CN102540168B - 红外相位测距仪测距能力野外在线模拟检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外相位测距仪测距能力野外在线模拟检测方法及装置。该方法是以光纤延时模拟检测法进行红外相位测距仪野外原位近距离的测距功能检定及其测距精度检测；以电路延时模拟检测法进行红外相位测距仪野外原位中、远距离的测距功能检定及其测距精度检测。基于该方法设计的模拟检测装置包括有接收光学系统、发射光学系统、切换控制开关、光纤传输模拟系统、电路延时相位差编码控制系统和控制计算机等六个组成部分。本发明模拟检测装置的重量轻，体积小，灵活性和通用性强，操作简便，精度有保障，可以进行红外相位测距仪的野外在线检测。

Description

红外相位测距仪测距能力野外在线模拟检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种测距仪的性能检定技术，具体地说是一种红外相位测距仪测距能力野外在线模拟检测方法及装置。

背景技术

红外相位测距仪测距精度高、速度快、重量较轻，在地形勘测方面发挥着重要作用。红外相位测距仪测距能力主要体现在测程和测距精度两方面，作为一种被多领域频繁使用的长度计量仪器，其测距能力的定期检定是使用者必须关心的问题。而野外条件下的原位近、中、远距离测距功能的检定和测距精度的检测，是评价红外相位测距仪测距能力的两个核心问题。

在国内目前执行的有关红外相位测距仪计量检定规程中，其测距能力的检定是采用室外基线法，该方法的不足之处在于，室外基线法的检定周期长，人力物力成本高，而且检定还要受到大气条件的限制和影响。因而国内外学者开展了大量红外相位测距仪室内检定方法的研究，其基本思路是将野外基线转入室内，建立室内的静态或动态基线。但相关研究仅限于实验室状态，而且，由于受建筑物的长度限制，所建立的室内基线较短，难以满足中、远距离的检测需求。所以，现行的检测方法均难以满足红外相位测距仪测距能力野外在线检测需求。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种红外相位测距仪测距能力野外在线模拟检测方法，以解决红外相位测距仪目前不便进行野外原位近、中、远距离测距功能检定以及普通检定方法存在的测距精度不高的问题。

本发明的目的之二就是提供一种红外相位测距仪测距能力野外在线模拟检测装置，以实现对红外相位测距仪高精度的野外原位近、中、远距离测距功能的检定。

本发明的目的之一是这样实现的：一种红外相位测距仪测距能力野外在线模拟检测方法，以光纤延时模拟检测法进行红外相位测距仪野外原位近距离的测距功能检定及其测距精度检测；以电路延时模拟检测法进行红外相位测距仪野外原位中、远距离的测距功能检定及其测距精度检测。

本发明中的所述光纤延时模拟检测法是按以下步骤进行：

a、将模拟检测装置的接收光学系统调整对准到被测红外相位测距仪的发射系统上，将模拟检测装置的发射光学系统对准被测红外相位测距仪的接收系统；将模拟检测装置的发射光学系统前端与被测红外相位测距仪的接收系统前端的间距作为系统误差值；

b、开启控制计算机，输入所述系统误差值，开启模拟检测装置，开启被测红外相位测距仪并预热；

c、在控制计算机上选择光纤延时模拟检测工作模式，并选定使用光纤一，在控制计算机上显示出对应光纤一的模拟距离值；通过切换控制开关调整模拟检测装置工作在光纤延时模拟检测状态；

d、在被测红外相位测距仪上设定单次测距模式，测距后，从被测红外相位测距仪上获得距离测量值并记录；将所记录的距离测量值与控制计算机上显示的模拟距离值进行比对，即完成一次检测过程；

e、分别选择使用光纤二、光纤三，并重复步骤c、d，分别获得对应于光纤二和对应于光纤三的距离测量值；将获得的距离测量值与控制计算机上给出的模拟距离值进行比对，如果获得的距离测量值在有效精度位数上与模拟距离值相同，则表示被测红外相位测距仪的近距离测距能力正常，否则即表示不正常。

