專利名稱：用于測距之脈波反射振蕩裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種用于測距之脈波反射振蕩裝置及其方法。
背景技術：
當法國人A.H.L.Fizeau(1819-1896)于公元1849年，在地面上成功的測量出光速，開啟了利用光速來測量距離的時代；在二次世界大戰期間，雷達技術蓬勃發展，當時利用無線電波往返于目標物與參考點之間，并以所需的往返時間，來度量距離；1950年代，就有人利用雷達的觀念，以大電容放電產生強烈閃光，并以拋物面鏡聚光來測量距離；公元1960年第一具激光問世，隔年，第一套激光測距系統正式出現。
由于激光光具有以下的光學性質它的頻譜寬度很窄，具有高度的單色性(monochromaticity)；經過長距離的傳播后，仍能保持細小的光束，具有高度的指向性(directionality)；相較于普通光源，激光光在空間與時間上都具有高度的同調性(coherence)；激光光由于功率高及擴散開的立體角甚小，因此具有高亮度(brightness)。這些優異的特質，使得激光測距技術廣泛應用于各種不同的領域在軍事上，它用來量測炮彈發射的距離；在大地工程上，它應用于地基量測和土木工程的量測；此外在室內裝潢和汽車測距上也都得到很好的應用。
由于光在給定介質中的傳播速度是一定的，因此測量光在參考點和被測點之間的往返傳播時間，就可定出目標和參考點之間的距離，傳統上，根據傳播時間測量方法的不同，常用的激光測距方法，可分為二種當激光光以正弦波調制時，此時是相位法，當激光光以脈沖波調制時，這時就是脈沖法。相位法測距是對光波作某種形式的調制，然后測量發射波與反射波之間的相位差，再由此計算距離；而脈沖法測距是直接測量光脈沖的飛行時間來計算距離。
然而不管是相位法測距，還是脈沖法測距，要想獲得高精度的距離量測，前者必須設計很好的相位計和處理兩種以上不同頻率的振蕩電路；而后者必須設計高精度的時距(time interval)量測電路，它包含各式各樣的時間插補(timeinterpolation)技術，兩者所需要的電路設計，都相當復雜，都需要相當高的技術，才能達成。
以下簡述習知相位法測距與脈沖法測距的原理。
相位法測距原理首先請參閱圖1，是相位測距基本方框圖，激光光經過振幅調制后輸出，經由目標物返回，光檢測器將其轉換為電信號，然后由放大器放大，再送入相位計，反射波所形成的信號與發射波信號間將因傳播延遲而產生相位差，相位差經由相位計讀取后，送到處理器加以計算而得到距離的大小。
假設調制的頻率fAM，調制波長為λAM，光與目標物之間的距離為R(光往返于測量地與目標物之間經過2R的距離)，所造成的相位為Φ，則發射信號A(t)、反射信號B(t)與距離R之間的關系可以利用以下第(1-1)式、(1-2)式與(1-3)式來表示A(t)＝sin(2πfAM) (1-1)B(t)＝sin(2πfAM+Φ)(1-2)2R＝λAMΦ/(2π)＝NλAM+λAM/(2π) (1-3)R＝N×(λAM/2)+/(2π)×(λAM/2) (1-4)＝N×U+/(2π)×U(1-5)定義測尺長度U＝λAM/2U為量測尺的長度，它為調制波長λAM的一半當相位計量得相位差之后，由(1-4)式即可得到待測距離R，距離R可由量測尺的長度和在量測尺上所讀到的刻度值(相位差)兩者決定，因此，相位計成為這種測距法的重要裝置。相位計只能量得兩信號間不滿一個周期的相對相位差，如果在(1-4)式中的N不為零，相位計是無法得知實際相位Φ之大小的，為了避免此一不明確現象的發生，測量距離必須限制在量測尺的長度之內，如果要測量較長的距離，就要增加量測尺的長度，即增加調制波長λAM。將(1-4)式等號左右兩邊同時對微分，得到以下第(1-6)式，可以用它來推估距離的分辨率dR＝d/(2π)×λAM/2＝d/(2π)×U(1-6)
