CN116125486B - 一种单频大量程相位式激光测距系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单频大量程相位式激光测距系统与方法，包括晶振、现场可编程逻辑门阵列FPGA、激光发射电路、激光二极管、激光接收电路、雪崩光电二极管；现场可编程逻辑阵列FPGA产生触发信号Trigger输入激光发射电路，驱动激光二极管发射调制连续波激光，经目标物体反射，雪崩光电二极管接收调制连续波激光信号并送入激光接收电路，激光接收电路将回波信号送入现场可编程逻辑阵列FPGA，在现场可编程逻辑阵列FPGA内部对发射信号和回波信号进行处理，测得相位差并计算目标距离并输出数据；本发明增大了传统相位式激光测距的测量量程，提高了测距精度；降低了开发成本，实用性强。

Description

一种单频大量程相位式激光测距系统与方法
技术领域
本发明属于测量技术领域，涉及一种单频大量程相位式激光测距系统与方法。
背景技术
随着现代智能化科技的发展，推动了无人驾驶，无人机，智能机器人的迅猛发展，在此过程中测距感应功能成为众多相关技术中不可或缺的一部分，激光测距系统的研发也成为其发展中重要的一个环节，同时激光测距也广泛应用于航天航空，测量测绘，智慧交通等领域，对激光测距系统提出了高稳定性、高精度、大量程、适应性强、功耗低、体积小、成本低等一系列新要求，因此，在激光测距领域提高测距精度，增大测量量程时激光测距技术未来发展的热点方向之一。
目前，激光飞行时间法和三角法激光测距是激光测距常用的方法，而脉冲式激光测距与相位式连续波激光测距是激光飞行时间法常用的两种实现方法，激光飞行时间法基本原理是测量发射激光和接收激光的之间的时间间隔，即激光信号在往返目标距离过程中的飞行时间，最后通过激光飞行时间来计算目标距离。脉冲式激光测距方法的主要实现方法是使用脉冲激光作为探测信号，该方法具有光信号持续时间短，发射功率高，测试距离远等优点。相位式连续波激光测距方法则是通过对发射的连续波激光的幅度进行调制，通过测量发射时刻激光相位与接收时刻激光相位之间的相位差来获得激光飞行时间，相位式激光测距具有精度高易实现的优点，但是对相位差的检测被严格限制在一个周期内，既无法实现对大于2π的相位差测量，使得测量距离被限制在调制波长的一半，极大地阻碍了相位式激光测距的发展与应用。
为解决相位式激光测距的量程限制问题，人们提出了在同一系统中使用多个频率调制的连续波激光对目标距离进行测量，这样不仅增大了测量量程，同时也提高了测距精度，但是该使用方法集成的测距系统复杂度高，同时由于调制频率不同，使得电路系统对各调制频率信号的增益不一致，相移稳定性差，不仅如此其测量距离仍然被限制在最长的调制波长之内。
发明内容
为了克服现有的连续波相位式激光测距技术中的量程限制与多调制频率集成复杂度高的问题，本发明提供了一种单频大量程高精度相位式激光测距方法与电路，将传统连续波相位式测距方法与现场可编程门阵列（FPGA）相结合，以FPGA为核心控制部件，利用FPGA内部边沿触发特性，实现相位的整体测量，突破相位检测的周期限制，提高测距量程；同时结合差频相位检测方法，利用FPGA内部触发器实现数字下混频，将高频相位差转换为低频相位差，提高相位差检测精度，进而提高测距精度。该方法可以应用于任何连续波激光收发电路，在高精度远距离测量方面具有一定应用价值。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种单频大量程高精度相位式激光测距系统，包括晶振1、现场可编程逻辑门阵列FPGA 2、激光发射电路3、激光二极管4、激光接收电路5、雪崩光电二极管6；所述晶振1为系统提供系统时钟信号，现场可编程逻辑阵列FPGA2在接收到test信号后系统开始进入工作状态，现场可编程逻辑阵列FPGA2产生触发信号Trigger输入激光发射电路3，驱动激光二极管4发射调制连续波激光，经目标物体反射后，雪崩光电二极管6接收反射的调制连续波激光信号并送入激光接收电路5，激光接收电路5将接收的回波信号送入现场可编程逻辑阵列FPGA2，在现场可编程逻辑阵列FPGA2内部对发射信号和回波信号进行处理，测得相位差并计算目标距离并输出数据。
