专利名称：一种调频测相激光测距方法
技术领域：
本发明涉及一种调频测相激光测距方法，属于激光技术领域。
背景技术：
激光测距系统一般采用两种方式来进行测距脉冲激光测距和连续波激光测距。脉冲法测距是测距系统发射出的激光经被测量目标的反射后又被测距系统接收，测距系统同时记录激光往返的时间，光速和往返时间的乘积的一半，就是测距系统和被测量目标之间的距离，脉冲法测距精度低且有距离盲区，不适合近距离高精度测距的应用场
口 ο连续波激光测距分为线性调频连续波(FMCW)法和调幅连续波(AMCW)相位测距法，FMCff测距法通过测量激光往返时间传输的调制频率变化来获取目标信息，该法发射系统和接收系统需要较大的带宽，且系统复杂，在测量高速运动目标时易受多普勒频率的影响；AMCW法利用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制并测定调制激光往返所产生的相位延迟，再根据调制光波长换算出此项为延迟代表的距离，该法精度高但抗光传输环境干扰能力差，且在测量高速运动目标时易受多普勒频率影响。现有的激光测距方法在光传输环境干扰大、对测距实时性要求高、且可对高速运动目标进行测距而不易受多普勒频率影响的某些场合(例如激光近炸引信)的应用中难以满足应用需要。

发明内容
本发明的目的是为解决现有测相激光测距技术在大干扰光传输环境下对高速运动目标测距精度不高且易受多普勒频率影响的问题，提供一种高抗干扰、高测距精度和高实时性的调频测相激光测距系统。本发明是通过如下步骤实现的步骤一，产生用于测距的第一路正弦电信号和第二路正弦电信号，两路信号同频同相；步骤二，步骤一产生的第一路正弦电信号对高频载波电信号进行调频，得到调频电信号，输入激光驱动器；步骤三，激光驱动器在接收到调频电信号的同时，按照调频电信号的变化规律激励激光管发光，得到光强按照调频电信号变化的激光；步骤四，发射光学系统对步骤三得到的激光进行光束整形，并发射激光束；步骤五，激光束照射到目标后，一部分能量反射回接收光学系统，汇聚至光电探测器；步骤六，光电探测器将激光信号转化为电信号，送至调频解调器，得到相位发生变化的正弦电信号，然后进行模数转换得到数字信号；步骤七，对步骤一产生的第二路正弦电信号进行模数转换后，与步骤六得到的数字信号进行数字鉴相，得到距离信息。完成激光测距过程。有益效果
本发明方法将相位测距的高精度和高实时性优点与调频测距的高抗干扰能力的优点结合起来；较好地解决了在光传输环境干扰大、对测距实时性要求高和测距精度高、并可对高速运动目标进行测距的应用场合下的激光测距问题，具有测距实时性高、抗光传输环境干扰能力强、不易受多普勒频率影响、信号处理带宽小、定距距离连续可调、成本低、结构简单、易于工程实现等优点。尤其适用于中近程激光测距，具有良好的应用前景。


图I为本发明方法的流程图；图2为具体实施方式
的调频测相激光测距系统结构示意图；图3为具体实施方式
的本发明方法的模拟实验仿真图；其中，图3. I为发射的调频信号、接收的调频信号、接收后解调的正弦信号、滤波后的正弦信号；图3. 2为鉴相器鉴相结果和对鉴相结果滤波后的结果；图3. 3为测距结果误差。
具体实施例方式为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。本发明方法的操作流程如图I所示。在Matlab开发软件环境下，对本发明方法进行仿真，仿真过程为编写m文件模拟信号发生器生成频率为5MHz正弦信号，该信号对频率为500MHz的高频载波进行调频得到调频信号，对该调频信号加入噪声信号，用于模拟激光传输过程中受到的干扰，信噪比设为14dB ;设定目标距离为10m，据此自动计算出带有相位已发生变化的回波正弦信号数学表达式，对该信号进行限幅及滤波，用以模拟光电探测器进行的滤波与限幅，再对处理后的信号进行解调还原出5MHz正弦信号，对该正弦信号及初始产生的正弦信号进行量化，模拟模数转换器的采样量化功能，最后利用数字鉴相法对两路正弦信号进行数字鉴相，解算出距离。图3. I为发射的调频信号、接收的调频信号、接收后解调的正弦信号、滤波后的正弦信号；图3. 2为鉴相器鉴相结果和对鉴相结果滤波后的结果；图3. 3为测距结果误差。根据本发明方法设计一种调频测相激光测距系统，包括正弦信号发生器、信号处理器、调频调制器、调频解调器、激光驱动器、光电探测器、发射光学系统、接收光学系统、第一模数转换器和第二模数转换器，如图2所示。正弦信号发生器的输出分别连接调频调制器和第一模数转换器，调频调制器的输出经激光驱动器后送至发射光学系统，第一模数转换器的输出送至信号处理器；接收光学系统的输出连接至光电探测器，其输出连接调频解调器，然后经第二模数转换器送至信号处理器。(I)信号处理器，可由FPGA、DSP、单片机及外围相关器件构成，能够对发射信号和回波信号进行鉴相、距离信息提取、产生或控制外部DDS器件产生正弦波。(2)调频调制器和调频解调器，对调制信号进行调频和解调。(3)激光驱动器,将正弦调频电信号转换为光信号,激励激光管产生光强受该信号调制的激光信号。
