CN102565806A - 一种激光测距方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种激光测距方法及装置；用于解决现有技术中在进行激光测距时测量时间过长的问题；该方法包括：使用发射激光照射被测物；在与参考信号同频的参考方波的上升沿或下降沿，分别采集内光路测量电信号和外光路测量电信号；分别计算所述内光路测量电信号的初相位和所述外光路测量电信号的初相位，得到所述内光路测量电信号和所述外光路测量电信号的相位差，并根据所述相位差计算出所述发射激光的光源与被测物之间的距离。可见，采用本方法可大大缩短测量时间。

Description

一种激光测距方法及装置
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种激光测距方法及装置。
背景技术
目前，通常采用相位法实现近距离激光测距，以保证测得的距离值达到毫米级精度，因此被广泛应用。使用相位法激光测距的过程如下：
首先，使用正弦波对光波进行频率调制，并将该光波发射到被测目标上；发出的光波到达被测目标后反射回反射光波，反射光波将与出射光波形成一定的相位差
Figure BDA0000128363230000011
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
Figure BDA0000128363230000012
从而测得测量物与被测目标之间的距离
Figure BDA0000128363230000013
因此当通过电路测出相位差时，可以计算出所要测量的距离值L；可见，相位法激光测距方法中的核心技术是测量相位差，常见的测量方法有数字测相法。
应用内光路补偿系统相位噪声的相位式激光测距系统使用的是数字测相方法；该系统中需要通过模数转换(Analong-Digital conversion，AD)采集模块顺序采集参考信号、内光路测量电信号和外光路测量电信号；由于使用AD采集模块采集的起始时间点是随机不确定的，这就使得必须分别计算参考信号和外光路测量电信号的初相位，以及参考信号和内光路测量电信号的初相位，即需要进行4次信号采集操作以及4次数字相位算法的计算，才能得到内外光路对应的相位差；外光路测量电信号是该系统向被测物发送发射激光后，被测物返回给系统反射激光，该系统将返回激光转换为外光路测量电信号；内光路测量电信号是该系统向被测物发送发射激光时，其中部分发射激光被半透半返镜返回给与内光路接收模块相连的雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes，APD)，并将返回的部分发射激光转换为内光路测量电信号。
因此，使用现有的相位式激光测距系统获得相位差，存在如下缺陷：
第一，由于需要进行4次信号采集以及4次数字相位算法的计算，需要大量的测量时间；
第二，由于参考信号是通过混频滤波产生的，因此，在产生过程中不可避免会引入谐波和电路噪声，经过AD采集模块采集和数字相位算法计算得到的初相位具有一定的相位噪声，因而降低了距离的测量精度。
发明内容
本发明实施例提供一种激光测距方法及装置，用于解决现有技术中在进行激光测距时测量时间过长的问题；
一种激光测距方法，所述方法包括：
使用发射激光照射被测物；
在与参考信号同频的参考方波的上升沿或下降沿，分别采集内光路测量电信号和外光路测量电信号；
分别计算所述内光路测量电信号的初相位和所述外光路测量电信号的初相位，得到所述内光路测量电信号和所述外光路测量电信号的相位差，并根据所述相位差计算出所述发射激光的光源与被测物之间的距离。
一种激光测距装置，所述装置包括：
激光器，用于发出发射激光；
模数转换AD采集模块，用于在与参考信号同频的参考方波的上升沿或下降沿，分别采集内光路测量电信号和外光路测量电信号；并将所述内光路测量电信号和所述外光路测量电信号发送至微处理器；
所述微处理器，用于分别计算所述内光路测量电信号的初相位和所述外光路测量电信号的初相位，得到出所述内光路测量电信号和所述外光路测量电信号的相位差，并根据所述相位差计算出所述发射激光的光源与被测物之间的距离。
可见，采用本发明实施例提供的方法及装置，在与参考信号同频的参考方波的上升沿或下降沿，分别采集内光路测量电信号和外光路测量电信号，分别计算所述内光路测量电信号的初相位和外光路测量电信号的初相位，得到内光路测量电信号和外光路测量电信号的相位差，并根据相位差计算出发射激光的光源与被测物之间的距离。可见，该方法在测量过程中仅需对内光路测量电信号和外光路测量电信号进行采集和计算，因此大大减少了采集信号以及相位差的计算时间，因此，可大大缩短测量时间。
附图说明