进一步地，所述现场可编程逻辑门阵列FPGA2由PLL锁相环模块7、两个同相异步二分频模块、反相异步二分频模块10、触发模块11、三个下混频器及三个计数模块组成；所述两个同相异步二分频模块分别为相异步二分频模块Ⅰ 8及相异步二分频模块Ⅱ 9；所述三个下混频器分别为下混频器Ⅰ 12、下混频器Ⅱ 13及下混频器Ⅲ 14；所述三个计数模块分别为计数模块Ⅰ15、计数模块Ⅱ 16及计数模块Ⅲ 17；
由晶振1产生的系统时钟信号clk输入到FPGA内部后经过PLL锁相环模块处理后产生三个时钟信号，分别为第一个时钟信号clk1、第二个时钟信号clk2和第三个时钟信号clk3；test信号键入后，触发模块产生触发信号Trigger和开始信号start，触发信号Trigger分别被送入激光发射电路发射调制连续波激光和同相异步二分频模块Ⅰ，触发信号Trigger经过同相异步二分频模块Ⅰ进行同相异步二分频处理后产生触发信号的同相二分频信号Tri_s0并送入下混频器Ⅰ，下混频器Ⅰ将触发信号的同相二分频信号Tri_s0与第二个时钟信号clk2进行下混频得到触发信号的同相低频信号Tri_s1，之后触发信号的同相低频信号Tri_s1被送入计数模块Ⅱ和计数模块Ⅲ；同时，激光接收电路接收的回波信号Echo分别被送入同相异步二分频模块Ⅱ、反相异步二分频模块和计数器模块Ⅰ，同相异步二分频模块Ⅱ和反相异步二分频模块分别对回波信号Echo进行二分频处理后得到信号回波信号的同相二分频信号Echo_p0和反相二分频信号Echo_n0，回波信号的同相二分频信号Echo_p0和反相二分频信号Echo_n0分别由下混频器Ⅱ与下混频器Ⅲ分别与第二个时钟信号clk2进行下混频后得到回波信号的同相低频信号Echo_p1和反相低频信号Echo_n1，之后二者分别被送入计数模块Ⅱ和计数模块Ⅲ；计数模块Ⅰ在检测到开始信号start的上升沿后开始对触发信号Trigger的上升沿进行计数，并在接收到回波信号Echo的第一个上升沿时停止计数，最后将计数结果N输出到距离计算模块；计数模块Ⅱ在检测到触发信号的同相低频信号Tri_s1的上升沿后开始对第三个时钟信号clk3的上升沿进行计数，并在接收到回波信号的同相低频信号Echo_p1的上升沿时停止计数，最后将计数结果Np输出到距离计算模块；计数模块Ⅲ在检测到触发信号的同相低频信号Tri_s1的上升沿后开始对第三个时钟信号clk3的上升沿进行计数，并在接收到回波信号反相低频信号Echo_n1的上升沿时停止计数，最后将计数结果Nn输出到距离计算模块。
进一步地，所述现场可编程逻辑门阵列FPGA还包括距离计算模块18，用于接收现场可编程逻辑阵列中三个计数模块发送的计数结果并进行计算输出最后的目标距离。
优选地，所述晶振1采用50MHz晶振，为系统提供50MHz系统时钟信号。
优选地，所述第一个时钟信号clk1为50MHz；
所述第二个时钟信号clk2为24.9975MHz；
所述第三个时钟信号clk3为200MHz。
优选地，触发信号的同相二分频信号Tri_s0为25MHz；
触发信号的同相低频信号Tri_s1为2.5KHz。
优选地，回波信号Echo为50MHz；
触发信号Trigger为50MHz。
优选地，回波信号的同相二分频信号Echo_p0为25MHz；
反相二分频信号Echo_n0为25MHz；
回波信号的同相低频信号Echo_p1为2.5KHz；
反相低频信号Echo_n1为2.5KHz。
一种单频大量程高精度相位式激光测距方法，具体包括如下步骤：
步骤一：晶振产生的时钟信号clk输入现场可编程逻辑阵列，为整个系统提供时钟信号；PLL锁相环模块对时钟信号处理，分别得到第一个时钟信号clk1、第二个时钟信号clk2、第三个时钟信号clk3；test信号键入后，系统进入工作模式，首先触发模块在test信号键入后的第一个时钟信号clk1的上升沿开始输出与时钟信号同频同相的触发信号Trigger,并且输出start信号；
