汽车防撞用激光测距传感器的制作方法

本发明涉及高速激光测距领域，尤其涉及一种汽车防撞用激光测距传感器。

背景技术：

随着经济的快速发展，汽车逐渐进入寻常百姓家，国家的高速公路网纵横交错，把全国的大小城市串联到了一起，给人们的出行带来极大便利。但各种交通伤亡事故频频出现在各种媒体，每年的交通事故造成的人员和财产损失巨大，且呈逐年上升之势。每次不幸事件的发生，不仅给当事人家庭造成不幸，也深深地刺痛着每颗善良的心。开发有效的技术手段尽量减少各种交通事故已刻不容缓。

国内的测距产品，是以脉冲计数原理进行设计的，该测距产品的测距范围可达5-1000米，精度达到1-5m,测量速度3-10hz。由于此测距产品精度和测量速度都太低，不适用于汽车防撞使用要求。

有鉴于此，有必要对现有的测距产品予以改进，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种汽车防撞用激光测距传感器，本发明基于飞行时间法原理，具有测量速度、测量距离、测量精度综合优势，适合于运动中的汽车或高速动态目标之间的距离和速度等指标检测。

实现本发明目的的技术方案如下：

汽车防撞用激光测距传感器，包括：高压生成单元、激光发射单元、中央处理单元、激光接收单元和计时单元，所述高压生成单元把激光测距传感器电源端的输入电压调整成激光发射单元和激光接收单元所需的两路高压；所述中央处理单元控制激光发射单元向被测目标发送红外激光，同时启动计时单元开始计时；所述激光接收单元接收到被测目标反射回来的激光，同时向计时单元发送停止计时的脉冲信号；所述计时单元接收到该脉冲信号时停止计时，得到时间差；所述计时单元还将时间差发送至中央处理单元；所述中央处理单元根据时间差和光速得到汽车与被测目标之间的距离。本发明的激光测距传感器测距原理是：通过向被测目标发射红外激光脉冲，同时启动计时单元，接收到被测目标反射回来的激光时停止计时，得到时间差△t，根据时间差△t、光速v，换算出汽车距被测目标的距离s=△t*v/2。本发明测量精度更好、测量距离范围更大、测量的稳定性更好。本发明是基于飞行时间法测距原理，同时检测汽车类动态目标之间的距离、相对运动速度及速度方向、相对加速度及加速度方向。本发明可以将几组数据同时或分类实时送出，为判定汽车安全状态提供技术依据；可用于给司机进行安全预警、给汽车行车电脑提供自动刹车或自动驾驶需要的技术依据。本发明适合于运动中的汽车或高速动态目标之间的距离、速度、加速度等指标检测。

作为本发明的进一步改进，所述激光发射单元包括：作为发射源的红外激光二极管、控制该红外激光二极管工作的开关三级管、用于提升开关三极管开关速度的正反馈三极管，所述中央处理单元向开关三极管的基极发射控制脉冲；所述高压生成单元向红外激光二极管、开关三级管、正反馈三极管供电，所述正反馈三极管将信号反馈至开关三级管的基极。本发明的高压生成单元将电源电压转换成高压，向红外发射单元的红外激光二极管供电，使用脉冲型红外激光二极管作为光源，使用开关三级管进行发射控制，测量的距离范围更广，测量稳定性更好。本发明的高压生成单元将调节好的高压电输送到开关三极管和红外激光二极管，中央处理单元控制开关三极管工作，开关三极管控制红外激光二极管工作，本发明采用飞行时间原理开发的激光测距传感器，测量精度更好、测量距离范围更大、测量的稳定性更好。

作为本发明的进一步改进，所述高压生成单元采用脉冲宽度调制的方式调节高压。高压生成单元把激光测距传感器电源端的输入低电压生成激光发射单元和激光接收单元需要的两路不同的高压hv1,hv2；接收单元需要低纹波、小功率高压电源，发射单元需要大功率的高压电源。高压生成单元使用一个cpu产生两路pwm脉冲，分别作为两路升压电路脉冲信号，通过软件调整pwm的占空比和频率，以适应两路不同的使用要求。使用低导通电阻开关管q6和高q值升压电感l1，提高高压电源的功率输出，以满足高频率激光发射要求。本发明的高压生成单元采取pwm(脉冲宽度调制)方式，使用具有pwm输出功能的cpu，用pwm作为振荡脉冲，将pwm脉冲送到升压电路。本发明的高压生成单元既能产生高压，也能方便的调节高压，既能节省pcb资源，还能节省成本。

