专利名称：一种激光测距设备及方法
技术领域：
本发明涉及激光应用技术领域，特别涉及一种激光测距设备及方法。
背景技术：
目前，激光测距通常采用相位法。相位法测距首先对光波进行调制，通常为正弦波 调制，形成所谓的“光尺”。发出的光波到达被测目标并反射后，接收到的反射光波将与出射 光波存在一定的相位差口 ,假定激光调制频率为f，则光波在被测距离上往返一次所需的时
间t为/ =从而被测距离"。因此，通过电路测出相位差p即可计算出所
？J o9
要测量的距离L。但是#中可能包含2Jif 的整数倍，= 齊(N = 0，1，2，3......)，
目前任何测量交变信号相位的方法都不能确定出相位的整周期数，只能测定不是2 Ji f的 尾数。由于整周期数不确定，故距离L就成为多值解而不能确定，这是相位法测距所必须解 决的问题。为了解决相位法测距中相位的整周期数的问题，可采用“多频率尺”同时测量同 一距离的方法，即对一次测量采用多个调制频率。比如选取两个调制频率且两者每个整周 期所代表的距离分别为lm和100m，如果对50. 351m的距离进行测量，两次测得的值分别为 0. 351m和50. 3m，其中，0. 351m不足lm的尾数，50. 3m不足100m的尾数，则把两者的读数组 合起来的结果就得到被测距离50. 351m。可见，多频率尺方案至少需要两套不同频率的调制信号，增加了调制电路、滤波电 路的复杂性，也增加了系统的成本，而且，该技术方案需要测量两次才可以得到高精度的测 量值，测量过程比较复杂，也会增加因偶然因素带来的误差。

发明内容
本发明实施例提供一种激光测距设备和方法，用以并减少激光测距设备的复杂 性，以及提高激光测距的效率。本发明实施例提供一种激光测距的的设备，包括发射单元，用于产生调制激光和第一参考信号，当接收到主控单元发送的发射指 令时，向被测物体发射所述调制激光，同时向参考单元发送所述第一参考信号；参考单元，用于将接收的第一参考信号与该参考单元存储的第一背景信号进行比 较，得到含有所述第一参考信号到达所述参考单元时刻信息的第一信号，并将所述第一信 号发送给测量单元；接收单元，用于将所述被测物体反射的调制激光转换为第一测量信号，将所述第 一测量信号与该接收单元存储的第二背景信号进行比较，得到含有所述反射的调制激光到 达所述接收单元时刻信息的第二信号，并将所述第二信号发送给测量单元；测量单元，用于根据所述第一信号和所述第二信号获得激光飞行时间，并将所述 激光飞行时间发送给主控单元；主控单元，用于向发射单元发送发射指令，并根据所述激光飞行时间，获得与被测物体之间的第一距离。本发明实施例提供一种激光测距的方法，包括发射单元产生调制激光以及第一参考信号，并当接收到主控单元发送的发射指令 时，向被测物体发射所述调制激光，同时向参考单元发送所述第一参考信号；所述参考单元将所述第一参考信号与存储的第一背景信号进行比较，得到含有所 述第一参考信号到达所述参考单元时刻信息的第一信号，并将所述第一信号发送给测量单 元；接收单元将所述被测物体反射的调制激光转换为第一测量信号，将所述第一测量 信号与存储的第二背景信号进行比较，得到含有所述反射的调制激光到达所述接收单元时 刻信息的第二信号，并将所述第二信号发送给测量单元；测量单元根据所述第一信号和所述第二信号获得激光飞行时间，并将所述激光飞 行时间发送给主控单元；所述主控单元根据所述激光飞行时间，获得与被测物体之间的第一距。本发明实施例中，激光测距设备产生调制激光并向被测物体发射所述调制激光， 以及同时产第一参考信号，这样，第一参考信号通过参考单元后，获得含有第一参考信号到 达所述参考单元时刻信息的第一信号，调制激光经被测物体发射后返回调制激光，并通过 接收单元后，获得含有所述发射的调制激光到达所述接收单元时刻的第二信号信息，根据 第一信号以及第二信号，获得激光飞行时间，并根据所述激光飞行时间，以及光速，获得与 被测物体之间的第一距离。这样，只需要一套频率的激光光波，即只需要一套调制电路，滤 波电路，从而，大简化了激光测距设备，减少了系统的成本。并且，只需要发射一次激光测量 信号，就可以获得激光飞行时间，得到确定的结果，实现对任意长度的距离进行测量，这样， 极大地提高激光测距的效率。


图1为本发明实施例一中激光测距设备的结构图；图2为本发明实施例二中激光测距设备的结构图；图3为本发明实施例三中激光测距设备的结构图；图4为本发明实施例四中激光测距设备的结构图；图5为本发明实施例中激光测距方法的流程图；图6为本发明实施例中的波形示意图；图7为本发明实施例五中激光测距设备的结构图；图8为本发明实施例六中激光测距设备的结构图；图9为本发明另一实施例中激光测距方法的流程图；图10为本发明具体实施例中激光测距设备的结构图。
具体实施例方式本发明实施例中，通过测量调制激光飞行时间来计算激光测距设备与被测物体之 间的距离，进一步，采用相位测量来修正上述测量结果，得到高精度的测量结果。实施例一如图1所示，为本发明实施例中的一种激光测距设备的结构框图，该激光测距设备包括发射单元100，参考单元200，接收单元300、测量单元400和主控单元 500。其中，发射单元100，用于产生调制激光和第一参考信号，当接收到主控单元500发送的 发射指令时，向被测物体发射调制激光，同时向参考单元200发送第一参考信号。参考单元200，用于将接收到的第一参考信号与该参考单元200存储的第一背景 信号进行比较，得到含有接收到第一参考信号到达该参考单元时刻信息的第一信号，并将 第一信号发送给测量单元400。接收单元300，用于将被测物体反射的调制激光转换为第一测量信号，将第一测量 信号与该接收单元300存储的第二背景信号进行比较，得到含有反射的调制激光到达该接 收单元时刻信息的第二信号，并将第二信号发送给测量单元400。