CN115407350A - 一种相位式激光测距电路及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位式激光测距电路，其两个高频信号合成器分别产生各自的主振信号和本振信号，其中第一主振信号经调制发射电路使激光器发射激光信号，第二主振信号传输给第二混频滤波电路，第一和第二本振信号分别传输给第一和第二混频滤波电路。激光回波信号由光电接收电路接收再经信号调理并传输给第一混频滤波电路。分别通过第一和第二混频滤波电路对各自接收到的信号进行混频滤波以分别获取测距信号和参考信号，最后对测距信号和参考信号采用差频测相法检测发射信号与接收信号之间的相位差，进而获取激光测距结果。该激光测距电路克服了现有非接触式测距技术的稳定性方向性不足以及技术复杂的缺陷，在简化测距电路的同时提升了其性能。

Description

一种相位式激光测距电路及测距方法

技术领域

本申请涉及非接触式测距技术领域，更具体地，涉及一种相位式激光测距电路及测距方法。

背景技术

目前测距技术已广泛应用于军事、民用和工业等方面，非接触式的测距方法主要有超声波测距、激光测距、射频电磁波测距等。

超声波测距主要通过发送超声波脉冲方式，测量发送脉冲与接收脉冲之间的时间差来测量距离，其稳定性和方向性较差，一般的超声波测距仪存在受环境天气因素影响大、测量距离较近等问题。

射频电磁波测距(如毫米波雷达)常用于汽车的防碰撞和自动巡航系统中，存在测距技术复杂，制造成本高等问题。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种相位式激光测距电路及测距方法，用以克服现有非接触式测距技术的稳定性方向性不足以及技术复杂等的缺陷，在简化测距电路的同时提升了其性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种相位式激光测距电路，包括：单片机、第一高频信号合成器、第二高频信号合成器、调制发射电路、光电接收电路、信号调理电路、第一混频滤波电路和第二混频滤波电路；

所述单片机用于控制所述第一高频信号合成器产生第一主振信号和第二主振信号，将所述第一主振信号传输给所述调制发射电路并将所述第二主振信号传输给所述第二混频滤波电路；所述单片机还用于控制所述第二高频信号合成器产生第一本振信号和第二本振信号，将所述第一本振信号传输给所述第一混频滤波电路并将所述第二本振信号传输给所述第二混频滤波电路；

所述调制发射电路用于将获取的所述第一主振信号转化为激光信号并向电路外部的障碍物发射；

所述光电接收电路用于接收经由所述障碍物反射回来的激光回波信号并将其转化为电流信号；

所述信号调理电路用于将所述电流信号进行信号调理并将调理后的接收信号传输给所述第一混频滤波电路；

所述第一混频滤波电路用于将调理后的接收信号和所述第一本振信号进行混频滤波以获取测距信号；所述第二混频滤波电路用于将所述第二主振信号和所述第二本振信号进行混频滤波以获取参考信号；

所述单片机还用于获取所述测距信号和所述参考信号，并基于信号相位差的计算以获取激光测距结果。

进一步地，所述第一高频信号合成器和所述第二高频信号合成器均为直接数字频率合成器。

进一步地，所述第一高频信号合成器和所述第二高频信号合成器共用一个外部时钟。

进一步地，所述调制发射电路将所述第一主振信号加上偏置电压并转化为电流调制信号注入到激光二极管，使所述激光二极管发射的光强随着所述电流调制信号的变化而变化。

进一步地，所述光电接收电路采用雪崩二极管。

进一步地，所述信号调理电路包括放大滤波电路；

所述放大滤波电路包括放大电路和滤波电路；

所述放大电路包括跨阻放大电路和主放大电路，所述电流信号经由所述跨阻放大电路转化放大为电压信号，所述主放大电路将所述电压信号进一步放大；

所述滤波电路将进一步放大的电压信号进行窄带带通选频滤波去噪处理。

进一步地，所述信号调理电路还包括增益控制电路，所述增益控制电路用于对电压信号的放大倍数进行控制。

进一步地，所述单片机还用于获取所述测距信号和所述参考信号，并基于信号相位差的计算以获取激光测距结果具体包括：

所述单片机利用其自带的ADC对所述测距信号和所述参考信号进行A/D采集，并分别对采集后的信号作快速傅里叶变换，计算出这两路信号的相位差，并转化为对应的距离。

进一步地，还包括通信电路；

所述单片机通过所述通信电路将所述激光测距结果传输给电路外部的工程机械主控制系统。

为实现上述目的，本发明还提供了一种相位式激光测距方法，包括：

由两个高频信号合成器分别产生各自的主振信号和本振信号，其中的第一主振信号经调制发射电路使激光器向电路外部的障碍物发射激光信号，第二主振信号传输给第二混频滤波电路，第一和第二本振信号分别传输给第一和第二混频滤波电路；