作为本发明的进一步改进，所述激光接收单元包括：雪崩光电二极管、放大器，所述雪崩光电二极管接收到的激光经放大器信号放大后作为计时单元停止计数的脉冲信号。本发明选用高灵敏度、宽温度范围、上升沿小于1ns的雪崩管apd作为接收器件，将接收到的信号放大后作为计时单元停止计数的脉冲，由于雪崩管apd灵敏度高，提高了整个传感器的精度。激光接收单元包括：使用雪崩管apd作为接收器件，截止频率高于5gh的射频三极管q18、射频三极管q19作为前置放大器、使用压摆率不低于400v/us的运放作为主放大器的组合技术方案，提高了接收灵敏度、提高了距离测量范围，大大降低了空气扰动和目标颜色不同，反射率不同对测量精度的影响。

作为本发明的进一步改进，所述放大器与雪崩光电二极管之间设有前置放大器，前一级管接成射极跟随器，进行阻抗变换，第二级三极管进行放大。由于被测目标反射回来的信号受目标和环境的影响变化剧烈，本发明使用截至频率高于5ghz的复合三级管作为前置放大器、压摆率超过400v/us、增益带宽积达到500mhz的超高速运放作为主放大器，把经过前置放大器和主放大器处理的接收信号作为计时单元停止计数的脉冲，大大降低空气扰动造成的误差，提高了精度。

作为本发明的进一步改进，所述计时单元为时间转换芯片，本发明的中央处理单元为时间转换芯片提供起始脉冲，激光接收单元为时间转换芯片提供停止脉冲，通过接收电路提高返回脉冲信号质量，计时停止脉冲陡峭，从而计时更加准确。本发明的计时单元使用时间转换芯片完成计时工作，所述中央处理单元控制激光发射单元向被测目标发射红外激光，同时启动计时器单元开始计时；所述激光接收单元将接收到的被测目标反射回来的激光信号转换成电脉冲，将该脉冲引入计时器单元，作为停止计时的脉冲信号；时间转换芯片接收到该信号后停止计时，处理并存储时间差数据△t后，向中央处理单元发出数据已准备好的请求读取信号。

作为本发明的进一步改进，所述激光发射单元还包括：用于提升开关三极管开关速度的正反馈三极管，所述正反馈三极管将信号反馈至开关三级管的基极。本发明在激光发射单元中引入正反馈加速三级管，由于正反馈三极管的正反馈作用，加速了开关三级管的导通，缩短了开关三级管的导通时间，达到了减小光脉冲宽度的目的。通过减小光脉冲宽度，提高了光脉冲峰值功率，增加了量程，又降低了对人眼视力损害的风险。本发明使用905nm红外光作为光源,并将激光脉冲宽度压缩到60ns以内。因为人眼对红外光本就不敏感，对维持时间不足60ns的红外光脉冲更不敏感。这样既保证了需要的光脉冲强渡，又大大降低了对人眼可能造成的视力损害。

作为本发明的进一步改进，还包括：与中央处理单元电连接的输出数据处理单元，所述输出数据处理单元对中央处理单元输出的数据进行输出和/或数模转换。本发明将传感器检测的结果一起或单个、同时或分时送出，以适应不同的应用场合。为了适应高速需要，本发明的中央处理单元选择使用32位、主频100mhz的arm芯片作为中央处理器cpu。中央处理器cpu要对计时芯片进行初始化，读取芯片计时数据，为高压生成单元提供pwm脉冲，对整个系统进行控制，对输出数据进行处理。

作为本发明的进一步改进，还包括：用于安装激光接收单元的第一壳体、用于安装激光发射单元的第二壳体，所述第二壳体位于第一壳体的上方，所述第一壳体上设有接收透镜，所述第二壳体上设有发射透镜，所述接收透镜的直径大于发射透镜的直径。本发明将激光接收单元合并到瞄准系统中，共同置于第一壳体上，将激光发射单元单列出来，激光发射单元的发射透镜口径可以大大压缩，使用小口径非球面发射透镜进行光学准直，可以提高激光能量密度，增加目标反射回来的光强。

作为本发明的进一步改进，所述第一壳体内设有分光镜，所述分光镜上镀有发射激光膜，所述分光镜可反射激光进入激光接收单元的雪崩光电二极管。本发明的分光镜通过镀膜，不仅可以让反射激光进入雪崩光电二极管，还可以让可见光直通到目镜，用于瞄准。

附图说明

图1为激光发射单元的示意图；

图2为高压生成单元的示意图；

图3为激光接收单元的示意图；

图4为计时单元的示意图；

图5为中央处理单元的示意图；

图6为光学系统的示意图；

图7为汽车防撞用激光测距传感器的原理框图。

图中：1、目镜；2、分划板；3、倒像棱镜；4、分光镜；5、接收透镜；6、发射透镜；7、红外激光二极管；8、雪崩光电二极管；9、被测目标。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

