CN107607961A - 一种基于fpga的相位式激光测距系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的相位式激光测距系统，包括FPGA处理器、显示器、发射装置和接收装置，FPGA处理器的两个信号输出端分别与显示器和发射装置连接，FPGA处理器的信号输入端与接收装置连接，发射装置和接收装置均与待测目标对应设置。本发明还公开了一种基于FPGA的相位式激光测距方法，步骤包括：1)确定一组测尺；2)发射与接收调制信号；3)计算待测距离并显示。本发明的装置及方法，计算简化且精度高。成本较低，操作简便、易于维护与调试。

Description

一种基于FPGA的相位式激光测距系统和方法

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，涉及一种基于FPGA的相位式激光测距系统，本发明还涉及一种基于FPGA的相位式激光测距方法。

背景技术

目前，激光测距可分为脉冲式激光测距和相位式激光测距。其中的相位式激光测距中对激光信号进行调制，通过计算调制信号往返于待测路程上产生的相位差，利用调制信号波长，计算出待测距离大小。

传统的相位式激光测距仪，测程一般为几厘米到几百米，动态范围大，测量精度低，且采用单片机作为控制器，极大的限制了激光测距仪的计算速度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FPGA的相位式激光测距系统，解决了现有技术中存在测量精度低、计算速度慢的问题。

本发明的另一目的是提供一种基于FPGA的相位式激光测距方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于FPGA的相位式激光测距系统，包括FPGA处理器、显示器、发射装置和接收装置，FPGA处理器的两个信号输出端分别与显示器和发射装置连接，FPGA处理器的信号输入端与接收装置连接，发射装置和接收装置均与待测目标对应设置。

本发明所采用的另一技术方案是，一种基于FPGA的相位式激光测距方法，利用上述的基于FPGA的相位式激光测距系统，按照以下步骤实施：

步骤1、确定一组测尺：根据待测距离的范围和精度要求，确定两种频率调制信号作为一组测尺，该组测尺分为粗测尺和精测尺，粗测尺保证测量范围，精测尺保证精度要求；

步骤2、发射与接收调制信号：根据FPGA处理器的控制信号，发射装置发射一组调制信号，同时接收装置接收经待测目标反射回的调制信号并反馈至FPGA处理器；

步骤3、计算待测距离并显示：采用谱分析法，FPGA处理器实现发射信号与反射信号相位的计算，根据相位差和激光速度计算出待测距离，通过显示器实时显示待测距离。

本发明的有益效果是，

1)充分利用FPGA的并行处理方式，极大的提高测距系统计算速度；

2)采用一组测尺对待测距离实现测量，一方面保证了测量范围，另一方面保证了系统的高精度；

3)在计算相位过程中，采用查找表方式实现，一方面避免采用浮点型IP核耗占内存的缺陷，节约了存储空间；另一方面简化了计算且精度高。该系统成本较低，操作简便、易于维护与调试。

附图说明

图1是本发明的相位式激光测距系统连接框图；

图2是相位式激光测距原理框图；

图3是本发明谱分析法相位式激光测距原理框图；

图4是频率为1000Hz的正弦信号通过谱分析法计算得到频谱分布图。

图中，1.相位式激光测距系统，2.FPGA处理器，3.显示器，4.发射装置，5.接收装置，6.待测目标。

图中，A为发射装置4所在位置，B为待测目标6所在位置，A'为调制信号经待测物体发射后的接收装置5所在位置(在实际应用中，A'与A为同一位置，为了便于分析，将其展开在一条直线上)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明基于FPGA的相位式激光测距系统1，其结构是，包括FPGA处理器2、显示器3、发射装置4和接收装置5，FPGA处理器2的两个信号输出端分别与显示器3和发射装置4连接，FPGA处理器2的信号输入端与接收装置5连接，发射装置4和接收装置5均与待测目标6对应设置。

参照图2，本发明的工作原理是，

首先，根据待测距离的范围和精度要求，确定两种频率调制信号作为一组测尺用于测量待测距离；其次，通过发射装置4发射一组调制信号；接着接收装置5接收经待测目标6反射回来的调制信号，并将其反馈至FPGA处理器2；FPGA处理器2采用谱分析法完成发射信号及反射信号的相位对比；根据相位差及激光速度，计算出待测距离并通过显示器3实时显示。