测量单元400，用于根据第一信号和第二信号获得调制激光的飞行时间，并将该飞 行时间发送给主控单元500。主控单元500，用于向发射单元100发送发射指令，并根据激光飞行时间，获得与 被测物体之间的第一距离。本发明实施例中，第一参考信号可以是调制激光，也可以是驱动激光器产生调制 激光的电信号。当第一参考信号为调制激光时，发射单元100向参考单元200发送第一参 考信号具体为发射单元100通过部分反射元件将设定比例的调制激光反射到参考单元 200 ；则，参考单元200，需要先将所述第一参考信号转换为电信号，然后再和第一背景 信号进行比较。发射单元100，还用于当接收到主控单元发送的发射指令时，将设定比例的 调制激光反射到参考单元；则参考单元200，还用于将接收到的调制激光进行光电转换，获 得第一参考信号的电信号。当第一参考信号为电信号时，发射单元100在接收到主控单元发送的发射指令 时，将第一参考信号发送给参考单元200，则参考单元200直接将第一参考信号和第一背景 信号进行比较。当然，主控单元500，还用于向参考单元200发送第一采样保持指令，控制参考单 元200存储第一背景信号；以及向接收单元300发送第二采样保持指令，控制接收单元300 存储第二背景信号。参考单元200，还用于根据第一采样保持指令，存储第一背景信号。接收单元300，还用于根据第二采样保持指令，存储第二背景信号。实施例二为使本发明实施例中的激光测距设备功能更加完善，还可在该激光测 距设备中增加一个显示单元，用于显示该激光测距设备的各种参数和/或测量结果等信 息。如图2所示，该激光测距设备和图1所示的激光测距设备相比增加了显示单元600，显 示单元600与主控单元500电连接，用于显示该激光测距设备的各种参数和/或测量结果 等{曰息。实施例三为了更清楚地说明本发明中的激光测距设备，将上述实施例中的激光 测距设备进一步细化，如图3所示，该激光测距设备发射单元100包括主振模块101和调 制发射模块102。参考单元200包括第一接收模块201，第一采样保持模块202和第一比 较模块203。接收单元300包括第二接收模块301、第二采样保持模块302和第二比较模块303。其中，主振模块101，用于产生调制信号。调制发射模块102，与主振模块101电连接，根据调制信号产生调制激光和第一参 考信号；调制发射模块102还与主控单元500电连接，当接收到主控单元500发送的发射指 令时，向被测物体发射调制激光，并同时向参考单元200的第一接收模块201发送第一参考信号。第一接收模块201，用于接收发射单元100的调制发射模块102发送的第一参考信号。第一采样保持模块202，用于在发射单元100发射调制激光之前，根据主控单元 500发送的第一采样保持指令，存储第一背景信号。第一比较模块203，用于将第一参考信号与第一背景信号进行比较，得到含有接收 到第一参考信号时刻信息的第一信号，并将第一信号发送给测量单元400。第二接收模块301，用于接收被测物体反射的调制激光，并将调制激光转换为电信 号，即获得第一测量信号。第二采样保持模块302，在发射单元100发射调制激光之前，根据主控单元500发 送的第二采样保持指令，存储第二背景信号。第二比较模块303，用于将第二接收模块301根据调制激光转换而来的第一测量 信号与第二背景信号进行比较，得到含有被测物体反射的调制激光到达时刻信息的第二信 号，并将第二信号发送给测量单元400。测量单元400，根据第一信号和第二信号获得调制激光的飞行时间，并将该飞行时 间发送给主控单元500。这样，主控单元500可根据激光飞行时间，获得与被测物体之间的
第一距离。这样，测量单元400可以根据主控单元500下发的时间测量指令，进行对应的时间 模式设置，并根据所述时间模式，当检测到第一信号的上升沿时，开始计时，当检测到第二 信号的上升沿时，停止计时，确定计时得到的时间为激光飞行时间T。主控单元500则可根据L = C t /2，获得与被测物体之间的第一距离。其中，L为 第一距离，C为光速。实施例四由于第一参考信号还可以是调制激光，发射单元100通过部分反射元 件将设定比例的调制激光反射到参考单元200，则参考单元200，还用于将发射过来的调制 激光进行光电转换，获得第一参考信号。因此，本发明实施例另一种具体的激光测距设备如 图4所示，在该设备中，发射单元100不仅包括主振模块101，调制发射模块102，还包括部 分反射模块103。其中，主振模块101，用于产生调制信号。调制发射模块102，与主振模块101电连接，根据调制信号产生调制激光。调制发 射模块102还与主控单元500电连接，当接收到主控单元500发送的发射指令时，向部分反 射模块103发送调制激光。部分反射模块103，用于将设定比例的调制激光发射到参考单元的第一接收单元 201，并同时向被测物体发射其余的调制激光。本实施例中，参考单元200仍包括第一接收模块201，第一采样保持模块202和