实施例1：

现有脉冲计数原理的测距产品，只把输入电源电压升高到几十v就可以了，发射的光脉冲比较宽，作为开关管的速度也不要求太快，因为距离不远、功率不大，开关管允许的瞬态电流也不要求太大。然而，为了实时探测汽车与被测目标9之间的距离，在汽车防撞领域使用测距传感器时，需要高速、动态测距，现有的测距产品不适用汽车防撞。

另外，现有以脉冲计数原理设计的远距离测距产品，测距范围可达5-1000米，精度达到1-5m，测量速度3-10hz，已广泛用于高尔夫打球，观光旅游等，这种技术发展时间已很长了，国内部分企业已掌握。由于精度和测量速度都太低，也不适用于汽车防撞使用要求。现有飞行时间原理（tof）设计的手持式激光测距仪，精度可达1-2mm，距离范围1-100m。测距速度3-10hz。由于具有非接触测量特点，已广泛用于日常室内外距离测量。只是手持式激光测距仪测量精度、距离范围、稳定性等稍差些。并且手持式激光测距仪测量速度太低，不适用于汽车防撞使用要求。

为了解决这一技术问题，本实施例利用飞行时间法的原理，通过向目标发射红外激光脉冲，同时启动计时单元，接收到目标反射回来的激光时，停止计时，得到时间差△t，再换算成距离。

汽车防撞用激光测距传感器，包括：高压生成单元、激光发射单元、中央处理单元、激光接收单元、计时单元，高压生成单元把激光测距传感器电源端的输入电压调整成高压；高压生成单元向激光发射单元、激光接收单元供电，激光接收单元接收红外激光二极管7发射到被测目标9后反射回来的激光；中央处理单元控制激光发射单元向被测目标9发送红外激光的同时，启动计时单元开始计时；把激光接收单元接收到被测目标9反射回来的激光信号接收到计时单元停止计时端，计时单元接收到该脉冲信号时停止计时，得到时间差△t；计时单元将时间差传输至中央处理单元，中央处理单元根据时间差和光速得到汽车与被测目标9之间的距离。本实施例测量精度更好、测量距离范围更大、测量的稳定性更好。

换言之，本实施例的汽车防撞用激光测距传感器，包括：高压生成单元、激光发射单元、中央处理单元、激光接收单元、计时单元，高压生成单元把激光测距传感器电源端的输入电压调整成高压；激光发射单元包括：作为发射源的红外激光二极管7、控制该红外激光二极管7工作的开关三级管，中央处理单元向开关三极管的基极发射控制脉冲；高压生成单元向红外激光二极管7和开关三级管供电，激光接收单元接收红外激光二极管7发射到被测目标9后反射回来的激光，中央处理单元控制激光发射单元向被测目标9发送红外激光的同时，启动计时单元开始计时；激光接收单元接收到被测目标9反射回来的激光信号作为计时单元发送停止计时的脉冲信号；计时单元接收到该脉冲信号时停止计时，得到时间差△t；计时单元将时间差发送至中央处理单元，中央处理单元根据时间差和光速得到汽车与被测目标9之间的距离。本实施例的发射单元，使用脉冲型红外激光二极管7作为光源，使用开关时间小于60ns的开关三级管进行发射控制，使用高耐压电容进行储能，高耐压电容与红外激光二极管7串联。中央处理单元发射控制脉冲为低电平时，开关三级管关闭，高压电源通过续流二极管给高耐压电容充电，高耐压电容储能。当发射脉冲为高电平时，开关三级管导通，高耐压电容通过开关三极管和红外激光二极管7放电，红外激光二极管7得到正电压，发射光脉冲。

需要说明的是，本实施例的汽车防撞用激光测距传感器，计时单元将时间差△t输出至中央处理单元后，中央处理单元根据时间差△t、光速v、距离s=△t*v/2，就能换算出汽车与被测目标9之间的距离s：距离s=△t×v/2。汽车与被测目标9之间的距离s对汽车行驶的安全性影响是：两车之间距离越远，安全性越强。

本实施例的汽车防撞用激光测距传感器，计时单元将时间差△t输出至中央处理单元后，中央处理单元测量汽车当前行驶速度的过程是：利用前1毫秒汽车与被测目标9之间的距离s1和后1毫秒汽车与被测目标9之间的距离s2得到汽车当前的行驶速度。汽车当前行驶速度v=（s2-s1）m/1ms=3600*（s2-s1）km/h。速度方向判定：s2-si＞0，速度为正，两车逐渐远离；反之，s2-si＜0，速度为负，两车逐渐接近。速度和方向对安全性的影响：正速度越大，安全性越强。

