专利名称：一种单调制连续波激光测距装置与测距方法
技术领域：
本发明属于激光测距技术领域，尤其涉及一种单调制连续波激光测距装置及测距方法。
背景技术：
目前，激光测距方法主要应用飞行时间法和三角法。飞行时间法又分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距的基本原理与雷达测距原理类似，由发射器向目标发出激光信号，遇到目标反射回来，记录下所需的飞行时间t，由于激光的传输速度是已知的，可以利用此飞行时间算出目标距离。传统的脉冲式激光测距方法，是利用现代电子技术，将飞行时间t的宽度拉长以便于测量，或是在发射开始脉冲和停止脉冲之间插入一系列高频脉冲，将信号转变成其他可以测量的方式。对测距精度要求越高，电子电路的复杂度就会随之提高，相应的成本也会升高。相位式测距是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一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长换算出目标距离，该方法是利用间接的方式测出激光信号在光路上往返一次所需的时间。由于相位式测距自身存在着弊端，实际应用中往往无法直接测出相位延迟，传统的相位式激光测距往往采用多频发射，分别测量相位差的方法间接计算目标距离。脉冲式激光测距技术的优点是发射脉冲强度高，测量距离远，但存在着测量精度不高的缺点，经常以增加系统复杂度为代价提高测量精度。相位式激光测距技术方法虽然测量精度较高，却存在着测量精度与测量距离之间不可调和的矛盾，为了提高测量距离就需要采用多频组合测距的方法，多频测距的发射和接收电路设计更加复杂，数据处理量也大大增加，测距速度慢，系统设计复杂化。

发明内容
本发明目的是解决原有飞行时间法测距技术存在系统复杂、测量精度不高，以及测量精度与测量距离之间存在不可调和的矛盾等技术问题，提供一种结构简单，测量距离远，测距速度快、精度高的单调制连续波激光测距装置与测距方法。本发明提供的单调制连续波激光测距装置，包括发射模块、接收模块、处理模块以及光路部分；所述的发射模块包括激光发射器和驱动调制器；接收模块包括光电转换器和滤波放大器；处理模块包括两个混频器、鉴相器、两个整形器、计数器和处理器；第一混频器和第一整形器的收入端同时与发射模块中的驱动调制器的输出端连接，第二混频器和第二整形器的收入端同时与接收模块中的滤波放大器的输出端连接，第一混频器和第二混频器的输出端同时连接鉴相器的输入端，鉴相器的输出端连接处理器；第一整形器和第二整形器的输出端同时连接计数器的输入端，计数器的输出端连接处理器；所述的光路部分包括激光发射器、准直物镜、两个棱镜、接收物镜和光电转换器，激光发射器发射的光经准直物镜变为平行光后，先后经过第一棱镜和第二棱镜反射后照射到目标，由目标反射回的光信号再经接收物镜汇聚于光电转换器。所述的激光发生器位于准直透镜的焦点处，所述的光电转换器在接收物镜光轴上，经过第一棱镜和第二棱镜全反射的发射正弦激光与接收物镜同轴。本发明同时提供了使用以上所述的单调制连续波激光测距装置进行测距的方法，该方法的步骤是第I、首先由发射模块中的驱动调制器产生一个正弦波电信号，驱动激光发射器发射波长为λ的同频率的激光信号；第2、在激光发射器发出调制正弦波信号的同时，驱动调制器向处理模块发射一个同频的正弦电信号，称为发射信号；
第3、发射信号一部分传输到处理模块中的混频器，变为中频信号，另一部分传输到处理模块中的整形器，变为方波信号；第4、激光发射器发出的激光信号经过目标之后反射回来，返回的激光信号由接收模块中的光电转换器接收并转换成电信号，称为返回信号，该返回信号经过滤波放大器处理后送入处理模块；第5、返回信号一部分传输到处理模块中的混频器,变为中频信号，另一部分传输到处理模块中的整形器，变为方波信号；第6、在处理模块中的鉴相器中鉴别第2步中所称的发射信号与第4步中所称的返回信号的相位差Af，其中发射信号与返回信号经过混频器的本振信号相同；第7、由计数器记录激光信号从发射到接收的时间内，经过计数器的方波个数N，
即发射信号发射的正弦波个数,根据测距公式I = IfΝλ + ^-λ]求出目标距离Lo
21 In J
