CN105223578A - 一种双波长脉冲混频相位式激光测距仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双波长脉冲相位激光测距仪。所述激光测距仪由微处理器、时钟1、时钟2、双波长激光管、滤色片1、滤色片2、滤色片3和光感元件构成，该双波长激光管进行内外光路分离，通过滤色片建立参考信号和测量信号，并由时钟1和2提供频率差，由处理器计算得到测量结果。所述激光测距仪由双波长激光管进行内外光路分离，并采用双波长分时电路设计，实现了快速测量，无需额外切换光路，且成本低。

Description

一种双波长脉冲混频相位式激光测距仪
技术领域
本发明描述了一种双波长脉冲混频相位式激光测距仪，属于激光测距技术领域。
背景技术
手持相位式激光测距仪的实现方法有两种，一种是以徕卡(Leica)代表的正弦相位式测量方法；另一种是以喜利得(HILTI)为代表的脉冲相位的测量方法。见美国专利US6917415。
比较这两种技术，脉冲相位在测量测距、测量精度、功耗、测速等多方面要优于单纯的正弦相位技术，所以，Leica后来也开发了涉及脉冲相位的测距技术，见美国专利公开US20080304043A1。但是该技术最终转化为PowerRangeTechnologyTM技术，见美国专利公开US20100296078A1。
HILTI的脉冲相位技术最初在2002年公布，在2007年进行了技术升级，见美国专利公开US20090021721A1，其解决了脉冲重叠的问题。之后，在2011年引入结构光学技术升级(见美国专利公开US20120300190A1、US20130135604A1)，开发了无近距离盲区的测距技术。
Hilti的脉冲测距技术的原理是将发射激光分成2部分，一部分用于测量信号，一部分用于参考信号，见图5。由于收发激光脉冲存在频率差，导致在接收波形上形成了双峰信号(参考信号和测量信号)，因此在工作时，只需要采样一次，就可以同时建立内外光路，见图1。这种方法无需建立专门的内光路，也省略了双传感器采样操作，成本低，发送功率大(测量能力强)。但是也存在两个问题：
1、距离变化的时候，参考信号和测量信号可能会重叠，因此需要改变发射和接收频率，以避开重叠区；
2、近距离测量时，参考信号和测量无可避免的会重叠。
以上问题就需要控制单元进行判断，避开重叠区域，以获得有利波形，这样会导致在某些距离上会报错或者测量时间较长。
针对HILTI上述脉冲测距技术中存在的脉冲相位技术问题，HILTI通过增加延时方法，解决了脉冲重叠的问题，见中国专利申请200810133903.1。
除了这种方法，还可以参考相位测距中内外光路分离的方法进行技术改良，比如中国专利申请201110260258.1的液晶控制，机械式分离，双激光管，双波长激光管的方法。
在激光光电距离测量装置中，为了能够指示被测量目标，一般在这种情况下会可使用可见光照射测量目标，而测量目标对象的表面通常是以漫反射的形式反射一部分光信号，测量装置利用光敏器件将接收反射的光信号转换为电信号。由于光的传播速度是已知的量，通过测量光信号从发射到接收经历的时间，可以确定测量装置和目标之间的距离。
在实际装置中，由于电信号转换成光信号，再从光信号转换成电信号的过程中，存在很多不确定因素，因此一般先将发射的光信号通过一个已知距离的路径，用于作为距离测量时的参考，用于实际距离测量时消除电光转换和光电转换的漂移和误差。
产生已知路径的方法有很多，在中国专利申请201110260258.1中揭示了的液晶控制、机械转动切换光路、双激光管、双波长激光管的用于消除测量漂移和误差方法。
上述双波长激光管的方法，利用不同波长的光在滤光片下的偏转特性，分别进入测量路径和参考路径，从而无须多次切换操作，就可以可完成距离修正。
