CN113567995B - 一种激光测距方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种激光测距方法及装置；该激光测距方法包括：所述激光发射单元向所述分光单元发射预设频率的扫频激光源，所述分光单元将所述扫频激光源分光为测量光信号和本振光信号，所述信号转换单元将经过待测器件的所述测量光信号转换为测量数字信号，以及将所述本振光信号转换为本振数字信号，所述信号处理单元处理不同频率下的所述测量数字信号和所述本振数字信号，确定与目标相位值所对应的目标距离值；本申请通过扫频方式进行测距，光路简单易搭建，而且对激光发射器的要求较低，可有效降低测量难度。

Description

一种激光测距方法及装置

技术领域

本申请涉及通信技术领域，具体涉及一种激光测距方法及装置。

背景技术

相位法激光测距是通过测量经过强度正弦调制的发射激光束和经被测目标反射的返回激光束间的相位差来实现距离测量的，其实质是将激光在被测距离上的往返飞行时间转化成了两调制激光信号相位差。

相位法激光测距通常用于短距离、高精度的测量场合，由于其测距短，现阶段的相位法激光测距一般通过在被测目标端设置合作目标（反射透镜）来增加量程。但是对于光纤等光器件而言，由于材料原因，在光纤器件中设置反射透镜的方式操作起来十分困难，导致测量难度增大。

发明内容

本申请实施例提供一种激光测距方法及装置，可以降低对光纤等光器件的测量难度，实用性更高。

本申请实施例提供一种激光测距方法，所述激光测距方法应用于激光测距装置，所述激光测距装置包括激光发射单元、分光单元、信号转换单元、信号处理单元、以及控制单元，所述激光测距方法包括：

所述控制单元向所述激光发射单元发送光源使能信号，以控制所述激光发射单元向所述分光单元发射预设频率的扫频激光源；

所述控制单元向所述分光单元发送分光使能信号，以控制所述分光单元将所述扫频激光源分光为测量光信号和本振光信号，以及将所述本振光信号和经过待测器件的所述测量光信号发射至所述信号转换单元；

所述控制单元向信号转换单元发送转换使能信号，以控制所述信号转换单元将经过待测器件的所述测量光信号转换为测量数字信号，以及将所述本振光信号转换为本振数字信号，以及将所述测量数字信号与所述本振数字信号发送至所述信号处理单元；

所述控制单元向所述信号处理单元发送处理使能信号，以控制所述信号处理单元将所述本振数字信号分路为第一本振信号和第二本振信号，以及利用第一乘法器对所述第一本振信号与所述测量数字信号进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在预设频率下的初始相位信号，以及将所述第二本振信号移相预设角度后再与所述测量数字信号通过第二乘法器进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在预设频率下的初始幅度信号，以及根据所述测量数字信号在预设频率下的初始相位信号和初始幅度信号，确定预设频率下的所述测量数字信号的相位值和幅度值，以及利用线性拟合对不同频率下的所述测量数字信号的相位值和频率值进行处理，以获取相位值和频率值的关联函数，基于目标相位值，确定与所述目标相位值所对应的目标距离值。

可选的，在本申请的一些实施例中，所述分光单元包括耦合器，所述分光单元将所述扫频激光源分光为测量光信号和本振光信号的步骤，包括：

利用所述耦合器将所述扫频激光源分光成测量光信号和本振光信号，所述测量光信号的分光比、所述本振 光信号的分光比均大于0且小于100%，所述测量光信号的分光比与所述本振 光信号的分光比之和等于100%。

可选的，在本申请的一些实施例中，所述分光单元还包括环形器，所述将经过待测器件的所述测量光信号发射至所述信号转换单元的步骤，包括：

通过所述环形器的第一端口接收所述测量光信号；

由所述环形器的第二端口将所述测量信号光出射至待测器件上；

以及由所述环形器的第三端口接收经过待测器件的所述测量光信号并发射至所述信号转换单元。

可选的，在本申请的一些实施例中，所述信号转换单元包括第一模数转换模块和第二模数转换模块，所述将经过待测器件的所述测量光信号转换为测量数字信号，以及将所述本振光信号转换为本振数字信号的步骤，包括：

利用所述第一模数转换模块将经过待测器件的所述测量光信号转换为测量电压数字编码，即所述测量数字信号；

利用所述第二模数转换模块将所述本振光信号转换为本振电压数字编码，即所述本振数字信号。

可选的，在本申请的一些实施例中，所述第一模数转换模块包括第一信号接收器、第一互阻放大器和第一模数转换器，所述第二模数转换模块包括第二信号接收器、第二互阻放大器和第二模数转换器；

所述将经过待测器件的所述测量光信号转换为所述测量数字信号，以及将所述本振光信号转换为所述本振数字信号的步骤，包括：

利用所述第一信号接收器将经过待测器件的所述测量光信号转换成测量电流信号，以及通过所述第一互阻放大器将所述测量电流信号转换为测量电压信号，以及通过所述第一模数转换器对所述测量电压信号进行采集并将测量电压信号转换成电压数字编码，即所述测量数字信号；

