CN105652282B - 一种激光相位测距模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到激光测距技术，提供一种激光相位测距模块，包括激光发射组件、回波接收及预处理组件、本地接收及预处理组件、FPGA处理器；FPGA处理器用锁相环产生两个时钟频率f₁、f₂，由时钟频率f₁分频产生一个测尺频率f_s的方波信号送给激光发射组件；激光发射组件向目标发射激光；经目标反射的回波经回波接收及预处理组件处理后输出频率为f_s的方波A；本地接收及预处理组件将发射激光部分导入，并对导入激光作与回波接收及预处理组件相同预处理后输出方波B；FPGA处理器用时钟频率f₂对两路方波A、B同步读取，通过数据处理解算出目标距离。本发明无需混频处理，能够采用一个测尺实现远程的精密测距，适用于单点测距及多路同时测距设备中。

Description

一种激光相位测距模块

技术领域

本发明涉及到激光测距技术，主要涉及到利用相位检测的激光测距技术，具体为一种激光相位测距模块。

背景技术

激光相位测距技术通过检测目标回波产生的相位延迟来测量距离。激光相位测距常采用两个光路，一是目标测量光路，一是本机中的参考校零光路，两路输出波形产生的相位差就对应了目标的距离值。相位测距的方案有多种，主要的不同体现在对光电信号的处理方式上。传统的激光相位测距技术中，发射正弦波调制的激光，接收到的回波通过光电转换变为电信号，再与一本地信号采用混频电路混频，产生一个低频的差频，再由它提取出相位值，最后由相位值换算出距离值。另一种混频方案是直接利用APD雪崩光电二极管的雪崩增益与反偏电压之间的关系，使APD在探测光信号的同时便与本地信号之间产生混频，输出差频的信号。由差频信号处理获得相位，传统的方式是通过对差频信号用比较器产生方波，再由高频脉冲进行计数来实现；现在比较流行的做法则是将差频信号采样，再利用FFT算法，获得相位值。

已有相位测距技术中，需要模拟混频过程来获得差频，而为了获得mm级的测距精度，需要采用较高的调制频率，而较高的调制频率则对应较短的测尺。为了在增加测程的同时又尽量不增加电路的复杂性，一般都采用间接测尺法，即用两个或两个以上的短测尺去等效长的测尺，因此测量一个目标点需要进行数次频率切换，切换过程中需要等待足够的时间以确保信号的稳定，因而对于快速测量是不利的，尤其是对于需要多路同时快速测距的情况更是存在问题。另外，激光相位测距机采用半导体激光器作为发射光源，能够实现大功率高速调制的半导体激光器价格都比较高昂而且不易获得，而小功率半导体激光器又导致测量距离受限，为增加测量距离常需要配备棱镜或反光板以增强回波，因此为实现较远的无合作目标测距需要付出较高的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无需混频处理的相位测距模块，它可以用一个测尺实现远程的精密测距，既可用于需要快速测距的单点测距设备，也可用于需要多路同时测量的设备中。

本发明的技术方案为：

一种激光相位测距模块，包括激光发射组件1、回波接收及预处理组件2、本地接收及预处理组件3、FPGA处理器4；FPGA处理器用锁相环产生两个时钟频率f₁、f₂，由时钟频率f₁分频产生一个测尺频率f_s的方波信号送给激光发射组件；激光发射组件内，测尺频率f_s的方波信号经过第一窄带滤波器11后变为正弦波，经由驱动器12产生驱动电流，驱动激光器13发射激光，经发射镜头14向目标发射；回波接收及预处理组件内，经目标反射的回波经接收镜头21、滤光片22后到达光电探测器23，光电探测器23输出光电信号依次经过前置放大器24、第二窄带滤波器25、主放大器26、第三窄带滤波器27及比较器28预处理后输出频率为f_s的方波A，送入到FPGA处理器；本地接收及预处理组件内，导光件31将激光器发射激光部分导入，对导入激光作与回波接收及预处理组件相同预处理后输出方波B，同样送入到FPGA处理器；FPGA处理器用时钟频率f₂对两路方波A、B同步读取，通过数据处理解算出两路方波之间相位差，对应给出目标距离。

进一步地，所述激光发射组件包括正弦波产生电路、发射驱动器、激光器以及发射镜头，正弦波产生电路将由FPGA通过分频产生的频率为f_s的方波通过窄带滤波11变为正弦波，作为激光发射的调制信号，发射驱动器12用于为激光器提供足够的驱动电流，调制激光通过发射镜头14发射出去；所述回波接收及预处理组件包括接收镜头21、滤光片22、光电探测器23及前置放大器24、窄带滤波器25、主放大器26、窄带滤波器27及高速比较器28，接收镜头接收来自被测目标的回波，滤光片用于抑制背景光的影响，光电探测器收集回波并产生光电转换，前置放大器对信号低噪声放大，经过窄带滤波提高信噪比，主放大器进一步放大信号幅度，再经窄带滤波器滤波，最后用高速比较器比较出只有高低电平的方波，光电探测器可以是雪崩光电二极管，也可以是PIN管，主要依据测距的需求，前者灵敏度更高但后者更便宜且使用更方便；所述本地接收及预处理组件包括导光件31、光电探测器32及前置放大器33、窄带滤波器34、主放大器35、窄带滤波器36及高速比较器37，除了没有接收镜头和滤光片并增加一个导光件外，其余的部分与回波接收及预处理组件完全相同，用于为回波产生的方波提供一个参考位置信息；所述FPGA处理器用于产生基本的时钟信号、分频产生发射频率的方波、处理比较器输出的两路方波信号、向外输出测量结果，以及接收外部的指令。