9第一比较模块203。其中，第一接收模块201，用于接收部分反射模块103反射的调制激光，并将调制 激光转换为电信号，即获得第一参考信号。第一采样保持模块202和第一比较模块203的功能不变，就不在累述。该实施例中，接收单元300，测量单元400和控制单元500的结构和功能都不变，也 不在累述。可见，本发明实施例中，该激光测距设备包括两个通路，分别是参考信号通路和测 量信号通路。参考信号通路包括参考单元；测量信号通路包括接收单元。上述实施例一至四中任意一个激光测距设备所采用的测距方法的流程参见图5， 包括步骤501 发射单元产生调制激光和第一参考信号。第一参考信号可以是调制激光，也可以是驱动激光器产生调制激光的电信号。这里，产生的调制激光的调制信号的频率为主振频率f\，第一参考信号R可以表示 为介+ + ,其中，A为幅值，％为初始相位，为主振频率即第一频率，为直流偏 置。当fi = 30MHz时，第一参考信号R的波形图如图6中所示。步骤502 发射单元接收主控单元发送的发射指令，并向被测物体发射调制激光， 以及同时向参考单元发送第一参考信号。发射单元在接收到发射指令之前会持续产生调制激光，当接收到主控单元发送的 发射指令后，向被测物体发射调制激光，同时向参考单元发送第一参考信号。步骤503:参考单元将第一参考信号与存储的第一背景信号进行比较，获得含有 第一参考信号到达时刻信息的第一信号。参考单元在接收第一参考信号之前，会根据主控单元的指令采集参考信号通路的 背景信号并存储，即采集激光测距设备的参考单元的第一背景信号Rk，然后进行保存。这样，当激光测距设备产生了第一参考信号R后，参考单元将第一参考信号R与保 存的第一背景信号Rk进行比较，得到第一信号R。。该第一信号R。一般为方波信号。即当第 一参考信号R的幅值大于第一背景信号Rk时，该时刻对应高电平，当第一参考信号R的幅 值小于或等于第一背景信号Rk时，该时刻对应低电平。或者，第一参考信号R的幅值小于 或等于第一背景信号Rk时，该时刻对应高电平，第一参考信号R的幅值大于等于第一背景 信号Rk时，该时刻对应低电平。这样，即可获得第一信号R。。第一参考信号尺二力时 介+外；！ + ^丨，其中，A为幅值，f\为第一频率，％为初始相位，
第一背景信号Rk是一个直流分量，这样，第一信号R。中携带了第一参考信号R到达时刻的 信息。如上例，= 30MHz，第一背景信号Rk比较小，则第一信号R。如图6中所示。步骤504 接收单元接收被测物体反射回来的调制激光，并对该调制激光进行光 电转换，获得第一测量信号。第一测量信号S可表示为r) + %) + C2,其中，B为幅值，fi为第一频率，％ 为初始相位，t为激光飞行时间，C2为直流偏置。由于第一参考信号R^AinPM/U + q， 显然，本发明实施例中，该激光测距设备与被测物体之间的距离L可以表示为L = C t /2, 其中，C为光速，t为激光飞行时间。同样，当& = 30MHz时，第一测量信号S如图6中所
7J\ o
10
步骤505 接收单元将第一测量信号与保存的第二背景信号进行比较，获得含有 反射激光到达时刻信息的第二信号。同样，激光测距设备的接收单元在发射单元发射调制激光之前，会采集测量接收 信号通路的背景信号，即激光测距设备的接收单元的第二背景信号Sk，然后进行保存。这 里，在进行测量之前，主控单元向接收单元发送第二采样保持指令，这样，接收单元根据第 二采样保持指令，采样该参考单元的第二背景信号并保存。这样，当激光测距设备获得第一测量信号S后，接收单元将第一测量信号S与保存 的第二背景信号Sk进行比较，得到第二信号S。。第二信号S。一般也为方波信号，产生的过 程与步骤502中相同，不再累述。第一测量信号S二拟时2；^( -0 +外)+ ^2，其对应的频率为f\，第二背景信号Sk是一
个直流分量，这样，第二信号S。中携带了第一测量信号S到达时刻的信息。如上例，= 30MHz，第二背景信号Sk比较小，则第二信号S。如图6中所示。本发明实施例中，步骤503获得第一信号的过程，与步骤504及505获得第二信号 的过程是一个并行的过程，即激光测距设备同时产生了调制激光和第一参考信号后，该设 备立刻进行步骤503。在此过程中接到反射激光后，即可顺序执行步骤504以及505。步骤506 测量单元根据第一信号以及第二信号获得激光飞行时间。这里，一般测量单元根据时间模式，通过检查第二信号与第一信号之间的时间延 时，获得激光飞行时间。因此，获得激光飞行时间之前，还可以包括接收主控单元的时间测 量指令，并根据时间测量指令，进行对应的时间模式设置。这样，根据所述时间模式，当检测到所述第一信号的上升沿时，开始计时；当检测 到所述第二信号的上升沿时，停止计时；确定计时得到的时间为激光飞行时间T。根据图6所示，第一信号的上升沿与第二信号的上升沿之间跨越了多个完整的f\ 对应的波长，这样，采用本实施例中所述的方法可以实现长距离的测量。步骤507 主控单元根据激光飞行时间，获得与被测物体之间的第一距离。根据上述分析可知，该激光测距设备与被测物体之间的距离L可以表示为L = (^/2，其中，(为光速，t为激光飞行时间。当然本发明实施例中，主控单元还可以将第一距离发送给显示单元进行显示。在上述实施例中，激光测距设备利用上述方法可以获得与测量物体之间的距离。 但是，由于激光测距设备检测第二信号与第一信号之间的时间延迟的检测精度有限，假定 时间延迟的检测精度为Tp，则测距精度为AL = C%，一般时间延迟的检测精度为ns级， 对应于距离精度为m级，目前最好的时间延迟的检测精度也只能到几十ps，对应于测距精 度为cm级，因此，获得的与测量物体之间的距离的精度还较低，可以作为一个粗测的过程。本发明实施例中，利用上述方法首先进行粗测，解决了相位法中的多值问题，但本 发明实施例中，还可以进一步提高测量的精度。在该发明实施例中，激光测距设备的结构框 图仍如图1所示，包括发射单元100，参考单元200，接收单元300、测量单元400和主控单 元500。其中，发射单元100，不仅用于产生调制激光和第一参考信号，当接收到主控单元500发 送的发射指令时，向被测物体发射调制激光，同时向参考单元200发送第一参考信号；还用 于产生本振信号，并向参考单元200和接收单元300发送该本振信号。
