造成的影响进行补偿消除包括如下步骤首先，采用热敏传感器对光敏元件的环境温度采样，得到一个温度值；由光敏元件本来有温度补偿的系数，这个温度系数是可以计算出温度每上升一度，光敏元件的偏置电压上升多少伏；最后用单片机的PWM控制器，控制升压电路，ADC采样电压给PWM控制升压电路，得到相应的偏置电压，再用光敏元件温度补偿率补偿光敏元件的偏压，得到一个稳定的增益倍数。
2.根据权利要求1所述的一种提高激光测距仪精度的方法，其特征在于所述光敏元 件包括雪崩光电二极管APD或PD或光电倍增管。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高激光测距仪精度的方法，其特征在于所述LD 的真实发射信号为所述LD的主要回路上的电流信号或LD内部PD接收到的LD发射的光电 信号，所述LD的主要回路为LD回路的地线端或电源端。。
4.根据权利要求1或2所述的一种提高激光测距仪精度的方法，其特征在于所述LD 的真实发射信号为LD内部的PD得到的高频信号，该信号来自于如下方法一、首先，用LD 内部的PD光敏二极管取得LD的亮度，同时将这个亮度放大，送入可调LDO做电压补偿；当 电压过大时，说明光功率不够，这样通过LDO将电压升高，到光功率与设定的值平稳；当PD 的电压过低时，说明光功率过大，这样则通过LDO将电压降低，使光功率与设定的值相稳 定；当LD的光功率恒定后，因为LD和PD是在一起的，PD同样会得到LD发射去出的信号， 这样得到LD内部的PD得到的高频信号即为LD的真实发射信号。
5.根据权利要求1或2所述的一种提高激光测距仪精度的方法，其特征在于所述将 LD的真实发射信号为LD的真实电流信号，该信号来自于如下方法首先，用LD内部的PD光 敏二极管取得LD的亮度，同时将这个亮度放大，送入可调LDO做电压补偿；当电压过大时， 说明光功率不够，这样通过LDO将电压升高，到光功率与设定的值平稳；当PD的电压过低 时，说明光功率过大，这样则通过LDO将电压降低，使光功率与设定的值相稳定；当LD的光 功率恒定后，这样得到LD的电流信号即为LD的真实发射信号。
6.根据权利要求1或2所述的一种提高激光测距仪精度的方法，其特征在于在测量 过程中，保持PWM导通时间不变，让关断的时间变长，控制光敏元件的偏置电压。
7.一种提高激光测距仪精度的设备，包括半导体激光器LD和光敏元件组成的发射和 接收系统，其特征在于包括对所述LD进行环境影响补偿的电路和对所述光敏元件进行环 境影响补偿的电路。
8.根据权利要求7所述的一种提高激光测距仪精度的设备，其特征在于所述对LD进 行环境影响补偿的电路为将发射测量信号，由C6给Ql调制后给Q1，由R9，C7给PD —个 偏置电压；同时LD的发射强度由PD转换为电信号，给IC2放大；放大的光强度电压给LDO 的电压调节脚作电压调节，ICl的输出电压与发射的三极管Ql相连接；同时引出LD内部的 PD的信号，或是LD的电流信号给混频电路。
9.根据权利要求7所述的一种提高激光测距仪精度的设备，其特征在于所述对光敏元件进行环境影响补偿的电路为由Li，Ql，Dl，C2组成一个升压电路，MCU产生PWM导通， PWM电平为高电平；使Ql导通，Ll储能，Dl截止，由C2给后面的电路供电；导通时间过了 后，PWM电平变为低电平，Ql截止，Dl导通给C2充电同时给后面的电路供电。如此反复，实 现升压；Rl，C4组成滤波电路；R3，R4将高压比例变小，给A/D采样得到后面的电压；R2为 限流电阻，给D2、光敏元件提供偏置电压；光敏元件由偏置电压控制增益倍数大小。
10.根据权利要求1所述的一种提高激光测距仪精度的方法，其特征在于所述热敏传 感器采用NTC、PTC。
全文摘要
一种提高激光测距仪精度的方法，包括半导体激光发射器LD和光敏元件组成的发射和接收系统，分别将环境对LD和光敏元件造成的影响补偿消除，其中，所述将环境对LD造成的影响进行补偿消除包括如下步骤将LD的真实发射信号引出，进行放大、混频、鉴相得到相位；同时LD的发射出去的测量信号由光敏元件接收也进行放大、混频、鉴相处理得到相位，再将两次的相位相减，这样得到信号就是没有环境影响的真实相位。
文档编号G01S7/481GK101799536SQ20101013784
公开日2010年8月11日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者王振兴 申请人:深圳市度彼电子有限公司