本实施例的汽车防撞用激光测距传感器，计时单元将时间差△t输出至中央处理单元后，中央处理单元测量汽车当前加速度的过程：加速度a=(v2-v1)/1ms，加速度方向判定：当(v2-v1)＞0时，加速度为正，两车逐渐远离；当(v2-v1)＜0时，加速度为负，两车逐渐接近。加速度和方向对安全性的影响：正加速度越大，安全性越强。

本实施例的中央处理器可以选用目前市面上已有的任何芯片，只要能实现计算上述汽车与被测目标9之间的距离s、当前行驶速度、加速度的任何芯片都可在本实施例中使用。当然，本实施例的中央处理器优选图5所示型号为lpc1768-100的处理芯片，该芯片具有32位数据处理能力，主频达到100mhz，具有pwm功能，能够满足使用要求。为了提高检测精度，本实施例的中央处理单元使用多组数据平均算法。

普通的脉冲测距设备，采用高频振荡器作为计时基础，发射激光脉冲时开启振荡器，进行脉冲计数，检测到目标反射回来的光脉冲时，停止计数。再根据脉冲个数和脉冲周期得到时间，再换算成距离。这种方式受到振荡器工作频率的限制，得到的时间值不会太准确，所以最终的测距精度也不会很高，一般在1-5米左右。难以满足汽车防撞测距的需要。本实施例采用飞行时间法进行测距，市面上已有专门的时间转换芯片，如德国asam公司出品的tdc-gp21,tdc-gp22等，tdc-gp21,tdc-gp22芯片的理论计时精度达到几十ps级别。如图4所示，图4所示的计时芯片还具有自校准功能，稳定性好。

需指出，本实施例的汽车防撞用激光测距传感器还包括：与中央处理单元电连接的输出数据处理单元，输出数据处理单元对中央处理单元输出的数据进行输出和/或数模转换。本实施例中输出数据处理单元的主要任务是进行数据输出和数据格式转换，以适应不同的应用场合。如选择ad420进行数模转换，进行4-20ma模拟电流输出，选择sp3232进行rs-232输出，选择sp3485进行rs-485输出等。本实施例的结果输出单元的主要特征是，将有关汽车行车安全的几大动态指标检测结果，一起或单个，同时或分时送出。

综上，本实施例提供了一种汽车防撞用激光测距传感器，如图7所示，包括：高压生成单元、激光发射单元、中央处理单元、激光接收单元和计时单元，高压生成单元把激光测距传感器电源端的输入电压调整成激光发射单元和激光接收单元所需的两路高压；中央处理单元控制激光发射单元向被测目标发送红外激光，同时启动计时单元开始计时；激光接收单元接收到被测目标反射回来的激光，同时向计时单元发送停止计时的脉冲信号；计时单元接收到该脉冲信号时停止计时，得到时间差；中央处理单元获取时间差，并根据时间差和光速得到汽车与被测目标之间的距离。

本实施例实基于飞行时间法测距原理，同时检测汽车类动态目标之间的距离、相对运动速度及速度方向、相对加速度及加速度方向。本实施例的汽车防撞用激光测距传感器由激光发射单元，激光接收单元，高压生成单元，计时器单元，中央处理单元，输出数据处理单元等组成。汽车防撞用激光测距传感器可以将几组数据同时或分类实时送出，为判定汽车安全状态提供技术依据。可用于给司机进行安全预警；给汽车行车电脑提供自动刹车或自动驾驶需要的技术依据。适合于运动中的汽车或高速动态目标之间的距离、速度、加速度等指标检测。本实施例公开的方案具有测量速度、测量距离、测量精度综合优势。适合于运动中的汽车或高速动态目标之间的距离和速度等指标检测。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例公开了详细的激光发射单元。本实施例的激光发射单元包括：作为发射源的红外激光二极管7、控制该红外激光二极管7工作的开关三级管、用于提升开关三极管开关速度的正反馈三极管，正反馈三极管将信号反馈至开关三级管的基极，中央处理单元向开关三极管的基极发射控制脉冲；高压生成单元向红外激光二极管7、开关三级管、正反馈三极管供电。本实施例的高压生成单元将电源电压转换成高压，向红外发射单元的红外激光二极管7供电，使用脉冲型红外激光二极管作为光源，使用开关三级管进行发射控制，测量的距离范围更广，测量稳定性更好。本实施例在激光发射单元中引入正反馈加速三级管，由于正反馈三极管的正反馈作用，加速了开关三级管的导通，缩短了开关三级管的导通时间，达到了减小光脉冲宽度的目的。通过减小光脉冲宽度，提高了光脉冲峰值功率，增加了量程，又降低了对人眼视力损害的风险。本实施例使用905nm红外光作为光源,并将激光脉冲宽度压缩到60ns以内。因为人眼对红外光本就不敏感，对维持时间不足60ns的红外光脉冲更不敏感。这样既保证了需要的光脉冲强渡，又大大降低了对人眼可能造成的视力损害。