11
参考单元200，不仅用于将接收到的第一参考信号与该参考单元存储的第一背景 信号进行比较，得到含有接收到第一参考信号时刻信息的第一信号，并将第一信号发送给 测量单元400;还用于将第一参考信号和接收到的本振信号进行混频，获得混频后的第二 参考信号，并将第二参考信号发送给测量单元400。接收单元300，不仅用于将被测物体反射的调制激光转换为第一测量信号，将第一 测量信号与该接收单元存储的第二背景信号进行比较，得到含有反射的调制激光到达时刻 信息的第二信号，并将第二信号发送给测量单元400 ；还用于将第一测量信号与接收的本 振信号进行混频，获得混频后的第二测量信号，并将第二测量信号发送给测量单元400。这样，测量单元400，不仅用于根据所述第一信号和第二信号获得激光飞行时间， 并将所述激光飞行时间发送给主控单元500，还用于测量第二测量信号与第二参考信号之 间的相位差，根据所述相位差，获得与被测物体之间的第二距离，并将所述第二距离发送给 主控单元。主控单元500，不仅用于根据所述激光飞行时间，获得与被测物体之间的第一距 离，还用于根据所述第一距离和第二距离，获得与被测物体之间的精确距离。可见，该实施例中，通过产生的本振信号分别与第一测量信号以及第一参考信号 进行混频，获得对应的第二测量信号以及第二参考信号，这样，不仅降低了测量信号与参考 信号的频率，并且通过测量第二测量信号与第二参考信号之间的相位差，以及根据所述相 位差，获得与被测物体之间的第二距离，从而，根据第一距离和第二距离，获得与被测物体 之间的精确距离。当然，在如图2所示的激光测距设备中，参考单元200，接收单元300、测量单元400 和主控单元500也可具体有上述功能。此时，显示单元600，不仅用于主控单元500获得的 第一距离，还用于显示主控单元获得的精确距离。实施例五由于在精确距离的测量过程中，激光测距设备的各个单元都增加了新 的功能，因此，可将上述实施例中的激光测距设备进行进一步细化，如图7所示，该激光测 距设备发射单元100包括主振模块101，调制发射模块102和本振模块104。其中，主振模块101，用于产生调制信号。调制发射模块102，与主振模块101电连接，根据调制信号产生调制激光和第一参 考信号，这里，调制发射模块102还与主控单元500电连接，当接收到主控单元500发送的 发射指令时，向被测物体发射调制激光，并同时向参考单元200的接收模块201发送第一参
考信号。本振模块104，用于产生本振信号，并向参考单元200的第一混频模块204以及接 收单元300的第二混频模块304发送本振信号。参考单元200包括第一接收模块201，第一采样保持模块202、第一比较模块203 和第一混频模块204。第一接收模块201，用于接收调制发射模块102发送的第一参考信号。第一采样保持模块202，用于在发射单元100发射调制激光之前，根据主控单元 500发送的第一采样保持指令，存储第一背景信号。第一比较模块203，用于将第一参考信号与第一背景信号进行比较，得到含有接收 到第一参考信号时刻信息的第一信号，并将第一信号发送给测量单元400。
第一混频模块204，用于将第一参考信号与接收的本振信号进行混频，得到混频后 的的第二参考信号，并将第二参考信号发送给测量单元400。接收单元300包括第二接收模块301、第二采样保持模块320、第二比较模块303 和第二混频模块304。第二接收模块301，用于接收调制发射模块102发送的调制激光，并将调制激光转 换为电信号，即获得第一测量信号。第二采样保持模块302，在发射单元100发射调制激光之前，根据主控单元500发 送的第二采样保持指令，存储第二背景信号。第二比较模块303，用于将第二接收模块301根据调制激光转换而来的第一测量 信号与第二背景信号进行比较，得到含有反射的调制激光到达时刻信息的第二信号，并将 第二信号发送给测量单元400。第二混频模块304，用于将第一测量信号与本振信号进行混频，得到混频后的第二 测量信号，并将第二测量信号发送给测量单元400。测量单元400，用于根据第一信号和第二信号获得调制激光的飞行时间，并将该飞 行时间发送给主控单元500，并接收的相位测量指令后，测量所述第二测量信号与所述第二 参考信号之间的相位差，根据所述相位差，获得与被测物体之间的第二距离，并将所述第二 距离发送给主控单元当然，主控单元500，还用于向所述测量单元发送相位测量指令，则测量单元400， 还用于根据所述相位测量指令，进行对应的相位模式设置。主控单元500，还用于将所述第一距离中整数个波长对应的距离与第二距离之间 的和确定为与被测物体之间的精确距离，该波长为主振模块产生的主振信号的频率对应的 波长。当然，主控单元500，还可以根据其他的设定规则，根据第一距离和第二距离，获得 与被测物体之间的精确距离。例如，第一距离和第二距离采用同样的量度值表示，这样，提 取第一距离小数点前的有效数字，提取第二距离的小数点后的有效数字，即可得出被测物 体之间的精确距离。当然，该激光测距设备还可以含有显示单元，用于显示主控单元获得的精确距离。本发明实施例中，主振模块101产生的调制信号与本振模块104产生的本振信号 一般都为高频信号，两者之间相差一个中频信号，这样，当进行混频后的，获得的第二参考 信号以及第二测量信号都是中频信号，从而，可以比较精确地测量这两个中频信号之间的 相位差。实施例六本发明实施例还包括另一种具体的激光测距设备如图8所示，与图7 所示激光测距设备相比，只是在发射单元100中增加了部分反射模块103。