参照图2，本发明的方法，按照以下步骤实施：

步骤1、确定一组测尺：根据待测距离的范围和精度要求，确定两种频率调制信号作为一组测尺，该组测尺分为粗测尺和精测尺，其中，粗测尺保证测量范围，精测尺保证精度要求。

具体步骤是，

参照图2，采用两种不同频率的测尺实现同一距离的测量，此时有

式中，N₁为零或正整数；ΔN₁为小数，为调制信号1不足整周期2π的相位移尾数，Δφ₂为调制信号2的相位，

根据相位式激光测距公式得到待测距离为：

式中，λ₁为调制信号1的波长，L₁＝λ₁/2称为侧尺，f为调制信号频率，f₁为调制信号1的频率，c为激光信号传播速度，

由于N₁的出现，使得待测距离出现了不确定性；同时，调制信号波长越大，测距精度越低，且随着待测距离的增大，采用单一频率的调制信号测距精度越低，所以，本步骤采用一组测尺实现统一距离的测量。一方面，根据待测距离范围，选取一种粗测尺(即图2中的调制波λ₂)，确保相位不足整周期，即确保了待测距离的唯一性；另一方面，根据测量精度要求，选取一种精测尺(即图2中的调制波λ₁)，实现高精度测量。

针对测量范围为500m，精度为0.005m的要求，粗测尺频率选取195312Hz，精测尺频率选取1500000Hz，此时，粗测尺保证了测距范围最大可达到为768m，精测尺保证了测距精度为0.0031m，完全满足测量需求。

步骤2、发射与接收调制信号：根据FPGA处理器2的控制信号，发射装置4发射一组调制信号，同时接收装置5接收经待测目标反射回的调制信号并反馈至FPGA处理器2；

步骤3、计算待测距离并显示：采用谱分析法，FPGA处理器2实现发射信号与反射信号相位的计算，根据相位差和激光速度计算出待测距离，通过显示器3实时显示待测距离。

3.1)谱分析法具体过程是，

参照图3，将参考信号x(t)经过快速傅立叶变换(FFT)得到信号的频谱分布，查找频谱分布的主谱线，即幅值最大处对应的频率，计算出主谱线的实部Re_x和虚部Im_x，则参考信号x(t)的相位值为同理，计算出回波信号y(t)的相位值为此时，参考信号x(t)和回波信号y(t)的相位差为再根据相位式激光测距公式c为激光速度，d为待测距离，得到待测距离为：

其中，基于FPGA的谱分析法采用16位精度进行计算。

3.2)发射信号与反射信号相位值的计算过程为，

参照图4，通过谱分析法计算得到发射信号和反射信号的频谱，查找确认频谱主谱线，便可计算出其相位正切值，根据系统速度及精度要求，选取查找表的方式实现反正切函数功能。

根据反正切函数为奇函数的特点，且利用万能公式：

tan(β+α)＝(tan(β)+tan(α))/(1-tan(β)tan(α))，

只需要设计正切函数值在区间[0,1]内的查找表，即将查找表大小减小四分之三。

已知x＝tan(θ)，则θ＝arctan(x)，根据谱分析法采用16位精度，故相位角的计算亦采用16位精度，则角度的精度为0.0055°，设计0°≤θ<45°区查找表，则共需要10418个数据，每个数据大小为16bit，由于FPGA中ROM大小只能为2的幂次，故选取ROM的大小为2¹⁴，从而查找表大小为2¹⁴×2⁴＝229376bit，

当0°≤θ<45°时，0≤x<1，直接进行查表输出θ＝arctan(x)的值；

当45°≤θ<90°时，令θ＝45°+α，y＝tan(α)，其中0°≤α<45°，0≤y<1，由于tan(45°+α)＝(1+tan(α))/(1-tan(α))，且x＝tan(θ)，则有y＝(1+x)/(1-x)，此时，求出0≤y<1，故而，当1≤x<∞时，arctan(x)＝θ＝45°+α＝45°+arctan((x-1)/(x+1))；