本实施例中激光发射单元的电路图如图1所示，该激光发射单元使用脉冲型红外激光二极管7作为光源，使用开关时间小于60ns的开关管进行发射控制，使用高耐压电容c1进行储能。激光发射单元包括作为发射源的红外激光二极管d10、控制该红外激光二极管工作的开关三极管q5，高压储能电容c1，加速复合管q4等。中央处理单元向开关三极管的基极发射控制脉冲；当控制脉冲pulse为低电平时，开关管截止，发射单元高压电源通过续流管给高压储能电容充电，充电能量值为c1×（hv）²/2.当控制脉冲pulse为高电平时，开关管导通，高压储能电容通过激光二极管放电，激光管发射激光。为了提高激光发射强度，设计使用小口径准直光学系统，这样可以加强发射激光强度，提高测距范围。

激光发射单元的工作原理是：当不发射时，pulse为低电平，q5、q4都不通，高压电源通过d11给c1充电(电压为hv)。当需要发射时，pulse为高电平，q5导通，集电极变低，q4也导通，q4的集电极上高，使q5加速导通，c1和激光管d10行成放电回路，电能转化成光能，激光管发光。当脉冲pulse变成低电平时，q5关断，高压电源又通过d11给c1充电，为下个发射脉冲pulse到来做好能量储备。要求q5的瞬态允许电流要大于20a以上，导通时间小于60ns，耐压大于150v，储能电容的耐压大于200v，q4的耐压要大于150v。激光发射单元中电容储能值为w=c1×(hv)²/2，调节电压就能方便的调节激光脉冲强度。具有激光脉冲窄，峰值功率大，调节方便，电光转换效率高，长期工作稳定的特点。

本实施例的激光发射单元采取了905nm脉冲型激光管作为光源，为npn型发射控制开关管引入了pnp型加速复合管，提高了开关管的开关速度，提高了激光发射频率。

本实施例激光发射单元的设计思想是，使用905nm脉冲型激光二级管d10作为发射源，905nm脉冲型激光二级管d10峰值功率大，人眼对其不敏感。为了提高发射功率，要求开关三级管q5的瞬态电流要大，需要达到20a或以上，需要选择大功率开关管子。但电流加大，开关管子的pn结面积就要增大，pn结电容加大，开关速度就会下降，为了解决这一对矛盾，引入了正反馈型复合管q4，pnp型正反馈型复合管q4的正反馈作用，加速了npn型开关三级管q5的导通，缩短了开关三级管q5的导通时间，达到了减小光脉冲宽度的目的。试验结果表明，光脉冲宽度可以低于60ns。降低脉冲宽度会带来的好处有：1、提高光脉冲发射功率，减小对人眼有可能造成的风险；2、光脉冲越窄，对人眼可能造成的伤害越小；3、节省能量。

实施例3：

现有激光测距产品，测量速度只有3-10hz。一般使用555电路作为脉冲源产生一路高压，功率比较低，通过分压电路取出一部分给接收电路使用，纹波比较大，对接收单元灵敏度有不利影响。为了解决这一技术问题，在实施例1和实施例2的基础上，本实施例的高压生成单元采用双pwm方法，分别生成两路高压。针对发射和接收单元的不同要求，再采取不同措施，既能满足各自特殊要求，节省了硬件资源，又大大减小了相互干扰。

为了提高激光测距传感器的检测精度，在实施例1和/或实施例2的基础上，本实施例的高压生成单元采用脉冲宽度调制的方式调节高压。本实施例的高压生成单元采取pwm(脉冲宽度调制)方式，使用具有pwm输出功能的cpu，用pwm作为振荡脉冲，将pwm脉冲送到升压电路。本实施例的高压生成单元既能产生高压，也能方便的调节高压，既能节省pcb资源，还能节省成本。

本实施例的高压生成单元采取pwm方式(占空比可调)，选择具有pwm输出功能的cpu，用pwm作为振荡脉冲，将2路pwm脉冲分别送到激光发射单元和激光接收单元即可。通过调节高压生成单元的占空比，进而调整高压。

由于发射频率高，单个脉冲的功率也更大，也就是需要的高压电源输出功率更大。如图2所示，升压开关管q6、升压电感l1的选择至关重要，升压开关管q6的速度越快，导通电阻越小，转换效率越高。升压电感l1需要选择直流电阻小、带屏蔽的功率电感，这样可以大大提高高压电源功率，同时减小对其它电路的干扰。