该实施例中，主 振模块101，调整发射模块102、部分反射模块103，以及第一接收模块201的功能分别与如 图4所示的设备中的主振模块101，调整发射模块102、部分反射模块103，以及第一接收模 块201的功能一致，其他模块的功能与图7所示的设备中的对应的模块一致，具体就不再累 述。该激光测距设备同样包括两个通路，分别是参考信号通路和测量信号通路。上述实施例五或六中激光测距设备进行激光测距所采用的激光测距方法的流程，参见图9，包括步骤901 发射单元产生调制激光和第一参考信号，以及本振信号。激光测距设备的发射单元产生调制激光以及第一参考信号R=/Jsin(2^/;/ + %) + Cl，而本振模块产生本振信号 Csin(2 Ji f2t)。这里，为主振频率即第一频率，f2为本振频率即第二频率，f\、f2 —般为高频，两 者之间相差一个设定频率fm，一般为中频。当= 30MHz, f2 = 30. 01MHz时，其第一参考信 号，以及本振信号的波形示意图如图6中所示。步骤902 发射单元接收主控单元发送的发射指令，向被测物体发射该调制激光， 同时向参考单元发送第一参考信号，以及发射单元向参考单元和接收单元发送本振信号。步骤903:参考单元将第一参考信号与保存的第一背景信号进行比较，获得含有 第一参考信号到达时刻信息的第一信号，将第一参考信号与本振信号进行混频，获得混频 后的第二参考信号。将第一参考信号+ 6与保存的第一背景信号为Rk进行比较，获得 第一信号R。。本发明实施例中，获取第一信号R。的过程与上述步骤503相同，不再重复描 述了。当然，还可以采用其他类似的方法获得第一信号R。。为第一频率，f2为第二频率，fm为混频后的频率，则第二参考信号 Rm = Ds'm(27tfj + (p0)^ = 30MHz, f2 = 30. 01MHz 时，混频后的频率为 fm = lOKHz， 则第二参考信号的波形示意图如图6中所示。步骤904 接收单元接收被测物体反射回来的调制激光，并对该调制激光进行光 电转换，获得第一测量信号。这里，采用如上述步骤504相同方法获得第一测量信号S，当然，还可以采用其他 类似的方法获得第一测量信号S。步骤905:接收单元将第一测量信号与保存的第二背景信号进行比较，获得含有 反射激光到达时刻信息的第二信号，将第一测量信号与本振信号进行混频和滤波，获得混 频后的第二测量信号。这里，采用如上述步骤505相同方法获得第二信号S。，当然，还可以采用其他类似 的方法获得第二信号S。。第一测量信号信号S相对于第一参考信号R具有识的相位差，P = 2;ry;r，其中，T为 激光飞行时间，同时^可以表示为若干个整波和剩余相位的和，即P = +代，因此s信号
简化为如啦妳婦。-⑴,这样，队所表示的距离为1 =当第一测量信号S与本振信号Csin(2 Ji f2t)进行混频并滤波后，得到第二测量信 号Sm，其中，& =五sinQTr// —代+外)。当fi = 30MHz, f2 = 30. 01MHz时，混频后的频率 为fm = lOKHz，则第二测量信号的波形示意图如图6中所示。同样，本发明实施例中，步骤903获得第二参考信号的过程，与步骤904及905获 得第二测量信号的过程是一个并行的过程。步骤906 测量单元根据第一信号以及第二信号获得激光飞行时间，并测量第二 测量信号与第二参考信号之间的相位差。这里，采用如上述步骤505相同方法获得激光飞行时间t。当然，还可以采用其他
14类似的方法获得激光飞行时间t。第二测量信号
)，第二参考信号
因此，两者之间的相位差为&，这里，测量单元测量完第二信号与
第一信号之间的时间延迟后，测量单元接收主控单元发送相位测量指令，并根据所述相位 测量指令，进行对应的相位模式设置，然后根据相位模式测量第二测量信号与第二参考信 号之间的相位差。本发明实施例中，可以将相位差的测量转换为时间的测量，分别将第二测量信号 与第二参考信号输入过零比较器，这样，可以获得第二测量信号对应的测量方波信号，以及 第二参考信号对应的参考方波信号。然后，重置计时器，当检测到参考方波信号的上升沿时，重新开始计时；当检测到 测量方波信号的上升沿时，停止计时，确定计时得到的时间为相位差对应的延迟时间。从 而，根据公式代获得相位差％。同样，当第二测量信号与第二参考信号的波形示意图如图6所示时，其对应的参 考方波信号以及测量方波信号的波形示意图也如图6所示。其参考方波信号的上升沿与测 量方波信号的上升沿之间并不包括整数个波长。但由于混频后，fm= lOKHz，参考方波信号 的上升沿与测量方波信号的上升沿之间时间差相对于第一信号的上升沿与第二信号的上 升沿之间时间差长一些。当然，还可以根据现有技术获得第二测量信号与第二参考信号之间的相位差。步骤907 主控单元根据激光飞行时间，获得与被测物体之间的第一距离，根据相 位差，获得与被测物体之间的第二距离。根据公式k = C t /2获得第一距离Llt)根据公式厶= 获得 第二距离L2。步骤908 主控单元根据第一距离和第二距离，获得与被测物体之间的精确距离。这里，可以根据设定的规则，从第一距离中提取一些有效数字，以及从第二距离中 提取一些有效数字，将这些有效数字组合，即可获得与被测物体之间的精确距离。例如确定第一频率对应的波长，将上述第一距离U中整数个波长对应的距离 与第二距离L2之间的和确定为与被测物体之间的精确距离。或者，第一距离和第二距离采 用同样的量度值表示，这样，提取第一距离小数点前的有效数字，提取第二距离的小数点后 的有效数字，即可得出被测物体之间的精确距离。本实施例中，假定时间延时的检测精度为t p，相位差测量精度为
，因 此测量距离的精度为
、，可见，对比不采用混频的粗测精度提高了 j倍，通常主