由(1-6)式看出，分辨率由兩個因子決定，一個是量測尺的長度，另一個是量測尺的刻度劃分程度(由相位計的分辨率決定)，要想達到高分辨率的距離量測，量測尺的刻度劃分要細(多)(高分辨率的相位計)，同時量測尺的長度要短，這將使得測距范圍變小。要想同時保持高分辨率與大的測距范圍，至少必須使用兩把不同長度的量測尺，長尺用來決定測距范圍，短尺用來決定分辨率，而相位計用來決定兩把尺刻度劃分的程度。
相位測距系統設計時，通常以分辨率和測距范圍為規格，假設分辨率為1mm，測距范圍為100m，假設每把尺刻度10000等分，則需要高分辨率的相位計1/10000；短尺長度為1mm×10000＝10m，調制波長為20m，調制頻率15MHz；長尺長度為100m，調制波長為200m，調制頻率為1.5MHz；1/10000分辨率的相位計，若以15MHz的頻率計數，接收的反射調制信號，需降頻至15MHz/10000＝1.5KHz。在這個系統中需要兩種調制頻率，還需要混頻技術(降頻)......，其電路相當復雜。
假設相位計只有1/1000的分辨率，那么短尺長度為1mm×1000＝1m，調制波長為2m，調制頻率為150MHz，如此一來，就必須處理高頻電路。是以，習知相位法測距，制作復雜不易。
脈沖法測距原理習知脈沖法測距裝置基本方框圖，即如圖2所示，系統處理器發出觸發信號給脈沖產生器，然后驅動激光，發射出窄而高峰值的光脈沖，經由待測目標反射后，回到接收系統，光檢測器將返回之光脈沖轉換為電脈沖，然后經由放大器放大振幅至一定位階。由于目標距離的遠近和目標之間反射率的差異，使得返回的信號，振幅變化很大，為求計時之準確性不受信號強弱變化的影響，因此須設計一個脈沖高度鑒別器，它選擇適當的threshold點，以便觸發產生終止脈沖，然后由計時電路，計算光脈沖往返的時間T，最后由處理器利用第(1-7)式，計算出該目標物之距離R。
2R＝T×C0/Ng(1-7)其中C0為光在真空中的速度Ng為空氣的折射率。
距離量測的精度將由時間T的量測精度決定，因此要想獲得高精度的距離量測，就需要高精度的時距量測電路，為了節省功率的消耗，可以使用低頻時脈計數，并選擇適當的時間插補(time interpolation)技術，對不足一個時脈(timing clock)的部份，以時間插補法進行細分的工作。
圖3是以低頻時脈計數的時間數字轉換時序圖(timing diagram)，由圖中可看出，T由3部份組成，T＝Tab+Ta-Tb，Tab與計時時脈同步，因此它可以用低頻計數器計數，Ta為起始(start)脈沖和其后第二個計時時脈上升邊緣間的時間差，Tb為終止(stop)脈沖和其后第二個計時時脈上升邊緣間的時間差，若是測距系統以10MHz為計時頻率，那么Ta和Tb的時距范圍將落在100～200ns之間，以下將以時間振幅轉換法，針對此范圍，進行時距細分的估算，假設100～200ns的脈沖已轉換為電壓，若以10位的A/D轉換器去計算100ns的時間范圍，其分辨率約為0.1ns(100ns/1024)，相當于空間分辨率15mm，要想達到1.5mm的分辨率，A/D轉換器至少得14位，或者提高計時時脈至100MHz，使所要細分的時間范圍減為10ns，是以，習知脈沖法在電路設計上也是相當復雜，不符實際需要。
由此可知，習知測距方法中，相位法與脈沖法皆存有電路設計不易、實施困難度高、量測精度低以及成本高等諸多限制。
發明內容
本發明的目的是提供一種用于測距的脈波反射振蕩裝置及其方法，具有電路設計簡易、量測精度高、成本低且實施容易等特點。
本發明的原理是，藉由脈波反射振蕩法以獲致上述目的。其利用量測反射波閉環回路的振蕩周期，來決定參考點和被測點之間的往返傳播時間，配合以計頻器去量測振蕩周期，即可在極高精度的狀態下，獲知距離數值。
下面結合附圖以具體實例對本發明進行詳細說明。
圖1是習知相位法測距裝置基本方框圖；圖2是習知脈沖法測距裝置基本方框圖；圖3是習知脈沖法測距中低頻時脈計數的時間數字轉換時序圖；圖4是本發明脈波反射振蕩法測距示意圖；圖5是本發明脈波反射振蕩法激光測距基本方框圖；圖6是以本發明脈波反射振蕩法所設計的光纖傳播延遲量測系統方框圖；圖7系以電纜為延遲線的脈波反射振蕩器；