接收经由所述障碍物反射回的激光回波信号，经信号调理后传输给第一混频滤波电路；

分别通过第一和第二混频滤波电路对各自接收到的信号进行混频滤波以分别获取测距信号和参考信号；

对测距信号和参考信号采用差频测相法以获取发射信号与接收信号之间的相位差，进而获取激光测距结果。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明通过其两个高频信号合成器分别产生各自的主振信号和本振信号，其中第一主振信号经调制发射电路使激光器发射激光信号，第二主振信号传输给第二混频滤波电路，第一和第二本振信号分别传输给第一和第二混频滤波电路。激光回波信号由光电接收电路接收再经信号调理并传输给第一混频滤波电路。分别通过第一和第二混频滤波电路对各自接收到的信号进行混频滤波以分别获取测距信号和参考信号，最后对测距信号和参考信号采用差频测相法检测发射信号与接收信号之间的相位差，进而获取激光测距结果。该激光测距电路克服了现有非接触式测距技术的稳定性方向性不足以及技术复杂的缺陷，在简化测距电路的同时提升了其性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需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为本申请实施例提供的一种相位式激光测距电路的电路示意图；

图2为本申请实施例提供的高频信号合成器进行信号源合成输出模拟信号的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的两块DDS芯片共用一个外部时钟且与单片机进行串口通信的电路示意图；

图4为本申请实施例提供的一种粗精测整合测距的相位式激光测距方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细地说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本申请的说明书、权利要求书或说明书附图中的术语“第一”、“第二”或“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序的。此外，术语“包括”或“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还可以包括没有列出的步骤或单元，或可选地还可以包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

如图1所示，在一个实施例中，一种相位式激光测距电路主要包括单片机、第一高频信号合成器、第二高频信号合成器、调制发射电路、光电接收电路、信号调理电路、第一混频滤波电路和第二混频滤波电路。该相位式激光测距电路的两个高频信号合成器分别产生各自的主振信号和本振信号，其中第一主振信号经调制发射电路使激光器发射激光信号，第二主振信号传输给第二混频滤波电路，第一和第二本振信号分别传输给第一和第二混频滤波电路。激光回波信号由光电接收电路接收再经信号调理并传输给第一混频滤波电路。分别通过第一和第二混频滤波电路对各自接收到的信号进行混频滤波以分别获取测距信号和参考信号，最后对测距信号和参考信号采用差频测相法检测发射信号与接收信号之间的相位差，进而获取激光测距结果。该激光测距电路克服了现有非接触式测距技术的稳定性方向性不足以及技术复杂的缺陷，在简化测距电路的同时提升了其性能。

高频信号合成方式选择相位式激光测距电路需选择一种合适的信号源合成方法来产生两路高频正弦波信号，而频率合成方法主要包括直接模拟频率合成法、锁相频率合成法和直接数字频率合成法等。本实施例选用直接数字频率合成法来产生两路高频正弦波信号，如图2所示，单片机通过串行或并行通信的方式为DDS(DirectDigitalSynthesizer，直接数字频率合成器)芯片提供频率控制字和相位控制字，DDS芯片内部根据相位累加原理，以查表的方式从波形存储器(ROM)中读出对应的值送入D/A转换器，并经过低通滤波输出所需的模拟波形。

综合考虑外部参考时钟、信号输出频率和成本等因素，本实施例选择ADI公司生产的DDS芯片，型号为AD9851。由于需同时产生主振信号和本振信号，故电路中同时使用两块AD9851芯片。为了保证频率的稳定性，减少因参考时钟引起的频率漂移的影响，所以两块DDS芯片共用一个外部时钟。AD985l与外部通信的方式有串行通信和并行通信两种，为了节约单片机的端口，两个AD9851与单片机的通信方式选用串口通信，具体的电路接法如图3所示。