本发明中的所述电路延时模拟检测法是按以下步骤进行：

a、将模拟检测装置的接收光学系统调整对准到被测红外相位测距仪的发射系统上，将模拟检测装置的发射光学系统对准被测红外相位测距仪的接收系统；将模拟检测装置的发射光学系统前端与被测红外相位测距仪的接收系统前端的间距作为系统误差值；

b、开启控制计算机，输入所述系统误差值，开启模拟检测装置，开启被测红外相位测距仪并预热；

c、在控制计算机上选择电路延时模拟检测工作模式，并设定需要模拟的距离值，模拟距离值不小于100米、不大于红外相位测距仪的测程；根据控制计算机上提示的衰减片组合形式，在模拟检测装置的发射光学系统上设置对应的衰减片组合；通过切换控制开关调整模拟检测装置工作在电路延时模拟检测状态。

d、在被测红外相位测距仪上设定单次测距模式，测距后，从被测红外相位测距仪上获得距离测量值并记录；将所记录的距离测量值与在控制计算机上设定的模拟距离值进行比对，即完成一次检测过程； 

e、分别设定不同的模拟距离值，重复步骤c、d，得到对应的距离测量值；将获得的距离测量值与在控制计算机上设定的模拟距离值进行比对，如果获得的距离测量值在有效精度位数上与设定的模拟距离值相同，则表示被测红外相位测距仪的中、远距离测距能力正常，否则即表示不正常。

在进行电路延时模拟检测法检测的过程中，在控制计算机上设定模拟距离值的取值点，应在被测红外相位测距仪的测程内均匀分布。

本发明检测方法将光纤延时模拟检测和电路延时模拟检测两种方法相结合，采用多个测尺频率进行测距，从而兼顾了测程和测距的精度要求。由于是采用连续调制的光波进行测距，因而测距精度高；采用光纤延时模拟检测方法，可以保证检测精度，采用电路延时模拟检测方法模拟距离值，其设定简便，满足了测程检测的需要。

本发明对红外相位测距仪测距能力的检测，突破了传统的室外基线和室内基线的常规检测思路，通过采用光纤延时与电路延时两种模拟检测方法相结合的检测方案，可实现对红外相位测距仪测距能力的检测。本发明检测方法既可对红外相位测距仪进行近、中、远测程的检测，又可进行测距精度的检测和野外在线检测，满足了使用单位的使用需要。

本发明的目的之二是这样实现的：一种具有模拟检测功能的野外在线检测装置，包括有：

接收光学系统，与切换控制开关相接，用于接收被测红外相位测距仪发出的测距光波；

发射光学系统，与切换控制开关相接，用于将通过光纤传输模拟系统的测距光波或者经电路延时相位差编码控制系统延时的模拟测距光波向被测红外相位测距仪进行回波发射；

切换控制开关，分别与所述接收光学系统、所述发射光学系统、光纤传输模拟系统和电路延时相位差编码控制系统相接，用于进行光纤传输模拟系统与电路延时相位差编码控制系统的投入切换；

光纤传输模拟系统，分别与所述切换控制开关和控制计算机相接，用于对所接收的测距光波进行光纤传输；

电路延时相位差编码控制系统，分别与所述切换控制开关和控制计算机相接，用于对所接收的测距光波进行电路延时模拟传输；以及

控制计算机，分别与所述光纤传输模拟系统和所述电路延时相位差编码控制系统相接，用于选择模拟检测工作模式，并在选定所述光纤传输模拟系统中的某个光纤时显示对应的模拟距离值，或者根据设定的模拟距离值自动调整所述电路延时相位差编码控制系统的电路工作参数。

在所述光纤传输模拟系统中设置有至少三根长度不同的光纤，在每根光纤的两端分别接有光纤适配器。

在所述光纤传输模拟系统中设置有至少三根长度不同的光纤，在所述光纤的一端端面上镀有高反射膜。这样在每根光纤上就可以节约一个光纤适配器，从而降低系统设计难度，并使得实际的光纤长度减小为原来的一半，降低了光纤系统的体积和重量，节约了制造成本。

所述电路延时相位差编码控制系统是由本征信号取样器、第一信号滤波电路、第一模数转换器和FPGA数据存储区模块依次相接；所述FPGA数据存储区模块的输出，一路经第二模数转换器、第二信号滤波电路、发光管驱动电路接红外发光管，另一路经DSP本征信号特征分析模块接DSP数据指令接口模块；所述DSP数据指令接口模块的输出经FPGA可预置精密延时器模块接FPGA系统时序控制模块；所述FPGA系统时序控制模块的第一输出端接所述第一模数转换器，第二输出端接所述FPGA数据存储区模块，第二输出端接所述第二模数转换器。

