CN106054203A - 激光测距装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光测距装置，属于测量领域。所述装置包括激光发射器、激光接收器、相位测量器和处理器：激光发射器用于发射第一参考激光，第一参考激光的频率大于第一阈值；激光接收器用于接收第一测量激光，第一测量激光为第一参考激光经待测物反射后返回激光测距装置的激光；相位测量器用于测量第一参考激光与第一测量激光的第一相位差；处理器用于确定初始距离，根据第一相位差和初始距离计算激光测距装置与待测物间的距离。本发明提供的激光测距装置用于测量距离。本发明提供的激光测距装置提高了距离测量的精度。

Description

激光测距装置

技术领域

本发明涉及测量领域，特别涉及一种激光测距装置。

背景技术

随着科学技术的发展，在工程中需要对距离进行测量的场景越来越多，而且，工程上对距离测量精度的要求也越来越高，因此，提供满足一定精度要求的激光测距装置十分必要。

相关技术中，激光测距装置可以发出脉冲激光，该脉冲激光经待测物反射后返回激光测距装置，激光测距装置测量发射脉冲激光和接收脉冲激光的时间差，利用该时间差和光速即可计算得到激光测距装置距该待测物的距离值。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

发射脉冲激光测距时测距精确度主要受到时间差测量精确度的影响，然而由于时间测量技术的限制，现有技术中激光测距装置对上述时间差的测量精度较差，这就导致激光测距装置对距离的测量精度也较差。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种激光测距装置。所述激光测距装置包括：激光发射器、激光接收器、相位测量器和处理器：

所述激光发射器用于发射第一参考激光，所述第一参考激光的频率大于第一阈值；

所述激光接收器用于接收第一测量激光，所述第一测量激光为所述第一参考激光经待测物反射后返回所述激光测距装置的激光；

所述相位测量器用于测量所述第一参考激光与所述第一测量激光的第一相位差；

所述处理器用于确定初始距离，根据所述第一相位差和所述初始距离计算所述激光测距装置与所述待测物间的距离。

可选的，所述激光发射器包括第一振荡器和激光调制器；

所述第一振荡器用于产生第一电信号；

所述激光调制器用于根据所述第一电信号生成所述第一参考激光；

所述激光调制器还用于发射所述第一参考激光。

可选的，所述相位测量器包括光电探测器和测相器；

所述光电探测器用于将所述第一测量激光转换为第二电信号；

所述测相器用于测量所述第二电信号和所述第一电信号之间的电信号相位差，将所述电信号相位差确定为所述第一相位差。

可选的，所述激光发射器还用于发射第二参考激光，所述第二参考激光的频率小于第二阈值，所述第二阈值小于所述第一阈值；

所述激光接收器还用于接收第二测量激光，所述第二测量激光为所述第二参考激光经所述待测物反射后返回所述激光测距装置的激光；

所述相位测量器还用于测量所述第二参考激光与所述第二测量激光的第二相位差；

所述处理器还用于根据所述第二相位差确定所述初始距离。

可选的，所述相位测量器还包括第二振荡器和混频器；

所述第二振荡器用于产生第三电信号，所述第三电信号的频率与所述第一电信号的频率的差值小于第三阈值；

所述混频器用于将所述第三电信号和所述第一电信号进行差频，得到第一差频信号；

所述混频器还用于将所述第三电信号和所述第二电信号进行差频，得到第二差频信号；

所述测相器用于测量所述第一差频信号和所述第二差频信号的差频相位差，将所述差频相位差确定为所述电信号相位差。

可选的，所述激光接收器包括凸透镜；

所述凸透镜用于会聚所述第一测量激光。

可选的，所述激光测距装置还包括显示频；

所述显示频用于显示所述激光测距装置与所述待测物间的距离值。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过测量第一参考激光和第一测量激光之间的第一相位差，并通过初始距离和该第一相位差计算得到该激光测距装置与该待测物之间的距离，使得激光测距装置不需要通过测量时间差来计算距离值，而是通过测量相位差来计算距离值，由于相位差的测量精度比时间差的测量精度高，因此，可以显著地提高激光测距装置对距离的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的激光测距装置100的结构框图。