当x<0时，先计算arctan(-x),最后输出-arctan(x)。

本发明的相位式激光测距系统和方法，具体实现该技术的方法和途径很多，以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围，本发明实施例中未明示的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的相位式激光测距系统，其特征在于：包括FPGA处理器(2)、显示器(3)、发射装置(4)和接收装置(5)，FPGA处理器(2)的两个信号输出端分别与显示器(3)和发射装置(4)连接，FPGA处理器(2)的信号输入端与接收装置(5)连接，发射装置(4)和接收装置(5)均与待测目标对应设置。

2.一种基于FPGA的相位式激光测距方法，利用权利要求1所述的基于FPGA的相位式激光测距系统，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、确定一组测尺：根据待测距离的范围和精度要求，确定两种频率调制信号作为一组测尺，该组测尺分为粗测尺和精测尺，粗测尺保证测量范围，精测尺保证精度要求；

步骤2、发射与接收调制信号：根据FPGA处理器(2)的控制信号，发射装置(4)发射一组调制信号，同时接收装置(5)接收经待测目标反射回的调制信号并反馈至FPGA处理器(2)；

步骤3、计算待测距离并显示：采用谱分析法，FPGA处理器(2)实现发射信号与反射信号相位的计算，根据相位差和激光速度计算出待测距离，通过显示器(3)实时显示待测距离。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的相位式激光测距方法，其特征在于：所述的步骤1中，具体步骤是，

采用两种不同频率的测尺实现同一距离的测量，此时有

或

式中，N₁为零或正整数；ΔN₁为小数， 为调制信号1不足整周期2π的相位移尾数，Δφ₂为调制信号2的相位，

根据相位式激光测距公式得到待测距离为：

式中，λ₁为调制信号1的波长，L₁＝λ₁/2称为侧尺，f为调制信号频率，f₁为调制信号1的频率，c为激光信号传播速度。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA的相位式激光测距方法，其特征在于：所述的针对测量范围为500m，精度为0.005m的要求，粗测尺频率选取195312Hz，精测尺频率选取1500000Hz。

5.根据权利要求2所述的基于FPGA的相位式激光测距方法，其特征在于：所述的步骤3中，谱分析法具体过程是，

将参考信号x(t)经过快速傅立叶变换得到信号的频谱分布，查找频谱分布的主谱线，即幅值最大处对应的频率，计算出主谱线的实部Re_x和虚部Im_x，则参考信号x(t)的相位值为同理，计算出回波信号y(t)的相位值为此时，参考信号x(t)和回波信号y(t)的相位差为再根据相位式激光测距公式c为激光速度，d为待测距离，得到待测距离为：

其中，基于FPGA的谱分析法采用16位精度进行计算。

6.根据权利要求2所述的基于FPGA的相位式激光测距方法，其特征在于：所述的步骤3中，发射信号与反射信号相位值的计算过程为，

通过谱分析法计算得到发射信号和反射信号的频谱，查找确认频谱主谱线，计算出其相位正切值，根据系统速度及精度要求，选取查找表的方式实现反正切函数功能，利用万能公式：

tan(β+α)＝(tan(β)+tan(α))/(1-tan(β)tan(α))，

设计正切函数值在区间[0,1]内的查找表，即将查找表大小减小四分之三，

已知x＝tan(θ)，则θ＝arctan(x)，根据谱分析法采用16位精度，故相位角的计算亦采用16位精度，则角度的精度为0.0055°，设计0°≤θ<45°区查找表，则共需要10418个数据，每个数据大小为16bit，ROM的大小为2¹⁴，查找表的大小为2¹⁴×2⁴＝229376bit，

当0°≤θ<45°时，0≤x<1，直接进行查表输出θ＝arctan(x)的值；

当45°≤θ<90°时，令θ＝45°+α，y＝tan(α)，其中0°≤α<45°，0≤y<1，由于tan(45°+α)＝(1+tan(α))/(1-tan(α))，且x＝tan(θ)，则有y＝(1+x)/(1-x)，此时，求出0≤y<1，故而，当1≤x<∞时，arctan(x)＝θ＝45°+α＝45°+arctan((x-1)/(x+1))；

当x<0时，先计算arctan(-x),最后输出-arctan(x)。