图1为现有技术中相位式激光测距系统内部结构示意图；
图2为现有技术中使用相位式激光测距系统测量距离时的波形示意图；
图3为本发明实施例提供的一种激光测距方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种激光测距装置的结构示意图；
图5为使用本发明实施例提供的一种激光测距方法时的波形示意图；
图6为本发明实施例提供的第二种激光测距装置的结构示意图。
具体实施方式
目前，在相位式激光测距系统中，常采用数字测相技术和多比例尺，并应用内光路对系统相位噪声进行校正。在该系统中，需要通过AD采集模块分别采集参考信号、内光路测量电信号和外光路测量电信号，然后在微处理器中进行数字相位算法的计算，以获得相位差，从而计算得到距离信息。但是，限于成本的限制，使用AD采集模块采集信号的过程是顺序分时进行的，该采集顺序为：参考信号、内光路测量电信号、参考信号以及外光路测量电信号；然后分别计算每一个信号的初相位，其中内光路测量电信号以及外光路测量电信号的初相位中包含因切换采集通道而带来的额外相位差；
现有技术中，相位式激光测距系统内部结构如图1所示，其中主振模块11用于产频率为f1的主振信号SA，该主振信号为正弦波；本振模块12用于产生频率为f2本振信号SB，该本振信号为正弦波；并且f1和f2相差一中频f3，即f3＝f1-f2；主振模块11向发射模块13发射主振信号SA，发射模块13将接收到的主振信号SA调制为发射激光，绝大部分发射激光透过一半透半反镜14发射到被测物上，少部分发射激光经此半透半反镜14反射给与内光路接收模块15相连的雪崩光电二极管16(Avalanche Photodiodes，APD)；被测物在接收到发射激光后向系统中与外光路接收模块17相连的APD18返回反射激光；本振模块12分别向与外光路接收模块17或者与内光路接收模块15相邻的APD发射本振信号SB，本振信号SB在APD上经交流耦合到APD的增益信号后作用在APD上，然后与内光路或外光路返回的反射激光形成光学外差混频信号，光学外差混频信号经内光路接收模块15或外光路接收模块17中的放大电路放大，再经中频滤波器滤波；与外光路接收模块17相连的中频滤波器19滤波后得到频率为f3的内光路测量电信号S1；与内光路接收模块15相连的中频滤波器110滤波后得到外光路测量电信号S2；信号SA和SB经过混频模块111和中频滤波器112后，得到参考信号R；微处理器113控制多路开关114，当开关闭合时，通过AD采集模块115完成参考信号或内光路测量电信号或外光路测量电信号的采集过程，并由数字相位算法计算得到相位差，并根据相位差得到距离值；如图2所示，具体过程如下：
参考信号R的初相位为A1，切换采集通道带来的相位差为B，内光路测量电信号S1的初相位为C1，则参考信号和内光路测量电信号的相位差为C1-A1-B；采用类似的处理过程，可获得参考信号R与外光路测量电信号S2的相位差为C2-A2-B，因此，内外路的相位差为C2-C1+A1-A2；其中A1-A2是因为两次采集参考信号的起始点是随机的而引入的相位差。
本发明实施例提供一种激光测距方法，该方法包括：在与参考信号同频的参考方波的上升沿或下降沿，分别采集内光路测量电信号和外光路测量电信号，分别计算所述内光路测量电信号的初相位和外光路测量电信号的初相位，得到内光路测量电信号和外光路测量电信号的相位差，并根据相位差计算出发射激光的光源与被测物之间的距离。可见，该方法在测量过程中仅需对内光路测量电信号和外光路测量电信号进行采集和计算，因此大大减少了采集信号以及相位差计算的时间，因此，可大大缩短测量时间。如图3所示，具体过程如下：
步骤31，使用发射激光照射被测物；
步骤32，在与参考信号同频的参考方波的上升沿或下降沿，分别采集内光路测量电信号和外光路测量电信号；
步骤33，分别计算所述内光路测量电信号的初相位和所述外光路测量电信号的初相位，得到所述内光路测量电信号和所述外光路测量电信号的相位差，并根据所述相位差计算出所述发射激光的光源与被测物之间的距离。
具体的，发射激光的形成过程可以包括以下两种方法：
第一种：产生一组正交方波；所述一组正交方波中的任一个方波为所述参考方波；将所述一组正交方波转换为同频的参考信号；所述参考信号为正弦波；使用所述参考信号和本振信号调制出主振信号；并将所述主振信号调制到激光器上形成所述发射激光。
在该方法中，正交方波是可以由微处理器产生，也可以由一波形发生器产生，并通过该组正交方波获得一组同频的参考信号，具体过程详见实施例一。
第二种：产生同频的参考方波和参考信号；使用所述参考信号和本振信号调制出主振信号；并将所述主振信号调制到激光器上形成所述发射激光。