步骤二：触发信号Trigger分别被送入激光发射电路、计数模块Ⅰ和同相异步二分频模块Ⅰ；激光发射电路接收到触发信号Trigger后驱动激光二极管产生调制连续波激光信号，调制信号为触发信号Trigger，连续波激光信号经过目标物体反射后被雪崩光电二极管接收并转换为电信号送入激光接收电路并产生回波信号Echo，回波信号Echo被送入计数模块Ⅰ；在另一路触发信号Trigger被送入同相异步二分频模块Ⅰ进行分频处理得到触发信号的同相二分频信号Tri_s0，触发信号同相二分频信号Tri_s0与第二个时钟信号clk2在下混频器Ⅰ中进行下混频处理得到触发信号同相低频信号Tri_s1，同相低频信号Tri_s1被送入计数模块Ⅱ和计数模块Ⅲ；
步骤三：激光接收电路接收的回波信号Echo分别被送入同相异步二分频模块Ⅱ、反相异步二分频模块和计数器模块Ⅰ；同相异步二分频模块Ⅱ和反相异步二分频模块分别对回波信号Echo进行二分频处理后得到回波信号同相二分频信号Echo_p0和反相二分频信号Echo_n0，回波信号同相二分频信号Echo_p0和反相二分频信号Echo_n0分别由下混频器Ⅱ及下混频器Ⅲ与第二个时钟信号clk2进行下混频后得到回波信号同相低频信号Echo_p1和反相低频信号Echo_n1，之后二者分别被送入计数模块Ⅱ和计数模块Ⅲ；计数模块Ⅰ在检测到开始信号start的上升沿后开始对触发信号Trigger的上升沿进行计数，并在接收到回波信号Echo的第一个上升沿时停止计数，最后将计数结果N输出到距离计算模块；计数模块Ⅱ在检测到触发信号同相低频信号Tri_s1的上升沿后开始对第三个时钟信号clk3的上升沿进行计数，并在接收到回波信号的同相低频信号Echo_p1的上升沿时停止计数，最后将计数结果Np输出到距离计算模块；计数模块Ⅲ在检测到触发信号同相低频信号Tri_s1上升沿后开始对第三个时钟信号clk3上升沿进行计数，并在接收到回波信号的反相低频信号Echo_n1的上升沿停止计数，最后将计数结果Nn输出到距离计算模块，距离计算模块完成距离计算并输出距离计算结果。
进一步地，所述步骤三中距离计算模块的计算过程，具体如下：
目标距离D与激光飞行时间T tof 之间的计算关系为
D=c*T tof /2
c为光速，其中，激光飞行时间与发射信号和接收信号之间的总体相位差ΔΦ的关系如下：
T tof =ΔΦ/(2π*f Trigger)
其中，f Trigger为触发信号周期；
发射信号和接收信号之间的总体相位差表示如下：
ΔΦ=N*2π+（φp+φn）/2；
其中：N为相位差中整相位数；
φp表示发射信号的上升沿与回波信号上升沿的相位差；
φn表示发射信号的上升沿与回波信号下降沿之间的相位差；
其中，φp=2π*f Echo_p1Np*τ
φn=2π*f Echo_n1Nn*τ
f Echo_p1= f Echo_n1= f Trigger_s1；
Np与Nn分别为计数时钟数，为触发信号周期分别通过计数模块Ⅱ与计数模块Ⅲ获得；
f Echo_p1， f Echo_n1， f Trigger_s1分别为回波信号的同相低频信号Echo_p1,回波信号的反相低频信号Echo_n1,触发信号的同相低频信号Trigger_s1的信号频率，计数模块Ⅱ与计数模块Ⅲ获的计数时钟均为第三个时钟信号clk3，计数模块Ⅱ与计数模块Ⅲ获的计数时钟周期均为τ；
代入目标表达式后，目标距离由以下表达式计算：
D=c*T tof /2=c*ΔΦ*f Trigger/4π=c*N*f Trigger +c*τ*f Echo_p1*(Np+Nn)/2f Trigger。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1、提出总体相位测量方法，增大了传统相位式激光测距的测量量程；
2、在FPGA内部使用高频计数模块，实现差频测相计数，提高了测距精度；
3、整个系统集成于单片FPGA，降低开发成本，系统简单易实现；
4、在进行激光测距时，本发明适用于任何连续激光发射电路和接收电路，实用性强，可移植性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明所述一种单频大量程相位式激光测距方法的连续波相位式测距原理图；
