专利名称：双筒望远镜式激光测距测速仪的制作方法
技术领域：
本发明属于光学大地观测技术领域，涉及一种双筒望远镜式激光测距测速仪。
背景技术：
现有的激光测距仪的测距原理有相位法和时间法两种，相位法采用连续发射的激光器，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。时间法是以计时器计量光速c在空气中传播时在A、B两点间往返一次所需时间，如该时间为t，则A、B两点间距离D，D＝ct/2。
因要测量远处的目标，因此测距仪必须要有具有聚集和瞄准功能的一定结构的光路。主要有两种形式，一种是混合光路式测距仪，包括一个单筒望远镜，和一个接收光路，激光发射光路经过多个棱镜与单筒望远镜共用一个光路，因需经多个棱镜的多次折射，对激光能量的损耗很大，影响测距距离，且单筒望远镜焦距短，视场小，观察能力较差。另一种是分立式测距仪，两个大筒分别为发射光路和接收光路，另一个小筒是单筒望远镜，因结构限制，透镜口径不能做大，存在着单筒望远镜观察和清晰度都不高，影响测距距离等缺陷，结构亦较臃肿。
现有的测速仪，如测速雷达是应用多普勒原理的微波雷达，存在着体积庞大，需要天线，造价高昂，操作复杂，运动目标必须与其有测量轴线方向的相对运动等缺陷。激光测速仪只有美国新研制出一种，其原理与测距仪相同。根据其技术参数判断，仅适用于在目标与发射和接收光路基本平行的方向，面向或背向运动情况下使用。上述两种测速仪都存在着测速角度上的限制，目标运动方向与测速仪光路轴线夹角越大，测速误差就越大的明显缺陷。

发明内容
发明人经过多年研究，认为上述各种测距仪、测速仪功能单一，不能满足各种场所对目标距离、速度的测量，特别是交警在公路上对车速的测量，边防、海关和辑私场合对目标在众多障碍物中不能准确定位。针对这种现状，本发明目的在于研制一种集观察、测距、测速功能于一体并能较好克服上述现有技术存在不足之处的大地观测仪器。
本发明采取的技术方案是采用时间法和分立分时结构及系统控制软件等措施，提供一种便携的集观察、测距、测速于一体的半导体脉冲式激光测距测速仪。
其结构包括双筒望远镜、系统控制器、两套光发射电路、两套时间计数器、光接收电路、显示器、电源，组成一种双筒望远镜式激光测距测速仪。
其中，所述双筒望远镜，包括机体和光路，除用于测距测速时观察外，还用于把系统控制器、两套光发射电路、两套时间计数器、光接收电路、显示器、电源等系统器件设置其内所述系统控制器用于控制、处理、驱动、转换整个系统各器件的运行；所述两套光发射电路分别用于发射作为测量目标在两个位置时的(测距时位置固定，测速时位置不同)距离介质的激光束；所述的两个时间计数器，分别用于记录目标在测距位置时从发射激光束到接收反射回波信号所经过的时间及目标在两个位置两次发射的时间差；所述的光接收电路用于接收从目标反射回的回波信号；所述显示器用于显示所测量出的距离、速度等内容；所述电源用于供应系统控制器、光发射电路、光接收电路等器件的用电。
本发明的这种双筒望远镜式激光测距测速仪，集观察、测距、测速三种功能于一体，适用于工程测量、航空航海、军事、交通、边防、海关、体育等多种领域大地观测，特别适用于交通警察测量公路上的车速及边防海关对在众多障碍物中的目标准确定位，比现有的测距仪、测速仪具有功能齐全，观察良好，测量指标性能提高，观测条件要求不高，携带方便，能量损耗极小等显著优点。


图1表示本发明双筒望远镜式激光测距测速仪中双筒望远镜机体示意图。
图2表示本发明双筒望远镜式激光测距测速仪实施例1系统方框示意图。
图3表示本发明双筒望远镜式激光测距测速仪实施例2系统方框示意图。
图4表示本发明双筒望远镜式激光测距测速仪实施例3系统方框示意图。
图5表示本发明中双筒望远镜光路示意图。
图6表示本发明双筒望远镜式激光测距测速仪的测速原理图。
图7表示本发明中显示器液晶显示屏实例示意图。
图8表示本发明第三实施例中两级负反馈自动增益控制放大电路原理图。
图9表示本发明第三实施例中变压器自耦反馈振荡升压电路原理图。
具体实施例方式结合附图及实施例详细描述本发明的结构特征，通过下边的进一步说明，本发明的特性，优点将更加清楚。
