CN106257237A - 单个锁相环的相位式激光测距仪 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种单个锁相环的相位式激光测距仪，包括锁相环、激光发射器、单片机、第一混频器、激光接收器和第二混频器，由单片机输出的低频信号和锁相环输出的高频主振频率混频产生本振频率，该本振频率与经外光路后产生相位延迟的高频主振频率混频输出外光路低频信号给单片机的其中一个ADC口；由单片机直接输出低频信号作为内光路低频信号给另一个ADC口；单片机同时同步采样两个ADC口的信号，计算两者的相位差。本发明优化了现有相位式激光测距仪的结构，降低成本，且提高其测距精度。

Description

单个锁相环的相位式激光测距仪

技术领域

本发明涉及相位式激光测距仪技术领域，尤其是涉及一种单个锁相环的相位式激光测距仪。

背景技术

激光测距仪，作为非接触式的测量仪器，已被广泛使用于遥控、精密测量、工程建设、安全监测及智能控制等领域，相位式激光测距仪以其精度高、功率小何便捷的特点，适用于民用范畴，有较大的市场和应用前景。相位法测距通过测定调制光波经空气传播后所产生的相位移，从而求得光波所走过的路程。

传统的相位式激光测距仪工作原理如图1所示：由单片机控制主振锁相环(以下简称主振)输出高频测距信号给激光发射器，以及由单片机控制本振锁相环(以下简称本振)输出高频信号+低频信号给测距信号混频器。

激光发射器所发出的光波(红外光或激光)被来自主振的高频测距信号所调制，成为调幅波。这种调幅波经外光路反射进入激光接收装置，会聚在光电器件上，光信号立即转化为电信号。这个电信号就是调幅波往返于测线后经过解调的高颇测距信号，它的相位已延迟了。而调幅波经内光路直接进入激光接收装置则没有发生相位延迟。

经解调后的相位延迟的高频测距信号和测距参考信号与本振的高频信号+低频信号经测距信号混频器进行光电混频，经过选频放大后分别得到一个低频测距信号和低频测距参考信号，低频测距信号仍保留了高频测距信号原有的相位延迟。单片机对低频测距信号和低频测距参考信号分别进行采样，计算出往返于测线的相位延迟结果。

但在具体实践过程中，我们发现，上述现有的相位式激光测距仪存在以下几个问题：1、系统中有两个频率发生器，主振锁相环和本振锁相环，成本比较高；2、混频后产生的两个低频信号，需要一个同步采样失踪信号，不然会导致采样结果偏差大；3、内外光路需要使用物理开关切换，较为繁琐；4、频率计算复杂，锁相环输出频率需要反复验证；5、使用同一个ADC口分时进行信号采样，花费时间长，数据不实时。因为，传统相位式激光测距仪中，外光路和内光路的高频信号不是同时进入激光接收装置的。事实上，一次激光测距中，先只让外光路进入接收装置，完成ADC波形采样后，再只让内光路进入接收装置，完成ADC波形采样，最后计算两者的相位差。这种操作下，可以发现这两段内外光路波形采样数据，并不是发生在同一时间。所以如果切换时间不够快，就会导致最终计算结果偏差大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种单个锁相环的相位式激光测距仪，以优化现有相位式激光测距仪的结构，降低成本，且提高其测距精度。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种单个锁相环的相位式激光测距仪，包括锁相环、激光发射器、单片机、第一混频器、激光接收器和第二混频器，所述单片机具有第一ADC引脚和第二ADC引脚，

所述锁相环输出高频主振频率给所述激光发射器和第一混频器；

所述激光发射器发出光波经所述高频主振频率调制成调幅波发送给所述激光激光接收器；

所述单片机输出低频信号给所述第一混频器及将所述低频信号作为内光路低频信号直接输出给第二ADC引脚；

所述第一混频器将接收的所述高频主振频率和所述低频信号混频输出本振频率给所述第二混频器；

所述激光接收器解调所述调幅波并输出相位延迟后的高频主振频率给所述第二混频器；

所述第二混频器将接收的所述本振频率和相位延迟后的高频主振频率混频产生外光路低频信号给所述单片机的第一ADC引脚；

所述单片机同时同步采样所述第一ADC引脚和第二ADC引脚对应的外、内光路的低频信号，计算出两者的相位差。

优选地，还包括与所述单片机双向通信的数据输出及控制输入装置。

优选地，所述数据输出及控制输入装置至少为按键和段码式液晶或蓝牙手机。

优选地，所述第一混频器和第二混频器之间还连接一高通滤波器，所述本振频率经所述高通滤波器输出上混频信号给所述第二混频器。

优选地，所述第一混频器和第二混频器之间还连接一第一低通滤波器，所述本振频率经所述第一低通滤波器输出下混频信号给所述第二混频器。

优选地，所述第二混频器和所述第一ADC引脚之间还连接一第二低通滤波器，用于对所述第二混频器输出的信号进行低通率波并输出所述外光路低频信号给所述单片机的第一ADC引脚。

优选地，所述单片机第二ADC引脚的上游还设置一第三低通滤波器，所述单片机输出的低频信号经所述第三低通滤波器过滤后输出所述内光路低频信号给第二ADC引脚。

优选地，所述第二混频器和激光接收器集成于一雪崩光电二极管内，即可将两者替换为一雪崩光电二极管(APD)。

本发明的有益效果是：

1、只使用一个锁相环，产生主振信号，降低成本。

2、使用2个ADC引脚，同时同步进行ADC信号采样，保证内外光路信号同步，省去了ADC采样同步时钟，也不需要内外光路切换开关，简化了结构设计，同时也增加了采样速度和计算结果的可靠性。

