CN104515997B - 基于单个液晶光阀相位测量的校准方法及其测距装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于单个液晶光阀相位测量的校准方法及其测距装置，包括依次设置的发射装置和分光片，分光片反射轴线方向依次设有一液晶光阀和接收装置，接收装置前方设有接收透镜，发射装置和接收装置分别与电路板连接；发射装置发射光波经分光片，当液晶光阀截止时，接收装置接收到通过分光片被被测物体反射的外光路信号；当液晶光阀导通时，接收装置接收到通过分光片被被测物体反射的外光路信号和被分光片反射通过液晶光阀的内光路信号的混合信号。经过两路信号的矢量运算得到消除共模的外光路信号的内光路信号，再由内外光路信号计算得到消除基底信号的相位信号。本发明具有寿命长、响应时间短、精度高、成本低、防止同频干扰的特点。

Description

基于单个液晶光阀相位测量的校准方法及其测距装置
技术领域
本发明涉及光电测距领域，尤其是基于单个液晶光阀相位测量的校准方法及其测距装置。
背景技术
激光是六十年代发展起来的一项新技术。它是一种颜色很纯、能量高度集中、方向性很好的光，由此发展的激光技术更是解决了许多传统技术无法解决的技术障碍。激光测距仪是利用激光进行测距的一种仪器，在长度、高度、距离、速度、外形等领域愈发受到民用、军用和工业等行业的重视，在国外已经被广泛应用于以下领域：各大工矿企业，电力石化，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，科研机构，农业，林业，房地产，休闲/户外运动。
基于测相位差原理的激光测距装置是用调制的激光光束照射被测目标，光束经被测目标反射后折回，将光束往返过程产生的相位变化，换算成被测目标的距离，应用于短距离高精度的距离测量，其测量的准确性和精度受装置内部零部件特性的影响。激光测距仪器的精度要求越高，其电路的复杂度与精密器件的需求量就大大提高。因此环境因素，例如温度以及器件使用寿命对器件性能的影响，导致器件产生的相位漂移不可忽视。现有技术多利用内外光路的相位差补偿原理消除电路系统的附加相移，确保测量数据不受外界环境因素的影响。消除附加相移的相位差补偿原理，简述如下：
设测距信号先后经第一光路和第二光路后得到的信号为将第二光路信号与第一光路信号作矢量运算，得到内光路信号：
则测距信号先后经内光路和外光路行程所滞后的相位差各为P内、P外，ΔΦ为仪器内部信号发生器件产生的电子信号在电路传送和光电转换过程中所产生的附加相移，则内、外光路测距信号e内和e外在鉴相器中对比相结果为
P内=Φ内+ΔΦ
P外=Φ外+ΔΦ
上式中，ΔΦ随仪器在不同环境而产生工作状态的变化，为随机相移，无法通过精确计算求解，所以在测距时，交替使用内、外光路进行测相，在交替过程的短时间内，可以认为附加相移没有变化，于是取内、外光路比相结果的差值作为测量结果，即
ΔP=P外-P内=Φ外-Φ内
以上结果ΔP已经消除了附加相移不稳定的影响，从而保证了测距的精度。
现有技术采用如下的校准方法：
(1)单发单收系统，即单路发送光束单路接收光路信号，通过一个可控制的机械装置实现内外光路的切换，通过计算切换前后内外光路的相位值进行相位校正，消除环境不确定相位干扰。由于采用物理机械开关，机械响应时间长(一般为数百毫秒级别)，不可实时校准，且结构相对复杂，容易产生机械磨损和故障，使用寿命短，不适合作为工业精密仪器使用。
(2)单发双收系统，即单路发射光束并通过双路分别接收内、外光路信号，两路接收信号分别进行处理并计算其相位差，从而消除环境不确定相位干扰。该系统采用两个雪崩二极管(Avalanche Photo Diode，APD)分别接收内外光路信号，由于APD价格昂贵(目前，一般为10美金以上)，使用两个APD不仅成本高，而且双路放大电路容易产生同频干扰。