圖8是電纜斷點位置量測系統示意圖。
圖9是反射脈波通過電路圖。
具體實施例方式
圖4是本發明的波反射振蕩法測距示意圖，當“start(開始)”信號激活后，發射器發出P1a第一個脈沖，經面鏡M1反射后，接收器將接到的光信號轉換為電信號，然后產生P1b第一個脈沖，重新觸發產生P1a第二個脈沖，因而形成周期性脈沖串；同理，將面鏡M 1拿掉后，發射器發出P2a第一個脈沖，經面鏡M2反射后，接收器將接到的光信號轉換為電信號，然后產生P2b第一個脈沖，重新觸發產生P2a第二個脈沖，也形成周期性脈沖串。假設P1a的脈沖串周期為T1，P2a的脈沖串周期為T2，則面鏡M1與面鏡M2之間的距離R＝C×(T2-T1)/2，量測距離R的精度可由T2-T1決定，因此若能精確量測周期T1及T2，即可獲得高精度的距離量測，而T1或T2通常可由計頻器精確的量得。
當以脈波反射振蕩法設計測距系統時，假設測距范圍為150m，往返距離為300m，那么所需的往返時間約為1000ns，振蕩頻率約為1MHz，若計頻器計時時間1秒鐘，產生1個計數誤差，則往返時間量測的相對誤差為百萬分之一，距離量測的誤差為0.15mm(150m/1000000)。由于脈波反射振蕩法是以計頻器量測振蕩頻率，只要計頻時間夠長，在脈波往返時間的量測上是非常精確的，因此在設計測距系統時，重心不在計時上(計頻器的設計，相當簡單)，而在發射器電路，和接收器電路。
圖5是脈波反射振蕩法激光測距基本方框圖，由激光當光源，分光鏡(beam splitter)一方面讓激光光通過，另一方面將反射光偏向光檢測器(PIN)，信號處理電路將光檢測器轉換的電信號放大至適當電平，脈沖產生電路2產生觸發脈沖(P1b，P2b)，它的脈波寬度較寬，它一方面要送信號給計頻器，另一方面觸發脈沖產生電路1產生窄脈沖(P1a，P2a)，然后驅動激光發光，start為激活脈沖信號，前述圖4的面鏡M1和面鏡M2可由圖5的移動式面鏡(Mirror)取代。
由于激光束在空氣中會散開，這將造成空間傳輸損耗，因此設計激光測距系統時，必須有很好的光學系統，然而這并不是件容易的事；當傳輸介質由空氣改為光纖時，由于光纖的傳輸損耗低，測距系統的設計就比較容易完成；同樣，若傳輸介質由空氣改為同軸電纜，系統設計也較容易完成。不管是空間傳輸，光纖傳輸，還是電纜傳輸，只是傳輸介質的不同，對于脈波反射振蕩測距法而言，其工作原理是相同的，因此，本發明所提出的脈波反射振蕩測距法，也可應用在光纖傳播延遲量測系統和電纜斷點量測系統中，茲簡述如下。
如圖6所示的以脈波反射振蕩法所設計的光纖傳播延遲量測系統方框圖，開始時，以手動壓微動開關PB，觸發脈沖產生器(Trig1)，產生脈波寬度10ns的電脈沖；發射器為電/光轉換模塊，由激光和電流驅動電路組成，它將電脈沖轉換為1310nm波長的光脈沖；多模纖耦合器(multimode coupler 50:50 ratio)一方面將來自發射器的光脈沖耦合至待測光纖，另一方面將來自光纖端面的菲涅耳(Fresnel)反射光耦合至接收器；接收器為光/電轉換模塊，它由光檢測器PIN，轉阻放大器，和后級放大器(postamp)組合而成，它將輸入的光信號轉換為電信號，并放大至ECL電平。
由于耦合器端面和光纖端面均會產生菲涅耳反射，因此設計了端面選擇電路(End-choice circuit)，它讓反射脈沖r1(來自于耦合器端面)，或反射脈沖r2(來自于光纖端面)，其中之一通過，并且將其脈波寬度加寬至20ns(為了供較低頻寬的計頻器使用)。通過的反射脈沖一方面再觸發脈沖產生器(Trig2)，以形成閉環回路振蕩，另一方面經過ECL/TTL轉換電路，以供計頻器計數用；計算機通過I/O接口對計頻器讀取資料，然后計算振蕩周期T，它是由系統傳播延遲Tsys和光纖傳播延遲Tfib組合而成。
T＝Tsys+Tfib＝Tsys+2NfibL/C0(2-1)Tsys為系統傳播延遲，代表組成系統各零組件傳播延遲之和包括電子組件，光耦合器，激光，PIN...