在该方法中，同频的参考方波和参考信号是由波形发生器产生的，且微处理器可检测到波形发生器所发出的参考方波的上升沿或下降沿，该波形发生器可以独立于微处理器，也可以集成在微处理器中，具体过程详见实施例二。
具体的，在所述在与参考信号同频的参考方波的上升沿或下降沿，分别采集内光路测量电信号和外光路测量电信号之前，该激光测距方法还可以包括：
产生与参考信号同频的参考方波；此时的参考方波是由波形发生器产生，且微处理器可检测到该波形发生器所产生的参考方波的上升沿或下降沿。
本发明实施例提供一种激光测距装置，该装置可以包括：激光器、AD采集模块和微处理器。
该激光器用于发出发射激光。该激光器相当于其他实施例中的发射模块。
AD采集模块，用于在与参考信号同频的参考方波的上升沿或下降沿，分别采集内光路测量电信号和外光路测量电信号；并将所述内光路测量电信号和所述外光路测量电信号发送至微处理器。微处理器可以获得该参考方波的上升沿或下降沿，然后控制AD采集模块，使得AD采集模块在参考方波的上升沿或下降沿，分别采集内光路测量电信号和外光路测量电信号。
微处理器分别计算所述内光路测量电信号的初相位和所述外光路测量电信号的初相位，得到出所述内光路测量电信号和所述外光路测量电信号的相位差，并根据所述相位差计算出所述发射激光的光源与被测物之间的距离。
在上述激光测距装置的基础上，该激光测距装置还可以包括：第一波形发生器、低通滤波器和正交调制模块；或者，该激光测距装置还可以包括：第二波形发生器和正交调制模块。
其中，第一波形发生器用于产生一组正交方波；所述一组正交方波中的任一个方波为所述参考方波；低通滤波器用于对第一波形发生器产生的所述一组正交方波进行低通滤波处理，转换为同频的所述参考信号，所述参考信号为正弦波；正交调制模块用于使用所述参考信号和本振信号调制出主振信号，并将所述主振信号调制到激光器上；所述激光器具体用于，发射出与所述主振信号相应频率的发射激光。其中，第一波形发生器可以独立于微处理器，也可以包含在微处理器中，即由微处理器产生一组正交方波。
其中，第二波形发生器用于产生同频的参考方波和参考信号，即第二波形发生器产生一个方波和一组正交的、正弦波形式的参考信号，且该方波和参考信号同频；正交调制模块，用于使用参考信号和本振信号调制出主振信号，并将主振信号调制到激光器上；所述激光器具体用于，发射出与所述主振信号相应频率的发射激光。其中，第二波形发生器可以独立于微处理器，也可以包含在微处理器中，即由微处理器产生同频的参考方波和参考信号。
进一步的，所述激光测距装置还可以包括多路(例如两路)开关，该多路开关与微处理器、AD采集模块、内光路和外光路相连；微处理器可以在参考方波的上升沿或下降沿，控制多路开关轮流接通输送内光路测量电信号的线路和输送外光路测量电信号的线路，以使AD采集模块分别采集内光路信号和外光路信号。该多路开关，用于轮流接通输送内光路测量电信号的线路和输送外光路测量电信号的线路。实施例一：
本发明实施例一提供一种激光测距方法，以及与该方法对应的激光测距装置，如图4和图5所示，使用该方法及该装置测距过程如下：
微处理器113用于产生一组频率为f3的正交方波W1和W2；并将产生的正交方波分别输送到两个相同的低通滤波器，第一低通滤波器41和第二低通滤波器42中，本实施例中将W1输送给第一低通滤波器41，将W2输送给第二低通滤波器42；低通滤波器对接收到的正交方波进行低通滤波处理，得到正弦的参考信号，例如，W1经过第一低通滤波器41滤波后得到参考信号R1，W2经过第二低通滤波器42滤波后得到参考信号R2，如图4所示，R1和R2相互正交；第一低通滤波器41和第二低通滤波器42分别将参考信号R1和R2输送到正交调制模块43中；其中低通滤波器可以采用3阶阻容滤波电路；需要说明的是，正交方波W1和W2可以由微处理器产生(相当于前述实施例中的第一波形发生器集成在微处理器中)，也可以由一个波形发生器(相当于前述实施例中的第一波形发生器)产生，然后由微处理器检测方波的上升沿或下降沿；
本振模块12用于产生的频率为f2的本振信号SB，并将SB分三路输送，输送的信号线路如下：
第一路，将SB输送给正交调制模块43；SB与R1和R2经过正交调制模块43调制后可以得到频率为f1的主振信号SA，且f1＝f2+f3；
第二路，将SB输送给与内光路接收模块15相连的APD16；本振信号SB在APD(雪崩光电二极管)上经交流耦合到APD的增益信号后作用在APD上；
第三路，将SB输送给与外光路接收模块17相连的APD18；本振信号SB在APD上经交流耦合到APD的增益信号后作用在APD上；
