CN111474551A - 一种基于fpga激光相位测距系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于FPGA激光相位测距系统及方法，信号系统控制处理单元控制相位数字频率合成源同时产生并输出两种频率的信号；其中一种信号作为测距信号，经过第一低通滤波器后送往激光调制电路调制发射的激光，产生的激光经过被测目标反射回来，然后被激光接收电路捕获并进行放大，再进入第二混频器；另一种信号作为参考信号，信号调理电路完成对测距信号的数据采集，再经过A/D转化电路送往信号系统控制处理单元进行计算实现高精度测距。本发明激光测距效率高、精度高、使用价值高、误报率低；基于相位法混频进行设计，能实现在百米范围内低成本快速测距；通过对系统校正以及研制改正，避免了大气折射率不准确引入的误差。
Description
技术领域
本发明属于激光检测领域，具体涉及一种基于FPGA激光相位测距系统及方法。
背景技术
激光在检测领域中的应用十分广泛，对社会生产和生活的影响也十分明显。激光测距是激光最早的应用之一，由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。目前市场上激光测距虽然原理简单、结构简单，但以前主要用于民用方面，在工业自动化方面却很少见，因为激光测距传感器售价太高。
目前市面上使用的激光测距使用的方案是传统的脉冲法进行测距，利用激光在空气中的传播速度基本不变,所以通过测量激光到目标往返所用时间就可计算出到目标物的距离,脉冲激光测距正是利用了这一特性,它通过测定激光脉冲在被测目标距离走一个往返的时间来测定目标的距离。激光测距经由触发信号触发,对目标发射一个或一列很窄的光脉冲(脉冲宽度小于等于50ns),测量自发射光脉冲起始,到达目标并由目标返回到接收机的时间,由此计算出目标距离。
目前市场在相关测距进行非接触式方案中设备输出速率低，耗时耗力、生产成本高，且测量精度严重达不到要求，在一定光照条件下无法使用等等。
需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
发明内容
本发明目的在于提供了一种基于FPGA激光相位测距系统及方法，实现了测量精度高且避免了大气折射率不准确引入的误差。
为实现上述目的本发明采用如下技术方案：
该基于FPGA激光相位测距系统，包括信号系统控制处理单元、相位数字频率合成源、第一低通滤波器、第二低通滤波器、激光调制电路、激光接收电路、带通滤波器、第一混频器、第二混频器、信号调理电路和A/D转化电路；
所述信号系统控制处理单元与相位数字频率合成源的输入端连接，所述相位数字频率合成源的输出端分别与第一低通滤波器和第二低通滤波器的输入端连接；
所述第一低通滤波器的输出端分别与所述激光调制电路和第一混频器的输入端连接，所述激光调制电路的输出端发送的测距信号经过被测目标反射进入所述激光接收电路，所述激光接收电路的输出端与所述带通滤波器的输入端连接，所述带通滤波器的输出端与所述第二混频器的输入端连接；
所述第二低通滤波器的输出端分别与所述第一混频器和第二混频器的输入端连接；
所述第一混频器和第二混频器输出端都与所述信号调理电路的输入端连接，所述信号调理电路的输出端与所述A/D转化电路的输入端连接，所述A/D转化电路的输出端与信号系统控制处理单元连接。
进一步地，还包括测距无线输出单元，所述测距无线输出单元与所述信号系统控制处理单元连接。
上述的基于FPGA激光相位测距系统的测距方法，包括以下步骤：
S1：信号系统控制处理单元控制相位数字频率合成源同时产生并输出两种频率的信号；
S2:所述步骤S1输出的其中一种信号作为测距信号，所述测距信号经过第一低通滤波器后生成两路波，一路波进入第一混频器，另一路波送往激光调制电路调制发射的激光，产生的激光经过被测目标反射回来，然后被激光接收电路捕获并进行放大，再进入第二混频器；
S3:所述步骤S1输出的其中另一种信号作为参考信号，所述参考信号经过第二低通滤波器后生成两路波，分别进入第一混频器和第二混频器；
S4:所述第一混频器和第二混频器将信号混频后送往信号调理电路，完成对测距信号的数据采集，再经过A/D转化电路送往信号系统控制处理单元进行计算实现高精度测距。