图2为本发明所述单频大量程相位式激光测距系统的系统框图；
图3 为FPGA内部信号时序图；
图4为PLL模块电路原理图；
图5a为同相/反相异步二分频电路图；
图5b为同相/反相异步二分频电路信号时序图；
图中：1、晶振；2、现场可编程逻辑门阵列FPGA；3、激光发射电路；4、激光二极管；5、激光接收电路；6、雪崩光电二极管；7、PLL锁相环模块；8、同相异步二分频模块Ⅰ；9、同相异步二分频模块Ⅱ；10、反相异步二分频模块；11、触发模块；12、下混频器Ⅰ；13、下混频器Ⅱ；14、下混频器Ⅲ；15、计数模块Ⅰ；16、计数模块Ⅱ；17、计数模块Ⅲ；18、计算模块。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
一种单频大量程高精度相位式激光测距系统，包括50MHz晶振1、现场可编程逻辑门阵列FPGA 2、激光发射电路3、激光二极管4、激光接收电路5、雪崩光电二极管6；所述50MHz晶振1为系统提供50MHz系统时钟信号，现场可编程逻辑阵列FPGA2在接收到test信号后系统开始进入工作状态，现场可编程逻辑阵列FPGA2产生触发信号Trigger输入激光发射电路3，使激光发射电路3驱动激光二极管4发射调制连续波激光，经目标物体反射后，雪崩光电二极管6接收反射的调制连续波激光信号并送入激光接收电路5，激光接收电路5将接收的回波信号送入现场可编程逻辑阵列FPGA2，在现场可编程逻辑阵列FPGA2内部对发射信号和回波信号进行处理，测得相位差并计算目标距离并输出数据。
现场可编程逻辑门阵列(FPGA)由PLL锁相环模块7、两个同相异步二分频模块、反相异步二分频模块10、触发模块11、三个下混频器及三个计数模块组成；所述两个同相异步二分频模块分别为相异步二分频模块Ⅰ 8及相异步二分频模块Ⅱ 9；三个下混频器分别为下混频器Ⅰ 12、下混频器Ⅱ 13及下混频器Ⅲ 14；三个计数模块分别为计数模块Ⅰ15、计数模块Ⅱ 16及计数模块Ⅲ 17；
由50MHz晶振1产生的系统时钟信号clk输入到FPGA内部后经过PLL锁相环模块处理后产生三个时钟信号，分别为第一个时钟信号clk1（50MHz）、第二个时钟信号clk2（24.9975MHz）和第三个时钟信号clk3（200MHz）；test信号键入后，触发模块产生触发信号Trigger和开始信号start，触发信号Trigger分别被送入激光发射电路发射调制连续波激光和同相异步二分频模块Ⅰ，触发信号Trigger经过同相异步二分频模块Ⅰ进行同相异步二分频处理后产生触发信号的同相二分频信号Tri_s0（25MHz）并送入下混频器Ⅰ，下混频器Ⅰ将触发信号的同相二分频信号Tri_s0（25MHz）与第二个时钟信号clk2(24.9975MHz)进行下混频得到触发信号的同相低频信号Tri_s1(2.5KHz)，之后触发信号的同相低频信号Tri_s1(2.5KHz)被送入计数模块Ⅱ和计数模块Ⅲ；同时，激光接收电路接收的回波信号Echo（50MHz）分别被送入同相异步二分频模块Ⅱ、反相异步二分频模块和计数器模块Ⅰ，同相异步二分频模块Ⅱ和反相异步二分频模块分别对回波信号Echo（50MHz）进行二分频处理后得到信号回波信号的同相二分频信号Echo_p0(25MHz)和反相二分频信号Echo_n0（25MHz），回波信号的同相二分频信号Echo_p0(25MHz)和反相二分频信号Echo_n0（25MHz）分别由下混频器Ⅱ与下混频器Ⅲ分别与第二个时钟信号clk2(24.9975MHz)进行下混频后得到回波信号的同相低频信号Echo_p1(2.5KHz)和反相低频信号Echo_n1（2.5KHz），之后二者分别被送入计数模块Ⅱ和计数模块Ⅲ；计数模块Ⅰ在检测到开始信号start的上升沿后开始对触发信号Trigger（50MHz）的上升沿进行计数，并在接收到回波信号Echo(50MHz)的第一个上升沿时停止计数，最后将计数结果（记为N）输出到距离计算模块；计数模块Ⅱ在检测到触发信号的同相低频信号Tri_s1(2.5KHz)的上升沿后开始对第三个时钟信号clk3的上升沿进行计数，并在接收到回波信号的同相低频信号Echo_p1(2.5KHz)的上升沿时停止计数，最后将计数结果（记为Np）输出到距离计算模块；计数模块Ⅲ在检测到触发信号的同相低频信号Tri_s1(2.5KHz)的上升沿后开始对第三个时钟信号clk3的上升沿进行计数，并在接收到回波信号反相低频信号Echo_n1(2.5KHz)的上升沿时停止计数，最后将计数结果（记为Nn）输出到距离计算模块。