所述接收光学系统是由接收物镜组和第一衰减片组组成。

所述发射光学系统是由准直物镜组和第二衰减片组组成。

本发明模拟检测装置可以实现光纤延时模拟检测方法和电路延时模拟检测方法的有效结合，一般采用多个测尺频率，以兼顾测程和测距精度的要求，还可方便地扩展本征信号频率、功率及测距仪接收灵敏度等参数的检测。本发明模拟检测装置的重量轻，体积小，灵活性和通用性强，操作简便，精度有保障，可以进行红外相位测距仪的野外在线检测。

附图说明

图1是本发明模拟检测装置的结构框图。

图2、图3是本发明模拟检测装置中的光纤传输模拟系统的结构示意图。

图4是本发明模拟检测装置中的电路延时相位差编码控制系统的电路结构框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明模拟检测装置包括有接收光学系统1、发射光学系统2、切换控制开关3、光纤传输模拟系统4、电路延时相位差编码控制系统5和控制计算机6等六个组成部分。其中，接收光学系统1和发射光学系统2分别连接在切换控制开关3的固定连接端，光纤传输模拟系统4和电路延时相位差编码控制系统5分别连接在切换控制开关3的两个滑动连接端，以实现工作投入的切换；控制计算机6分别连接在光纤传输模拟系统4和电路延时相位差编码控制系统5的输入/输出端上，以实现模拟检测工作模式的选择和控制。

图1中，接收光学系统1是由接收物镜组11和第一衰减片组12组成；发射光学系统2是由准直物镜组21和第二衰减片组22组成。

在光纤传输模拟系统4中设置有至少三根长度不同的光纤41，分别标记为光纤一、光纤二和光纤三，在每根光纤的两端分别接有光纤适配器42（图2）。也可在每根光纤41一端的端面上镀高反射膜，在每根光纤41的另一端连接一个光纤适配器42（图3），由此即可将光纤的使用长度减少一半。

如图4所示，电路延时相位差编码控制系统5是由本征信号取样器51、第一信号滤波电路52、第一模数转换器53和FPGA数据存储区模块54依次相接；FPGA数据存储区模块54的输出，一路经第二模数转换器55、第二信号滤波电路56、发光管驱动电路57接红外发光管58，另一路经DSP本征信号特征分析模块59接DSP数据指令接口模块60；DSP数据指令接口模块60的输出经FPGA可预置精密延时器模块61接FPGA系统时序控制模块62；FPGA系统时序控制模块62的第一输出端接第一模数转换器53，第二输出端接FPGA数据存储区模块54，第三输出端接第二模数转换器55。

电路延时相位差编码控制系统5是利用控制计算机6提供模拟检测的操作界面。

参见图1，本发明的中、远距离测距能力检测流程是：首先，将本发明模拟检测装置的接收光学系统1调整对准到被测红外相位测距仪的发射系统上，将本发明模拟检测装置的发射光学系统2对准被测红外相位测距仪的接收系统；将本发明模拟检测装置的发射光学系统前端与被测红外相位测距仪的接收系统前端之间的间距作为系统误差值，输入到控制计算机6中。然后，在本发明模拟检测装置中的控制计算机6上设定需要模拟的距离值，将被测红外相位测距仪设定为单次测距模式。启动被测红外相位测距仪并预热；测距开始，被测红外相位测距仪发出测距光波，本发明模拟检测装置接收该测距光波，经过相应时间的延时后，本发明模拟检测装置产生模拟的测距回波，被测红外相位测距仪的接收系统收到该测距回波后显示相应的测距距离值。之后，观测判读红外相位测距仪的距离解算结果是否与在本发明模拟检测装置上设定的距离值相符——如果相符，则表示该红外相位测距仪的中、远距离测距功能正常；否则即表示该红外测距仪的工作不正常，需要进一步检修或校正之后才可以使用。