图2是本发明实施例提供的激光发射器101的结构框图。

图3是本发明实施例提供的相位测量器103的结构框图。

图4是本发明实施例提供的测相器1032的结构框图。

图5是本发明实施例提供的A、B、C、D波形示意图。

图6是本发明实施例提供的相位测量器103的结构框图。

图7是本发明实施例提供的激光测距装置100的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种激光测距装置100的结构示意图，如图1所示，该激光测距装置100包括：激光发射器101、激光接收器102、相位测量器103和处理器104。

该激光发射器101用于发射第一参考激光，该第一参考激光的频率大于第一阈值。

该激光接收器102用于接收第一测量激光，该第一测量激光为该第一参考激光经待测物110反射后返回该激光测距装置100的激光。

该相位测量器103用于测量该第一参考激光与该第一测量激光的第一相位差。

该处理器104用于确定初始距离，根据该第一相位差和该初始距离计算该激光测距装置100与该待测物间110的距离。

为了使读者对本发明的技术过程有直观的了解，下面本发明将对激光测距装置100测量距离的原理进行简要说明。

例如，第一参考激光的光强为I₁＝Asin(ωt+φ₁)，第一测量激光为第一参考激光经待测物110反射后返回该激光测距装置100的激光，因此，第一测量激光与第一参考激光之间存在着相位延迟，则第一测量激光的光强为I₂＝Asin(ωt+φ₁-ωt_D)，其中，t_D为接收第一测量激光和发射第一参考激光的时间差，则第一测量激光和第一参考激光的相位差Δφ＝ωt_D。

待测物110距激光测距装置100的距离可以用以下公式计算：将代入上述公式中，上述公式可变形为其中，Δφ₁为相位差Δφ中不足2π的部分，N为正整数。

本发明提供的激光测距装置可以测量Δφ₁，因此，本发明可以计算得到上述Δφ₁对应的距离值，当第一参考激光的波长小于预设阈值时，也即是，该第一参考激光的频率大于该第一阈值时，Δφ₁对应的距离值小于某一阈值，通俗来讲，Δφ₁对应的距离值可以足够小，此时，Δφ₁对应的距离值虽然不是该待测物100与该激光测距装置100的距离，但是其可以起到提高距离测量的精度的效果。本发明可以根据Δφ₁对应的距离值与该初始距离即可计算得到该待测物100与该激光测距装置100的距离。

例如，在本发明的一个实施例中，该第一参考激光的频率可以为150MHz，计算得到Δφ₁对应的距离值为2.13m，而初始距离为565m，则最终计算得到的该待测物100与该激光测距装置100的距离为562.13m。

综上所述，本实施例提供的激光测距装置，通过测量第一参考激光和第一测量激光之间的第一相位差，并通过初始距离和该第一相位差计算得到该激光测距装置与该待测物之间的距离，使得激光测距装置不需要通过测量时间差来计算距离值，而是通过测量相位差来计算距离值，由于相位差的测量精度比时间差的测量精度高，因此，可以显著地提高激光测距装置对距离的测量精度。

进一步地，如图2所示，该激光发射器101包括第一振荡器1011和激光调制器1012；

该第一振荡器1011用于产生第一电信号。

该激光调制器1012用于根据该第一电信号生成该第一参考激光。

该激光调制器1012还用于发射该第一参考激光。

在实际应用中，该第一振荡器1011可以产生第一电信号，该第一电信号为一个波动信号，在本发明的一个实施例中，该第一电信号可以为正弦波电信号，当然，该第一电信号还可以为矩形波信号等，本发明对此不做具体限定。该激光调制器1012可以根据该第一电信号进行激光调制，生成该第一参考激光，该第一参考激光的振幅、频率、相位等均与该第一电信号相同。