在这些内外光路分离方法中，双波长激光管与机械式分离方式(见图6)相比，无机械转动，寿命长。与液晶光阀(见图7)相比，无温度波动影响，无须定制器件。与双激光管相比，激光的一致性更好。
即便如此，使用双波长激光管仍需要控制电路辅助，以达到最优化效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双波长脉冲混频相位式激光测距仪。
本发明所述双波长脉冲混频相位式激光测距仪由双波长激光管进行内外光路分离，并采用双波长分时电路设计，实现了快速测量。
所述激光测距仪，见图3，由控制单元(微处理器)、时钟1、时钟2、激光发射装置(如双波长激光管)、滤色片1、滤色片2、滤色片3和激光接收装置(如光感元件)构成，激光发射装置中的双波长激光管在驱动电路控制下分别发射所需波长激光，进行内外光路分离，通过滤色片建立参考信号和测量信号，并由时钟1和2提供频率差，由处理器计算得到测量结果。
本发明所述激光测距仪的控制单元设有一个微处理器，分别控制时钟1和时钟2，时钟1通过驱动器分别驱动双波长激光管以获得所需波长的激光，该激光是具有周期重复频率的脉冲光信号，其中一个波长的激光作为测量光束透过滤色片1发射到被测目标并被反射，透过接收装置中的聚焦透镜及滤色片3，投射到时钟2驱动的光感元件，如APD上，形成测量脉冲；另一个波长的激光作为参考光束，其无法穿透滤色片1，但经滤色片1反射后能透过滤色片2投射在时钟2驱动的光感元件，如APD上，形成参考脉冲；滤色片2可以让参考光束通过，而测量光束则被阻止，滤色片3用于阻止外部的干扰光信号，时钟1和时钟2通过混频产生一个内部参考信号送给控制单元中的微处理器。
由于测量脉冲和参考脉冲二者在光感元件上存在时间差，进而在参考时钟控制下的一个采样时间内可获得具有周期重复性的脉冲序列，该信号被送到处理器进行算法计算，从而得到被测目标的距离。
图3中所示的一种双波长脉冲混频相位式激光测距仪，具有控制单元，通过时钟1驱动绑定在同一个封装中的两个可发出不同波长激光的管芯(双波长激光管)，产生不同波长的具有周期重复频率的脉冲光信号，一个波长的激光作为测量光束透过滤色片1发射到被测目标并被反射，透过聚焦透镜及滤色片3，投射到时钟2驱动的光感元件，如APD上，形成测量脉冲，另一个波长的激光作为参考光束，其无法穿透滤色片1，但经滤色片1反射后能透过滤色片2投射在时钟2驱动的光感元件，如APD上，形成参考脉冲，滤色片2可以让参考光束通过，而测量光束则被阻止，滤色片3用于阻止外部的干扰光信号，时钟1和时钟2通过混频产生一个内部参考信号送给控制单元中的微处理器。测量脉冲和参考脉冲二者由于在行进路径上的不同而在光感元件上存在时间差，进而在参考时钟控制下的一个采样时间内可获得具有周期重复性的脉冲序列，该信号被送到处理器进行算法计算，从而得到被测目标的距离。
所述激光测距仪设有一个控制单元，可以分别控制时钟1和时钟2，时钟1通过驱动器分时驱动双波长激光管，时钟2直接驱动光感元件，用于接收参考光束和测量光束。
上述时钟1和时钟2通过混频产生一个内部参考信号送给微处理器。
所述滤色片1可以让测量光束通过，而参考光束则被阻止；所述滤色片2可以让参考光束通过，而测量光束则被阻止；所述滤色片3可以过滤外部干扰光信号。
所述测量过程启动后，由时钟1和时钟2设置相差固定的不同频率，然后分别测量参考信号和测量信号，如图2所示，根据具有周期重复性的脉冲序列，进行算法运算，从而获得测量结果。
所述双波长激光管，可以为分立的双激光管或者其他具备二个或以上波长的光波发射装置。
所述光感器件为光电二极管、光电三极管、雪崩二极管或光电倍增管。
所述的滤色片为使光束通过或者阻止。