当正交调制模块43调制出主振信号SA后，将SA输送给发射模块13，发射模块13中的调制驱动电路将主振信号SA调制到半导体激光器(Laser Diode，LD)上产生调制频率为f1的发射激光，将发射激光发射到半透半反镜14上，绝大部分发射激光可透过半透半反镜14到达被测物上；少部分发射激光经半透半反镜14到达与内光路接收模块15相连的APD16上，且与作用在APD上的本振信号SB形成光学外差混频信号；光学外差混频信号经内光路接收模块15中的放大电路放大，再经中频滤波器110滤波后得到内光路测量电信号S2；
当发射激光到达被测物后，被测物向该装置中与外光路接收模块17相连的APD18返回反射激光，反射激光与作用在APD上的本振信号SB形成光学外差混频信号；光学外差混频信号经外光路接收模块17中的放大电路放大，再经中频滤波器19滤波后得到频率为f3的外光路测量电信号S1；
本方法中计算相位差的具体过程如下：
参考信号是作为时间基准的正交方波信号经过低通滤波得到的，因此，可以参考方波的上升沿或下降沿作为时间基准，此时参考信号所对应的初相位是固定的；参考方波为一组正交方波中的一个，例如，W1和W2是一组正交方波，R1和R2是W1和W2经过低通滤波得到的，其相差为90°，亦即R1和R2是一组正交正弦波。不失一般性，选取R2为参考信号，W2为时间基准信号，即参考方波，以W2上升沿(或下降沿)作为AD采集模块115采集信号的起始时刻，为了方便介绍将所有信号采集时刻放到同一个上升沿处进行示意，如图5所示，信号的采集过程如下：
微处理器113在W2的某个上升沿到来时，此时R2的初相位为A，将多路开关114中的开关切换到获取内光路测量电信号的线路，使AD采集模块115采集内光路测量电信号S2，且S2的初相位为C2，此时，切换采集通道带来的额外相位差为B；R2与S2的相位差为C2-A-B；微处理器113在获得内光路初相位后W2的第一个上升沿到来时，将多路开关114中的开关切换到获取外光路测量电信号的线路，使AD采集模块115采集外光路测量电信号S1，且S1的初相位为C1；此时，切换采集通道带来的额外相位差同样为B，R2的初相位同样为A；R2与S1的相位差为C1-A-B；则内外光路测量电信号的相位差为C2-C1。
实施例二：
如图6所示，本发明实施例提供第二种激光测距装置，使用该装置进行测距的方法与实施例一中的区别在于：该装置中包括第二波形发生器，而不包括低通滤波器，即不包括第一低通滤波器和第二低通滤波器。
第二波形发生器61用于产生频率相同的参考方波和正交的参考信号R，并且将参考信号R输送给正交调制模块。
在本方法中，微处理器113与第二波形发生器61相连，或者第二波形发生器61内置于微处理器113内部；微处理器113用于检测参考方波的上升沿或下降沿。
实施例三：
本发明提供第三种激光测距方法和激光测距装置，本方法与现有技术的区别在于，微处理器可产生与参考信号同频的参考方波，或者激光测距装置还包括产生与参考信号同频的参考方波的第三波形发生器；微处理器用于在参考方波的上升沿或下降沿控制多路开关接通输出内光路测量电信号的线路，或者接通输出外光路测量电信号的线路，或者接通输出参考信号的线路。该方案中，可以通过检测现有技术中的主振信号SA的频率和本振信号SB的频率，得到主振信号和本振信号的频率差，该频率差即为参考信号的频率，然后由第三波形发生器产生一个与参考信号同频的方波，微处理器通过检测该方波的上升沿或下降沿，来控制AD采集模块采集内外光路信号。该第三波形发生器可以独立于微处理器，也可以集成在微处理器中。
可见，采用上述任一个实施例提供的方法，都可保证AD采集模块在参考方波的上升沿或下降沿采集到相应的信号，可避免现有技术中由于采集参考信号的起始点是随机的而产生的相位差。
综上所述，有益效果：
采用本发明实施例提供的方法，在与参考信号同频的参考方波的上升沿或下降沿，分别采集内光路测量电信号和外光路测量电信号，分别计算所述内光路测量电信号的初相位和外光路测量电信号的初相位，得到内光路测量电信号和外光路测量电信号的相位差，并根据相位差计算出发射激光的光源与被测物之间的距离。可见，该方法在测量过程中仅需对内光路测量电信号和外光路测量电信号进行采集和计算，因此大大减少了采集信号以及相位差计算的时间，因此，可大大缩短测量时间。
本发明提供实施例的方法，由于从根本上避免了使用AD采集模块采集参考信号，以及对参考信号进行数字相位算法的计算，从而消除了现有技术中因采集参考信号和计算参考信号的初相位而引入的相位噪声。
本发明实施例提供的方法，由于正交方波可以是由微处理器产生，因此对方波上升沿或下降沿的判断不需要通过硬件电路实现，只需简单的判断微处理器内部的标志位即可，这进一步避免了由硬件电路判断方波上升沿可能带来的时延误差。