Tfib為光纖傳播延遲L 為光纖的長度Nfib為光纖的折射率C0 為真空中的光速在未加待測光纖下，將端面選擇器開關切換至S1，讓來自耦合器端面的反射脈沖通過，此時可測得系統傳播延遲，Tsys；當接上待測光纖時，將端面選擇器開關切換至S2，讓來自光纖端面的反射脈沖通過，此時所測得的傳播延遲即為振蕩周期，T，而Tfib可由T-Tsys獲得。該種脈波反射振蕩法是一種很實用的光纖傳播延遲量測法，它具有高精度，電路設計簡單，而且只須單端接觸光纖，極適合應用于現場測試儀器。
至于以脈波反射振蕩法所設計應用的電纜斷點量測系統，請參閱圖7，其以電纜為延遲線的脈波反射振蕩器，反射脈沖來自電纜斷點，Loop2為振蕩回路，斷點位置可由振蕩周期的量測而確定。再請參閱圖8，是電纜斷點位置量測系統示意圖，當start脈沖觸發后，脈沖產生器產生10ns的窄脈沖，發射器(由MC10116制作)將其送至參考電纜(reference cable)；發射信號(T)和斷點反射信(R)一起通過接收器(也由MC10116組成)，接收器為兩級放大器，它將反射信號放大至ECL電平；反射脈波通過電路，它只讓反射脈波通過，并產生20ns的R-Pass脈波信號，以便再觸發脈沖產生器。ECL/TTL轉換器，它將ECL電平信號轉換為TTL電平信號，以便計頻器計數；計算機通過I/O接口對計頻器讀取資料，然后進行演算，推估斷點位置所在。圖9是反射脈波通過電路圖，它由兩位的移位緩存器(由D型正反器MC10131制作)和20ns的延遲電路組合而成。它遮擋T脈沖，而讓R脈沖通過，20ns的延遲電路使R脈沖的脈波寬度加寬至20ns。
本發明實際應用于距離量測時，量測介質至少可以是空氣、水、光纖與電纜，但不以此為限制。
本發明雖藉由實施例來描述，但仍可變化其形態與細節，而不脫離本發明的精神，并由本領域的熟練技術人員了解。
上述本發明的最佳實施例僅是根據本發明原理可以具體實施的方式之一，但本發明并不以此為限制，而應以所附的權利要求界定為準。
權利要求
1.一種用于測距的脈波反射振蕩方法，包括下述步驟藉發射器發出探測脈沖，該探測脈沖經被測物反射后，產生反射脈沖；反射脈沖經接收器接收后，利用該脈沖觸發發射器再產生探測脈沖，然后重復探測-反射-接收的處理，形成周期性的脈沖串；量測脈沖串的頻率或周期并加以計數及計算，獲得高精度的距離量測數值。
2.一種用于測距的脈波反射振蕩裝置，包括一發射器，可接受信號的觸發，并向被測物發出探測脈沖；一接收器，接收由發射器所發射并經被測物反射所生的反射脈沖，以及利用該脈沖觸發發射器產生探測脈沖，以此形成一周期性的脈沖串；一測量和計算裝置，量測脈沖串的頻率或周期并加以計數及計算，獲得高精度的距離量測數值。
3.如權利要求1所述用于測距的脈波反射振蕩方法，其中該被測物包括一參考點與一被測點。
4.如權利要求2所述用于測距的脈波反射振蕩裝置，其中該被測物包括一參考點與一被測點。
5.如權利要求3所述用于測距的脈波反射振蕩方法，其中參考點與被測點之間的往返傳播時間通過量測脈沖串的頻率或周期得到，從而得知距離數值。
6.如權利要求4所述用于測距的脈波反射振蕩裝置，其中該參考點與被測點之間的往返傳播時間通過藉量測脈沖串的頻率或周期得到，以獲知距離數值。
全文摘要
本發明公開了一種用于測距的脈波反射振蕩裝置及其方法，用于量測距離。該脈波反射振蕩法是利用量測反射波閉環回路的振蕩周期，來決定參考點和被測點之間的往返傳播時間，配合以計頻器去量測振蕩周期，即可在極高精度的狀態下，獲知距離數值。本發明特別是將接收到的反射脈沖用以作為下一個發射脈沖的觸發，實施時電路設計與制作上相當簡單，且能達到很高的精度。
文檔編號G01S17/10GK1598616SQ0315735
公開日2005年3月23日 申請日期2003年9月18日 優先權日2003年9月18日
發明者李翠瑚 申請人:李翠瑚