进一步地，如图3所示，该相位测量器103包括光电探测器1031和测相器1032。

该光电探测器1031用于将该第一测量激光转换为第二电信号。

该测相器1032用于测量该第二电信号和该第一电信号之间的电信号相位差，将该电信号相位差确定为该第一相位差。

本发明提供的测相器1032可以用来测量两个电信号之间的相位差。因此，本发明提供的相位测量器103需要设置光电探测器1031，从而把第一测量激光这一光信号转换为第二电信号，该第二电信号的幅值、频率以及相位与该第一测量激光的相同。

测相器1032可以用于测量该第一电信号和第二电信号的相位差，具体地，如图4所示，该测相器1032可以包括RS触发器10321、与门10322和计数器10323。

如图所示，将第一电信号A输入至该RS触发器10321的R端，将第二电信号B输入至该RS触发器10321的S端，该RS触发器10321在R端为0(即第一电信号为低电平)，S端为1(也即是第二电信号为高电平)时，为1，在R端为1(也即是第一电信号为高电平)，S端为0(也即是第二电信号为低电平)时，为0。则如图5所示，将第一电信号A和第二电信号B输入该RS触发器10321后，输出端可以输出一个脉冲宽度等于第一电信号A和第二电信号B时延的方波，将该方波输入与门10322中作为门控信号C，此外，与门10322中还输入时钟脉冲T，当该门控信号C为高电平(1)时，时钟脉冲T可以通过与门10322，如图5所示的D即为时钟脉冲T在该门控信号C为高电平时通过该与门10322的示意图，计数器10323可以记录通过与门10322的时钟脉冲T的个数，则通过该时钟脉冲T的个数、时钟脉冲T的频率即可计算该第一电信号A和该第二电信号B的不足2π的相位差。

可选的，该激光发射器101还用于发射第二参考激光，该第二参考激光的频率小于第二阈值，该第二阈值小于该第一阈值。

该激光接收器102还用于接收第二测量激光，该第二测量激光为该第二参考激光经该待测物110反射后返回该激光测距装置100的激光。

该相位测量器103还用于测量该第二参考激光与该第二测量激光的第二相位差。

该处理器104还用于根据该第二相位差确定该初始距离。

与上述同理的，本发明提供的激光测距装置100可以测量第二参考激光和第二测量激光不足2π的相位差，因此，当第二参考激光的波长大于某一阈值，也即是，该第二参考激光的频率小于该第二阈值时，第二参考激光的波长大于该待测物110和该激光测距装置100之间的距离值，此时，通过测量第二参考激光和第二测量激光不足2π的相位差即可计算得出该待测物110和该激光测距装置100之间的距离值。具体地，该待测物110和该激光测距装置100之间的距离值为其中，D为该待测物110和该激光测距装置100之间的距离值，λ₂为第二参考激光的波长，Δφ₂为第二参考激光和第二测量激光不足2π的相位差。在本发明中，该处理器104可以将利用上述公式计算得到的D确定为该初始距离，该初始距离可以反映该待测物110和该激光测距装置100之间的距离值，但是，由于λ₂的值较大，因此，该初始距离的精度不高，讲该初始距离与上文所述的Δφ₁对应的距离值结合起来即可得到精度较高的该待测物110和该激光测距装置100之间的距离值。

进一步地，如图6所示，该相位测量器103还包括第二振荡器1033和混频器1034。

该第二振荡器1033用于产生第三电信号，该第三电信号的频率与该第一电信号的频率的差值小于第三阈值。

该混频器1034用于将该第三电信号和该第一电信号进行差频，得到第一差频信号。

该混频器1034还用于将该第三电信号和该第二电信号进行差频，得到第二差频信号。

该测相器1032用于测量该第一差频信号和该第二差频信号的差频相位差，将该差频相位差确定为该电信号相位差。

如上所述，该第一参考激光的频率大于第一阈值，也即是，该第一电信号的频率大于第一阈值，同样地，第二电信号的频率也大于该第一阈值。测量高频信号之间的相位差会出现很多干扰因素，导致测量精度较低，例如，高频信号中的寄生参量会导致信号出现相位偏移等。为了提高相位差的测量精度，本发明还可以对该第一电信号和第二电信号进行差频，以降低该第一电信号和第二电信号的频率，从而提高相位差的测量精度，而且，经过差频后的第一电信号与经过差频后的第二电信号的相位差和未经过差频的第一电信号与未经过差频的第二电信号的相位差相等，因此，对该第一电信号和第二电信号进行差频也不会增加额外的运算逻辑。