(3)传统双发单收系统，即双路独立发射同一波长光束并通过接收装置分别先后接收内、外光路信号，两路接收信号分别进行处理并计算其相位差，从而消除环境不确定相位干扰。该系统采用两个独立的光电发生装置分别发生两路相同波长的光波信号，而由于两路光电发生装置，特别是激光管，在工作时由于内外光路工作时间不同且两个激光性能差异极容易产生不同温度漂移无法用上述原理进行消除，从而产生测量距离的漂移。
以上三种校准方法的解决方案在实际应用中均存在一些寿命、干扰和漂移等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相位测量的校准方法，采用了单个液晶光阀，提供一种使用寿命长、响应时间短、精度高、成本低、防止同频干扰的基于单液晶光阀原理相位测量的测距装置及校准方法。
本发明所采用的技术方案为，基于单个液晶光阀相位测量的测距装置，包括依次设置的发射装置和分光片，分光片反射轴线方向依次设置有一液晶光阀和接收装置，接收装置前方设置有接收透镜，发射装置和接收装置分别与电路板连接；
液晶光阀，用于导通或截止分光片反射发射装置发射的光波；
发射装置包括激光二极管或发光二极管；
分光片，至少包括光学玻璃、光学玻璃镀膜、有机玻璃、有机玻璃镀膜、分光棱镜、光纤、光导管其中一种，用于反射发射装置发射的部分光波至液晶光阀。
上述基于单个液晶光阀相位测量的测距装置，其中，所述接收装置包括光电转换装置和混频器，光电转换装置至少包括光电二极管、光电三极管、雪崩二极管、光电倍增管其中一种。
上述基于单个液晶光阀相位测量的测距装置，其中，所述电路板上设有鉴相器；
鉴相器，用于接收所述接收装置输出的信号，并进行信号相位比较输出消除基底参考的相位信号。
上述基于单个液晶光阀相位测量的测距装置，其中，所述电路板上还设有振荡器和放大装置；
振荡器包括晶振、锁相环、倍频器、分频器或直接数字频率合成器，用于产生并输出高频振荡信号和混频信号；
放大装置至少包括低频放大器、高频放大器其中一种，用于接收所述接收装置的输出信号并进行放大、输出。
上述基于单个液晶光阀相位测量的测距装置的校准方法，包括下列步骤：
所述发射装置发射光波经所述分光片，一部分光波被所述分光片反射至所述液晶光阀，另一部分光波通过所述分光片至被测物体，当所述液晶光阀截止时，所述接收装置接收到通过所述分光片被被测物体反射折回的信号为外光路信号；当所述液晶光阀导通时，被所述分光片反射通过所述液晶光阀的信号为内光路信号，所述接收装置接收到所述外光路信号与所述内光路信号的混合信号；经过所述外光路信号与混合信号的矢量运算得到消除共模的外光路信号的内光路信号，再由所述内、外光路信号计算得到消除基底信号的相位信号。
上述基于单个液晶光阀相位测量的测距装置的校准方法，其中，所述外光路信号与内光路信号均为所述发射装置发出。
上述基于单个液晶光阀相位测量的测距装置的校准方法，其中，所述接收装置先接收所述外光路信号再接收所述混合信号或先接收所述混合信号再接收所述外光路信号。
本发明采用单路发射装置在液晶光阀上产生外光路信号与混合信号，再通过一个信号接收装置分别接收外光路信号与混合信号，然后将上述两信号进行比较得到相位差，以实现相位补偿及校准的目的，避免了环境变化在电路中引入不确定的相位噪音，提高了激光测距的测量精度，增加了系统的测距稳定度，减少了环境因素对测距误差的影响，降低了系统对元器件的性能要求，从而减低了系统的成本，加强了激光测距在各行业的应用。
附图说明
图1是本发明工作流程图；
图2是本发明系统框图；
图3是本发明第一实施例系统框图；
图4是本发明第二实施例系统框图；
图5是本发明第三实施例系统框图。
图6是本发明基于单个液晶光阀相位测量的测距装置原理示意图；
图7是本发明基于单个液晶光阀相位测量的测距装置结构示意图。
其中，附图标注：1、发射装置，2、分光片，3、液晶光阀，4、被测物体，5、电路板，6、接收装置，7、光电转换装置，8、振荡器，9、高频放大装置、10、混频器，11、低频放大装置，12、鉴相器，13、锁相环，14、驱动电路，15、接收透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。