DDS产生的主振信号是电压信号，不能直接用于激光二极管幅度调制，所以需要设计合适的调制发射电路，将第一主振信号转化成满足激光器正常工作要求的电流调制信号。激光器内部进行调制，即以调制信号改变激光振荡时的参数，从而改变输出光强。调制过程是将第一主振信号加上一定的偏置电压，并转化为电流调制信号注入到激光二极管，使激光二极管发射的光强随着调制信号的变化而变化。

发射的激光信号经电路外部的障碍物反射后，光电接收电路(例如：光电探测器)对激光回波信号进行接收，将光信号转换为电信号。光电转换过程是指光子将能量传递给电子使其运动产生电流，光强越强，电子运动越激烈，其产生的电流越大。本实施例选用雪崩二极管作为光电接收装置，其体积小、量子效率高且可对接收光波进行滤波。

信号调理电路将经光电接收电路转换而成的电流信号进行信号调理并将调理后的接收信号传输给第一混频滤波电路。

优选的，信号调理电路包括放大滤波电路，放大滤波电路包括放大电路和滤波电路。雪崩二极管产生的微弱电流信号需经过两级放大电路，第一级为跨阻放大电路，将微弱的电流信号转换为电压信号，第二级为主放大电路，进一步放大电压信号。经第二级放大后的电压信号中除了有用信号之外，还存在由现场环境和电路本身引起的噪声信号，所以需要设计合适的窄带带通选频滤波电路以减小回波信号的噪声干扰。

信号调理电路还包括增益控制电路。鉴于障碍物的远近会造成信号动态范围较大，所以优选地在信号调理电路中再加入增益控制电路，其根据输入信号的有效值来调整放大增益倍数，使输出信号有效地控制在阈值范围内。

两个混频滤波电路均是将高频信号转化为易于检测的低频信号。电路要求测量的是接收信号与发射信号之间的相位差，由于两个信号都属于高频信号，所以需要两路混频电路，如图1所示，将接收信号和发射信号分别与DDS产生的本振信号进行混频以分别得到测距信号和参考信号(即：第一混频滤波电路将调理后的接收信号和第一本振信号进行混频滤波以获取测距信号，第二混频滤波电路将第二主振信号和第二本振信号进行混频滤波以获取参考信号)，再由A/D采集模块和数据处理模块来测量获取这两路信号的相位差，单片机基于信号相位差的计算以获取最终的激光测距结果。具体的，单片机利用其自带的ADC对测距信号和参考信号进行A/D采集，并分别对采集后的信号作快速傅里叶变换，计算出这两路信号的相位差，并转化为对应的距离。

优选的，相位式激光测距电路还包括通信电路，所述单片机通过通信电路将激光测距结果传输给电路外部的工程机械主控制系统，再由主控制系统执行基于测距结果调整具体位置的指令。

在另一个实施例中，一种相位式激光测距方法主要包括以下一些步骤。一种粗精测整合测距的相位式激光测距方法的流程示意图可参考图4。

(1)高频信号的产生：单片机控制两个高频信号合成器分别产生两路正弦波信号，这两路信号分别为主振信号和本振信号。

(2)激光的调制和发射：其中主振信号经调制电路产生合适的电流调制信号，电流调制信号注入激光器，使激光器发射激光信号。

(3)回波的光电接收：障碍物反射回来的激光回波信号由光电探测器接收，光电探测器将光信号转化为电流信号。

(4)信号调理：电流信号经过跨阻放大器转换为电压信号，由于电压信号较弱，所以再经过一级主放大电路进一步放大，无源带通滤波电路对接收信号进行选频滤波。鉴于障碍物的远近会造成信号动态范围较大，所以电路中再加入自动增益控制模块。

(5)混频滤波：将调理后的接收信号与本振信号进行混频滤波产生测距信号，同时将主振信号与本振信号进行混频滤波产生参考信号，测距信号与参考信号之间的相位差即为待测相位差。

(6)信号处理：激光测距电路的微控制器选用STM32系列的单片机，利用其自带的ADC对测距信号和参考信号进行A/D采集，并分别对采集后的信号作快速傅里叶变换，计算出这两路信号的相位差，并转化为对应的距离。