本实施例的主要特征点在于选择了具有pwm输出功能的cpu，用pwm作为升压脉冲。优点在于既能产生高压，也能方便的调节高压，既能节省pcb资源，还能节省成本。选择使用低导通电阻mos开关管作为升压开关管q6，提高了升压效率。选择使用低电阻屏蔽功率电感作为升压电感l1，提高了高压电源功率。利用上述技术组合，得到了能够满足高频发射要求的高压电源。经过实际检验,当发射频率达到5000hz，高压电源还能稳定输出。

高压生成单元使用2路pwm脉冲，分别生成两路要求不同的高压电源。一个功率输出比较大，一个输出纹波比较小。两路参数不同的pwm脉冲都由一个cpu产生，生成的大功率高压电源作为激光发射单元电源，低纹波高压电源作为激光接收单元工作电源。既能照顾发射单元和接收单元对高压电源的不同需要，又节省了硬件资源，还减小了相互干扰。还设计使用了低导通电阻mos管作为升压开关管，使用高q值功率电感作为升压电感，提高了升压效率和高压电源输出功率，为提高发射测量频率创造了条件。高压生成单元把激光测距传感器电源端的输入低电压生成激光发射单元和激光接收单元需要的两路不同的高压；接收单元需要低纹波，小功率高压电源，发射单元需要大功率的高压电源。使用一个中央处理器（cpu）产生两路pwm脉冲，分别作为两路升压电路脉冲信号，通过软件调整pwm的占空比和频率，以适应两路不同的使用要求。使用低导通电阻开关管q6和高q值升压电感l1，提高高压电源的功率输出，以满足高频率激光发射要求。

图2为其中一路，需要说明的是，图2中q6为低导通电阻mos管，l1为高q值带屏蔽功率电感，d3、d4、c20组成倍压电路，q5为启动电源开关，受控于cpu，连接到cpu的p0.9管脚pwm1.2为升压脉冲，（参看图5）。

当需要开始升压时，cpup0.9输出低电平，q5导通，系统5v电源接通到升压电路中，cpu同时启动pwm1.2端，输出pwm脉冲，该脉冲处于高电平时，开关管q6导通，5v通过电感l1到地，电感电流迅速增加，当脉冲处于低电平时，开关管q6截止，l1电流被强行截断，但根据电感特性可知，当电感电流迅速变化时，在其两端便会感应出电压，感应电压要阻止电流的变化，感应电压为左正右负。该电压通过d2整流，c22,c23滤波，变成直流电压。

在本实施例中，开关管q6的选择很重要，必需满足低导通电阻要求，最好低于10欧为好。电感l1应选择高q值带屏蔽功率电感，可以提高输出功率，减少辐射干扰。

实施例4：

普通测距仪产品的接收管，使用一般灵敏度的pin管进行接收，温度范围也比较窄，在-20-+40c°之间，使用普通高频管作为前置放大。使用普通高速运放作为主放大器。测量距离比较小，当目标颜色发生改变时，误差变大，空气扰动造成的随机误差难以消除，综合精度比较低。

鉴于此，在实施例1-3的基础上，本实施例的激光接收单元如图5所示，激光接收单元包括：雪崩光电二极管8、放大器，雪崩光电二极管8接收到的激光经放大器信号放大后作为计时单元停止计数的脉冲信号。本实施例选用高灵敏度、宽温度范围、上升沿小于1ns的雪崩管apd作为接收器件，将接收到的信号放大后作为计时单元停止计数的脉冲，由于雪崩管apd灵敏度高，提高了整个传感器的测量范围和测量精度。

优选在主放大器与雪崩光电二极管8之间设有设置前置放大器，前一级三极管接成射极跟随器，进行阻抗变换，第二级三极管进行放大。（复合三级管由多个三极管的集电极连在一起、前一三极管的发射极耦合到下一三极管的基极，依次连接而成的）由于被测目标9反射回来的信号受目标和环境的影响变化剧烈，本实施例使用截至频率达到5ghz的复合三级管作为前置放大器、压摆率超过400v/us、增益带宽积达到500mhz的超高速运放作为主放大器，主放大器把经过前置放大器和主放大器处理的接收信号作为计时单元停止计数的脉冲，大大降低空气扰动造成的误差，提高了精度。主放大器的工作原理是：雪崩管apd需要加反偏电压才能工作，当接收到激光脉冲时，电阻会减小，电流会增大，q19接成射极跟随器，进行阻抗变换，用于提高阻抗，q18为前置放大器，经过前置放大的信号通过耦合电容c121送入超高速运放的第一级输入端，第一级输出再送入第二级输入，进行再次放大。总计放大倍数超过10万倍以上。