如图6、7所示，本发明的测距装置，包括依次设置的发射装置1和分光片2，分光片2反射轴线方向依次设置有一液晶光阀3和接收装置6，接收装置6前方设置有接收透镜15，发射装置1和接收装置6分别与电路板5连接；液晶光阀3，用于导通或截止分光片反射发射装置发射的光波；
发射装置1包括激光二极管或发光二极管；
分光片2至少包括光学玻璃、光学玻璃镀膜、有机玻璃、有机玻璃镀膜、分光棱镜、光纤、光导管其中一种，用于反射发射装置1发射的部分光波至液晶光阀3。
接收装置6包括光电转换装置7和混频器10，光电转换装置7至少包括光电二极管、光电三极管、雪崩二极管、光电倍增管其中一种。
电路板5上还设有鉴相器12、振荡器8和放大装置；
鉴相器12，用于接收接收装置6输出的信号，并进行信号相位比较输出消除基底参考的相位信号；
振荡器8包括晶振、锁相环、倍频器、分频器或直接数字频率合成器，用于产生并输出高频振荡信号和混频信号；
放大装置至少包括低频放大器、高频放大器其中一种，用于接收接收装置6的输出信号并进行放大、输出。
校准方法包括下列步骤：发射装置1发射光波经所述分光片2，一部分光波被所述分光片2反射至所述液晶光阀3，另一部分光波通过分光2片至被测物体4，当液晶光阀3截止时，接收装置6接收到通过分光片2被被测物体4反射折回的信号为外光路信号；当液晶光阀3导通时，被分光片2反射通过液晶光阀3的信号为内光路信号，接收装置1接收到外光路信号与内光路信号的混合信号；经过外光路信号与混合信号的矢量运算得到消除共模的外光路信号的内光路信号，再由所述内、外光路信号计算得到消除基底信号的相位信号。
外光路信号与内光路信号均为所述发射装置1发出，接收装置6先接收外光路信号再接收混合信号或先接收混合信号再接收外光路信号。
如图1所示，当液晶光阀3截止时，发射装置1发射一光波经过一分光片2，一部分光波被反射至液晶光阀3，另一部分光波通过分光片2至被测物体4，当通过分光片2的光波被被测物体4反射折回后通过光学装置聚焦被接收装置6接收，此光路信号为即外光路信号；当液晶光阀3导通时，发射装置1发射一光波其中一部分光波通过分光片2，另一部分光波经过分光片2反射至液晶光阀3被接收装置6接收，此光路信号为即内光路信号，接收装置6接收到内光路信号和外光路信号的混合信号，即为通过使液晶光阀3关闭或导通，使接收装置6先后接收到外光路信号与混合信号，将外光路信号与混合信号作矢量运算得到再将外光路信号与混合信号矢量运算得到的信号的相位信号与外光路信号的相位信号进行运算，输出消除基底信号的相位信号。
在本发明中，进行相位比较的外光路信号与混合信号可以为与混频信号进行混频后的光波，其中与外光路信号与混合信号的光波进行混频的混频信号可以为同一高频振荡信号，也可为频率相同，相位相同或具有固定相位差的两路高频振荡信号。
在本发明中，外光路信号与混合信号的光波均为激光。
接收装置6至少为光电二极管、光电三极管、APD、光电倍增管其中一种。
如图2所示，本发明的测距装置其中发射装置1将高频振荡信号调制生成一调制光波，调制光波一部分通过分光片2发射至被测物体4，同时调制光波另一部分被分光片2反射至液晶光阀3。
液晶光阀3截止时，被被测物体5反射折回的信号被光电转换装置7接收，为外光路信号；
液晶光阀3导通时，调制光波被分光片2反射至液晶光阀3，通过液晶光阀3至光电转换装置7的信号为内光路信号，同时另一部分光波通过分光片2后被被测物体4反射折回也被光电转换装置7接收，此时的光电转换装置7接收的为内光路信号和外光路信号的混合信号，光电转换装置7输出的信号分别被鉴相器12接收，并将外光路信号与混合信号进行相位比较输出消除基底的相位差信号。
在本发明中，光波发射装置2包括时钟发生器、调制驱动电路和发光装置，其中发光装置在驱动器的驱动下发射光波，该发光装置可以为激光二极管(Laser Diode，LD)、发光二极管(Light Emitting Diode，LED)或其他的发光器件。本发明的发光装置为激光二极管，发射激光。
在本发明中，分光片2、液晶光阀3为光学器件，目的在于分出内外两光路。该分光片2至少包括棱镜，光学玻璃、光学玻璃镀膜、有机玻璃、有机玻璃镀膜、光纤、光导管其中一种，用于反射发射装置1发射的部分光波至液晶光阀3。