进一步地，由FPGA锁相环产生的两个时钟频率f₁、f₂，频率差Δf＝f₂-f₁，频率差Δf与测尺频率f_s之间应当满足如下关系：f_s＝(N/M)·Δf，其中，N为处理方波的周期个数，M为大于1的整数，N＞M，且N/M为不可简化的分数；此时对回波延迟时间的测量精度为1/(N·f₁)；在满足f_s＝(N/M)·Δf的情况下，将处理的回波波形周期个数变为N的整数倍也是可行的，相当于将处理过程进行重复，多次测量以进一步提高测量精度。

进一步地，对于多路同时测距时，各路回波处理出来的方波与本地接收及预处理组件产生的方波同时读入FPGA中，并行地处理出各路测量出来的距离值。

本发明的原理为：由FPGA的时钟频率f₁分频产生频率f_s的方波，经过滤波后，为f_s的正弦波，用于驱动激光发射；照射目标产生的回波被回波接收及预处理组件接收并转换为只有高低电平的方波A，本地接收及预处理组件转换出只有高低电平的方波B；对于方波A的任意一个连续高电平，在方波B中都存在一个对应的连续高电平，它们构成一个高电平对，通过求解方波A和方波B任一高电平对的中心位置差，共将获得N个中心位置差数据，对这N个中心位置差数据作平均处理，即获得A、B方波的相位差测量结果，对应地得到目标的距离值。然而，如果仅靠高频的时钟去采样并确定中心位置差，受限于采样频率，精度远远达不到要求；如果用f₁去采样，由于f_s是由f₁分频产生的，对于不断重复的方波高电平，其位置关系相对固定，对精度的提高也没有任何的用处；为解决精度问题，FPGA用频率f₂的时钟对方波A、B进行同步数据读入，由于f₁与f₂有频率差，因此对方波A和B而言，在f_s＝(N/M)·Δf中M＝1，即满足f_s＝N·Δf时，各个高电平的首个取数时间与方波的上升沿之间的间隔是逐渐变化的，比如若第一个高电平的上升沿与高电平的首个取数脉冲上升沿之间的间隔为t₁，则第二个高电平的上升沿与高电平的首个取数脉冲上升沿之间的间隔为t₁-1/(N·f₁)，而第三个高电平的上升沿与高电平的首个取数脉冲上升沿之间的间隔为t₁-2/(N·f₁)，依此类推，直到间隔小于1/(N·f₁)后再重新从mod(t₁,1/(N·f))+(N-1)/(N·f₁)逐次递减；对高电平部分的下降沿也存在与上升沿完全相似的变化过程；反过来看，由于方波A和方波B的高电平之间的位置关系是固定的，对采样脉冲来说，则产生一个等效的方波A和B高电平的移动效果，且经过N个方波高电平后，正好经过一个f₁时钟周期；在方波A和B等效地移动一个f₁时钟周期的过程中，其由每单个高电平对所解算的中心位置差值均为1/(2f₁)的整数倍，精度并不高，但所有N个高电平对解算的中心位置差值求平均则一定是逼近理论的中心位置差值；上面是测距模块工作的基本原理，但仅仅满足f_s＝N·Δf的情况下，要求锁相环产生的两个频率f₁和f₂之间的频率差Δf比较小，由FPGA的锁相环来产生会受到很大的限制，基于高精度的获得是通过被测方波高电平对与取样脉冲间的位置关系遍历，将条件改为f_s＝(N/M)·Δf也是可以达到同样的效果，只是方波高电平与取数脉冲的位置关系将以M/(N·f₁)的步距变化，但经过N个方波高电平后，最终仍会遍历一个f₁时钟周期，此时Δf＝(M/N)·f_s，比f_s＝N·Δf对应的Δf＝(1/N)·f_s高了M倍，这样可以大大地降低用FPGA锁相环产生f₁、f₂时钟的难度；至于各种上升沿的抖动，由于是大量数据的综合处理，这些抖动的作用将被极大地抑制。