需要说明的是，激光接收单元的高压电源，不需要大功率，但需要纹波尽量低，这样可以提高系统灵敏度。前置放大器q18,q19要选择截止频率高的射频管，这样可以提高信号的陡峭程度，减小信号抖动的不利影响。运放要选择超高速双运放，保证具有足够的放大能力。如sgm8052，sgm8062等。

本实施例的激光接收单元，使用高灵敏度，宽温度范围，上升沿小于1ns的雪崩管apd作为接收器件.需要为其提供低纹波高压电源hv。使用截至频率达到5ghz的射频管q18、射频管q19作为前置放大器。使用压摆率超过400v/us、增益带宽积达到500mhz的超高速运放，作为主放大器，把经过上述处理的接收信号rx作为计时单元停止计数的脉冲stop。这样可以大大降低空气扰动造成的误差，提高了精度。因为所有器件都是工业级产品，把工作温度范围也展宽到了-40-+80°c。

本实施例的激光接收单元，通过雪崩管apd、前置放大器、主放大器，可以大大提高目标反射回来的信号强度，提高计时单元的停止计时脉冲stop的陡峭程度，将空气扰动造成的计时脉冲上升沿抖动降低到1ns以内，经过实际电路制作检验，目标颜色改变对距离值基本没有影响，空气扰动带来的随机误差，也大大减小。

实施例5：

在实施例1至实施例4的基础上，本实施例公开了如图4所示的计时单元。本实施例的计时单元使用时间转换芯片来完成计时工作。

通过中央处理器（cpu）对时间转换芯片进行必要的设置，芯片有一个计时起始端，和一个计时结束端。当cpu给起始端发出开始脉冲时，它就自动启动内部计时电路单元开始计时，当其结束计时端收到脉冲时，就停止计时，自动将计时数据转换成时间，送到专门的存储器后,向cpu发出可以读取的请求信号。

中央处理单元控制激光发射单元向被测目标发射红外激光，同时启动计时器单元开始计时；激光接收单元将接收到的被测目标反射回来的激光信号转换成电脉冲，将该脉冲引入计时器单元，作为停止计时的脉冲信号；时间转换芯片接收到该信号后停止计时，处理并存储时间差数据△t后，向cpu发出数据已准备好的请求读取信号。本实施例选择使用tdc-gp21，它的计时分辨率达到45ps,换算成激光测距精度，可以达到0.6厘米精度，可以保证达到系统精度要求。

需要说明的是，将时间转换芯片用于激光测距时，cpu将计时芯片gp21-32脚（enstart）置高，先启动计时芯片，进入计时工作状态。cup再次产生起始脉冲信号，送到gp21-31脚(start）同时送到激光发射单元，起始脉冲使发射单元向目标发射激光脉冲，激光到达目标后将激光反射回来，接收单元将激光反射信号进行放大处理后，送到计时芯片gp21-30脚(stop1）作为结束信号。cpu读取这两个脉冲的时间差，就可以换算出距离。因为激光从发射出去，到达目标，再反射回来，经过的空间环境复杂，空气扰动，目标表面颜色变化、反射率不同，目标的反射强弱等都会影响回波质量。这也是激光接收单元需要解决的主要问题。

实施例6：

在实施例1-实施例5的基础上，本实施例公开了中央处理单元和数据处理单元。本实施例的中央处理单元，使用32位，主频高达100mhz的arm芯片作为cpu。它的最小指令周期达到10ns,数据处理功能强。还具有两路pwm脉冲输出功能，可以作为两路高压生成单元的输入脉冲；具有2路串口输出，可以把数据及时送出。根据外部设备需要，数据处理单元对中央处理器的数据进行再处理，包括进行显示，数模转换等。本实施例中输出数据处理单元的主要任务是进行数据输出和数据格式转换，以适应不同的应用场合。如选择ad420进行数模转换，进行4-20ma模拟电流输出，选择sp3232进行rs-232输出，选择sp3485进行rs-485输出等。

本实施例的中央控制器选择使用lpc1768-100作为中央控制器，该芯片具有32位数据处理能力，主频达到100mhz，最短指令周期10ns,具有快速的数据处理能力，具有双pwm脉冲输出功能，能够满足使用要求。

本实施例的中央控制器，启动激光发射单元向目标发射激光，同时启动计时单元开始计时，随后检测等待计时芯片的请求取数信号。当请求信号到来时，cpu就要先读取计时单元送来的时间差△t，再根据已知的光速v,

计算出距离值：s=△t×v/2。

两车相对速度的数据处理：先求出第一个光脉冲测到的距离值s1,再求出下一个光脉冲测到的距离值s2.因为两个脉冲之间的时间差是一定的，比如间隔△t0

则速度v=（s2-s1）(m)/△t0(s)

如每次间隔△t0=1ms.