例如，第一电信号为A sin(ωt+φ₁)，第二电信号为A sin(ωt+φ₁-ωt_D)，第三电信号为A sin(ω₁t+φ₀)，经过与第三电信号差频后，第一电信号变为第一差频信号A sin(|ω-ω₁|t+φ₁-φ₀)，经过与第三电信号差频后，第二电信号变为第二差频信号A sin(|ω-ω₁|t+φ₁-φ₀-ωt_D)，由此可见，经过与第三电信号差频后，第一电信号和第二电信号的频率值降低了，而它们之间的相位差却没有发生变化。

至于该测相器1032测量该第一差频信号和该第二差频信号的差频相位差的技术过程与尚未所述同理，本发明在此不再赘述。

进一步地，该激光接收器102包括凸透镜；该凸透镜用于会聚该第一测量激光。

进一步地，如图7所示，该激光测距装置100还包括显示屏105；该显示屏105用于显示该激光测距装置与该待测物间的距离值。

可选的，该处理器104包括单片机和CPLD(可编程逻辑器件)。

综上所述，本实施例提供的激光测距装置，通过测量第一参考激光和第一测量激光之间的第一相位差，并通过初始距离和该第一相位差计算得到该激光测距装置与该待测物之间的距离，使得激光测距装置不需要通过测量时间差来计算距离值，而是通过测量相位差来计算距离值，由于相位差的测量精度比时间差的测量精度高，因此，可以显著地提高激光测距装置对距离的测量精度。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光测距装置，其特征在于，所述激光测距装置包括激光发射器、激光接收器、相位测量器和处理器：

所述激光发射器用于发射第一参考激光，所述第一参考激光的频率大于第一阈值；

所述激光接收器用于接收第一测量激光，所述第一测量激光为所述第一参考激光经待测物反射后返回所述激光测距装置的激光；

所述相位测量器用于测量所述第一参考激光与所述第一测量激光的第一相位差；

所述处理器用于确定初始距离，根据所述第一相位差和所述初始距离计算所述激光测距装置与所述待测物间的距离。

2.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述激光发射器包括第一振荡器和激光调制器；

所述第一振荡器用于产生第一电信号；

所述激光调制器用于根据所述第一电信号生成所述第一参考激光；

所述激光调制器还用于发射所述第一参考激光。

3.根据权利要求2所述的激光测距装置，其特征在于，所述相位测量器包括光电探测器和测相器；

所述光电探测器用于将所述第一测量激光转换为第二电信号；

所述测相器用于测量所述第二电信号和所述第一电信号之间的电信号相位差，将所述电信号相位差确定为所述第一相位差。

4.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述激光发射器还用于发射第二参考激光，所述第二参考激光的频率小于第二阈值，所述第二阈值小于所述第一阈值；

所述激光接收器还用于接收第二测量激光，所述第二测量激光为所述第二参考激光经所述待测物反射后返回所述激光测距装置的激光；

所述相位测量器还用于测量所述第二参考激光与所述第二测量激光的第二相位差；

所述处理器还用于根据所述第二相位差确定所述初始距离。

5.根据权利要求3所述的激光测距装置，其特征在于，所述相位测量器还包括第二振荡器和混频器；

所述第二振荡器用于产生第三电信号，所述第三电信号的频率与所述第一电信号的频率的差值小于第三阈值；

所述混频器用于将所述第三电信号和所述第一电信号进行差频，得到第一差频信号；

所述混频器还用于将所述第三电信号和所述第二电信号进行差频，得到第二差频信号；

所述测相器用于测量所述第一差频信号和所述第二差频信号的差频相位差，将所述差频相位差确定为所述电信号相位差。

6.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述激光接收器包括凸透镜；

所述凸透镜用于会聚所述第一测量激光。

7.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述激光测距装置还包括显示频；

所述显示频用于显示所述激光测距装置与所述待测物间的距离值。