参见图1，图2，图5，本发明双筒望远镜式激光测距测速仪的第一个实施例，结构包括双筒望远镜机体10，双筒望远镜光路20，系统控制器30，光发射电路□40，光发射电路□50，两套时间计数器60，光接收电路70，显示器80，电源90。
其中，所述双筒望远镜10为现有的观察用手持式双筒望远镜(参见图1)，除用于观察外，与其观察光路20(参见图5)还用于把系统控制器、两套光发射电路、光接收电路、两套时间计数器、显示器、电源等系统器件设置其内；参见图2，所述系统控制器30用于控制、处理、驱动、转换整个系统的运行所述的光发射电路□40用于发射作为测量目标位置距离介质的激光束，光发射电路□50用于发射作为测量目标运动位置距离从而测量目标运动速度的介质的激光束；所述的光接收电路70用于接收从目标反射回的回波信号；两个光发射电路和光接收电路通过设置在双筒望远镜机体上的按钮(图1中未示)将两面反光镜弹入弹出观察光路，进行观察和测量功能转换，因用于测距和测速的时间最长，只有3秒，因此不会影响观察。所述的时间计数器60用于记录目标在测距位置从发射激光束到接收反射回波信号经过的时间及目标两个位置两次发射的时间差，用一个专用的计时器在激光束发射时开始计时，收到目标回波信号后结束计时。所述的显示器80用于显示所测量出目标距离、速度等内容；所述电源90用于供应系统控制器、光发射电路、光接收电路等器件电压用电。
参见图3，图5，图6，图7，本发明双筒望远镜式激光测距测速仪的第二个实施例，其结构是在上述第一个实施例的结构中，所述系统控制器30采用MCS196KC微控制器；所述光发射电路40、光发射电路50分别由激光发射管41和激光发射管51、准直透镜42、反光镜43、聚光透镜44组成，激光发射管41和激光发射管51型号均为PQEW2S半导体激光管，功率33W，波长905nm，属红外波段，双管成a(15度)的固定夹角，共用同一发射光路进行双管法测速(参见图5，图6)，聚光透镜44采用观察光路20中的物镜。
所述时间计数器60由可编程逻辑芯片FPGA芯片61EPM7064用软件构成计时器62和计时器63。计时器62计时频率167MH，相当于最小计时单位6ns，对于设计要求的指标测距精度0.5m，这个计时精度是不够的，还需由系统控制器的系统软件对计时器进行细分计数。此过程是这样的，利用FPGA芯片内部门到门的延迟时间Ta，如Ta＝1.5ns，相当于测距精度0.5m，细分数为4，细分后计数器计数频率相当于计数频率167MH×4＝667MH。具体做法是用FPGA专用软件将FPGA芯片的多个门串联成一组，由系统程序在每次发射依次减少一个门，造成发射的时间差，系统发射程序以4次发射为一组，连续发射多组激光，将接收到的信号按1-4编号存下，到一定数量后统计哪个编号组的接收信号最多，此即为真实的距离段，如此为第n组，则在计时器记下的计时脉冲总数上加上n/4。在FPGA芯片上的另一个计时器63用于测速，因为所测速对象是汽车之类的低速目标，精度要求不高，达到ms即可。
为实现用于对处于众多障碍物中的目标准确定位的分层扫描，可用FPGA芯片多个门串联成一个延时电路，由系统软件控制，改变串联门的数量，就能改变延时时间，其间隔是一个门的延时时间如1.5ns，如在一段时间内将接收门关闭，那末相应于该时间的距离就会变成盲区，仪器分层扫描只对盲区外的目标测距，而不受盲区内障碍物的干扰。
所述光接收电路70由聚光透镜71，反光镜72，菲涅尔透镜73，在菲涅尔透镜平的一面贴上一层红外滤光膜的红外滤波器74，光电二极管75组成。由于本发明采用的激光发射管是高频率发射(可达1K)，接收到的不是目标的直接反射回波，而是目标和环境体反射回的漫反射回波，真实的回波信号完全被掩盖在大量的虚假信号中，本发明采用MCS87C196KC微控制器和时间相关算法软件，将真实信号从虚假信号中识别出来，该软件具体过程是与激光发射的同时，计时器开始计时，当接收到第一个回波信号后结束计时，记录下次发射的编号和经过时间，一定时间后进行下一次发射，整个过程与前一次相同。因为真实信号是与发射时间有着相关关系的，记录下的时间必定集中于某一数值。而虚假信号与发射时间没有相关关系，记录下的时间完全是离散的，没有集中现象。只要进行足够的发射次数，将数据存起来加以处理，就可以用概率统计的方法将真实信号从发射到接收经过的时间找出来。上述的光发射电路中反光镜43和上述光接收电路中的反光镜72可由设置在双筒望远镜机体上的按钮(图1中末示)弹入或弹出物镜光轴线上，短暂地(1-3秒)占据光路，不影响观察。