在上述检测过程中，电路延时相位差编码控制系统5的工作流程是：检测过程开始后，操作者通过控制计算机6设定需要模拟的距离值，该距离值作为参数通过DSP数据指令接口模块60传递到FPGA可预置精密延时器模块61。FPGA系统时序控制模块62严格控制第一模数转换器53、第二数模转换器55和FPGA数据存储区模块54的时序。FPGA可预置精密延时器模块61将延时时间提供给FPGA系统时序控制模块62，调整第二数模转换器55的读取数据时序滞后于第一模数转换器53采样时序相应的延时时间。开启被测红外相位测距仪，并设定为单次测距工作模式，本征信号取样器51在探测到测距光波后，经第一信号滤波电路52由第一模数转换器53采样，进入FPGA数据存储区模块54进行存储，之后由第二数模转换器55将存储区内的数据读出，经第二信号滤波电路56后，调制发光管驱动电路57，控制红外发光管58发射模拟回波。在模拟检测过程中，DSP可以随时读取FPGA数据存储区模块54中的数据，由DSP本征信号特征分析模块59进行测距信号特征分析，并将数据分析结果通过DSP数据指令接口模块60传递至控制计算机6，进行显示。

电路延时模拟检测的优点是可方便地设定模拟距离值，不足之处是难以模拟短距离，且模拟精度很难到达毫米级。其原因在于模数、数模转换器等电子元件自身存在响应延时的限制，即利用电路延时的方法实现短距离模拟所需要的较短延时时间（几纳秒至几十纳秒）通常难于实现，因而采用电路延时的方法只适用于模拟中、长距离。

因此，本发明是利用模拟检测装置中的光纤传输模拟系统4进行红外相位测距仪的近距离测距能力的检测，参见图2，其检测流程是：由被测红外相位测距仪发出的测距光波通过光纤适配器42、由光纤41的入射端进入，再由光纤41的出射端经另一光纤适配器42传出。测距光波的传播距离即为光纤41的长度（计算实际传播距离时还应包括系统误差值）。由于在一定温度范围内的测距光波在光纤中传播的光程基本固定，所以采用不同长度的光纤对应不同的模拟距离值。

光纤延时模拟检测的优点是检测精度高，容易保证模拟距离值达到毫米级的精度；不足之处是难以模拟中、长距离。因为要模拟较长的距离值，光纤的长度就要增加，光纤传输模拟系统的重量和体积增大，同时，光纤长度增加还会导致光波传输的损耗增加。为了减小光纤传输模拟系统的重量和体积，同时降低光纤传输模拟系统的制作成本，光纤的长度一般不超过100米的模拟距离。

在实际操作时，在光纤传输模拟系统4可设置10米、50米和100米的三根光纤，并通过图3所示的光纤端面镀膜方式来减少光纤的用量，并使得入射的测距光波在传播至光纤端面时原路反射回去，最后由原入射端传出。该设计方按仅使用一个光纤适配器，降低了光纤传输模拟系统的设计难度、重量和体积，节约了制造成本。

由上可知，采用光纤延时模拟检测和电路延时模拟检测相结合的方法，即采用光纤延时的方法模拟短距离，可以保证模拟距离的精度；采用电路延时的方法模拟中、远距离，灵活设定模拟距离值，可以保证测程的检测，由此满足了红外相位测距仪测距能力的检测需求。

从红外相位测距仪的工作原理来看，其一次测距过程分别采用了不同的测尺频率，其中高频率测尺测程短，精度高；低频率测尺测程长，精度低。本发明实际上是利用光纤延时方法对红外相位测距仪的高频率测尺的工作状态进行了检测，利用电路延时方法对红外相位测距仪的低频率测尺的工作状态进行了检测。两种模拟检测方法的结合，正是针对红外相位测距仪的测距特点所提出的一种全新有效的检测技术方案。

此外，采用上述技术方案，还可以方便地实现本征信号频率、功率及测距仪接收灵敏度等性能的检测。其中，本征信号频率可以由DSP对本征信号采样数据进行分析得出；功率检测可以由分束镜将部分测距光波信号引至光功率探测模块予以完成；测距仪接收灵敏度可以通过在模拟检测装置发射的物镜后添加衰减片进行检测。

利用本发明模拟检测装置进行红外相位测距仪测距能力检测的操作流程如下：

1、调整模拟检测装置的接收光学系统1对准被测红外相位测距仪的发射系统，模拟检测装置的发射光学系统2对准被测红外相位测距仪的接收系统。记录模拟检测装置的发射光学系统前端与被测红外相位测距仪接收系统前端之间的间距，作为系统误差。

2、开启控制计算机6，输入上述的系统误差值；开启模拟检测装置；开启被测红外相位测距仪，进行预热。

3、在控制计算机6上选择光纤延时模拟检测方法，并确定使用光纤一，这时在控制计算机6上即显示出实际模拟的距离值（光纤长度+系统误差）。在模拟检测装置上通过切换控制开关3调整模拟检测装置工作在光纤一检测的状态。