在本发明中，分光片2、液晶光阀3与光电转换装置7对准，使光波直接入射到该光电转换装置7中；也可以在液晶光阀3与光电转换装置7之间设有反光镜以改变光路，便于光电转换装置7接收；还可以在液晶光阀3与光电转换装置7之间连接有光信号传输线，该传输线可以为光纤或导光管。
在本发明中，光电转换装置7至少为二级管、光电三极管、APD、光电倍增管其中一种。
第一实施例：如图3所示，本发明的测距装置包括振荡器8、发射装置1、分光片2、液晶光阀3、被测物体4，光电转换装置7，以及高频放大装置9、混频器10，低频放大装置11和鉴相器12用于信号调理和相位获取。
由振荡器8产生同频率同相位的第一高频振荡信号和第二高频振荡信号，发射装置1接收来自振荡器的第一高频振荡信号、调制光波，并发射作为光路信号；光波通过分光片2至被测物体4再被被测物体4反射后折回，光电转换装置7接收返回的信号为外光路信号，同时被分光片2反射的光波至液晶光阀3被截止，所述外光路信号经光电转换装置7后输出电信号，输出的电信号为高频的电信号再由高频放大装置9进行放大并输出，混频器10接收来自放大装置9的信号与振荡器8输出的第二高频振荡信号进行混频，输出混频后的信号，所述混频信号被低频放大装置11放大后进入鉴相器12。然后，液晶光阀3导通，被分光片2反射的光波通过液晶光阀3作为内光路信号的光波，光电转换装置7同时接收被被测物体4反射折回的外光路信号，此外光路信号与内光路信号作为混合信号，最后外光路信号与混合信号分别被鉴相器12鉴相并输出相位差信号。在本发明实施例中，振荡器8可以为晶振、石英振荡器、PLL(锁相环)、DDS(直接数字频率合成器)或其他频率发生器件和电路。
在本发明实施例中，混频器10可以为模拟乘法器、下变频混频器或其他电子混频器和光电二极管、光电三极管、APD(雪崩二极管)、光电倍增管等具有混频功能的光电混频装置。
在本发明实施例中，接收装置6包括光电转换装置7和混频器10，接收装置6可以为光电二极管、光电三极管、APD、PMT(光电倍增管)等具有光电转换功能器件。
在本发明实施例中，高频放大装置9将接收的高频电信号进行放大，价格昂贵，低频放大装置11将混频后的低频电信号进行放大，价格相对较低，如果电路的其他器件性能良好，高频放大装置9和低频放大装置11均可省略，或者省略其一。如果采用一个接收装置6代替光电转换装置7和混频器10，那么高频放大装置9可以省略，然后可以在接收装置6之后直接连接低频电放大装置11，成本较低。
第二实施例：如图4所示，本发明的测距装置包括发射装置1、分光片2、液晶光阀3、被测物体4、振荡器8、低频放大装置11、鉴相器12和接收装置6，接收装置6用于分别接收外光路信号和混合信号进行光电转换，并分别与混频信号进行混频，输出混频后的信号。
在本发明实施例中，接收装置6可替代图3中的光电转换装置7和混频器10。
第三实施例：如图5所示，本发明的测距装置，其中锁相环13和驱动电路14根据高频振荡信号驱动发射装置1发射光波，一部分光波透过分光片2，同时另一部分被光波分光片2反射至液晶光阀3；当液晶光阀3截止时，接收装置6仅接收到透过分光片2至被测物体4后被被测物体4反射折回的外光路信号；当液晶光阀3导通时，发射装置1所发射的光波被分光片2反射后通过液晶光阀3作为内光路信号，此时接收装置6同时接收外光路信号与内光路信号的混合信号，所述外光路信号和混合信号通过偏置电路和从所述锁相环13输出的高频混频信号进行光电转换、混频，并经低频放大装置11放大后输出到鉴相器12。所述鉴相器12将两次接收到的信号进行矢量计算与相位比较最后输出得到消除基底参考的相位。
在本发明实施例中，发射装置1发射光波通过分光片2后与接收装置6对准，使光波直接入射到接收装置6中；也可以在液晶光阀3与接收装置6之间设置反射镜或反射镜组以改变光路，便于接收装置6接收；还可以在液晶光阀3与接收装置6之间安装光信号传输线完成内光路光信号传输，该传输线可以为光纤、光导管或其他光学通光元件。