本发明实施例提供的方法和装置在具体应用中，产品的实现成本与现有技术相比略有降低，但是距离的测量时间却仅为不到其一半，性价比大大提高。
现有技术中参考信号是由本振信号和主振信号经过混频滤波产生的，且在产生过程中不可避免会引入谐波和电路噪声，经过信号采集和数字相位算法计算得到的初相位具有一定的相位噪声，此相位噪声虽然在内外光路的相位差计算中会被抵消掉一部分，但在一定程度上还是降低了内外光路的相位差精度，进而降低了距离的测量精度，但本发明实施例提供的装置可避免这一现象。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
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。

Claims (10)

1.一种激光测距方法，其特征在于，所述方法包括：
使用发射激光照射被测物；
在与参考信号同频的参考方波的上升沿或下降沿，分别采集内光路测量电信号和外光路测量电信号；
分别计算所述内光路测量电信号的初相位和所述外光路测量电信号的初相位，得到所述内光路测量电信号和所述外光路测量电信号的相位差，并根据所述相位差计算出所述发射激光的光源与被测物之间的距离。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射激光的形成过程包括：
产生一组正交方波；所述一组正交方波中的任一个方波为所述参考方波；
将所述一组正交方波转换为同频的所述参考信号；所述参考信号为正弦波；
使用所述参考信号和本振信号调制出主振信号；并将所述主振信号调制到激光器上形成所述发射激光。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射激光的形成过程包括：
产生同频的所述参考方波和所述参考信号；
使用所述参考信号和本振信号调制出主振信号；并将所述主振信号调制到激光器上形成所述发射激光。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在与参考信号同频的参考方波的上升沿或下降沿，分别采集内光路测量电信号和外光路测量电信号之前还包括：
产生与所述参考信号同频的所述参考方波。
5.如权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述在与参考信号同频的参考方波的上升沿或下降沿，分别采集内光路测量电信号和外光路测量电信号，具体包括：
在与参考信号同频的所述参考方波的上升沿或下降沿，通过多路开关轮流接通输送内光路测量电信号的线路和输送外光路测量电信号的线路，轮流采集内光路测量电信号和外光路测量电信号。
6.一种激光测距装置，其特征在于，所述装置包括：
激光器，用于发出发射激光；
模数转换AD采集模块，用于在与参考信号同频的参考方波的上升沿或下降沿，分别采集内光路测量电信号和外光路测量电信号；并将所述内光路测量电信号和所述外光路测量电信号发送至微处理器；
所述微处理器，用于分别计算所述内光路测量电信号的初相位和所述外光路测量电信号的初相位，得到出所述内光路测量电信号和所述外光路测量电信号的相位差，并根据所述相位差计算出所述发射激光的光源与被测物之间的距离。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第一波形发生器，用于产生一组正交方波；所述一组正交方波中的任一个方波为所述参考方波；
低通滤波器，用于对所述一组正交方波进行低通滤波处理，转换为同频的所述参考信号；所述参考信号为正弦波；
正交调制模块，用于使用所述参考信号和本振信号调制出主振信号，并将所述主振信号调制到激光器上；
所述激光器具体用于，发射出与所述主振信号相应频率的发射激光。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一波形发生器包含在所述微处理器中。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第二波形发生器，用于产生同频的所述参考方波和所述参考信号；
正交调制模块，用于使用所述参考信号和本振信号调制出主振信号，并将所述主振信号调制到激光器上；
所述激光器具体用于，发射出与所述主振信号相应频率的发射激光。
10.如权利要求6-9任一所述的装置，其特征在于，所述微处理器还用于：
在所述参考方波的上升沿或下降沿，控制多路开关轮流接通输送内光路测量电信号的线路和输送外光路测量电信号的线路；
所述多路开关，用于轮流接通输送内光路测量电信号的线路和输送外光路测量电信号的线路。
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