所述的滤色片组件1、2可替换为光路切换开关(光开关)，如液晶光阀、液晶屏、微机电(EMES)开关等。
本发明所述激光测距仪作为一种手持短距离(<300米)激光测距仪，与正弦波相位测距产品相比，电路简单，器件成本更低。在平均功率一样的情况下，脉冲峰值功率提高20倍，测距能力更强，在阳光下测距能力也有长足的提高。
相对于HILTI专利方法，本发明通过光学结构的设置自然形成内外光路，同时在分时电路控制下，实现了波形不重叠，减少测量和计算错误，测量速度快，且成本低。
总体而言，通过使用双波长的激光管，通过分时操作，可以解决测量和参考脉冲重叠的问题，同时也避免其他方法造成的不良影响。
当发射激光时，为了确保对人眼的安全，安规要求对激光发射的平均功率做了限制，但是，在较远目标或者在恶劣的环境光下，为了使得光敏器件获得足够的能量，计算出记录，我们通过采用脉冲激光的方法，发射高峰值功率的脉冲束，假设要求平均激光功率为1mW，发射的脉冲比例是5％，则理想条件下的最大峰值功率可以达到20mW，极大的提高了在恶劣条件下的激光反射能量，可以有效的在阳光下，远距离进行测量。
测量装置发射一定频率f0的脉冲激光，经过一段时间后，该激光返回到调制有另一个脉冲频率f1的APD上，进行检相操作，形成一个差频信号△f＝|f0‐f1|，见图8、图9、图10和图11。
发射双波长激光信号时，由于滤光片的作用，两种波长的激光分别经过不同距离，照射在同一个APD上，最终会形成如图12波形。
图12中有高低不同的两个峰分别是不同路径的激光信号，峰的高低反应了返回的激光信号强弱；由于不同路径的激光信号是同频信号，所以两个不同幅度峰的间隔时间完全一致；假设以其中一个峰(高)作为参考路径，则当测量路径改变时，另一峰(低)则在两个较高峰之间移动。
相同幅度峰之间的间隔时间表示了当前发射频率的测量标尺长度，由于测量范围和测量精度是互相制约的，无法实现在单个标尺下，获得高精度的测量结果，因此，需要切换不同的频率，从而提高测量量程和测量精度，由于单个频率不能覆盖所有量程，那么当被测距离移动时，就会产生这两个问题：
1)距离变化的时候，参考信号和测量信号可能会重叠，在专利US7714990B2就提出一种解决方法，通过同步改变发射和接收频率，以规避重叠区；
2)近距离测量时，由于参考路径与测量路径基本一致，这两个波形将不可避免的重叠，从而造成测量上的盲区。
发生上述问题时，需要控制单元进行判断，调整频率，从而避开重叠区域,以获得可测量波形，而多次切换频率的操作会影响测量时间，而采用双波长则可以从根本上的解决这个问题。
附图说明
图1是HILTI脉冲测距技术中将发射激光分成2部分，一部分用于测量信号，一部分用于参考信号后，由于收发脉冲存在频率差，在接收波形上形成的双峰(参考信号，测量信号)波形示意图。
图2是本发明所述激光测距仪测量启动后，时钟1和时钟2与分别测量的参考信号和测量信号的示意图。
图3是本发明所述激光测距仪工作原理示意图。
图4是本发明双波长方案一种产品设计示意图。
图5是现有技术中单波长方案产品设计示意图。
图6是现有技术中电机分时测量方案产品设计示意图。
图7是现有技术中液晶光阀测量方案产品设计示意图。
图8：发射脉冲束，频率f0。
图9：接收脉冲束，频率f1。
图10：频率f0和f1进行混频/检相操作，形成新的信号。
图11：对f0和f1混频/检相信号进行低通滤波，形成低频信号△f。
图12：双光路信号在一定距离上形成的波形。
具体实施方式