、 ^ f单调制连续波激光测距技术原理相位式激光测距是利用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制实现的，如图I所示，发射模块发射一束调制正弦激光信号，该信号遇到目标之后反射回来，由接收模块接收，正弦激光信号在光路上每传播一个周期，相位就延迟2 π，处理模块根据激光信号在光路上传播的相位延迟和调制光的波长，换算出相位延迟所代表的距离。 Ι |{[|3^5ζ L=—(NA + — A)
22π其中λ是调制正弦波波长，是不足一个周期的相位差，N是整数个正弦波个数，L是目标距离。由测距公式可知，激光调制波长已知，只需要测出激光在光路上往返一次所传播的整数个正弦波个数，以及不足一个周期的相位差，就可以用间接的方法求出目标距离。考虑到实际测量过程中会出现相位误差和波长误差，鉴相器误差±0. 5%，波长允许误差土 10 7ο实际的测距公式可以写成
L-— (I ±10—+ (I ±0,5%)—■(—λ
2L2, Jα)相对测距精度可以写成测距误差与理论距离的比值，可以得出，当时测量误差最大。最大误差时的相对测量精度为
P = 10^+^-10"'5
N + \⑵ \ /由公式⑵可以看出，N的值越大，测距精度越小，当N的值取到1000时，相对测量精度P的值可达到5Χ10Λ满足了高精度测距的要求。发明的优点和有益效果本发明采用通过测量发射信号与返回信号相位差与整数个正弦波个数N相互配合进行测距的方式，同时具有相位法测距的测量精度高和脉冲法测距远的优点，实现了连续波激光测距的远距离测量。本发明的测量精度可达到毫米级，测量精度会随测量距离的提高而提高。与传统测距装置相比，本装置测量距离远，精度高，系统设计简单。


图I为激光测距系统原理示意图；图2为一种单调制连续波激光测距装置系统图；图3为计数原理图；图4为激光发射接收光路图；图中，I激光发射器，2准直物镜，3第一棱镜，4第二棱镜，5目标，6接收物镜，7激光接收器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步说明实施例I、测量装置如图3和图4所示，本发明提供的单调制连续波激光测距装置，包括发射模块、接收模块、处理模块以及光路部分；所述的发射模块包括激光发射器和驱动调制器；接收模块包括光电转换器和滤波放大器；处理模块包括两个混频器、鉴相器、两个整形器、计数器和处理器；第一混频器和第一整形器的收入端同时与发射模块中的驱动调制器的输出端连接，第二混频器和第二整形器的收入端同时与接收模块中的滤波放大器的输出端连接，第一混频器和第二混频器的输出端同时连接鉴相器的输入端，鉴相器的输出端连接处理器；第一整形器和第二整形器的输出端同时连接计数器的输入端，计数器的输出端连接处理器；所述的光路部分(见图4)包括激光发射器、准直物镜、两个棱镜、接收物镜和光电转换器，激光发射器I发射的光经准直物镜2变为平行光后,先后经过第一棱镜3和第二棱镜4反射后照射到目标5，由目标反射回的光信号再经接收物镜6汇聚于光电转换器7。所述的激光发生器位于准直透镜的焦点处，所述的光电转换器在接收物镜光轴上，经过第一棱镜和第二棱镜全反射的发射正弦激光与接收物镜同轴。所述的激光发射器选用输出功率lOOmw，对人眼安全，波长905nm的半导体激光二极管 M5-905-0100。所述的驱动调制器采用MAXM公司生产的精密高频函数发生器MAX038芯片。
所述的光电转换器选用中国电子科技集团第四十四所，探测波长范围400nm llOOnm，峰值波长940nm，响应时间5ns的Si PIN光电二极管GT-101。或日本滨松公司的雪崩光电二极管ADP，探测波长范围400nnTl000nm，峰值波长800nm，型号为AD2382。所述的滤波放大器选用MAXM公司的MAX4100芯片。所述的整形器采用MAXM公司生产的高速低功耗、高精度电压比较器MAX913。所述的混频器选用Motorola公司的模拟乘法器MC1496。所述的鉴相器选用Motorola公司的数字鉴相芯片MC4044/MC4344。所述的计数器选用FUJITSU公司的微波分频器MB506。所述的处理器采用Infineon公司的XC164CS芯片。