现场可编程逻辑门阵列还包括距离计算模块18，用于接收现场可编程逻辑阵列中三个计数模块发送的计数结果并进行计算输出最后的目标距离。
本发明的另一目的在于提供单频大量程高精度相位式激光测距方法，具体包括如下步骤：
步骤一：50MHz晶振产生50MHz的时钟信号clk（50MHz）输入现场可编程逻辑阵列，为整个系统提供时钟信号；PLL锁相环模块对时钟信号处理，分别得到第一个时钟信号clk1（50MHz）、第二个时钟信号clk2（24.9975MHz）、第三个时钟信号clk3（200MHz）；test信号键入后，系统进入工作模式，首先触发模块在test信号键入后的第一个时钟信号1clk1（50MHz）的上升沿开始输出与时钟信号同频同相的触发信号Trigger(50MHz),并且输出start信号；
步骤二：触发信号Trigger(50MHz)分别被送入激光发射电路、计数模块Ⅰ和同相异步二分频模块Ⅰ；激光发射电路接收到触发信号Trigger(50MHz)后驱动激光二极管产生调制连续波激光信号，调制信号为触发信号Trigger(50MHz)，连续波激光信号经过目标物体反射后被雪崩光电二极管接收并转换为电信号送入激光接收电路并产生回波信号Echo（50MHz），回波信号Echo（50MHz）被送入计数模块Ⅰ；在另一路触发信号Trigger(50MHz)被送入同相异步二分频模块Ⅰ进行分频处理得到触发信号的同相二分频信号Tri_s0(25MHz)，触发信号同相二分频信号二分频信号Tri_s0(25MHz)与第二个时钟信号clk2(24.9975MHz)在下混频器Ⅰ中进行下混频处理得到触发信号同相低频信号Tri_s1（2.5KHz），同相低频信号Tri_s1（2.5KHz）被送入计数模块Ⅱ和计数模块Ⅲ；
步骤三：激光接收电路接收的回波信号Echo（50MHz）分别被送入同相异步二分频模块Ⅱ、反相异步二分频模块和计数器模块Ⅰ；同相异步二分频模块Ⅱ和反相异步二分频模块分别对回波信号Echo（50MHz）进行二分频处理后得到回波信号同相二分频信号Echo_p0(25MHz)和反相二分频信号Echo_n0（25MHz），回波信号同相二分频信号Echo_p0(25MHz)和反相二分频信号Echo_n0（25MHz）分别由下混频器Ⅱ及下混频器Ⅲ与第二个时钟信号clk2(24.9975MHz)进行下混频后得到回波信号同相低频信号Echo_p1(2.5KHz)和反相低频信号Echo_n1（2.5KHz），之后二者分别被送入计数模块Ⅱ和计数模块Ⅲ；计数模块Ⅰ在检测到开始信号start的上升沿后开始对触发信号Trigger（50MHz）的上升沿进行计数，并在接收到回波信号Echo（50MHz）的第一个上升沿时停止计数，最后将计数结果（记为N）输出到距离计算模块；计数模块Ⅱ在检测到触发信号同相低频信号Tri_s1(2.5KHz)的上升沿后开始对第三个时钟信号clk3（200MHz）的上升沿进行计数，并在接收到回波信号的同相低频信号Echo_p1（2.5KHz）的上升沿时停止计数，最后将计数结果（记为Np）输出到距离计算模块；计数模块Ⅲ在检测到触发信号同相低频信号Tri_s1(2.5KHz)上升沿后开始对第三个时钟信号clk3上升沿进行计数，并在接收到回波信号的反相低频信号Echo_n1（2.5KHz）的上升沿停止计数，最后将计数结果（记为Nn）输出到距离计算模块，距离计算模块完成距离计算并输出距离计算结果。
步骤三中距离计算模块的计算过程，具体如下：
首先，目标距离D与激光飞行时间之间T tof 的计算关系为：
D=c*T tof /2
c为光速，其中，激光飞行时间与发射信号和接收信号之间的总体相位差ΔΦ的关系如下：
T tof =ΔΦ/(2π*f Trigger)