振频率为MHz级，中频频率为fm为KHz级，这样，精度可以提高3个量级，因此，可以很容 易实现高精度的测量，同时结合上述粗测可以对任意长度的距离进行测量。下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。本实施例中，如图10所示，发射单元中的主振模块采用锁相环电路，包括鉴相鉴 频器、环路滤波器和压控振荡源，主振频率选择30MHz，即= 30MHz ；本振模块同样采用锁 相环电路，产生30. 01MHz频率的本振信号，即f2 = 30. 01MHz，这样，混频后的中频频率乙为lOKHz。本实施例中选择的具体的主振频率和本振频率只是为了方便说明，并不是对本发明 保护范围的限制。主振模块将主振频率30MHz的主振信号发送给调制发射模块中的调制电路，调制 电路连接激光驱动电路，驱动激光器发出调制激光。调制出的调制激光采用部分反射镜将 10%的激光反射给参考单元，其余部分向被测物体发射。反射部分的激光被参考信号通路接收，即参考单元接收。该参考单元中的第一接 收单元由光电二极管(Avalanche Photo Diode, PIN)和放大电路组成，将反射激光转化为 电压信号并放大，获得第一参考信号。第一采样保持模块和第一比较模块分别由采样/保 持器和比较器构成，首先，采样/保持器在激光发射之前，根据主控单元的指令采集的该参 考单元的第一背景信号并保持，然后比较器将获得的第一参考信号与第一背景信号进行比 较，产生第一信号R。。第一混频模块由混频芯片和滤波电路组成，用于将参考单元中的第一接收模块获 得第一参考信号与本振模块产生的本振信号进行混频，并滤出其中的中频lOKhz的分量， 得到第二参考信号Rm。被测物体接收到调制激光后，反射回来激光，该反射回来的调制激光被接收 信号通路接收，即接收单元接收，这样，该接收单元的第一接收模块由雪崩光电二极管 (Avalanche Photo Diode, APD)和放大电路组成，将反射回来的调制激光转化为电压信号 并放大，获得第一测量信号。第二采样保持模块和第二比较模块也分别由采样/保持器和 比较器构成，同样，采样/保持器在激光发射之前，根据主控单元的指令采集的该接收单元 的第二背景信号并保持，然后比较器将获得的第一测量信号与第二背景信号进行比较，产 生第二信号S。。第二混频模块也由混频芯片和滤波电路组成，用于将接收单元中的第二接收模块 获得第一测量信号与本振模块产生的本振信号进行混频，并滤出其中的中频lOKHz的分 量，得到第二测量信号Sm。测量单元包括两个双路开关，以及时间检查芯片，第一比较模块输出的第一信号 Rc和第一混频模块输出第二参考信号Rm接入其中一个双路开关的两个输入端，并将开关的 信号输出端连接到时间检测芯片的START端口 ；而第二比较模块输出的第二信号S。和第二 混频模块输出第二测量信号Sm接入另一双路开关的两个输入端，该开关的信号输出端连接 时间检测芯片的STOP端口，双路开关通过主控单元控制选择。主控单元可以为单片机但不限定于单片机，例如其他的一些智能处理芯片。本发 明实施例中各种波形示意图如图6所示。这样，该实施例的工作流程如下开机后，主振模块和本振模块开始工作并产生两 个频率30MHz和30. 01MHz，第一接收模块和第二接收模块处于预备状态等待激光的到来， 主控单元设置双路开关，将其设置为选择第一信号信号R。和第二信号S。，时间检测芯片处 于预备状态等待信号的到来。首先，主控单元分别控制第一采样保持模块和第二采样保持模块，使第一采样保 持模块和第二采样保持模块分别获取背景水平信号Sk和Rk并保持，然后，主控单元控制调 制发射模块，发出调制激光，其中，部分调制激光经发射后发送给参考模块。参考模块获得反射的部分激光，并转换为第一参考信号R，将转换后的第一参考信号R传送给第一比较模块和第一混频模块；第一比较模块中的比较器通过比较第一参考信 号R和背景水平信号Rk，而获得带有发射激光到达时刻信息的方波信号R。。时间检测芯片接收该方波信号R。的上升沿后开始计时，并等待测量信号通路的第 二信号S。；其中，测量信号通路上的调制激光反射回来到达第二接收模块后，将该调制激光 转换为第一测量信号S，并传输给第二比较模块和第二混频模块，通过与参考信号通路同样 的方式获得S。。这样，时间检测芯片接收到S。的上升沿后停止计时，记下测量时间、，该测量时间 即为第一测量信号与第一参考信号之间的延时，也就是激光飞行时间。然后，主控单元对双路开关进行重置，将双路开关选择混频单元输出的信号Rm和 Sm，同时主控单元对时间检测芯片进行重置，重置后的时间检测芯片将在START端口检测到 参考信号通路中第一混频模块输出信号Rm对应的参考方波的的上升沿作为计时开始，然后 在STOP端口检测到测量信号通路第二混频模块输出信号Sm对应的测量方波的的上升沿作 为计时结束，并记下测量时间t2。这样，根据时间、获得与测量物理之间的第一距离，根据时间t2获得与测量物理
1 1 f
之间的第二距离，其中，第一距离Li为A 二力第二距离L2为乙-2 J C{2，然后，将Li中
含有的整数个波长的距离加上L2即可得出最终测量距离。例如在本实施例中，由于= 30MHz，f2 = 30. 01MHz则假定粗测时间为320ns，精测时间t2为60303ns，则可以根据
A 计算出第一距离为48m，由于30MHz的整波长周期对应的距离为5m，48米中含有9
个5m，则整数个波长对应的距离为45m，根据4计算出第二距离为3. 01515m,因此，