进一步地，上述测距信号为正弦信号。
进一步地，上述参考信号为正弦信号。
本发明的有益效果：
1)本发明激光测距效率高、精度高、使用价值高、误报率低；基于相位法混频进行设计，能实现在百米范围内低成本快速测距，测距精度达到毫米级；
2)由于光在大气中传播的速度C受大气折射率变化的影响误差大，本发明通过对系统校正以及研制改正，避免了大气折射率不准确引入的误差；
3)本法发明设备重量轻、体积小、抗震性强、操作简单快速而准确，其测量误差为其他光学误差的百分之一；
4)本发明内部集成了无线传输方式，可实现自动组网功能，可与APP连接实现实时在线数据传输；
5)本发明所用的激光具有高度相干性、单色性极高、其激光束窄，有效功率和照度较高；
6)本发明光接收电路由光电倍增管和分压、滤波电路组成，担负着光电转换，其灵敏度高，稳定性好，噪声小。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明的差频检相原理图；
图3是本发明相位式激光测距原理图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
本发明基于FPGA(现场可编程门阵列)激光相位测距系统,FPGA(现场可编程门阵列)是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。本系统及方法采用相位调制法，采用激光相位测距法取得高精度，需要解决除大气温度、气压和温度外在因素，还包括激光测距自身的发射功率、测量平均次数和调制频率等参数，这些因素都是限制激光相位调制精度的问题。
本发明可实现于精密测距方面,测距精度达到毫米级。相位激光测距向目标发射一组连续波,连续波经过测距目标反射回来从而产生了相位差，通过测出相位差就可计算出目标距离。
本发明的工作流程如下：
如图1和图2，信号系统控制处理单元控制相位数字频率合成源DDS写入频率控制数据，DDS产生两个频率相差较大的正弦信号，其中一路作为参考信号，另一路信号经过低通滤波器生成标准的正弦波送往激光调制电路，调制发射的激光，成为测距信号；该测距信号经过被测目标反射回来，被激光接收电路捕获并进行放大，经过放大的信号通过低通滤波器与参考信号经过混频器，进行混频后送往信号调理电路，再经过A/D转化电路，完成对带有测距信号相位偏差的测距信号的数据采集；并对采集到的数据送往信号系统控制处理单元，最后进行相关算法实现高精度测距。
如图3所示，发射处到接收处的距离为x,激光的速度为c，其整体所需时间为t,则有
t＝x/c；
设调制频率为f,从发射到接收的时间相位差为ψ，则
ψ＝2πft＝4πfx/c＝2Πn+Δψ
其中，N为完成周期波的个数，Δψ为不足周期波的余相位，以此可以解出：
X＝ψc/4πf＝c/2f*((2πN+Δψ)/2π)＝c/2f(N+Δψ/2π)
其中，L＝C/2f,称为测尺度或者测刻度，N为整尺数，ΔN＝Δψ/2Π为余尺，根据相位位移的大小，即可得到ΔN余尺的大小，整尺数N必须通过选择多个合适测尺频率才能确定，测尺频率的选择是发射精确定位的关键因素。为了使得设备的成本低，体积小，使用模拟乘法器将两个信号相乘，就实现了两个信号的差频与和频，在经过低通滤波器或者带通滤波器就可得到差分输出信号。
本相位式测距开发中，设有DDS发出的调制信号和接收的回波信号为：U1,U2
U1＝COS(ωt+ψ1)；
U2＝COS(ωt+ψ2)；
其中ω＝2πf,f为精尺频率，此时两路信号的相位差为ψ1-ψ2，另一个DDS发出的信号为U3＝COS(ω1t+ψ3)；其中ω＝2πf1，f1为本振，
将调制信号U1和本振信号U3混频，得
Us＝U1*U3＝COS(ωt+ψ1)*COS(ω1t+ψ3)
＝1/2{COS[(ω+ω1)*t+ψ1+ψ3]+COS[(ω+ω1)*t+ψ1-ψ3}
使用低通滤波器保留混频后低频成分得到：
Us＝COS[(ω-ω1)*t+ψ1-ψ3]
同理：使得U2与本振信号U3混频，得
Ui＝COS[(ω-ω1)*t+ψ2-ψ3]
则Us与Ui得相位差为ψ＝(ψ1-ψ3)-(ψ2-ψ3)以此可得出混频前后的相位差一致。
