超声波测距与激光测距 一、超声波测距： 超声测距技术在工业现场、车辆导航、水声工程等领域都具有广泛的应用价值，目前已应用于物位测量、机器人自动导航以及空气中与水下的目标探测、识别、定位等场合。因此，深入研究超声的测距理论和方法具有重要的实践意义。
原理： 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。 测距的公式表示为：L=C×T 式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。 超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。 由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。 超声波测距误差分析: 根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。 时间误差: 当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。 在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。 测量方法： 常见的超声波测距方法主要有脉冲回波法和相位差法两种。相位差法与脉冲回波法的不同体现在对回波的处理方式上，由超声换能器接收端获得调制声波的回波，经放大电路转换后，得到与放大的相位完全相同的电信号，此电信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所测相位差就可算得所测距离。由于采用的是相位比较，使得测距精确度大大提高，但这种方法本身存在明显的缺陷。由于相位测量存在以2n为周期的多值解，从而容易造成解的不确定性。为了消除多解，常常需要引入包络检测和采用发射多种不同频率波的方式减小不确定度，这就使得该方法的实现复杂化。 方案设计： 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。 超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89C51单片机作为控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。 超声波测距系统, 通过发射和接受超声波, 使用单片机计算距离, 并加入了温度补偿电路, 提高了距离计算的精度。该系统可满足大多数场合的测距要求。由于该系统中锁相环锁定需要一定时间。测得的距离有误差。在汽车雷达应用中此误差可忽略不计；但在精度要求较高的工业领域如机器人自动测距等方面。此误差不能忽略。只有通过改变一些硬件的应用实现对超声波的快速锁定。
本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用8751，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。电路原理图如图2所示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同，故省略之。 40kHz 脉冲的产生与超声波发射 ： 测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生： PUZEL： MOV 14H, #12H； 超声波发射持续200ms HERE： CPL P1.0 ； 输出40kHz方波 NOP ； NOP ； NOP ； DJNZ 14H，HERE； RET 前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0 端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。
二、脉冲激光测距： 原理： 1.1 数字法 在测量精度要求不高＝的前提下，数字计数法是一种非常好的时间间隔测量方法。当时钟脉冲信号周期为T0，N为计数脉冲个数，待测脉冲上升沿与下一个时钟脉冲信号上升沿之间的时间间隔为T1、T2，则激光发射脉冲信号和激光接收脉冲信号的时间间隔Tx＝NT0+T1－T2，然而，数字计数法得到的时间间隔Tx＝NT0，故传统的数字法的测量误差△＝T1一T2。 1.2 模拟法 在待测脉冲时间间隔 期间对电容进行充电，充电电流大小为I1，然后以一个小电流I2进行放电，I1和2的关系是I1＝kI2，其中，k为放大倍数。根据充放电电荷相等的原理得放电时间Tx’＝kTx，也就是将激光脉冲的飞行时间按一定比例进行延长。这种方法相对于数字法在理论上提高了测量精度，但仍然存在误差。并且由于在电容充放电过程中，电容受温度的影响非常大，故在实际应用中受到一定的限制。 1．3 插值法 数字计数法在测量精度要求不高的条件下无疑是一种非常好的时间测量方法，如果能够减小其误差，那么其时间测量精度将会得到很大的提高；模拟法虽然在一定程度上提高了测量的精度，但其测量范围受到限制。插值法很好地解决了上述问题。插值法是数字法和模拟法相结合的一种时间间隔测量方法。数字法的误差体现在T1，T2两个时间段，通过模拟法求得T1，T2的值。通过数据处理得到准确的时间间隔。 插值法主要对3段时间进行测量，即Ts，T1，T2，其中Ts＝NT0，采用数字计数法得到，T1，T2的测量是关键。采用模拟法对T1，T2分别进行扩展，然后对扩展后的时间再次运用数字法测量。由于T1’＝kT1，T1‘＝N1T0，得T1＝N1T0/k，同理得，T2＝N2T0/k，则Tx＝Ts+T1－T2＝（N+（N1－N2）/k）T0，由上式可知，插值法虽然在计算T1和T2时仍存在误差，但是其相对误差减小，可以有效地提高测量系统的精度。 脉冲激光测距时间间隔测量系统 激光脉冲测距方法的原理是：通过测量接收到的激光回波脉冲与发射脉冲之间的时间间隔，计算出测距系统到测距目标的直线距离。即激光脉冲在待测距离上往返时间f，已知光速为c，可得待测目标距离S为S＝（ct）/2，由上式可以看出，激光测距的关键技术是对时间的测量，本文应用插值法进行脉冲激光测距时间间隔的测量。 脉冲激光测距时间间隔测量系统由激光脉冲信号、时钟脉冲信号源、逻辑控制电路、计数器、精确补偿电路系统和单片机组成。当逻辑控制电路接收到发射激光脉冲信号后，逻辑控制电路使得计数器开始对时钟脉冲信号进行计数。当逻辑控制电路接收到回波激光脉冲信号后，计数器停止计数，并把计数结果送到单片机中。与此同时，精确补偿电路系统对待测脉冲上升沿与下一个时钟脉冲信号上升沿之间的时间间隔进行精确时间测量，并把结果送给单片机与计数器的数据求和，完成时间间隔的计算。 激光发射脉冲信号和激光接收脉冲信号分别作用于精确补偿电路系统，使时间比例放大电路对待测脉冲上升沿与下一个时钟脉冲信号上升沿之间的时间间隔进行精确的时间间隔测量。通过计数器分别将T ，Tz的时间间隔记录下来，送给单片计算机进行计数处理。精确补偿电路系统的精确度直接影响测距系统的精确度，该技术是测距系统的关键技术。
三、总结 超声波测距系统, 通过发射和接受超声波, 使用单片机计算距离, 并加入了温度补偿电路, 提高了距离计算的精度。该系统可满足大多数场合的测距要求，该系统测得的距离有误差，在汽车雷达应用中此误差可忽略不计，但在精度要求较高的工业领域如机器人自动测距等方面，此误差不能忽略，可通过改变一些硬件的应用实现对超声波的快速锁定。 激光测距是以激光器作为光源进行测距。根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距；红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与光电测距仪相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度，显著减少重量和功耗，使测量到人造地球卫星、月球等远目标的距离变成现实。
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