专利名称：激光测距方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明是有关一种激光测距方法及其装置，尤指一种能在不需增加发射功率的情况下，提高侦测距离二倍以上，及距离侦测精确度的方法与装置设计。
按，激光测距仪为侦测距离讯号的重要装置，一般习知的激光测距仪的距离测量方式，大部分采用脉冲式的激光发射单元，以发射约20ns～50ns的短脉冲式讯号，而此激光经目标物反射后，由一快速接收器将由目标物所反射的激光讯号予以侦测出，所侦测的距离大小可由下列公式求出Td=2LC]]>其中，L为距离，C为光速，Td为时间差；由此公式的时间差Td即可精确的量测出距离的大小。而要精确的测量出距离的大小，即必须尽可能的提高激光的发射功率，或排除阳光对激光所造成的杂讯。在美国专利第3,644,740号案中，提出了控制电路偏压来提高接收电路的讯号杂讯比例，以得到一固定的失效率。于美国专利第4,569,599号案中，则提出利用时序控制技术来测量距离讯号。而在美国专利第4,770,526号案中，更提出利用脉冲宽度讯号放大技术来提高距离侦测的解析度。而在美国专利第3,959,641号案中，提出了数字式的测距相关技术，以降低接收机的临界值，而提高侦测的距离。
综合以上所揭的专利前案，其目的在于提高侦测距离与侦测精确度，但要达到此目的，即必须解决目前激光测距仪的固定失效率与杂讯问题作一技术上的变革，才能达到提高侦测距离的精确度及提高测量距离的要求。
是以，本发明所提出的主要方法即是在于达到下列的目的1．保持接收系统一定的失效率，并尽可能降低比较器的临界电压。
2．在一定的失效率中，侦测出所希望的讯号，并将此讯号的杂讯完全排除。
进而研发出一种能保持于固定失效率的控制接收系统，藉由回收控制技术保持接收系统不受阳光杂讯的影响，并利用取样平均技术，能将目标物的反射讯号侦测出，而将杂讯经由多次平均之后消除。使激光测距仪在不增加激光发射功率的原则下，提高侦测的精确度与侦测距离。
依据前述，本发明所提供的激光测距方法与装置，主要具有下列的功能1．利用回收控制技术，将接收器保持在一定失效率。
2．利用全数字化的方法，将取样后的数字讯号储存于存储器中。
3．利用微处理机技术，判断存储器的内储存值，而取出目标物讯号。
4．在不增加发射功率的前题下，能将侦测距离提高2倍以上，及提高距离侦测的精确度。
本发明激光测距装置，包括有一用以发射短脉冲式的激光源的激光发射器；一固定失效率的控制电路，利用回收控制技术，用以控制光接收器于固定失效率；一距离判断及读出电路，利用激光测距仪的杂讯特性，将接收电路的临界电压予以有效的降低至平均杂讯的平均值之下，再以高速取样及平均的方法，侦测出目标物的反射信号，并将杂讯经过多次平均之后排除，而量测得目标物的真正距离讯号。
其中该固定失效率的控制电路包括有一光接收器，用以接收自目标物的反射波，及由阳光所进入的杂讯；一积分器，是用以控制参考电压与数字/模拟转换器的误差，若有误差产生，即调整光接收器内的快速比较器的临界值，以使取样计数器的输出为一固定值；一取样计数器，用以计数量测的时间内光接收器输出的讯号脉冲波次数大小；一数字/模拟转换器，是将取样计数器所计数的脉冲波次数转换成模拟讯号，此模拟讯号正比于取样计数器所计数的次数，并将此模拟讯号传送至距离判断及读出的电路。
其中该光接收器包括有一跨阻抗放大器，是将检测器所接收到的反射的激光讯号及杂讯放大并转换成电压讯号，传送至快速比较器；一快速比较器，其临界值是由前述积分器的输出所调整，将大于参考电压的跨阻抗放大器所输入的讯号转为输出为高位，传送至单触发电路。
一单触发电路，是将比较器输出的数字信号产生宽度一定的脉冲波讯号，此脉冲波讯号经由一控制及门与触发脉冲波整合，用以消除由发射器于发射时所产生的交连杂讯。
其中该距离判断与读出电路包括有一锁存寄存器，是将光接收器所输出的固定宽度脉冲讯号，经由时序产生器所输入的锁存时序转换为并列的数字讯号传送至多路复用器；一多路复用器，是对锁存寄存器的并列讯号作解码选择，送入存储器中；一存储器，是存储锁存寄存器所输出的并列讯号，其地址是由微处理器所控制，每发射一次即将并列讯号存储于存储器内，并与下一次送入的并列讯号累加；一微处理器，是控制发射的次数，当发射的次数满足所需的次数时，微处理器即开始判断存储器所储存的最大值为何，并取此最大值的相对应地址，当存储器内的最大值满足于一定所需的要件后，则将所对应的地址与以输出，此对应的位置即为所需的距离。
其中该锁存寄存器是由一系列的时序D型暂存器组成串联至并联暂存器，其输出经由一地址解码器将所储存的值分别送入存储器。
其中进一步包括有一时序产生器，是受微处理器控制，以产生适当的时序讯号供应前述的各个单稳态元。
本发明激光测距方法包括有下列步骤a．设定发射次数为1b．设应全部的发射次数为10N1c．于存储器内找寻最大值的位置及其值的大小d．将最大值除以发射次数并减去一系数e．结果小于系数时，则设定发射次数加1，大于系数则执行步骤g；f．判断发射次数是否大于总次数，如是则系统停止，如未达到总发射次数，则在发射另一次的激光脉冲波，以求得可能的目标g．找到最大值将位置的值转换成距离讯号，输出于系统的显示装置。
为使能进一步了解本发明的目的、特征及功效，兹藉由下述具体实施例，并配合所附的附图，对本发明做一详细说明，其中
图1是为本发明激光测距装置的电路方块图；图2是为本发明光接收器的电路方块图；图3是显示不同发射次数时所对应光接收器的输出讯号的时序讯号图；图4是显示不同的时序讯号所产生功效的时序图；图5是为本发明取样及判断的系统方块图；图6是显示存储器储存资料的配置示意图；图7为本发明的微处理器工作流程图。
如图1所示，是为本发明激光测距装置的电路方块图；该激光测距装置包括有一激光发射器10、固定失效率的控制电路20、距离判断与读出电路30及时序产生器40。
一激光发射器10，用以发射约20ns～50ns的短脉冲式的激光光源；该固定失效率的控制电路20包括有一光接收器21，用以接收自目标物的反射波，及由阳光所进入的杂讯(如图2所示，容后详述)。
一积分器22，是用以控制参考电压Vref与数字/模拟转换器24的误差，若有误差产生，即调整光接收器20内的快速比较器212(如图2所示，容后详述)的临界值，以使取样计数器23的输出为一固定值；一取样计数器23，用以计数量测的时间内光接收器20输出的讯号脉冲波次数大小；一数字/模拟转换器24，是将取样计数器23所计数的脉冲波次数转换成模拟讯号，此模拟讯号正比于取样计数器23所计数的次数，并将此模拟讯号传送至积分器22；前述的距离判断与读出电路30包括有一多路复用器31，是对锁存寄存器32的并列讯号作解码选择(于本实施例中采用Nto1多路复用器)，送入存储器33中；一锁存寄存器32，是由一系列的时序D型暂存器所组成，是将光接收器20所输出的固定宽度脉冲讯号，经由时序产生器40所输入的锁存时序转换为并列的数字讯号传送至多路复用器31；锁存时序的频率是相等或高于光接收器20输出脉冲波宽，而距离量测的解析度由锁存时序的频率所限制，锁存寄存器32的并列输出位数由最大的距离所限制。
举例而言，如希望所侦测的距离为1km，而距离的解析度为2m，则锁存时序的频率为f=12×6.6×109≅75MHz]]>而光接收器20经由电击电路213的输出波宽Tw=2×6.6ns，并列的输出为500个D型正反器，取样时间宽度TG=500×2×6.6ns。
一存储器33，是储存锁存寄存器32所输出的并列讯号，其地址是由微处理器34所控制，每发射一次即将并列讯号储存于存储器33内，并与下一次送入的并列讯号相加；一微处理器34，是控制发射的次数，当发射的次数满足所需的次数时，微处理器34即开始判断存储器33所储存的最大值为何，并取此最大值的相对应地址，当存储器33内的最大值满足于一定所需的要件后，则将所对应的地址予以输出，此对应的地址即为所需的距离。
一时序产生器40，是受微处理器34控制，以产生适当的时序讯号供应前述的各个单元，其中TX是控制激光发射器10的发射时序；TG1是控制排除光接收器20的发射交连干扰；TG2是用以控制取样计数器23计数的时间，其时间为本系统所需最长的量测距离；锁存时序是控制锁存寄存器32的时序。
如图2所示，是显示本发明光接收器的电路方块图；图中所示的单元与图1所示为相同，予以相同的编号。
该光接收器20包括有一跨阻抗放大器211，是将检知器APD所接收到的反射的激光讯号及杂讯放大并转换成电压讯号，传送至快速比较器212；一快速比较器212，其临界值是由积分器22的输出所调整，将大于参考电压的跨阻抗放大器211所输入的讯号转为输出为高位(TRVE)，传送至单触发电路213。
一单触发电路213，是将快速比较器212输出的数字信号产生宽度一定的脉冲波讯号，此脉冲波讯号经由一控制及门214与触发脉冲波TG1整合，用以消除由激光发射器10于发射时所发生的交连杂讯；光接收器20的输出保持一固定的失效率，其与快速比较器212的临界值有以下的关系临界值越小，则取样计数器23的输出值越高。而超过临界值的控制范围，则取样计数器23的输出值为零。因此快速比较器212的临界值需作适当的调整，以符合光接收器20保持固定失效率的要求。
前述的取样计数器23于取得控制时间TG2的脉冲波次数后，计数出于量测时间内单触发电路213输出的脉冲波次数，经由数字/模拟转换器24将以计数次数转换成模拟讯号，此模拟讯号将与参考电压经由积分器22传送至快速比较器212，以调整快速比较器212的临界值，以保持取样计数器23的输出为一固定值。
如图3所示，是显示不同发射次数时所对应光接收器的输出讯号的时序讯号图图3a是于光接收器20的跨阻抗放大器211的输出点S01所量测，图3b是快速比较器212经单触发电路213的输出点S02所量测，图3c为取样时序讯号。其中目标讯号输出保持于固定位置，而其它由杂讯所产生的输出讯号则出现于不同的位置，经由取样时序讯号(如图3c)，则可以确知，于杂讯的取样输出讯号会产生间断性的输出，而于目标讯号为取样值为“高位”的出现频率高于杂讯出现位置。因此当经过多次取样之后，目标物出现为“高位”的出现频率将高于杂讯的出现率有一固定的值，因此经过多次的取样及判断之后，则可以精确的取出讯号，而将杂讯予以排除。
再由图2可知，本发明将光接收器20的快速比较器212的临界值设定小于平均杂讯的值，因此可以侦测到小于杂讯的讯号，且增加侦测的距离。
如图4所示，是显示不同的时序讯号所产生功效的时序图；其中SO1为光接收器20的输出讯号，TG2为取样计数器23的取样时间，TG1为排除激光发射电路10所产生的电路交连杂讯，Tlatch Sampling为激光发射器10的触发讯号，其正常状况为正缘触发。锁存时序为取样时序讯号，而RAMWrite为存储器33的写入触发讯号，其发生于取样完成动作之后。
如图5所示，是为本发明取样及判断的系统方块图；光接收器20的输出固定宽度脉冲波讯号S01送入锁存寄存器32中的串联至并联暂存器321中，串联至并联暂存器321的输出经由地址解码器322将串联至并联暂存器321的值分别送入存储器33中，因每一个串联至并联暂存器321的资料D0至DM，经由多路复用器31(M×1)将D0至DM送至存储器33最低位数D0，因此其它的资料位元用零填入暂存器323，如此即提供了D1～Dn的资料为零，而D0为资料。如此，即可将每一次发射后所取样的输出资料分别送入存储器33中储存，而存储器33内所储存的资料型式如图6所示。每当一次发射后，微处理器34即将所送出的暂存器321、323资料即与前一次所储存的资料作累加动作，请同时参阅图6所示，第一次发射时，存储器33内的资料状况为在相对应位置及距离所呈现的状况。举例来说，在第一次发射后，讯号位置的500m处的存储器33的资料为01，而在其它存储器33的位置内容为00或者是01，但经由第八次发射后，在讯号500m处的存储器33内容为8，但在其它不是讯号位置的存储器33的内容均小于8，由此即可利用微处理器34的判断，找出储存于存储器33内的最大值的相对应位置，而由此相对应位置即可获知相对应的距离。
如图7所示，是为本发明的微处理器工作流程图；首先设定发射次数N1为1(步骤a)，而全部的发射次数T为10N1(步骤b)，而后存储器33内找寻最大值的位置及其值的大小(步骤c)，将此最大值除以发射次数并减去一系数W(步骤d)，如此结果小于系数W时，则设定发射次数加1(N1=N1+1)(步骤e)，之后判断N1是否大于发射的总次数(步骤f)，如是则系统停止(步骤g)，如未达到总发射次数，则再发射另一次的激光脉冲波，以求得可能的目标。如果己找到最大值，则将位置的值转换成距离讯号，输出于系统的显示装置(步骤h)。
如前所述，本发明所提供的激光测距方法及其装置，利用回收控制技术，将接收器保持在一定失效率；及全数字化的方法，将取样后的数字讯号储存于存储器中，由微处理机技术判断存储器的内储存值，而取出目标物讯号，可藉所揭露的观念，能在不增加发射功率的前题下，能将侦测距离提高2倍以上，及提高距离侦测的精确度，针对习用方法与装置的缺失与未达成的功效提出有效的解决方法；更进一步地，增加习用方法未有的功能，具新颖性、实用性及产业利用价值，实已符合专利法发明专利的申请要件，爰依法具文申请。
以上所述内容与所举实施例的图示，仅是本发明的较佳实施范例，大凡知悉此技艺的人士，依照本发明的精神作成的各种变化与修饰，仍应包含在本案的专利范围内。
权利要求
1．一种激光测距装置，其特征在于，包括有一用以发射短脉冲式的激光源的激光发射器；一固定失效率的控制电路，利用回收控制技术，用以控制光接收器于固定失效率；一距离判断及读出电路，利用激光测距仪的杂讯特性，将接收电路的临界电压予以有效的降低至平均杂讯的平均值之下，再以高速取样及平均的方法，侦测出目标物的反射信号，并将杂讯经过多次平均之后排除，而量测得目标物的真正距离讯号。
2．如权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，其中该固定失效率的控制电路包括有一光接收器，用以接收自目标物的反射波，及由阳光所进入的杂讯；一积分器，是用以控制参考电压与数字/模拟转换器的误差，若有误差产生，即调整光接收器内的快速比较器的临界值，以使取样计数器的输出为一固定值；一取样计数器，用以计数量测的时间内光接收器输出的讯号脉冲波次数大小；一数字/模拟转换器，是将取样计数器所计数的脉冲波次数转换成模拟讯号，此模拟讯号正比于取样计数器所计数的次数，并将此模拟讯号传送至距离判断及读出的电路。
3．如权利要求2所述的激光测距装置，其特征在于，其中该光接收器包括有一跨阻抗放大器，是将检测器所接收到的反射的激光讯号及杂讯放大并转换成电压讯号，传送至快速比较器；一快速比较器，其临界值是由前述积分器的输出所调整，将大于参考电压的跨阻抗放大器所输入的讯号转为输出为高位，传送至单触发电路。一单触发电路，是将比较器输出的数字信号产生宽度一定的脉冲波讯号，此脉冲波讯号经由一控制及门与触发脉冲波整合，用以消除由发射器于发射时所产生的交连杂讯。
4．如权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，其中该距离判断与读出电路包括有一锁存寄存器，是将光接收器所输出的固定宽度脉冲讯号，经由时序产生器所输入的锁存时序转换为并列的数字讯号传送至多路复用器；在一多路复用器，是对锁存寄存器的并列讯号作解码选择，送入存储器中；一存储器，是存储锁存寄存器所输出的并列讯号，其地址是由微处理器所控制，每发射一次即将并列讯号存储于存储器内，并与下一次送入的并列讯号累加；一微处理器，是控制发射的次数，当发射的次数满足所需的次数时，微处理器即开始判断存储器所储存的最大值为何，并取此最大值的相对应地址，当存储器内的最大值满足于一定所需的要件后，则将所对应的地址与以输出，此对应的位置即为所需的距离。
5．如权利要求4所述的激光测距装置，其特征在于，其中该锁存寄存器是由一系列的时序D型暂存器组成串联至并联暂存器，其输出经由一地址解码器将所储存的值分别送入存储器。
6．如权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，进一步包括有一时序产生器，是受微处理器控制，以产生适当的时序讯号供应前述的各个单元。
7．一种激光测距方法，其特征在于，包括有下列步骤a．设定发射次数为1b．设应全部的发射次数为10N1c．于存储器内找寻最大值的位置及其值的大小d．将最大值除以发射次数并减去一系数e．结果小于系数时，则设定发射次数加1，大于系数则执行步骤g；f判断发射次数是否大于总次数，如是则系统停止，如未达到总发射次数，则在发射另一次的激光脉冲波，以求得可能的目标g．找到最大值将位置的值转换成距离讯号，输出于系统的显示装置。
全文摘要
本发明是关于一种激光测距方法及其装置，主要是利用激光测距仪的杂讯特性，将接收电路内快速比较器的临界电压予以有效的降低至平均杂讯的平均值之下，再以高速取样及平均的方法，侦测出目标物的反射信号，并将杂讯经过多次平均之后排除，而量测得目标物的真正距离讯号；藉由本发明所提供的方法与装置，能在不需增加发射功率的情况下，提高侦测距离二倍以上，及距离侦测的精度。
文档编号G01C3/08GK1227344SQ9810064
公开日1999年9月1日 申请日期1998年2月23日 优先权日1998年2月23日
发明者赖以仁, 简碧尧 申请人:亚洲光学股份有限公司