实施例2、测量方法一种单调制连续波激光测距装置，如图I所示，由发射模块，接收模块，处理模块构成。发射模块发射一定频率的调制连续波，发射到待测目标表面，接收模块接收反射回来的光波。发射模块，接收模块，信号处理模块部分通过导线连接。该实施例中，如图2所示，采用波长904nm的半导体激光二极管M5-905-0100为激光发射器；Infineon公司的XC164CS芯片为处理器；MAX頂公司生产的精密高频函数发生器MAX038为驱动调制器；中国电子科技集团第四十四所的Si PIN光电二极管GT-101为光电转换器；MAXIM公司的MAX4100为滤波放大器；MAXIM公司生产的高速低功耗、高精度电 压比较器MAX913为第一整形器、第二整形器；MotOTola公司的模拟乘法器MC1496为第一混频器、第二混频器；MotOTola公司的数字鉴相芯片MC4344为鉴相器；微波分频器MB506芯片为计数器。驱动调制器MAX038发出一个正弦波电信号，驱动激光发射器M5-905-0100发射一束同频的调制正弦波激光信号，当激光发射器M5-905-0100发射激光的同时，驱动调制器MAXO38向处理模块发射一束同频的正弦波电信号,称为发射信号,发射信号的一部分送入第一混频器MC1496转换成中频信号，另一部分经过第一整形器MAX913后变成方波电信号，然后把此方波电信号输入到计数器CD74HC190，称该信号为start信号。发射出去的正弦调制激光信号遇到目标后发射回来，光电转换器GT-101接收到该激光信号，并将其转换成正弦调制电信号，称为返回信号，该信号经过滤波放大处理后，与发射信号相同，返回信号的一部分送入第二混频器MC1496转换成中频信号，另一部分经过第二整形器MAX913后变成方波电信号，然后把此方波电信号输入到计数器MB506芯片，称该信号为stop信号。鉴相器MC4344鉴别出发射信号start与返回信号stop的相位差,计数器得到start与stop信号间发射信号经过的方波个数，如图3所示，在这段时间内每通过一个方波信号计数器值加一，从而求出调制正弦激光信号在光路上往返一次所经过的整数个周期数N。计数器和鉴相器分别将所得到的正弦波个数和相位差信息送入处理器XC164CS，处理器根据调制信号波长计算出目标距离。一种单调制连续波激光测距方法，实验过程如下I)由激光发射器发射一束正弦调制激光信号。2)调制鉴相器得到发射信号与接收信号之间不足一个周期的相位差AiP 33)计数器测出从信号发射时刻开始，到返回所经过的整数个正弦波个数N。一定频率的发射激光，相位差与整数个正弦波个数N之间的关系
根据公式I =丄(AU+化/I)求出目标距离。
2 2π一种单调制连续波激光测距方法，结果分析如下I)激光发射器发射一束调制频率400ΜΗΖ的激光信号，对应波长λ =0. 75m,分别对100m, 500m, 1000m, 1700m, 2000m 的目标进行测量。表I调制频率与不同测量距离之间的关系表I
目标距离(m) IFlI相位差A Φ~I理论距离(m) I实际距离(m)
1002664 π/3100.00250 100.00230
50013332 π/3499.99875 499.99879
100026664 π/31000.0025 1000.00125
170045332 π/31699.99875~ 1699.99957
200053332 π/32000.00125~2000.00064从表I可以看出，在相同发射频率的情况下，目标距离越远，N值所占的比重越大，相对测量精度就越高。经验证在发射调制频率400ΜΗΖ的情况下，单调制连续波激光测距方法绝对测量精度可达3. 75mm，该方法在一定程度上解决了激光测距远距离测量精度不高的问题。2)激光发射器发射调制频率100MHZ，200MHZ，400MHZ，700MHZ，1000ΜΗΖ的激光信号，分别对应波长 λ 1=3111, λ 2=1. 5m, λ 3=0. 75m, λ 4=0. 375m, λ 5=0. 3m，对 1100m 的目标进行测量。表2不同调制频率与测量距离之间的关系表2
发射频率f (MHZ)~[FlI相位差A Φ~I理论距离(m) I实际距离(m)