利用所述第二信号接收器将所述本振光信号转换成本振电流信号，以及通过所述第二互阻放大器将所述本振电流信号转换为本振电压信号，以及通过所述第二模数转换器对所述本振电压信号进行采集并将本振电压信号转换成电压数字编码，即所述本振数字信号。

可选的，在本申请的一些实施例中，所述第二模数转换器对所述本振电压信号进行采集的步骤，包括：

通过所述定时器向所述第二模数转换模块发送时钟信号；

所述第二模数转换模块根据所述时钟信号，周期性地对所述本振电压信号进行采集。

可选的，在本申请的一些实施例中，在所述通过第一互阻放大器将所述测量电流信号转换为测量电压信号的步骤之后，还包括：

利用所述第二模数转换器向所述第一模数转换器发送转换使能信号，以使所述第一模数转换器对所述测量电压信号进行采集。

可选的，在本申请的一些实施例中，所述激光发射单元包括信号输入模块、定时器、数模转换模块和激光发射器，所述向所述分光单元发射预设频率的扫频激光源的步骤，包括：

利用所述信号输入模块生成带有调制信息的输入信号；

利用所述定时器将所述带有调制信息的输入信号周期性地发送至所述数模转换模块；

通过所述数模转换模块将所述带有调制信息的输入信号转换为模拟电压信号并将所述模拟电压信号发送至所述激光发射器；

通过所述激光发射器向所述分光单元发射预设频率的扫频激光源。

可选的，在本申请的一些实施例中，所述信号处理单元还包括滤波模块和计算模块，所述确定预设频率下的所述测量数字信号的相位值和幅度值的步骤，包括：

利用所述滤波模块分别对所述初始相位信号和所述初始幅度信号进行低通滤波、抽取、低通滤波处理，以分别获取测量相位信号和测量幅度信号；

利用所述计算模块根据所述测量相位信号和所述测量幅度信号计算出所述测量数字信号在预设频率下的相位值和幅度值。

相应的，本申请实施例还提供一种激光测距装置，包括激光发射单元、分光单元、信号转换单元、信号处理单元、以及控制单元；

所述激光发射单元用于向所述分光单元发射预设频率的扫频激光源；

所述分光单元用于将所述扫频激光源分光为测量光信号和本振光信号，以及将所述本振光信号和经过待测器件的所述测量光信号发射至所述信号转换单元；

所述信号转换单元用于将经过待测器件的所述测量光信号转换为测量数字信号，以将所述本振光信号转换为本振数字信号，以及将所述测量数字信号与所述本振数字信号发送至所述信号处理单元；

所述信号处理单元用于将所述本振数字信号分路为第一本振信号和第二本振信号，以及利用第一乘法器对所述第一本振信号与所述测量数字信号进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在所述预设频率下的初始相位信号，以及将所述第二本振信号移相预设角度后再与所述测量数字信号通过第二乘法器进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在所述预设频率下的初始幅度信号，以及根据所述测量数字信号在所述预设频率下的初始相位信号和初始幅度信号，确定预设频率下的所述测量数字信号的相位值和幅度值；

所述控制单元用于利用线性拟合对不同频率下的所述测量数字信号的相位值和频率值进行处理，以获取相位值和频率值的关联曲线，基于目标相位值，确定与所述目标相位值所对应的目标距离值。

有益效果：本申请通过所述激光发射单元发射带有调制信息的扫频激光源，扫频激光源经过待测器件反射后再通过信号转换单元转换为测量数字信号，通过对多组测量数字信号进行收集、矩阵乘法运算及运算，可获取不同频率下的测量数字信号的相位值和幅度值，再利用线性拟合对不同频率下的测量数字信号的相位值和频率值进行处理，可以获取相位值和频率值的关联函数，从而可以基于目标相位值，确定与所述目标相位值所对应的目标距离值，即确定待测器件与激光发射器之间的距离，从而确定待测器件的位置信息；本申请通过以上方法，可以省去在待测器件端设置合作目标（反射透镜），光路简单易搭建，而且对激光发射器的要求较低，可有效降低测量难度；而且，本申请采用扫频测量的方式，采集的数据样本更多，可降低单次测量所带来的偶然性误差。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本申请所述激光测距方法的步骤流程图；

图2是本申请所述激光测距装置的主要工作原理示意图；

图3是本申请所述激光测距装置的信号处理单元的部分原理示意图；

图4是本申请所述激光测距装置的结构框图；

图5是本申请所述激光发射单元的结构框图；

图6是本申请所述分光单元的结构框图；

图7是本申请所述信号转换单元的结构框图；

图8是本申请所述信号处理单元的结构框图；

图9是本申请实施例中幅度与测量点数的第一种拟合曲线图及相位与测量点数的第一种离散图。

图10是本申请实施例中幅度与测量点数的第二种拟合曲线图及相位与测量点数的第二种离散图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

相位法激光测距通常用于短距离、高精度的测量场合，由于其测距短，现阶段的相位法激光测距一般通过在被测目标端设置合作目标（反射透镜）来增加量程。但是对于光纤等光器件而言，由于材料原因，在光纤器件中设置反射透镜的方式操作起来十分困难，导致测量难度增大。基于上述技术问题，本申请提出了以下技术方案。以下分别进行详细说明。需说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对实施例优选顺序的限定。

本申请提出了一种激光测距方法，请参阅图1至图10，所述激光测距方法应用于激光测距装置，请参阅1和图4，所述激光测距装置包括激光发射单元100、分光单元200、信号转换单元300、信号处理单元400、以及控制单元500，所述激光测距方法包括：

S100、所述控制单元500向所述激光发射单元100发送光源使能信号，以控制所述激光发射单元100向所述分光单元200发射预设频率的扫频激光源。

在一些实施例中，请参阅图2和图5，所述激光发射单元100包括信号输入模块110、定时器120、数模转换模块130和激光发射器140，所述S100步骤包括：

S110、利用所述信号输入模块110输入一带有调制信息的输入信号。

S120、利用所述定时器120将所述带有调制信息的输入信号周期性地发送至所述数模转换模块130。

在一些实施例中，所述定时器120可以为定时器HRTIM，所述数模转换模块130可以包括数字模拟转换器（DAC），所述S120步骤可以包括：利用所述定时器HRTIM将所述带有调制信息的输入信号按照一定的时间间隔或者某一特定的时间周期，以数字编码的形式写入到所述数字模拟转换器（DAC）中。

S130、通过所述数模转换模块130将所述带有调制信息的输入信号转换为模拟电压信号并将所述模拟电压信号发送至所述激光发射器140。

在一些实施例中，所述S130步骤可以包括：通过所述数字模拟转换器（DAC）将所述带有调制信息的数字编码形式的调制信号转换为模拟电压信号，并将所述模拟电压信号发送至所述激光发射器140。

S140、通过所述激光发射器140向所述分光单元200发射预设频率的扫频激光源。

本实施例通过以上步骤，可以使所述信号输入模块110、定时器120、数字模拟转换器及所述激光发射器140按照周期性地向所述分光单元200发射出带有调制信息的不同频率的扫频激光源，从而实现对待测器件600的多点测量，既有助于提高测量精度，也可提高多点测量的效率。

S200、所述控制单元500向所述分光单元200发送分光使能信号，以控制所述分光单元200将所述扫频激光源分光为测量光信号和本振光信号，以及将所述本振光信号和经过待测器件600的所述测量光信号发射至所述信号转换单元300。

在一些实施例中，请参阅图2和图6所述分光单元200可以包括1×2耦合器210，所述S200步骤可以包括：

S210、所述控制单元500向所述1×2耦合器210发送分光使能信号，以控制所述1×2耦合器210将所述扫频激光源分光为测量光信号和本振光信号，所述测量光信号的分光比、所述本振 光信号的分光比均大于0且小于100%，所述测量光信号的分光比与所述本振光信号的分光比之和等于100%。

本实施例通过所述1×2耦合器210将所述扫频激光源分光为测量光信号和本振光信号，其中测量光信号可出射至待测器件600表面以进行距离测量，而本振光信号则可以用于对所述测量光信号进行补偿，从而确保经过待测器件600反射回的测量光信号经模数转换后与所述带有调制信息的输入信号之间具有更高的响应度，降低测量光信号在光程内的衰减，提高测量稳定性与精确度。

此外，本实施例中由于所述测量光信号和所述本振光信号是由同一激光源分光而来，因此本振光信号与测量光信号属于同源光信号，二者具有相同的频率与相位噪声，因此可以消除异源光信号进行补偿时所带来的相位噪声和抖动等不良影响，从而可以进一步提高测量光信号的测量精确度。

在一些实施例中，所述测量光信号的分光比大于或等于90%且小于100%所述本振光信号的分光比小于或等于10%且大于0。

在一些实施例中，请参阅图2，所述测量光信号与所述本振光信号的分光比优选为99%和1%，本实施例通过以上设置，可以使测量光信号具有更高的光强，从而可以提高经过待测器件600反射回来的测量光信号所转换而来的测量数字信号的功率，有利于所述信号处理单元400对所述测量数字信号进行检测、收集，避免或减少由于测量数字信号太弱而无法被检测到的情况发生。

需要说明的是，在一些实施例中，所述测量光信号与所述本振光信号的分光比不限于以上实施例中的99%和1%，只要所述测量光信号的分光比大于或等于90%且小于100%、所述本振光的分光比小于或等于10%均在本申请实施例的保护范围内。

在一些实施例中，所述分光单元200还包括环形器220，所述S200步骤还可以包括：

S220、通过所述环形器220的第一端口接收所述测量光信号。

S230、由所述环形器220的第二端口将所述测量信号光出射至待测器件600上。

S240、由所述环形器220的第三端口接收经过待测器件600反射回的所述测量光信号并发射至所述信号转换单元300。

本实施例通过借助所述环形器220，使所述测量光信号只能沿规定的端口顺序传输，既实现信号的隔离，从而避免由于光信号的传输顺序变更时所导致的损耗问题，也可使所述测量信号光按照理论的光路顺序进行传输，确保测量精确度。

S300、所述控制单元500向信号转换单元300发送转换使能信号，以控制所述信号转换单元300将经过待测器件600的所述测量光信号转换为测量数字信号，以将所述本振光信号转换为本振数字信号，以及将所述测量数字信号与所述本振数字信号发送至所述信号处理单元400。

在一些实施例中，请参阅图2和图7，所述信号转换单元300包括第一模数转换模块310和第二模数转换模块320，所述S300步骤可以包括：

S310、利用所述第一模数转换模块310将经过待测器件600的所述测量光信号转换为测量电压数字编码，即所述测量数字信号。

在一些实施例中，所述第一模数转换模块310可以包括第一信号接收器311、第一互阻放大器312和第一模数转换器313，所述S310步骤可以包括：

S311、利用所述第一信号接收器311将经过待测器件600的所述测量光信号转换成测量电流信号。

S312、通过所述第一互阻放大器312将所述测量电流信号转换为测量电压信号。

S313、通过所述第一模数转换器313对所述测量电压信号进行采集并将测量电压信号转换成测量电压数字编码，即所述测量数字信号。

本实施例通过所述第一模数转换模块310可以将经过待测器件600的所述测量光信号转换为测量数字信号，从而便于后续所述信号处理单元400对所述测量数字信号进行采集与处理。

S320、利用所述第二模数转换模块320将所述本振光信号转换为本振电压数字编码，即所述本振数字信号。

在一些实施例中，请参阅图2和图7，所述第二模数转换模块320包括第二信号接收器321、第二互阻放大器322和第二模数转换器323，所述S320步骤可以包括：

S321、利用所述第二信号接收器321将所述本振光信号转换成本振电流信号。

S322、通过所述第二互阻放大器322将所述本振电流信号转换为本振电压信号。

S323、通过所述第二模数转换器323对所述本振电压信号进行采集并将本振电压信号转换成本振电压数字编码，即所述本振数字信号。

本实施例通过所述第二模数转换模块320可以将经过待测器件600的所述本振光信号转换为本振数字信号，从而便于后续所述信号处理单元400对所述本振数字信号进行采集与处理。

在一些实施例中，所述S323的步骤可以包括：

S3231、通过所述定时器120向所述第二模数转换器323发送时钟信号。

S3232、所述第二模数转换器323根据所述时钟信号，周期性地对所述本振电压信号进行采集。

S3233、所述第二模数转换器323将本振电压信号转换成本振电压数字编码，即所述本振数字信号。

本实施例通过定时器120发送时钟信号来触发所述第二模数转换器323对所述本振电压信号进行周期性地采集，从而高效地获取多个采样数据。

需要说明的是，在一些实施例中，请参阅图2，所述S310步骤和所述S320步骤可以同时进行，以及，在所述通过第一互阻放大器312将所述测量电流信号转换为测量电压信号的步骤之前，利用所述第二模数转换器323向所述第一模数转换器313发送转换使能信号，以使所述第一模数转换器313对所述测量电压信号进行采集。

本实施例通过所述第二模数转换器323对所述本振电压信号的采集来触发第一模数转换器313对测量电压信号的采集，从而实现第一模数转换器313与第二模数转换器323之间的同步采样，降低采样差频所引起的测量误差。

S340、所述控制单元500控制所述第一模数转换器313和所述第二模数转换器323分别将所述测量数字信号和所述本振数字信号发送至所述信号处理单元400。

S400、所述控制单元500向所述信号处理单元400发送处理使能信号，以控制所述信号处理单元400将所述本振数字信号分路为第一本振信号和第二本振信号，以及利用第一乘法器410对所述第一本振信号与所述测量数字信号进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在预设频率下的初始相位信号（对应附图2和附图3中的原始I信号），以及将所述第二本振信号移相预设角度后再与所述测量数字信号通过第二乘法器420进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在预设频率下的初始幅度信号（对应附图2和附图3中的原始Q信号），以及根据所述测量数字信号在预设频率下的初始相位信号（对应附图2和附图3中的原始I信号）和初始幅度信号（对应附图2和附图3中的原始Q信号），确定预设频率下的所述测量数字信号的相位值和幅度值，以及利用线性拟合对不同频率下的所述测量数字信号的相位值x和频率值f进行处理，以获取相位值x和频率值f的关联函数，基于目标相位值x₀，确定与所述目标相位值x₀所对应的目标距离值L₀。

在一些实施例中，请参阅图2和图8，所述信号处理单元400可以包括第一乘法器410和第二乘法器420，所述S400步骤可以包括：

S410、利用拟合还原算法对所述本振数字信号进行拟合算法还原，将经过拟合还原的本振数字信号进行复制并分路为第一本振信号和第二本振信号（即第一本振信号、第二本振信号与本振数字信号为相同的数字信号），以及，将所述第二本振信号按照预设角度进行移相处理。

在一些实施例中，预设角度可以为π/2，或者预设角度为2π*N+π/2，其中，N是非负数的整数，即N可以是0或者正整数。

S420、利用第一乘法器410对所述第一本振信号与所述测量数字信号进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在预设频率下的初始相位信号I（对应附图2和附图3中的原始I信号），利用所述第二乘法器420将所述移相预设角度之后的第二本振信号与所述测量数字信号进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在预设频率下的初始幅度信号Q（对应附图2和附图3中的原始Q信号）。

S430、根据所述测量数字信号在预设频率下的初始相位信号I（对应附图2和附图3中的原始I信号）和初始幅度信号Q（对应附图2和附图3中的原始Q信号），确定预设频率下的所述测量数字信号的相位值x和幅度值y。

在一些实施例中，请参阅图2和图8，所述信号处理单元400还可以包括滤波模块430和计算模块440，所述S450步骤可以包括：

S451、利用所述滤波模块430分别对所述初始相位信号I（对应附图2和附图3中的原始I信号）和所述初始幅度信号Q（对应附图2和附图3中的原始Q信号）进行低通滤波、抽取、低通滤波处理，以分别获取预设频率下的所述测量数字信号的相位值x和幅度值y。

S452、利用所述计算模块440，根据所述测量相位信号I（对应附图3中的I信号）和所述测量幅度信号Q（对应附图3中的Q信号），以及幅度值y与所述测量相位信号I（对应附图3中的I信号）、所述测量幅度信号Q（对应附图3中的Q信号）的关系式：y=SQRT(I*I+Q*Q)，相位值x与所述测量相位信号I（对应附图3中的I信号）、所述测量幅度信号Q（对应附图3中的Q信号）的关系式：x=ATAN(Q/I)，计算出所述测量数字信号在预设频率下的相位值x和幅度值y。

S460、利用线性拟合对不同频率下的所述测量数字信号的相位值x和频率值f进行处理，以获取相位值x和频率值f的关联函数，基于目标相位值，确定与所述目标相位值所对应的目标距离值。

本实施例通过以上S400步骤，可以将多组测量数据进行整合、运算，得到最终需要的目标距离值，从而实现快捷高效激光测距。而且，由于本实施例中还获取了初始幅度信号（对应附图2和附图3中的原始Q信号）经过低通滤波、抽取、低通滤波之后的幅度值y，从而可以根据幅度值y的大小判断测量数字信号的功率，进而反馈测量点位置的表面损伤情况（待测器件600表面损伤，反射回的测量光信号所对应的测量数字信号的幅度值y减小）。也就是说，本实施例不仅可以测得待测器件600的位置信息，也可测得待测器件600的表面损伤信息，测量光纤器件中时更加方便地对损伤点的位置及损伤程度进行反馈，实用性更好。

在一些实施例中，请参阅图2和图3，所述S460步骤可以包括：

S461、利用计算模块440的线性拟合对不同频率下的所述测量数字信号的相位值x和频率值f进行处理，以获取相位值x和频率值f的关联函数x=kf+b中的常数k和b。

S462、根据相位x与预设频率f之间的关系，确定目标相位值x₀=0时所对应的预设频率f₀的值。

S463、基于常数k和b，根据x=kf+b的函数式，确定目标相位值x₀ =0时所对应的目标频率值f₀ ，再由目标频率值f₀ 确定所对应的波长λ，进而确定 L 的值 （L为待测器件600与所述激光测距装置之间的距离，表示待测器件600的位置信息）。即确定与所述目标频率值f₀所对应的目标距离值L₀，L₀即为待测器件600与所述激光测距装置之间的距离，即获取待测器件600的位置点信息。

本实施例通过以上步骤，可以通过向x=kf+b的函数式中代入目标相位值x₀ =0，确定所对应的目标频率值f₀，进而来求出与目标频率值f₀ 所对应的目标距离值L₀ ，即待测器件600的位置点信息（L为待测器件600与所述激光测距装置之间的距离），由于是线性拟合计算出来的结果，相较于直接测量的可靠性更高，误差更小。

在一些实施例中，所述S460步骤还可以包括：

S464、利用所述计算模块440，根据公式：L’=V/(2f)和目标频率值f₀，计算出待测器件600（待测光纤）的长度L’（V为光在光纤中的速度，取2×10^8m/s）。

S465、利用所述计算模块440，根据公式：空间分辨率dL’/df=V/（2f^2）和目标频率值f₀，计算出目标频率值f₀下的空间分辨率dL’/df（V为光在光纤中的速度，取2×10^8m/s）。

在一些实施例中，例如，设置所述激光发射器140的预设频率从0MHz到10MHz，且以频率步进值为312.5KHz扫描测试32个频点，根据空间分辨率dL’/df=V/（2f^2）计算公式可得该条件下的空间分辨率为1um/Hz。

在一些实施例中，请参阅图9，测试A事件点所在位置，测量时在所述S451步骤中的第一次滤波截止频率为9KHz，然后抽取100倍，第二次滤波截止频率为44Hz，空间分辨率为44um，测得该点频率为6.523748MHz，对应位置13.047496米。

在一些实施例中，请参阅图10，测试B事件点所在位置，测量时在所述S451步骤中的第一次滤波截止频率为9KHz，然后抽取100倍，第二次滤波截止频率为44Hz，空间分辨率为44um，测得该点频率3.789324MHz，对应位置7.578648米。

本实施例通过以上步骤，既可以计算出待测器件600（待测光纤）的长度，而且还可获取在目标频率下的空间分辨率，确定测量精度。

本实施例通过激光发射单元100发射带有调制信息的扫频激光源，扫频激光源经过待测器件600反射后再通过信号转换单元300转换为测量数字信号，通过对多组测量数字信号进行收集、矩阵乘法运算及运算，可获取不同频率下的测量数字信号的相位值和幅度值，再利用线性拟合对不同频率下的测量数字信号的相位值和频率值进行处理，可以获取相位值和频率值的关联函数，从而可以基于目标相位值，确定与所述目标相位值所对应的目标距离值，即确定待测器件600与激光发射器140之间的距离，从而确定待测器件600的位置信息。通过以上方法，可以省去在待测器件600端设置合作目标（反射透镜），光路简单易搭建，而且对激光发射器140的要求较低，可有效降低测量难度；而且，本申请采用扫频测量的方式，采集的数据样本更多，可降低单次测量所带来的偶然性误差。

本申请实施例还提供一种激光测距装置，请参阅图1至图10，包括激光发射单元100、分光单元200、信号转换单元300、信号处理单元400、以及控制单元500；

所述激光发射单元100用于向所述分光单元200发射预设频率的扫频激光源；

所述分光单元200用于将所述扫频激光源分光为测量光信号和本振光信号，以及将所述本振光信号和经过待测器件600的所述测量光信号发射至所述信号转换单元300；

所述信号转换单元300用于将经过待测器件600的所述测量光信号转换为测量数字信号，以将所述本振光信号转换为本振数字信号，以及将所述测量数字信号与所述本振数字信号发送至所述信号处理单元400；

所述信号处理单元400用于将所述本振数字信号分路为第一本振信号和第二本振信号，以及利用第一乘法器410对所述第一本振信号与所述测量数字信号进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在所述预设频率下的初始相位信号，以及将所述第二本振信号移相预设角度后再与所述测量数字信号通过第二乘法器420进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在所述预设频率下的初始幅度信号，以及根据所述测量数字信号在所述预设频率下的初始相位信号和初始幅度信号，确定预设频率下的所述测量数字信号的相位值和幅度值；

所述控制单元500用于利用线性拟合对不同频率下的所述测量数字信号的相位值和频率值进行处理，以获取相位值和频率值的关联函数，基于目标相位值，确定与所述目标相位值所对应的目标距离值。

在一些实施例中，所述激光发射单元100可以包括信号输入模块110、定时器120、数模转换模块130和激光发射器140。所述信号输入模块110可以包括一带有调制信息的输入信号。所述定时器120可以为定时器HRTIM，所述定时器HRTIM将所述带有调制信息的输入信号周期性地发送至数模转换模块130。所述数模转换模块130可以包括数字模拟转换器（DAC），所述数字模拟转换器（DAC）用于将带有调制信息的数字编码形式的调制信号转换为模拟电压信号，并将所述模拟电压信号发送至所述激光发射器140。所述激光发射器140用于向所述分光单元200发射预设频率的扫频激光源。

所述分光单元200可以包括1×2耦合器210和环形器220。所述1×2耦合器210用于将所述扫频激光源分光为测量光信号和本振光信号。所述环形器220的第一端口用于接收所述测量光信号，所述环形器220的第二端口用于将所述测量信号光出射至待测器件600上，所述环形器220的第三端口用于接收经过待测器件600反射回的所述测量光信号并发射至所述信号转换单元300。

所述信号转换单元300可以包括第一模数转换模块310和第二模数转换模块320，所述第一模数转换模块310用于将经过待测器件600的所述测量光信号转换为测量电压数字编码，即所述测量数字信号。所述第二模数转换模块320用于将所述本振光信号转换为本振电压数字编码，即所述本振数字信号。所述第一模数转换模块310可以包括第一信号接收器311、第一互阻放大器312和第一模数转换器313。所述第一信号接收器311用于将经过待测器件600的所述测量光信号转换为测量电流信号。所述第一互阻放大器312用于将所述测量电流信号转换为测量电压信号。所述第一模数转换器313用于将所述测量电压信号进行采集并转换为测量电压数字编码，即所述测量数字信号。所述第二模数转换模块320可以包括第二信号接收器321、第二互阻放大器322和第二模数转换器323。所述第二信号接收器321用于将所述本振光信号转换为本振电流信号，所述第二互阻放大器322用于将所述本振电流信号转换为本振电压信号，所述第二模数转换器323用于对所述本振电压信号进行采集并转换为本振电压数字编码，即所述本振数字信号。所述控制单元500控制所述第一模数转换器313和所述第二模数转换器323分别将所述测量数字信号和所述本振数字信号发送至所述信号处理单元400。

所述信号处理单元400可以包括第一乘法器410和第二乘法器420。所述信号处理单元400先利用拟合还原算法对所述本振数字信号进行拟合算法还原，再将经过拟合还原的本振数字信号进行复制并分路为第一本振信号和第二本振信号（即第一本振信号、第二本振信号与本振数字信号为相同的数字信号），以及，将所述第二本振信号按照预设角度进行移相处理。所述第一乘法器410用于将所述第一本振信号与所述测量数字信号进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在预设频率下的初始相位信号I（对应附图2和附图3中的原始I信号）。所述第二乘法器420用于所述移相预设角度之后的第二本振信号与所述测量数字信号进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在预设频率下的初始幅度信号Q（对应附图2和附图3中的原始Q信号）。

在一些实施例中，所述信号处理单元400还可以包括滤波模块430和计算模块440。所述滤波模块430用于对所述初始相位信号I（对应附图2和附图3中的原始I信号）、所述初始幅度信号Q（对应附图2和附图3中的原始Q信号）分别进行滤波、抽取、滤波处理。所述计算模块440用于计算出所述测量数字信号在预设频率下的相位值x和频率值f，并利用线性拟合对不同频率下的所述测量数字信号的相位值x和频率值f进行处理，以获取相位值和频率值的关联函数，基于目标相位值，确定与所述目标相位值所对应的目标距离值。

本实施例中的上述激光测距装置，可以省去在待测器件600端设置合作目标（反射透镜），光路简单易搭建，而且对激光发射器140的要求较低，可有效降低测量难度和测量成本；而且，本申请采用扫频测量的方式，采集的数据样本更多，可降低单次测量所带来的偶然性误差。

以上对本申请实施例所提供的一种激光测距方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种激光测距方法，其特征在于，所述激光测距方法应用于激光测距装置，所述激光测距装置包括激光发射单元、分光单元、信号转换单元、信号处理单元、以及控制单元，所述激光测距方法包括：

所述控制单元向所述激光发射单元发送光源使能信号，以控制所述激光发射单元向所述分光单元发射预设频率的扫频激光源；

所述控制单元向所述分光单元发送分光使能信号，以控制所述分光单元将所述扫频激光源分光为测量光信号和本振光信号，以及将所述本振光信号和经过待测器件的所述测量光信号发射至所述信号转换单元；

所述控制单元向信号转换单元发送转换使能信号，以控制所述信号转换单元将经过待测器件的所述测量光信号转换为测量数字信号，以及将所述本振光信号转换为本振数字信号，以及将所述测量数字信号与所述本振数字信号发送至所述信号处理单元；

所述控制单元向所述信号处理单元发送处理使能信号，以控制所述信号处理单元将所述本振数字信号分路为第一本振信号和第二本振信号，以及利用第一乘法器对所述第一本振信号与所述测量数字信号进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在预设频率下的初始相位信号，以及将所述第二本振信号移相预设角度后再与所述测量数字信号通过第二乘法器进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在预设频率下的初始幅度信号，以及根据所述测量数字信号在预设频率下的初始相位信号和初始幅度信号，确定预设频率下的所述测量数字信号的相位值和幅度值，以及利用线性拟合对不同频率下的所述测量数字信号的相位值和频率值进行处理，以获取相位值和频率值的关联函数，基于目标相位值，确定与所述目标相位值所对应的目标距离值。

2.根据权利要求1所述的激光测距方法，其特征在于，所述分光单元包括耦合器，所述分光单元将所述扫频激光源分光为测量光信号和本振光信号的步骤，包括：

利用所述耦合器将所述扫频激光源分光成测量光信号和本振光信号，所述测量光信号的分光比、所述本振 光信号的分光比均大于0且小于100%，所述测量光信号的分光比与所述本振 光信号的分光比之和等于100%。

3.根据权利要求2所述的激光测距方法，其特征在于，所述分光单元还包括环形器，所述将经过待测器件的所述测量光信号发射至所述信号转换单元的步骤，包括：

通过所述环形器的第一端口接收所述测量光信号；

由所述环形器的第二端口将所述测量信号光出射至待测器件上；

以及由所述环形器的第三端口接收经过待测器件的所述测量光信号并发射至所述信号转换单元。

4.根据权利要求1所述的激光测距方法，其特征在于，所述信号转换单元包括第一模数转换模块和第二模数转换模块，所述将经过待测器件的所述测量光信号转换为测量数字信号，以及将所述本振光信号转换为本振数字信号的步骤，包括：

利用所述第一模数转换模块将经过待测器件的所述测量光信号转换为测量电压数字编码，即所述测量数字信号；

利用所述第二模数转换模块将所述本振光信号转换为本振电压数字编码，即所述本振数字信号。

5.根据权利要求4所述的激光测距方法，其特征在于，所述第一模数转换模块包括第一信号接收器、第一互阻放大器和第一模数转换器，所述第二模数转换模块包括第二信号接收器、第二互阻放大器和第二模数转换器；

所述将经过待测器件的所述测量光信号转换为所述测量数字信号，以及将所述本振光信号转换为所述本振数字信号的步骤，包括：

利用所述第一信号接收器将经过待测器件的所述测量光信号转换成测量电流信号，以及通过所述第一互阻放大器将所述测量电流信号转换为测量电压信号，以及通过所述第一模数转换器对所述测量电压信号进行采集并将测量电压信号转换成电压数字编码，即所述测量数字信号；

利用所述第二信号接收器将所述本振光信号转换成本振电流信号，以及通过所述第二互阻放大器将所述本振电流信号转换为本振电压信号，以及通过所述第二模数转换器对所述本振电压信号进行采集并将本振电压信号转换成电压数字编码，即所述本振数字信号。

6.根据权利要求4所述的激光测距方法，其特征在于，所述激光发射单元包括信号输入模块、定时器、数模转换模块和激光发射器，所述向所述分光单元发射预设频率的扫频激光源的步骤，包括：

利用所述信号输入模块生成带有调制信息的输入信号；

利用所述定时器将所述带有调制信息的输入信号周期性地发送至所述数模转换模块；

通过所述数模转换模块将所述带有调制信息的输入信号转换为模拟电压信号并将所述模拟电压信号发送至所述激光发射器；

通过所述激光发射器向所述分光单元发射预设频率的扫频激光源。

7.根据权利要求6所述的激光测距方法，其特征在于，第二模数转换器对本振电压信号进行采集的步骤，包括：

通过所述定时器向第二模数转换模块发送时钟信号；

第二模数转换模块根据所述时钟信号，周期性地对本振电压信号进行采集。

8.根据权利要求5所述的激光测距方法，其特征在于，在所述通过第一互阻放大器将所述测量电流信号转换为测量电压信号的步骤之后，还包括：

利用所述第二模数转换器向所述第一模数转换器发送转换使能信号，以使所述第一模数转换器对所述测量电压信号进行采集。

9.根据权利要求1所述的激光测距方法，其特征在于，所述信号处理单元还包括滤波模块和计算模块，所述确定预设频率下的所述测量数字信号的相位值和幅度值的步骤，包括：

利用所述滤波模块分别对所述初始相位信号和所述初始幅度信号进行低通滤波、抽取、低通滤波处理，以分别获取测量相位信号和测量幅度信号；

利用所述计算模块根据所述测量相位信号和所述测量幅度信号计算出所述测量数字信号在预设频率下的相位值和幅度值。

10.一种激光测距装置，其特征在于，包括激光发射单元、分光单元、信号转换单元、信号处理单元、以及控制单元；

所述激光发射单元用于向所述分光单元发射预设频率的扫频激光源；

所述分光单元用于将所述扫频激光源分光为测量光信号和本振光信号，以及将所述本振光信号和经过待测器件的所述测量光信号发射至所述信号转换单元；

所述信号转换单元用于将经过待测器件的所述测量光信号转换为测量数字信号，以将所述本振光信号转换为本振数字信号，以及将所述测量数字信号与所述本振数字信号发送至所述信号处理单元；

所述信号处理单元用于将所述本振数字信号分路为第一本振信号和第二本振信号，以及利用第一乘法器对所述第一本振信号与所述测量数字信号进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在所述预设频率下的初始相位信号，以及将所述第二本振信号移相预设角度后再与所述测量数字信号通过第二乘法器进行矩阵乘法运算，以获取所述测量数字信号在所述预设频率下的初始幅度信号，以及根据所述测量数字信号在所述预设频率下的初始相位信号和初始幅度信号，确定预设频率下的所述测量数字信号的相位值和幅度值；

所述控制单元用于利用线性拟合对不同频率下的所述测量数字信号的相位值和频率值进行处理，以获取相位值和频率值的关联函数，基于目标相位值，确定与所述目标相位值所对应的目标距离值。

Images