则v=3600×（s2-s1）km/h。

速度方向判定：s2-si＞0，速度为正，第二次测得距离大于第一次，两车逐渐远离,安全性上升；速度=0,车距不变,安全性不变;反之，s2-si＜0，速度为负，两车逐渐接近，安全性下降。

速度和方向对安全性的影响：正速度越大，安全性越强。

两车相对加速度的数据处理：求出先后两个光脉冲测到的速度v1,v2.则加速度a=(v2-v1)/△t0，(单位：m/s2)

加速度方向判定：当(v2-v1)＞0时，加速度为正，两车逐渐远离；当(v2-v1)＜0时，加速度为负，两车逐渐接近。

加速度大小变化可作为自动刹车机构刹车力度调整的技术依据。

实施例7：

在目前已有的远距离测距产品中，都是采用发射和瞄准共用一套光学系统，接收系统单独用一套光学系统。然而，现有远距离测距产品存在的问题是，瞄准镜头的直径不能太小，一般为直径25mm，否则不便人眼瞄准。这就造成共用一套系统的激光发射光束直径也会达到直径25mm.光束直径大，光能量不够集中，造成目标反射回来的光强比较弱，进而造成信噪比较低。这样不仅降低最大可测距范围，信噪比低，还会降低对空气扰动，背景光干扰等的抵抗能力，最终影响测距精度。

本实施例的汽车防撞用激光测距传感器，需要专门设计的系统光学结构来配合，各项技术性能指标才能得以实现（参看图6）：激光接收单元为了提高接收灵敏度，需要配合使用接收光学系统。接收镜头的口径越大对提高接收灵敏度越有利。因为使用红外激光进行距离测量，这有利于避免对人眼可能造成的损害，但人眼对红外激光不敏感，难以看到测量激光点位置，所以还需要光学瞄准系统。瞄准系统口径越大目标越清晰。因为接收和瞄准都需要大口径光学系统，为此把两套光学系统进行合并设计，共用一套光学系统。接收和瞄准公用光学系统镜筒内设有分光镜，分光镜上镀有分光膜，分光膜让可见光直通到瞄准镜十字丝上，用于目标的瞄准，将测量目标反射回来的红外激光反射到接收雪崩管apd上，进行信号处理。这样可使结构更紧凑。激光发射单元单独设计一套光学系统，这套系统用于把激光管发射的激光进行准直，变成平行激光束。发射光学系统设计口径比较小，可以增加激光发射强度，提高测距范围。

光学系统的具体研发思路是：将激光接收单元合并到了瞄准系统中，激光发射单元单列出来。分划板2上的十字丝用于瞄准，倒像棱镜用于目标倒像，方便瞄准，分光镜4通过镀膜，可以反射激光进入接收探测器雪崩管，可以让可见光直通到目镜1，用于瞄准。因为接收镜头口径大，能够接收的光能量多，对提高灵敏度有好处，瞄准和接收都需要大口径镜头，将它们合并设计有合理性。将激光发射单元单独设计，与激光发射单元适配的发射透镜6口径可以大大压缩，使用小口径非球面发射透镜6进行光学准直，可以提高激光能量密度，增加目标反射回来的光强。

本实施例中光学系统的结构如图7所示，汽车防撞用激光测距传感器的还包括：第一壳体和第二壳体，第一壳体用于安装激光接收单元，第二壳体用于安装激光发射单元，第二壳体位于第一壳体的上方，第一壳体上设有接收透镜5，第二壳体上设有发射透镜6，接收透镜5的直径大于发射透镜6的直径。本实施例将激光接收单元合并到瞄准系统中，共同置于第一壳体上，将激光发射单元单列出来，激光发射单元的发射透镜6口径可以缩小至几毫米，使用小口径非球面发射透镜6进行光学准直，可以提高激光能量密度，增加目标反射回来的光强。本实施例还在第一壳体内设有分光镜4，分光镜4上镀有分光膜，可以通可见光，反射红外光，分光镜4供反射激光进入激光接收单元的雪崩光电二极管8。本实施例的分光镜4通过镀膜，不仅可以反射红外激光进入雪崩光电二极管8，还可以让可见光直通到目镜1，用于瞄准。

本实施例光学系统具有以下优点：一、提高了发射光强密度，增加测距范围，二、提高灵敏度，可以增加抗杂光干扰和空气抖动能力，提高测量精度，三、减小设备体积，使设备结构更紧凑。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。