1007332 π/31100.00500~ 1000.00255
20014664 π/31100.00500~ 1100.00273
￥029332 π/31099.99875~ 1099.99914
70058664 π/31100.00145~ 1100.00085
100073332 π/31100.00050~ 1100.00017从表2可以看出，在相同目标距离的情况下，发射信号的调制频率越高，光波往返一次传播的整数个正弦波个数越多，相位误差所占的比值越小，相对精度就越高。发射频率为IOOMHZ，200MHZ，400MHZ，700MHZ，IOOOMHZ的激光信号，绝对测量精度分别是15mm，7. 5mm, 3. 75mm, 2. 14mm, I. 5mm，发射频率越高，绝对测量精度越高。因此，适当的频率取值可以满足远距离高精度测距的要求。·
权利要求
1.一种单调制连续波激光测距装置，其特征在于，该装置包括发射模块、接收模块、处理模块以及光路部分； 所述的发射模块包括激光发射器和驱动调制器；接收模块包括光电转换器和滤波放大器；处理模块包括两个混频器、鉴相器、两个整形器、计数器和处理器；第一混频器和第一整形器的收入端同时与发射模块中的驱动调制器的输出端连接，第二混频器和第二整形器的收入端同时与接收模块中的滤波放大器的输出端连接，第一混频器和第二混频器的输出端同时连接鉴相器的输入端，鉴相器的输出端连接处理器；第一整形器和第二整形器的输出端同时连接计数器的输入端，计数器的输出端连接处理器； 所述的光路部分包括激光发射器、准直物镜、两个棱镜、接收物镜和光电转换器，激光发射器发射的光经准直物镜变为平行光后，先后经过第一棱镜和第二棱镜反射后照射到目标，由目标反射回的光信号再经接收物镜汇聚于光电转换器。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于所述的激光发生器位于准直透镜的焦点处，所述的光电转换器在接收物镜光轴上，经过第一棱镜和第二棱镜全反射的发射正弦激光与接收物镜同轴。
3.一种使用权利要求I所述的单调制连续波激光测距装置进行测距的方法，其特征在于该方法的步骤是 第I、首先由发射模块中的驱动调制器产生一个正弦波电信号，驱动激光发射器发射波长为λ的同频率的激光信号； 第2、在激光发射器发出调制正弦波信号的同时，驱动调制器向处理模块发射一个同频的正弦电信号，称为发射信号； 第3、发射信号一部分传输到处理模块中的混频器，变为中频信号，另一部分传输到处理模块中的整形器，变为方波信号； 第4、激光发射器发出的激光信号经过目标之后反射回来，返回的激光信号由接收模块中的光电转换器接收并转换成电信号，称为返回信号，该返回信号经过滤波放大器处理后送入处理模块； 第5、返回信号一部分传输到处理模块中的混频器，变为中频信号，另一部分传输到处理模块中的整形器，变为方波信号； 第6、在处理模块中的鉴相器中鉴别第2步中所称的发射信号与第4步中所称的返回信号的相位差，其中发射信号与返回信号经过混频器的本振信号相同； 第7、由计数器记录激光信号从发射到接收的时间内，经过计数器的方波个数N，即发射信号发射的正弦波个数,根据测距公式L = Νλ + ^-λ]求出目标距离L0
全文摘要
一种单调制连续波激光测距装置与测距方法。测距装置包括有发射模块、接收模块、处理模块及光路部分。本装置由发射模块发射一束连续调制正弦波激光信号，同时发射模块中的驱动调制器发射一路同频率的正弦波信号，发射信号经过目标反射回来，接收模块把接收到的激光信号转换成电信号，发射与接收信号送入混频器，转换成中频信号，经过混频后的两路信号的一部分送入鉴相器测得两路信号的相位差，另一部分通过整形转换成方波信号，送入计数器，计算出激光信号往返一次经过的正弦波个数N，最后根据测距公式求出目标距离L。本发明克服了传统脉冲式测距与相位式测距的缺点，在保证系统测量距离的同时又提高了测量精度。
文档编号G01S17/32GK102901970SQ20121044365
公开日2013年1月30日 申请日期2012年11月8日 优先权日2012年11月8日
发明者袁其平, 迟婷婷, 范立洁, 刘玉飞, 徐正文 申请人:天津理工大学