(7)通信：最后可以通过总线通信的方式将测距结果发送给工程机械的主控制系统。

以上所述仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其他实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、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公开的一般性原理并包括本公开未记载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，本公开的范围和精神由权利要求限定。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行详细描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相位式激光测距电路，其特征在于，包括：单片机、第一高频信号合成器、第二高频信号合成器、调制发射电路、光电接收电路、信号调理电路、第一混频滤波电路和第二混频滤波电路；

所述单片机用于控制所述第一高频信号合成器产生第一主振信号和第二主振信号，将所述第一主振信号传输给所述调制发射电路并将所述第二主振信号传输给所述第二混频滤波电路；所述单片机还用于控制所述第二高频信号合成器产生第一本振信号和第二本振信号，将所述第一本振信号传输给所述第一混频滤波电路并将所述第二本振信号传输给所述第二混频滤波电路；

所述调制发射电路用于将获取的所述第一主振信号转化为激光信号并向电路外部的障碍物发射；

所述光电接收电路用于接收经由所述障碍物反射回来的激光回波信号并将其转化为电流信号；

所述信号调理电路用于将所述电流信号进行信号调理并将调理后的接收信号传输给所述第一混频滤波电路；

所述第一混频滤波电路用于将调理后的接收信号和所述第一本振信号进行混频滤波以获取测距信号；所述第二混频滤波电路用于将所述第二主振信号和所述第二本振信号进行混频滤波以获取参考信号；

所述单片机还用于获取所述测距信号和所述参考信号，并基于信号相位差的计算以获取激光测距结果。

2.如权利要求1所述的相位式激光测距电路，其特征在于，所述第一高频信号合成器和所述第二高频信号合成器均为直接数字频率合成器。

3.如权利要求2所述的相位式激光测距电路，其特征在于，所述第一高频信号合成器和所述第二高频信号合成器共用一个外部时钟。

4.如权利要求1所述的相位式激光测距电路，其特征在于，所述调制发射电路将所述第一主振信号加上偏置电压并转化为电流调制信号注入到激光二极管，使所述激光二极管发射的光强随着所述电流调制信号的变化而变化。

5.如权利要求1所述的相位式激光测距电路，其特征在于，所述光电接收电路采用雪崩二极管。

6.如权利要求1所述的相位式激光测距电路，其特征在于，所述信号调理电路包括放大滤波电路；

所述放大滤波电路包括放大电路和滤波电路；

所述放大电路包括跨阻放大电路和主放大电路，所述电流信号经由所述跨阻放大电路转化放大为电压信号，所述主放大电路将所述电压信号进一步放大；

所述滤波电路将进一步放大的电压信号进行窄带带通选频滤波去噪处理。

7.如权利要求6所述的相位式激光测距电路，其特征在于，所述信号调理电路还包括增益控制电路，所述增益控制电路用于对电压信号的放大倍数进行控制。

8.如权利要求1所述的相位式激光测距电路，其特征在于，所述单片机还用于获取所述测距信号和所述参考信号，并基于信号相位差的计算以获取激光测距结果具体包括：

所述单片机利用其自带的ADC对所述测距信号和所述参考信号进行A/D采集，并分别对采集后的信号作快速傅里叶变换，计算出这两路信号的相位差，并转化为对应的距离。

9.如权利要求1所述的相位式激光测距电路，其特征在于，还包括通信电路；

所述单片机通过所述通信电路将所述激光测距结果传输给电路外部的工程机械主控制系统。

10.一种相位式激光测距方法，其特征在于，包括：

由两个高频信号合成器分别产生各自的主振信号和本振信号，其中的第一主振信号经调制发射电路使激光器向电路外部的障碍物发射激光信号，第二主振信号传输给第二混频滤波电路，第一和第二本振信号分别传输给第一和第二混频滤波电路；

接收经由所述障碍物反射回的激光回波信号，经信号调理后传输给第一混频滤波电路；

分别通过第一和第二混频滤波电路对各自接收到的信号进行混频滤波以分别获取测距信号和参考信号；

对测距信号和参考信号采用差频测相法以获取发射信号与接收信号之间的相位差，进而获取激光测距结果。

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