上述中通过相关检测相进行时域频域分析，考虑谐波、非周期采集、A/D量化误差、噪声等多种因素影响后，相位计的精度仍然能满足本系统开发的精度，完全满足目前工程应用及需求。本系统采样频率F越高，信号离散化过程中，就能够更好的利用傅里叶变化恢复原信号，即采样频率对测相有所影响，总的趋势是频率越高，精度越高，测相误差越小，同时采样点数N对测相精度的处理，采样点数越多，获取的原始信息越多，测相精度越高。
如何判断某一系列观测量是否含有异常值，是建立一个精确、稳定的时间序列模型的前提。目前，剔除异常数据的方法主要有3σx准则、Grubbs准则等,本次监测数据处理采用的是3σx准则。由统计学的知识可知，测量值出现的区间为μ±3σx时，概率约为99.7％，可以认为测量值的偏差超过3σx的概率约为0.3％。所以，假定偏差超过3σx的测量值是由于误差等因素造成的，则确定为异常数据，需要进行剔除。A/D数据采集后，相关数据进入信号处理电路单元，进行算法剔除：
对于某一数据而言，其测量值的变化特征描述如下式：
dj＝2yj-(yj+1+yj-1)
式中yj是一系列测量值。
由n个测量值y1、y2…yn可得n-2个d，当n足够大时，可按3σx准则进行检验，剔除异常值。
首先，计算平均值d和均方差σ：
进一步，计算出各个测量值变化幅度偏差的绝对值与均方差的比值：
当qj>3，认为此值异常，予以剔除。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (5)
1.一种基于FPGA激光相位测距系统，其特征在于：包括信号系统控制处理单元、相位数字频率合成源、第一低通滤波器、第二低通滤波器、激光调制电路、激光接收电路、带通滤波器、第一混频器、第二混频器、信号调理电路和A/D转化电路；
所述信号系统控制处理单元与相位数字频率合成源的输入端连接，所述相位数字频率合成源的输出端分别与第一低通滤波器和第二低通滤波器的输入端连接；
所述第一低通滤波器的输出端分别与所述激光调制电路和第一混频器的输入端连接，所述激光调制电路的输出端发送的测距信号经过被测目标反射进入所述激光接收电路，所述激光接收电路的输出端与所述带通滤波器的输入端连接，所述带通滤波器的输出端与所述第二混频器的输入端连接；
所述第二低通滤波器的输出端分别与所述第一混频器和第二混频器的输入端连接；
所述第一混频器和第二混频器输出端都与所述信号调理电路的输入端连接，所述信号调理电路的输出端与所述A/D转化电路的输入端连接，所述A/D转化电路的输出端与信号系统控制处理单元连接。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA激光相位测距系统，其特征在于：还包括测距无线输出单元，所述测距无线输出单元与所述信号系统控制处理单元连接。
3.如权利要求1-2任一所述的基于FPGA激光相位测距系统的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：信号系统控制处理单元控制相位数字频率合成源同时产生并输出两种频率的信号；
S2:所述步骤S1输出的其中一种信号作为测距信号，所述测距信号经过第一低通滤波器后生成两路波，一路波进入第一混频器，另一路波送往激光调制电路调制发射的激光，产生的激光经过被测目标反射回来，然后被激光接收电路捕获并进行放大，再进入第二混频器；
S3:所述步骤S1输出的其中另一种信号作为参考信号，所述参考信号经过第二低通滤波器后生成两路波，分别进入第一混频器和第二混频器；
S4:所述第一混频器和第二混频器将信号混频后送往信号调理电路，完成对测距信号的数据采集，再经过A/D转化电路送往信号系统控制处理单元进行计算实现高精度测距。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA激光相位测距系统的测距方法，其特征在于：所述测距信号为正弦信号。
5.根据权利要求3所述的基于FPGA激光相位测距系统的测距方法，其特征在于：所述参考信号为正弦信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200731 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |