專利名稱：基于激光掃描和雙探測器的距離與速度測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種測量兩物體之間的距離以及相對速度的方法，尤其涉及一種利用激光掃描和雙激光探測器來進行測算的方法，屬于光電檢測領域。
背景技術：
測量宏觀物體之間距離的常用方法主要有如下幾種:視距測量法、電磁波測距法。其中，電磁波測距法按測量原理分相位測距法和脈沖測距法；按載波波段不同分激光測距(可見)、紅外測距和微波測距。視距測量法利用有視距裝置的測量儀器，按光學和三角學原理測定兩點間距離，常用經緯儀、平板儀、水準儀和有刻劃的標尺施測。通過望遠鏡的兩條視距絲，觀測其在垂直豎立的標尺上的刻度值，來計算距離，適用于靜止物體之間的距離測量。電磁波相位測距法是先對電磁波進行強度調制，利用安裝在發射端的相位鑒別裝置比較發射波和回波之間的相位差來計 算距離。電磁波脈沖測距法是通過測量脈沖從發出到從目標物返回所用的時間來計算距離。其中，脈沖測距法適合于長距離的測量，而利用測尺組的相位測距法不受距離限制，且精度較脈沖測距法要高。但是無論采用脈沖法還是相位法，也無論載波采用何種波源，都需要利用回波信號來進行測量。根據接受電磁信號的目標物體是否安裝了光電裝置，將目標物分為合作目標(安裝了反射鏡)與非合作目標(未安裝反射鏡)。對非合作目標，可以進行運動中測量，但由于接受的是漫發射回波，對波源的發射功率和探測器靈敏度有較高的要求。對合作目標，一般只能進行靜止測量，而且為了進行信號對準和回波采集，一般需要測量人員對儀器進行調整和操作。測量宏觀物體運動速度的常用方法主要有如下幾種:光電計時器測速法(雙光電門法)，超聲波測速法(利用回波)，激光測速法(利用回波)，多普勒效應測速法，激光散斑測速法。光電計時器測速需要用到兩個光源和兩個探測器，當物體與探測器之間發生橫向運動時，物體先后對兩個探測器擋光，通過測量這個時間差計算物體的運動速度。此方法測量的空間范圍小，不能對同一物體跟蹤測量和連續測量。超聲波測速法要求測速儀先后兩次對目標物發出超聲波，然后采集對應的兩個回波信號，根據發出和接受的四個時刻點來計算物體的速度。利用此方法測速要求測速儀的位置必須固定，否則無法測得物體相對于探測器的距離和運動速度。激光(回波)測速法是前面激光測距法的延伸，通過在不同時刻對物體(非合作目標)距離進行測量可以計算出物體速度，但正如前面所述，由于接收的是非合作目標反射回來的漫發射回波，對光源的發射功率和探測器靈敏度有較高的要求。多普勒效應測速法利用目標物與測速儀之間發生相對運動時，測速儀探測到的回波信號的頻移來測速。根據多普勒效應，頻移量等于發射信號的頻率乘以目標物關于測速儀的相對運動速度與光速的比值。當發射電磁波為無線電波時，此方法適用于高速運動物體的測量，當目標物低速運動時，對頻移量的測量誤差將增加。當發射電磁波為光波時可以用來測量低速物體，但由于需要檢測光波波長偏移量，檢測成本也隨之大幅度提高。激光散斑測速法利用漫反射物體的粗糙表面在激光照明下產生的散斑來測速，同一個散斑由兩個靠近的光電二級管來接收，當物體與探測器靠近，并發生橫向移動時，兩個探測器接收到的信號之間將會發生時間延遲，對接收到的兩個信號進行相關處理，可以求得延遲時間并計算出物體的運動速度。和光電計時器測速類似，測量的空間范圍小，不能對同一物體跟蹤測量和連續測量。綜上所述，目前常用的兩種距離測量方法，視距測量法適用于靜止物體的測量，電磁波測距法由于需要探測回波，當目標物為合作目標時，一般是要求其固定不動的，當目標物為運動的非合作目標，則對發射波的功率和探測器靈敏度有較高的要求。目前常用的幾種速度測量方法，光電計時器法和激光散斑法測量法的空間范圍小，不能對同一物體跟蹤測量和連續測量。超聲波測速法則必須將測量儀器固定在某一地點，只能進行絕對速度的測量，不能作相對速度測量。激光(回波)測速法對光源的發射功率和探測器靈敏度有較高的要求。多普勒效應測速法則一般適合于高速運動物體的測量。
發明內容
針對上述現有技術中所存在的不足，本發明提出了一種利用掃描激光信號和雙探測器來進行距離和速度測量的裝置及方法。該方法不需要利用回波，可以應用于相互運動的物體，且可以進行跟蹤測量和連續測量，同時還可以應用于低速運動的物體中，其適用范圍廣泛。實現本發明上述目的所采用的技術方案為:一種基于激光掃描和雙探測器的距離與速度測量裝置，由發射單元和接收單元組成，發射單元安裝于物體A上，接收單元安裝于物體B上，物體A與物體B之間的相對距離和相對速度為待測值，發射單元包括激光光源、主截面為正N邊形的N棱鏡以及能夠帶動N棱鏡旋轉的馬達，其中N > 3，N棱鏡同軸安裝于馬達的轉動軸上，N棱鏡的側面為反射面，激光光源朝向N棱鏡發射激光，激光經由N棱鏡的側面反射至接收單元；接收單元至少包括兩只光電探測器以及單片機，其中光電探測器的接收感應窗朝向激光光源方向，兩光電探測器位于同一水平面上，且兩者的安裝點之間所形成的連線垂直于物體A和物體B之間形成的連線，光電探測器與單片機電連接，光電探測器將接收到的光信號轉化為電壓信號后傳輸至單片機，單片機根據接收到的信號進行計算從而得到計算結果。N棱鏡的側面上鍍有反射膜，且反射膜的反射峰與激光光源所發射出的激光的波長相匹配。光電探測器由感光元件和探測電路組成，感光元件為光電二極管，探測電路包括電流電壓轉換模塊、有源濾波模塊以及后級信號放大模塊，。接收單元中還設置有外圍電路，外圍電路包括顯示元件和報警元件，顯示元件和報警元件均與單片機電連接，單片機中的計算結果傳輸至顯示原件上進行顯示，當單片機的計算結果超出設定值時報警元件進行報警。激光光源為點光源或線光源，線光源發射出的激光被反射至光電探測器上的長橢圓形光斑的長軸方向與兩光電探測器的的安 裝點之間所形成的連線垂直。本發明中還提供了基于上述裝置的距離與速度測量的方法，包括以下步驟:
(I)、馬達帶動N棱鏡旋轉，激光光源發射出的激光被N棱鏡的側面反射至接收單元并先后被兩個光電探測器接收，光電探測器所生成的脈沖信號分別對應單片機的外部中斷口，利用單片機內部的定時/計數器測算得N棱鏡的轉動角速度ω ；(2)、利用單片機內部的定時/計數器測算得兩個光電探測器先后接收到激光并產生信號的時間間隔At;(3 )、測量兩光電探測器的接收感應窗之間的距離s，計算物體A與物體B之間的距離1，
權利要求
1.一種基于激光掃描和雙探測器的距離與速度測量裝置，由發射單元和接收單元組成，發射單元安裝于物體A上，接收單元安裝于物體B上，物體A與物體B之間的相對距離和相對速度為待測值，其特征在于:發射單元包括激光光源、主截面為正N邊形的N棱鏡以及能夠帶動N棱鏡旋轉的馬達，其中N ^ 3，N棱鏡同軸安裝于馬達的轉動軸上，N棱鏡的側面為反射面，激光光源朝向N棱鏡發射激光，激光經由N棱鏡的側面反射至接收單元；接收單元至少包括兩只光電探測器以及單片機，其中光電探測器的接收感應窗朝向激光光源方向，兩光電探測器位于同一水平面上，且兩者的安裝點之間所形成的連線垂直于物體A和物體B之間形成的連線，光電探測器與單片機電連接，光電探測器將接收到的光信號轉化為電壓信號后傳輸至單片機，單片機根據接收到的信號進行計算從而得到計算結果。
2.根據權利要求1所述的基于激光掃描和雙探測器的距離與速度測量裝置，其特征在于:N棱鏡的側面上鍍有反射膜，且反射膜的反射峰與激光光源所發射出的激光的波長相匹配。
3.根據權利要求1所述的基于激光掃描和雙探測器的距離與速度測量裝置，其特征在于:光電探測器由感光元件和探測電路組成，感光元件為光電二極管，探測電路包括電流電壓轉換模塊、有源濾波模塊以及后級信號放大模塊。
4.根據權利要求1所述的基于激光掃描和雙探測器的距離與速度測量裝置，其特征在于:接收單元中還設置有外圍電路，外圍電路包括顯示元件和報警元件，顯示元件和報警元件均與單片機電連接，單片機中的計算結果傳輸至顯示原件上進行顯示，當單片機的計算結果超出設定值時報警元件進行報警。
5.根據權利要求1所述的基于激光掃描和雙探測器的距離與速度測量裝置，其特征在于:激光光源為點光源或線光源，線光源發射出的激光被反射至光電探測器上的長橢圓形光斑的長軸方向與兩光電探測器的的安裝點之間所形成的連線垂直。
6.基于權利要求1-5中任意一種裝置的距離與速度測量方法，其特征在于包括以下步驟:(I )、馬達帶動N棱鏡旋轉，激光光源發射出的激光被N棱鏡的側面反射至接收單元并先后被兩個光電探測器接收，光電探測器所生成的脈沖信號分別對應單片機的外部中斷口，利用單片機內部的定時/計數器測算得N棱鏡的轉動角速度ω ； (2)、利用單片機內部的定時/計數器測算得兩個光電探測器先后接收到激光并產生信號的時間間隔At ； (3)、測量兩光電探測器的接收感應窗之間的距離S，計算物體A與物體B之間的距離
全文摘要
本發明提供了一種利用掃描激光信號和雙探測器來進行距離和速度測量的裝置及方法，由發射單元和接收單元組成，發射單元安裝于物體A上，接收單元安裝于物體B上，能夠測量物體A與物體B之間的相對距離和相對速度，發射單元包括激光線光源、主截面為正N邊形的N棱鏡以及能夠帶動N棱鏡旋轉的馬達，接收單元至少包括兩只光電探測器以及單片機。馬達帶動N棱鏡旋轉，激光光源發射出的激光被N棱鏡的側面反射至接收單元并先后被兩個光電探測器接收。本發明提供的技術方案不需要利用回波，可以應用于相互運動的物體，且可以進行跟蹤測量和連續測量，同時還可以應用于低速運動的物體中，其適用范圍廣泛。
文檔編號G01S11/12GK103235302SQ20131006512
公開日2013年8月7日 申請日期2013年2月28日 優先權日2013年2月28日
發明者周俐娜, 程永進 申請人:中國地質大學(武漢)