见图3。本发明一个实施例中，设置控制单元，其微处理器通过时钟1分别驱动发射装置中的双波长激光管以获得所需波长的激光，该激光信号是具有周期重复频率的脉冲光信号，其中一个波长的激光作为测量光束透过滤色片1发射到被测目标并被反射，透过接收装置中的聚焦透镜及滤色片3，投射到时钟2驱动的接收装置中的光感元件，如APD上，形成测量脉冲，另一个波长的激光作为参考光束，其无法穿透滤色片1，但经滤色片1反射后能透过滤色片2投射在时钟2驱动的光感元件，如APD上，形成参考脉冲，滤色片2可以让参考光束通过，而测量光束则被阻止，接收装置中的滤色片3用于阻止外部的干扰光信号。
测量过程启动后，时钟1和时钟2产生相差固定的频率，并通过混频产生一个内部参考信号送给控制单元中的微处理器。由于测量脉冲和参考脉冲二者在光感元件上存在时间差，进而在参考时钟控制下的一个采样时间内可获得具有周期重复性的脉冲序列，该信号被送到处理器进行算法计算，从而得到被测目标的距离。
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 (10)

1.一种双波长脉冲混频相位式激光测距仪，由控制单元、时钟1、时钟2、激光发射装置、滤色片1、滤色片2、滤色片3和激光接收装置构成，该激光发射装置含有一双波长激光管，进行内外光路分离，通过滤色片建立参考信号和测量信号，并由时钟1和2提供频率差，由处理器计算得到测量结果；其特征在于，由双波长激光管进行内外光路分离，并采用双波长分时电路设计。
2.根据权利要求1所述的激光测距仪，其特征在于，所述控制单元含有一个微处理器，分别控制时钟1和时钟2，时钟1通过驱动器分别驱动分时驱动双波长激光管，时钟2直接驱动光感元件，用于接收参考光束和测量光束。
3.根据权利要求1或2所述的激光测距仪，其特征在于，时钟1和时钟2通过混频产生一个内部参考信号送给微处理器。
4.根据权利要求1、2或3所述的激光测距仪，其特征在于，所述滤色片1可以让测量光束通过，而参考光束则被阻止；所述滤色片2可以让参考光束通过，而测量光束则被阻止；所述滤色片3可以过滤外部干扰光信号。
5.根据权利要求1‐4任一权利要求所述的激光测距仪，其特征在于，所述测量过程启动后，由时钟1和时钟2设置相差固定的不同频率，然后分别测量参考信号和测量信号，根据具有周期重复性的脉冲序列，进行算法运算，从而获得测量结果。
6.根据权利要求1‐5任一权利要求所述的激光测距仪，其特征在于，所述双波长激光管，可以为分立的双激光管或者其他具备二个或以上波长的光波发射装置。
7.根据权利要求1‐6任一权利要求所述的激光测距仪，其特征在于，所述光感器件为光电二极管、光电三极管、雪崩二极管或光电倍增管。
8.根据权利要求1‐7任一权利要求所述的激光测距仪，其特征在于，所述的滤色片为使光束通过或者阻止。
9.根据权利要求8所述的激光测距仪，其特征在于，所述的滤色片组件1、2可替换为光路切换开关(光开关)，如液晶光阀、液晶屏、EMES微机电开关。
10.一种双波长脉冲混频相位式激光测距仪，该测距仪具有控制单元，通过时钟1驱动邦定在同一个封装中的两个可发出不同波长激光的管芯(双波长激光管)，产生不同波长的具有周期重复频率的脉冲光信号，一个波长的激光作为测量光束透过滤色片1发射到被测目标并被反射，透过聚焦透镜及滤色片3，投射到时钟2驱动的光感元件，如APD上，形成测量脉冲，另一个波长的激光作为参考光束，其无法穿透滤色片1，但经滤色片1反射后能透过滤色片2投射在时钟2驱动的光感元件，如APD上，形成参考脉冲，滤色片2可以让参考光束通过，而测量光束则被阻止，滤色片3用于阻止外部的干扰光信号，时钟1和时钟2通过混频产生一个内部参考信号送给控制单元中的微处理器。测量脉冲和参考脉冲二者由于在行进路径上的不同而在光感元件上存在时间差，进而在参考时钟控制下的一个采样时间内可获得具有周期重复性的脉冲序列，该信号被送到处理器进行算法计算，从而得到被测目标的距离。
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