4、将被测红外相位测距仪设定为单次测距工作模式，红外相位测距仪开始测距后，即获得一个距离测量值并记录下来。将记录的距离测量值与控制计算机6上显示的模拟距离值进行比对，完成一次检测过程。

5、通过切换控制开关3调整模拟检测装置分别工作在光纤二和光纤三的检测状态，重复步骤3、4；将获得的距离测量值与模拟距离值比对结果，如果获得的距离测量值在有效精度位数上与模拟距离值相同，则进行步骤6；否则即表示被测红外相位测距仪工作不正常，需要进一步检修、校正之后才可以使用。

6、在控制计算机6上选择电路延时模拟检测方法，并设定需要模拟的距离值，模拟距离值不小于100米，不大于被测红外相位测距仪的测程。此时在控制计算机6上即显示出需要使用的衰减片组合。在模拟检测装置发射系统上替换为需要的衰减片组合，通过切换控制开关3调整模拟检测装置工作在电路延时模拟检测状态。

7、将红外相位测距仪设定为单次测距工作模式，红外相位测距仪开始测距后，即获得距离一个测量值并记录下来。将该距离测量值与在控制计算机6上设定的模拟距离值进行比对，完成一次检测过程。

8、设定不同的模拟距离值，重复步骤6、7，并注意取值在被测红外相位测距仪测程内均匀分布；将获得的距离测量值与模拟距离值比对结果，如果获得的距离测量值在米级及以上位数与设定的模拟距离值相同，则表示该红外相位测距仪的中、远距离的测距能力正常；否则即表示该红外相位测距仪的工作不正常，需要进一步检修、校正之后才可以使用。

9、关闭模拟检测装置，关闭被测红外相位测距仪。

Claims (6)

1.一种红外相位测距仪测距能力野外在线模拟检测装置，其特征是，包括有：

接收光学系统（1），与切换控制开关相接，用于接收被测红外相位测距仪发出的测距光波；

发射光学系统（2），与切换控制开关相接，用于将通过光纤传输模拟系统的测距光波或者经电路延时相位差编码控制系统延时的模拟测距光波向被测红外相位测距仪进行回波发射；

切换控制开关（3），分别与所述接收光学系统、所述发射光学系统、光纤传输模拟系统和电路延时相位差编码控制系统相接，用于进行光纤传输模拟系统与电路延时相位差编码控制系统的投入切换；

光纤传输模拟系统（4），分别与所述切换控制开关和控制计算机相接，用于对所接收的测距光波进行光纤传输；

电路延时相位差编码控制系统（5），分别与所述切换控制开关和控制计算机相接，用于对所接收的测距光波进行电路延时模拟传输；以及

控制计算机（6），分别与所述光纤传输模拟系统和所述电路延时相位差编码控制系统相接，用于选择模拟检测工作模式，并在选定所述光纤传输模拟系统中的某个光纤时显示对应的模拟距离值，或者根据设定的模拟距离值自动调整所述电路延时相位差编码控制系统的电路工作参数。

2.根据权利要求1所述的模拟检测装置，其特征是，在所述光纤传输模拟系统中设置有至少三根长度不同的光纤，在每根光纤的两端分别接有光纤适配器。

3.根据权利要求1所述的模拟检测装置，其特征是，在所述光纤传输模拟系统中设置有至少三根长度不同的光纤，在所述光纤的一端端面上镀有高反射膜。

4.根据权利要求1所述的模拟检测装置，其特征是，所述电路延时相位差编码控制系统是由本征信号取样器、第一信号滤波电路、第一模数转换器和FPGA数据存储区模块依次相接；所述FPGA数据存储区模块的输出，一路经第二模数转换器、第二信号滤波电路、发光管驱动电路接红外发光管，另一路经DSP本征信号特征分析模块接DSP数据指令接口模块；所述DSP数据指令接口模块的输出经FPGA可预置精密延时器模块接FPGA系统时序控制模块；所述FPGA系统时序控制模块的第一输出端接所述第一模数转换器，第二输出端接所述FPGA数据存储区模块，第二输出端接所述第二模数转换器。

5.根据权利要求1所述的模拟检测装置，其特征是，所述接收光学系统是由接收物镜组和第一衰减片组组成。

6.根据权利要求1所述的模拟检测装置，其特征是，所述发射光学系统是由准直物镜组和第二衰减片组组成。

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