3、使用混频器产生本振信号，频率不需要计算，所以不用去考虑本振信号是否能够锁定。

附图说明

图1是现有相位式激光测距仪的原理示意图；

图2是本发明实施例单个锁相环的相位式激光测距仪的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图2所示，本发明实施例所揭示的一种单个锁相环的相位式激光测距仪，包括数据输出及控制输入装置、单片机、锁相环、激光发射器、第一混频器、激光接收器、滤波器、第一低通滤波器、第二低通滤波器和第二混频器，单片机具有第一ADC引脚和第二ADC引脚两个采样口。

数据输出及控制输入装置与单片机双向通信，用于进行控制数据的输入以及测量数据的输出，数据输出及控制输入装置一般可使用按键和段码式液晶，部分激光测距仪使用蓝牙手机通信，当然其他能够实现数据输入和输出的设备也同样适用。

单片机控制锁相环输出一高频主振频率给激光发射器和第一混频器，同时直接输出一低频信号。单片机可采用STM32系列单片机。

激光发射器用于发出光波，该光波经锁相环输出的高频主振频率调制后输出调幅波发送给激光激光接收器；激光接收器解调该调幅波后输出经相位延迟后的高频主振频率给第二混频器。

第一混频器接收锁相环的高频主振频率和单片机的低频信号，并将两者混频产生本振频率输出给滤波器滤波。这里的滤波器可采用高通或第一低通滤波器，当选用高通滤波器时，经滤波后输出上混频信号给第二混频器；当选用第一低通滤波器时，经滤波后输出下混频信号给第二混频器。本发明中的本振频率是由单片机自己产生的，与现有技术相比，在结构上省去了一个锁相环，且本振频率不需要计算，如果采样的定时器时钟有一定偏差，那么同样低频也会有相同的偏差，最终的采样还是可以满足一周期固定的采样次数。

第二混频器接收激光接收器的高频主振频率和经滤波器过滤后的上/下混频信号，并将两者进行混频，混频产生的信号输出给第二低通滤波器进行过滤，过滤后输出外光路低频信号给单片机的第一ADC引脚。

另外，单片机输出的低频信号经第三低通滤波器过滤后，输出内光路低频信号给单片机的第二ADC引脚。

单片机同时同步采样第一ADC引脚和第二ADC引脚处对应的外、内光路的低频信号，计算出两者的相位差。本发明采用单片机的两个ADC引脚同时同步进行ADC信号采样，省去了ADC采样同步时钟，也不需要内外光路切换开关，简化了结构设计，同时也增加了采样速度和计算结果的可靠性。单片机计算相位差的原理为公知技术，这里便不再赘述。

作为可替换的，可将上述方案中的第二混频器和激光接收器集成于一APD内，即可将两者替换为一雪崩光电二极管(APD)，由APD实现激光接收和混频。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种单个锁相环的相位式激光测距仪，其特征在于：包括锁相环、激光发射器、单片机、第一混频器、激光接收器和第二混频器，所述单片机具有第一ADC引脚和第二ADC引脚，

所述锁相环输出高频主振频率给所述激光发射器和第一混频器；

所述激光发射器发出光波经所述高频主振频率调制成调幅波发送给所述激光激光接收器；

所述单片机输出低频信号给所述第一混频器及将所述低频信号作为内光路低频信号直接输出给第二ADC引脚；

所述第一混频器将接收的所述高频主振频率和所述低频信号混频输出本振频率给所述第二混频器；

所述激光接收器解调所述调幅波并输出相位延迟后的高频主振频率给所述第二混频器；

所述第二混频器将接收的所述本振频率和相位延迟后的高频主振频率混频产生外光路低频信号给所述单片机的第一ADC引脚；

所述单片机同时同步采样所述第一ADC引脚和第二ADC引脚对应的外、内光路的低频信号，计算出两者的相位差。

2.根据权利要求1所述的单个锁相环的相位式激光测距仪，其特征在于，还包括与所述单片机双向通信的数据输出及控制输入装置。

3.根据权利要求2所述的单个锁相环的相位式激光测距仪，其特征在于，所述数据输出及控制输入装置至少为按键和段码式液晶或蓝牙手机。

4.根据权利要求1所述的单个锁相环的相位式激光测距仪，其特征在于，所述第一混频器和第二混频器之间还连接一高通滤波器，所述本振频率经所述高通滤波器输出上混频信号给所述第二混频器。

5.根据权利要求1所述的单个锁相环的相位式激光测距仪，其特征在于，所述第一混频器和第二混频器之间还连接一第一低通滤波器，所述本振频率经所述第一低通滤波器输出下混频信号给所述第二混频器。

6.根据权利要求1所述的单个锁相环的相位式激光测距仪，其特征在于，所述第二混频器和所述第一ADC引脚之间还连接一第二低通滤波器，用于对所述第二混频器输出的信号进行低通率波并输出所述外光路低频信号给所述单片机的第一ADC引脚。

7.根据权利要求1所述的单个锁相环的相位式激光测距仪，其特征在于，所述单片机第二ADC引脚的上游还设置一第三低通滤波器，所述单片机输出的低频信号经所述第三低通滤波器过滤后输出所述内光路低频信号给第二ADC引脚。

8.根据权利要求1所述的单个锁相环的相位式激光测距仪，其特征在于，所述第二混频器和激光接收器集成于一雪崩光电二极管内。