所述显示器80采用透明液晶显示屏(参见图7)，内嵌于机体之中，使显示和观察同步，用液晶驱动软件通过MCS87C196KC的双向口直接驱动显示，具体技术要求是1、此液晶为双向透明，无色，透过率＞90％，字体为蓝色或黑色。玻璃片和液晶不得有明显气泡和疵点。
2、16针引出线为斑马线纸，宽度为标准宽度，针间隔1mm。
3、所有的连线关系见图表，表中C1-C4为阳极，nS1-nS2为阴极(反过来也一样)。
4、ZIP、RAIN、SCAN、REFL字体线条宽度为0.05mm。十字线由4条直线和中心方框共同组成，一体显示，线条宽度0.08mm。
5、图中所有色彩只为识别线条，并不表示实际颜色。
6、未标明尺寸全部按图上尺寸，线条宽度均为0.08mm，字体线条宽度为0.05mm，数码字段均为0.08mm。
7、图上所有白色字符均为注释用，不应显示。
8、所有显示内容全在以十字线中心为中心的直径φ8mm的圆内，不得超出。
9、驱动电路自备，驱动电压5v。
C1----a，f，ZIP，RAIN，F1 3S1----a，b，c，YD C2----b，g，SCAN，REFL，F2 3S2----f，g，e，dC3----c，eC4----d，M，YD，+，@a---COM1-S24S1---a，b，c，+b---COM1-S11S1----a，b，c，M 4S2----f，g，e，dc---COM2-S1S2----f，g，e，d，d---COM3-S2e---COM3-S35S1---ZIP，SCANf---COM2-S32S1----a，b，c， 5S2----RAIN，REFLg---COM2-S2S2----f，g，e，d 5S3----F1，F2所述电源90包括3V×4钮扣电池91，由高压发生器92、微型继电器93、高压分配器94组成的系统电源；其中2只用于系统电源，另2只专门用于发射电路的微型继电器93。为保证电池电压降低时保持高压不变，用由系统控制器30自动调节的高压分配器将高压分压后分配到发射和接收电路中，以保持发射功率和接收电路放大倍数不变。
在第二个实施例中所述双管法测速，依据图6的测速原理，用二只形成一固定夹角a的发射管和一只接收管，测速开始时，仪器对准目标，二只发射管同时发射脉冲光束，通过控制器控制每一次发射时间，识别哪一只发射管的光束先碰到目标，并测出该目标在位置1时的距离L1，此时计时器将此时间定为t0，计时器63开始计时，当目标在运动中碰到第二只发射管发出的光束并被测出此时的距离L2后，计时器63停止计时，此即为t1时间，延时时间Tb＝t1-t0，由于两只发射管的夹角a是固定的，而L1、L2和目标运动的距离L形成一个已知两边L1L2和夹角a的三角形，根据三角余弦定理，可算出L，将目标运动的时间Tb代入公式目标运动速度V＝(L2-L1)/Tb，即可求出目标运动速度。操作使用时，只要注意使目标与两管夹角处于同一平面即可，这一点容易做到，仪器与目标可成任意角度。这种方法发明人称为双管测速法，实际是测距仪的一种特殊用法，加入了时间因数。由于是用高精度测距仪的一种纯数学测量法，所以有很高的测速精度，使用上也很方便。
参见图1，图4，图5，图7，图8，图9，本发明双筒望远镜式激光测距测速仪的第三个实施例，其结构是在上述第二个实施例的结构中，所述的光接收电路70，其中的光电二极管75采用雪崩二极管，在光接收电路70中还采用了以分立元件为主，由超高频特性好的3356三极管为主的两级负反馈自动增益控制放大电路76(参见图8)，和超高频精密比较器MAX913为主的末级放大器77，以保证接收电路对器件高频性能和频带宽度的极高要求；所述的电源90，其中的高压发生器92采用变压器自耦反馈振荡升压电路(参见图9)，由系统控制器30自动调整高压。
根据本发明的技术方案和实施例试制的双筒望远镜式测距测速仪，其技术性能指标和参数列表于后，供参考。