现有技术中采用一个光波发射装置产生一路光波，需要利用光束转换装置改变光路，得到内、外两路光，光束转换装置的多次转换会产生机械负荷，机械磨损不可避免，且电路响应时间长，另外带有光束转换装置必然导致电路复杂，体积大，成本高；对比于现有技术，在本发明中，通过采用一液晶光阀3控制电路控制内外光路的开关或切换，避免使用机械开关控制，且采用控制电路控制的响应时间快，接收内外光路信号的间隔时间小，切换间隔时间为毫秒级别，可认为电路切换期间的周围环境不变，电路未受影响，不影响测量精度。
本发明利用单个液晶光阀双光路相位测量的校准方法，采用发射装置1发出一个光波通过分光片2和液晶光阀3分别产生内、外光路信号，再通过接收装置6分别接收包含内光路信号和外光路信号的返回信号的混合信号与外光路信号返回信号，对混合信号和外光路信号进行矢量比较，从而消除共模的外光路信号得到内光路信号，再对内光路信号与外光路信号进行相位比较，从而消除附加相移，实现相位误差的补偿和校准的目的，优化了测距装置的结构，提高了产品的稳定性和可靠性。
综上所述，本发明提供了一种基于单个液晶光阀的校准装置及方法，采用液晶光阀3的导通与截止作用分别产生内外光路信号，再通过一个接收装置6分别接收外光路信号和混合信号，对两路信号进行光电转换、混频、放大和鉴相，输出消除基底的信号从而避免了环境变化在电路中引入不确定的相位噪音，且由控制电路控制内外光路切换从而稳定高速的实现相位误差补偿和校准的目的，减少了环境因素对测距误差的影响，提高了激光测距的测量精度，增加了系统的测距稳定度，降低了系统对元器件的性能要求，从而减低了系统的成本，加强了激光测距在各行业的应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于单个液晶光阀相位测量的测距装置，其特征在于，包括依次设置的发射装置和分光片，所述分光片反射轴线方向依次设置有一液晶光阀和接收装置，所述接收装置前方设置有接收透镜，发射装置和接收装置分别与电路板连接；
液晶光阀，用于导通或截止分光片反射发射装置发射的光波；
发射装置包括激光二极管或发光二极管；
分光片，至少包括光学玻璃、光学玻璃镀膜、有机玻璃、有机玻璃镀膜、分光棱镜、光纤、光导管其中一种，用于反射发射装置发射的部分光波至液晶光阀；
所述基于单个液晶光阀相位测量的测距装置的校准方法包括下列步骤：
所述发射装置发射光波经所述分光片，一部分光波被所述分光片反射至所述液晶光阀，另一部分光波通过所述分光片至被测物体，当所述液晶光阀截止时，所述接收装置接收到通过所述分光片被被测物体反射折回的信号为外光路信号；当所述液晶光阀导通时，被所述分光片反射通过所述液晶光阀的信号为内光路信号，所述接收装置接收到所述外光路信号与所述内光路信号的混合信号；经过所述外光路信号与混合信号的矢量运算得到消除共模的外光路信号的内光路信号，再由所述内、外光路信号计算得到消除基底信号的相位信号。
2.如权利要求1所述基于单个液晶光阀相位测量的测距装置，其特征在于，所述接收装置包括光电转换装置和混频器，光电转换装置至少包括光电二极管、光电三极管、雪崩二极管、光电倍增管其中一种。
3.如权利要求1所述基于单个液晶光阀相位测量的测距装置，其特征在于，所述电路板上设置有鉴相器；
鉴相器，用于接收所述接收装置输出的信号，并进行信号相位比较输出消除基底参考的相位信号。
4.如权利要求3所述基于单个液晶光阀相位测量的测距装置，其特征在于，所述电路板上还设有振荡器和放大装置；
振荡器包括晶振、锁相环、倍频器、分频器或直接数字频率合成器，用于产生并输出高频振荡信号和混频信号；
放大装置至少包括低频放大器、高频放大器其中一种，用于接收所述接收装置的输出信号并进行放大、输出。
5.如权利要求1所述基于单个液晶光阀相位测量的测距装置，其特征在于，所述外光路信号与内光路信号均为所述发射装置发出。
6.如权利要求1所述基于单个液晶光阀相位测量的测距装置，其特征在于，所述接收装置先接收所述外光路信号再接收所述混合信号或先接收所述混合信号再接收所述外光路信号。
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