最终的测量距离为48. 01515m。当然，本发明实施例中，还可以包括显示单元，用于显示最终的测量距离。该显示 单元可以是LED显示屏，或者是数码显示，当然其他的一些显示装置也可以。本发明实施例中，激光测距设备产生调制激光以及第一参考信号，并向被测物体 发射所述调制激光，以及同时向参考单元发送所述第一参考信号，这样，第一参考信号通过 该设备的参考单元后，获得含有第一参考信号到达时刻信息的第一信号，调制激光经被测 物体发射后返回调制激光，并通过该设备的接收单元后，获得含有所述调制激光到达时刻 信息的第二信号，根据第一信号以及第二信号获得激光飞行时间，并根据所述激光飞行时 间，获得与被测物体之间的第一距离。这样，只需要一套频率的激光光波，从而只需要一套 调制电路，滤波电路，从而，大简化了激光测距设备，减少了系统的成本。并且，只需要发射 一次激光测量信号，就可以获得激光飞行时间，得到确定的结果，实现对任意长度的距离进 行测量，这样，极大地提高激光测距的效率。另外，在采用相位激光测距的过程中，通过信号混频电路，将测量信号和参考信号 间的相位差信息搬移到中频段，极大提高了相位差测量精度，亦即极大提高了距离测量精 度。从而，本发明实施例中通过调制激光飞行时间来获取激光测距设备与被测物体之间的 距离，进一步，采用相位测量来修正获取的距离，得到高精度的距离，实现任意距离的高精 度测量。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精
17神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
一种激光测距设备，其特征在于，包括发射单元，用于产生调制激光和第一参考信号，当接收到主控单元发送的发射指令时，向被测物体发射所述调制激光，同时向参考单元发送所述第一参考信号；参考单元，用于将接收的第一参考信号与该参考单元存储的第一背景信号进行比较，得到含有所述第一参考信号到达所述参考单元时刻信息的第一信号，并将所述第一信号发送给测量单元；接收单元，用于将所述被测物体反射的调制激光转换为第一测量信号，将所述第一测量信号与该接收单元存储的第二背景信号进行比较，得到含有所述反射的调制激光到达所述接收单元时刻信息的第二信号，并将所述第二信号发送给测量单元；测量单元，用于根据所述第一信号和所述第二信号获得激光飞行时间，并将所述激光飞行时间发送给主控单元；主控单元，用于向发射单元发送发射指令，并根据所述激光飞行时间，获得与被测物体之间的第一距离。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述发射单元包括 主振模块，用于产生调制信号；调制发射模块，与所述主振模块以及主控单元连接，用于根据所述调制信号产生调制 激光和第一参考信号，并当接收到所述主控单元发送的发射指令时，向被测物体发射所述 调制激光，并同时向参考单发送所述第一参考信号。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述发射单元还包括部分反射模块，则， 所述调制发射模块，用于根据所述主振模块产生的调制信号产生调制激光，当接收到所述主控单元发送的发射指令时，向所述部分反射模块发送所述调制激光；所述部分反射模块，用于将设定比例的调制激光发射到参考单元，并同时向被测物体 发射其余的调制激光。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述参考单元包括 第一接收模块，用于接收所述发射单元发送的第一参考信号；第一采样保持模块，用于在所述发射单元发射调制激光之前，根据所述主控单元发送 的第一采样保持指令，存储第一背景信号；第一比较模块，用于将所述第一参考信号与第一背景信号进行比较，得到含有接收到 第一参考信号时刻信息的第一信号，并将第一信号发送给测量单元。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第一接收模块，还用于接收所述发射单元反射的调制激光，并将调制激光转换为第一参考信号。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述接收单元包括第二接收模块，用于接收被测物体反射的调制激光，并将该调制激光转换为第一测量 信号；第二采样保持模块，用于在所述发射单元发射调制激光之前，根据主控单元发送的第 二采样保持指令，存储第二背景信号；第二比较模块，用于将所述第一测量信号与第二背景信号进行比较，得到含有反射的 调制激光到达时刻信息的第二信号，并将第二信号发送给测量单元。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述主控单元，还用于向所述测量单元发送时间测量指令；所述测量单元，还用于根据时间测量指令，进行对应的时间模式设置，并根据所述时间 模式，当检测到所述第一信号的上升沿时，开始计时，当检测所述第二信号的上升沿时，停 止计时，确定计时得到的时间为激光飞行时间。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述发射单元还包括本振模块，用于产生本振信号；所述参考单元还包括第一混频模块，用于将所述参考单元获得的第一参考信号，与所 述本振信号进行混频，获得混频后的第二参考信号，并将所述第二参考信号发送给测量单 元；所述接收单元还包括第二混频模块，用于将所述接收单元获得的第一测量信号，与所 述本振信号进行混频，获得混频后的第二测量信号，并将所述第二测量信号发送给测量单 元；贝U，所述测量单元，还用于测量所述第二测量信号与所述第二参考信号之间的相位差， 根据所述相位差，获得与被测物体之间的第二距离，并将所述第二距离发送给主控单元；所述主控单元，还用于根据所述第一距离和第二距离，获得与被测物体之间的精确距罔。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述主控单元，还用于向所述测量单元发送相位测量指令；所述测量单元，还用于根据所述相位测量指令，进行对应的相位模式设置。