权利要求
1.一种双筒望远镜式激光测距测速仪，其特征是包括以下结构双筒望远镜，系统控制器，两套光发射电路，光接收电路，两套时间计数器，显示器，电源，其中所述的双筒望远镜用于观察和用于把所述系统各器件设置其内；所述系统控制器用于控制、处理、驱动、转换整个系统有关器件运行；所述的两套光发射电路分别用于发射作为测量目标测距位置、测速运动位置距离介质的激光束；所述光接收电路用于接收从目标反射回波信号；所述的两个时间计数器分别用于记录目标在测距位置时从激光束发射到接收反射回波信号经过的时间及目标在两个位置两次发射的时间差；所述显示器用于显示所测量出的距离、速度等内容；电源用于供应系统控制器，光发射电路、光接收电路等电压用电。
2.如权利要求1所述的双筒望远镜式激光测距测速仪，其特征是所述的双筒望远镜为观察用手持式双筒望远镜，用于观察和用于设置系统各器件，其中包括设置在机体上的用于将光发射电路和光接收电路的两面反光镜弹出弹入观察光路的按钮。
3.如权利要求1所述的双筒望远镜式激光测距测速仪，其特征是所述系统控制器采用MCS196KC微控制器，用于控制、处理、驱动、转换系统相关器件运行。
4.如权利要求1所述的双筒望远镜式激光测距测速仪，其特征是所述两套光发射电路包括两只激光发射管、准直透镜、反光镜，聚光透镜，其中所述两只激光发射管呈一固定夹角设置于同一发射光路中，作为光源用于产生高频率激光束，所述的聚光透镜、反光镜用于从所述激光发射管产生的光束聚焦、扩散、发射到目标上。
5.如权利要求1所述的双筒望远镜式激光测距测速仪，其特征是所述两套时间计数器采用在FPGA芯片上设置两个计时器，由系统控制器的软件控制细分计数，分别用于记录目标在测距位置时激光束发射到接收反射回波信号所经过的时间，及目标在两个位置两次发射的时间差；还可由系统软件控制改变延时时间，形成测距盲区，分层扫描。
6.如权利要求1所述的双筒望远镜式激光测距测速仪，其特征是所述光接收电路包括聚光透镜、反光镜、菲涅尔透镜、红外滤波器、光电二极管，其中所述的反光镜、菲涅尔透镜用于对从目标反射回波信号进行反光聚光；所述的红外滤波器是在菲涅尔透镜平的一面贴上一层红外滤光膜，用于滤去对应于发射的光束所接收回波信号的外界可见光；所述的光电二极管采用雪崩二极管，用于对由红外滤波器所过滤的回波信号采用系统控制器和时间相关算法软件将真实信号从虚假信号中识别出来，进行光电转换。
7.如权利要求6所述的双筒望远镜式激光测距测速仪，其特征是所述光接收电路还包括两级负反馈自动增益控制放大电路和末极放大器，用于放大增强接收信号，以保证光接收电路对器件高频性能的要求。
8.如权利要求1所述的双筒望远镜式激光测距测速仪，其特征是所述的显示器采用透明液晶显示屏，内嵌于双筒望远镜的机体之中，由系统软件直接驱动显示，用于显示所测出的目标距离、速度等内容。
9.如权利要求1所述的双筒望远镜式激光测距测速仪，其特征是所述的电源包括3V×4钮扣电池、高压发生器、微型继电器、高压分配器，由系统控制器自动调压分压分配给器件用电。
10.如权利要求9所述的双筒望远镜式激光测距测速仪，其特征是所述的高压发生器为变压器自耦反馈振荡升压电路，用于保证在电池电压降低时保持高压，保持发射功率和接收电路放大倍数不变。
全文摘要
本发明属于光学大地观测技术领域，涉及一种双筒望远镜式激光测距测速仪，主要包括双筒望远镜、系统控制器、两套光发射电路、光接收电路、两套时间计数器、液晶显示屏和电源，应用时间法和分立分时结构及系统软件，向目标发射高频率激光束，从发射到接收反射回波信号所经过的时间及目标在两个位置两次发射光束的时间差得到目标的距离、运动速度。本发明适用于多种领域大地观测，集观察、测距、测速功能于一体，特别适用于交警测量公路上的车速、边防、海关在障碍物众多的地域对目标定位，具有携带方便，观测指标性能提高，测量环境条件要求不高能量损耗极小等显著优点。
文档编号G01S17/02GK1588126SQ200410060449
公开日2005年3月2日 申请日期2004年8月5日 优先权日2004年8月5日
发明者崔农 申请人:南阳孚达光电技术有限公司