本发明的有益效果是：通过FPGA的锁相环产生两个有频率差的时钟信号，将其中一个经过滤波变为正弦波后作为发射调制源，而用另一个时钟对由回波接收及预处理组件产生的高低电平方波进行数据读取，从而省去了混频的过程，电路板上没有高速走线，使处理电路变得更简单；又通过与本地接收及预处理组件产生的方波同步读取，两路进行中心差值的求解，再对N个数据求平均，算法上非常简单；由于求解相位差的方法是利用采样时钟对方波高电平相对位置遍历的采样方式，并通过N个高电平对解算的中心位置差值求平均得到，因此它的精度原理上不受测尺长度的影响，只要回波功率足够，它可以用长的测尺一次性获得高精度的测量值，而具体的测尺长度和精度依赖于所设计的f₁、f₂、f_s；长的测尺意味着低的调制频率，高速大功率的激光器价格高昂，而低速大功率的激光器则成本较低，而且可能获得大得多的功率；省去了混频过程，电路没有高速走线，即便多路布线相互间的干扰也可以忽略，再加上处理算法也非常简单，因而也非常适合于多路同时测距。

附图说明

图1是本发明激光相位测距模块的原理示意图；

其中，1为激光发射组件，2为回波接收及预处理组件，3为本地接收及预处理组件，4为FPGA处理器，11为窄带滤波器，12为驱动器，13为激光器，14为激光发射镜头，21为回波接收镜头，22为滤光片，23为光电探测器，24为前置放大器，25为窄带滤波器，26为主放大器，27为窄带滤波器，28为高速比较器，31为导光件，32为光电探测器，33为前置放大器，34为窄带滤波器，35为主放大器，36为窄带滤波器，37为高速比较器。

图2是方波高电平相对于采样时钟逐步移动的示意图；其中(a)为频率为f_s的方波，(b)为频率为f₂的采样时钟。

图3是回波接收及预处理组件产生的方波A和本地接收及预处理组件产生的方波B构成的一个高电平对相对于采样时钟的位置示意图；

其中，(a)为本地接收及预处理组件产生的方波B的一个高电平，(b)为回波接收及预处理组件产生的方波A的一个对应的高电平，(c)为采样时钟；由方波高电平对的移动可以确定出解算的A、B高电平对中心位置差的变化。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，为本发明激光相位测距模块的原理示意图。

有源晶振为FPGA提供100MHz时钟输入，通过锁相产生两个时钟频率，其中一个为100MHz，由100MHz分频产生一个1MHz的方波，经过滤波后变为1MHz正弦波，驱动激光发射，对应测程为150m；要获得1.5mm的测量精度，需要N＝1000，如果M＝1，则要求Δf为1kHz，由FPGA的锁相环来产生这样的一个差频是很困难的，为此，需要另行选取M值；选用双锁相环的FPGA，通过级联方式产生出100.043MHz的另一个时钟作为方波A、B数据读取时钟，此时M＝43，N/M为不可再简化的分式，满足基本的要求；由接收组件和本地接收及预处理组件的探测器接收到的1MHz光信号被处理成1MHz方波，由100.043MHz时钟读入FPGA中进行方波高电平对的中心位置差解算并通过平均解算出两个方波之间的相位差。

实际上，由FPGA可以产生的方波A、B数据的读取时钟频率并不只有100.043MHz，也可以选择其它频率；而且，f₁、f₂和f_s的产生方式也并非一定要用FPGA，也可以在外部用专门的时钟综合芯片，再与FPGA配合使用。

由于采用的发射频率比较低，可以选择成本不高的较大功率激光，比如638nm的500mW红光激光二极管是市面上很容易购到的普通商品；实际上，一些应用场合是需要采用其它近红外波长的，只需要选择相应的激光二极管即可，当然，滤光片必须与发射波长相匹配。

采用本发明制作的激光相位测距模块，具有用单尺即可精密测.量远程目标的优点，且其对激光源的调制速度要求不高，因此可以选择成本较低的较大功率激光以增加测量距离。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种激光相位测距模块，包括激光发射组件(1)、回波接收及预处理组件(2)、本地接收及预处理组件(3)、FPGA处理器(4)；FPGA处理器用锁相环产生两个时钟频率f₁、f₂，由时钟频率f₁分频产生一个测尺频率f_s的方波信号送给激光发射组件；激光发射组件内，测尺频率f_s的方波信号经过第一窄带滤波器(11)后变为正弦波，经由驱动器(12)产生驱动电流，驱动激光器(13)发射激光，经发射镜头(14)向目标发射；回波接收及预处理组件内，经目标反射的回波经接收镜头(21)、滤光片(22)后到达光电探测器(23)，光电探测器(23)输出光电信号依次经过前置放大器(24)、第二窄带滤波器(25)、主放大器(26)、第三窄带滤波器(27)及比较器(28)预处理后输出频率为f_s的方波A，送入到FPGA处理器；本地接收及预处理组件内，导光件(31)将激光器发射激光部分导入，对导入激光作与回波接收及预处理组件相同预处理后输出方波B，同样送入到FPGA处理器；FPGA处理器用时钟频率f₂对两路方波A、B同步读取，通过数据处理解算出两路方波之间相位差，对应给出目标距离；所述FPGA处理器用锁相环产生的两个时钟频率f₁、f₂，频率差Δf＝f₂-f₁，频率差Δf与测尺频率f_s之间应当满足如下关系：f_s＝(N/M)·Δf，其中，N为处理方波的周期个数，M为大于1的整数，N＞M，且N/M为不可简化的分数。