10.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述主控单元，还用于将所述第一距离中整数个波长对应的距离与第二距离之间的和 确定为与被测物体之间的精确距离。
11.如权利要求1-10所述的任一设备，其特征在于，还包括显示单元，用于获取并显示所述主控单元获得的第一距离和/或精确距离。
12.一种激光测距的方法，其特征在于，包括发射单元产生调制激光以及第一参考信号，并当接收到主控单元发送的发射指令时， 向被测物体发射所述调制激光，同时向参考单元发送所述第一参考信号；所述参考单元将所述第一参考信号与存储的第一背景信号进行比较，得到含有所述第 一参考信号到达所述参考单元时刻信息的第一信号，并将所述第一信号发送给测量单元；接收单元将所述被测物体反射的调制激光转换为第一测量信号，将所述第一测量信号 与存储的第二背景信号进行比较，得到含有所述反射的调制激光到达所述接收单元时刻信 息的第二信号，并将所述第二信号发送给测量单元；测量单元根据所述第一信号和所述第二信号获得激光飞行时间，并将所述激光飞行时 间发送给主控单元；所述主控单元根据所述激光飞行时间，获得与被测物体之间的第一距离。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述发射单元向参考单元发送所述第一 参考信号包括所述发射单元将设定比例的调制激光发射到参考单元；所述参考单元将所述调制激光转换为第一参考信号。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述参考单元存储第一背景信号包括在所述发射单元发射调制激光之前，所述参考单元接收所述主控单元发送的第一采样 保持指令，并根据所述第一采样保持指令，采样并保存该参考单元的第一背景信号。
15.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述接收单元存储第二背景信号包括在所述发射单元发射调制激光之前，所述接收单元接收所述主控单元发送的第二采样 保持指令，并根据所述第二采样保持指令，采样并保存该接收单元的第二背景信号。
16.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述获得激光飞行时间之前，还包括接收所述主控单元的时间测量指令，并根据时间测量指令，进行对应的时间模式设置；则所述获得激光飞行时间包括根据所述时间模式，当检测到所述第一信号的上升沿时，开始计时； 当检测所述第二信号的上升沿时，停止计时； 确定计时得到的时间为激光飞行时间。
17.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述获得与被测物体之间的第一距 离之后，还包括显示单元显示所述主控单元获得的第一距离。
18.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，还包括 本振模块产生本振信号；第一混频模块将所述第一参考信号，与所述本振信号进行混频，获得混频后的第二参 考信号，并将所述第二参考信号发送给测量单元；第二混频模块将第一测量信号，与所述本振信号进行混频，获得混频后的第二测量信 号，并将所述第二测量信号发送给测量单元；所述测量单元测量所述第二测量信号与所述第二参考信号之间的相位差，根据所述相 位差，获得与被测物体之间的第二距离，并将所述第二距离发送给主控单元；所述主控单元根据所述第一距离和第二距离，获得与被测物体之间的精确距离。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述测量单元测量所述第二测量信号与 所述第二参考信号之间的相位差之前，还包括接收所述主控单元发送的相位测量指令，并根据所述相位测量指令，进行对应的相位 模式设置。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述主控单元获得与被测物体之间的精 确距离包括将所述第一距离中整数个波长对应的距离与第二距离之间的和确定为与被测物体之 间的精确距离。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述主控单元获得与被测物体之间的精 确距离之后，还包括显示单元显示所述主控单元获得的精确距离。
全文摘要
本发明公开了一种激光测距设备及方法，用以减少激光测距设备的复杂性，以及提高激光测距的效率。该激光测距设备产生调制激光以及第一参考信号，并向被测物体发射所述调制激光，同时向参考单元发送所述第一参考信号，这样，第一参考信号通过该设备的参考单元后，获得含有第一参考信号到达该参考单元时刻信息的第一信号，调制激光经被测物体反射，并通过该设备的接收单元后，获得含有所述反射的调制激光到达该接收单元时刻的第二信号，根据第一信号以及第二信号，获得激光飞行时间，并根据所述激光飞行时间，获得与被测物体之间的第一距离。
文档编号G01S7/483GK101865997SQ201010191960
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者严光文, 徐蕾, 李成, 陈金林, 黄梦园 申请人:北京握奇数据系统有限公司