(4)光电探测器，将接收到的光信号转换为电信号并进行信号的放大和滤波、限幅。
(5)发射光学系统和接收光学系统分别用于对激光发射信号进行光束整形和将接收到的激光信号汇聚至光电探测器。本实施例中的正弦信号发生器采用直接数字频率合成(DDS)AD9850芯片，信号处理器采用ALTERA公司EP3C10E144C8FPGA芯片，两路模数转换器采用ADI公司双通道高速模数转换器AD9218芯片，采用锁相环(PLL)调频电路和调频解调电路以及ATO光电探测电路。首先由FPGA芯片控制直接数字频率合成芯片产生两路同频同相的正弦模拟信号，第一路送到锁相环调频电路产生正弦调频信号，然后经过激光驱动电路放大，激励连续波激光二极管产生光强随调频连续波变化的激光信号，该信号经由发射光学系统整形后照射到目标并发生反射，一部分激光信号能量进入到接收光学系统，汇聚至Aro光电探测电路，经APD光电探测电路放大滤波并限幅后，送到锁相环调频解调电路中进行解调，还原出正弦模拟信号，与发射前FPGA产生的正弦信号相比，该正弦波相位发生了变化，将其经过模数转换集成电路采样量化为数字信号后送到FPGA中的鉴相器；第二路通过模数转换集成芯片转换为数字信号后送给FPGA中的鉴相器；FPGA对两路信号进行数字鉴相，解算出距离值。将本实施例的调频测相激光测距系统应用在一个大气能见度200m的雾天室外实验环境中，对探测距离IOm处的标准反射板这一静止目标进行测距，其中标准反射板垂直于地面，光反射率为20%。本实施例的激光测距系统的发射光束垂直照射到标准反射板上，通过频谱分析仪测得光电转换后调频信号的信噪比(SNR)约为10dB，此时测距结果为10. 12m，误差为O. 12m。将目标距离增大，每隔2m进行一次测试，测量结果如下表所示
距离(单位m)信噪比(单位dB) 距离测量值(单位m)误差(单位:m)
~10约 1010. 120TT2
~12约 1011.91009
~14 ~914. 130ΤΤ3
~16 ~816. 18 ΤΤδ
~18 ~618.210Γ2 本发明以调频连续波激光引信测距为运用背景，可应用于中近程激光测距。该系统将目标的距离信息隐藏在正弦调制信号的相位中，与激光信号的幅度关系不大，因此不易受光传输环境的影响，且带宽较窄，基本无寄生调幅的影响，因此信号处理简单且容易实现，最终测距利用的发射信号和回波信号的相位差进行测距，因此测距精度高。以上结合附图对本发明的具体实施方式
作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保 护范围。
权利要求
1.一种调频测相激光测距方法，其特征在于包括如下步骤 步骤一，产生用于测距的第一路正弦电信号和第二路正弦电信号； 步骤二，步骤一产生的第一路正弦电信号对高频载波电信号进行调频，得到调频电信号，输入激光驱动器； 步骤三，激光驱动器在接收到调频电信号的同时，按照调频电信号的变化规律激励激光管发光，得到光强按照调频电信号变化的激光； 步骤四，发射光学系统对步骤三得到的激光进行光束整形，并发射激光束； 步骤五，激光束照射到目标后，一部分能量反射回接收光学系统，汇聚至光电探测器；步骤六，光电探测器将激光信号转化为电信号，送至调频解调器，得到相位发生变化的正弦电信号，然后进行模数转换得到数字信号； 步骤七，对步骤一产生的第二路正弦电信号进行模数转换后，与步骤六得到的数字信号进行数字鉴相，得到距离信息；完成激光测距过程。
2.根据权利要求I所述的一种调频测相激光测距方法，其特征在于步骤一所述的第一路正弦电信号和第二路正弦电信号同频同相。
3.根据权利要求I所述的一种调频测相激光测距方法，其特征在于实现步骤一至步骤七所述方法的一种调频测相激光测距系统，包括正弦信号发生器、信号处理器、调频调制器、调频解调器、激光驱动器、光电探测器、发射光学系统、接收光学系统、第一模数转换器和第二模数转换器；正弦信号发生器的输出分别连接调频调制器和第一模数转换器，调频调制器的输出经激光驱动器后送至发射光学系统，第一模数转换器的输出送至信号处理器；接收光学系统的输出连接至光电探测器，其输出连接调频解调器，然后经第二模数转换器送至信号处理器。
4.根据权利要求I所述的一种调频测相激光测距方法，其特征在于适用于中近程激光测距。
全文摘要
本发明涉及一种调频测相激光测距方法，属于激光技术领域。本发明方法将相位测距的高精度和高实时性优点与调频测距的高抗干扰能力的优点结合起来；较好地解决了在光传输环境干扰大、对测距实时性要求高和测距精度高、并可对高速运动目标进行测距的应用场合下的激光测距问题，具有测距实时性高、抗光传输环境干扰能力强、不易受多普勒频率影响、信号处理带宽小、定距距离连续可调、成本低、结构简单、易于工程实现等优点。尤其适用于中近程激光测距，具有良好的应用前景。
文档编号G01S17/08GK102621556SQ201210122949
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月24日 优先权日2012年4月24日
发明者张志军, 陈慧敏 申请人:北京理工大学