其中，f Trigger为触发信号周期；
发射信号和接收信号之间的总体相位差又可表示如下：
ΔΦ=N*2π+（φp+φn）/2；
其中，N为相位差中整相位数（由计数模块Ⅰ得到），φp和φn分别表示发射信号的上升沿与回波信号上升沿和下降沿之间的相位差；
其中，φp=2π*f Echo_p1Np*τ
φn=2π*f Echo_n1Nn*τ
f Echo_p1= f Echo_n1= f Trigger_s1；
Np与Nn分别为计数时钟数，为触发信号周期分别通过计数模块Ⅱ与计数模块Ⅲ获得，f Echo_p1， f Echo_n1， f Trigger_s1分别为回波信号的同相低频信号Echo_p1,回波信号的反相低频信号Echo_n1,触发信号的同相低频信号Trigger_s1的信号频率，计数模块Ⅱ与计数模块Ⅲ获的计数时钟均为第三个时钟信号clk3(200MHz)，其周期均为τ；
代入目标表达式后，目标距离可由以下表达式计算：
D=c*T tof /2=c*ΔΦ*f Trigger/4π=c*N*f Trigger +c*τ*f Echo_p1*(Np+Nn)/2f Trigger。
实施例1 本实施例结合图2，着重叙述一种单频大量程高精度相位式激光测距系统。
如图1、图2所示，本发明的一种单频大量程高精度相位式激光测距系统，系统包括50MHz晶振1、现场可编程逻辑门阵列FPGA2、激光发射电路3、激光二极管4、激光接收电路5、雪崩光电二极管6；所述现场可编程逻辑门阵列(FPGA)，内部包括PLL锁相环模块7、同相异步二分频模块Ⅰ8、同相异步二分频模块Ⅱ9、反相异步二分频模块10、触发模块11、下混频器Ⅰ12、下混频器Ⅱ13、下混频器Ⅲ14、计数模块Ⅰ15、计数模块Ⅱ16及计数模块Ⅲ17；
图1为本发明的连续波相位式测距原理图；
图1中：Trigger.发射信号；Echo.回波信号；ΔΦ.触发信号和回波信号之间总体相位差；N.时间间隔中触发信号的整周期数；Δφ.触发信号与回波信号之间不足2π的相位差；φp触发信号与回波信号同相相位差；φn触发信号与回波信号反相相位差；t tof .激光飞行时间；
图2为本发明的单频大量程高精度相位式激光测距系统的系统框图；
图2中：
clk.系统时钟信号(50MHz)；rst_n.复位输入信号；test.系统开启输入信号；clk1.时钟信号（50MHz）；clk2.时钟信号（24.9975MHz）；clk3.时钟信号（200MHz）；Trigger.触发信号（50MHz）；start.开始信号；Echo.回波信号（50MHz）；Tri_s0.触发信号的同相二分频信号（25MHz）；Tri_s1.触发信号的同相低频信号（2.5KHz）；Echo_p0.回波信号的同相二分频信号（25MHz）；Echo_p1.回波信号的同相低频信号（2.5KHz）；Echo_n0.回波信号的反相二分频信号（25MHz）；Echo_n1.回波信号的反相低频信号（2.5KHz）；data_N.Trigger信号上升沿个数N；data_Np.同相相位差计数时钟个数Np;data_Nn.反相相位差计数时钟个数Nn；data.目标距离输出；
所述50MHz晶振1为系统提供50MHz系统时钟信号，现场可编程逻辑阵列FPGA2在接收到test信号后系统开始进入工作状态，首先现场可编程逻辑阵列FPGA2产生触发信号Trigger（50MHz）输入激光发射电路3，使其驱动激光二极管4发射调制连续波激光，经目标物体反射后，雪崩光电二极管6接收反射的调制连续波激光信号并送入激光接收电路5，激光接收电路5将接收的回波信号Echo（50MHz）送入现场可编程逻辑阵列FPGA2，在现场可编程逻辑阵列FPGA2内部对发射信号和回波信号进行处理，测得相位差并计算目标距离并输出数据。
在FPGA内部，test信号键入后，触发模块产生触发信号Trigger（50MHz）和开始信号start，触发信号Trigger（50MHz）分别被送入激光发射电路发射调制连续波激光和同相异步二分频模块Ⅰ，触发信号Trigger（50MHz）经过同相异步二分频模块Ⅰ进行同相异步二分频处理后产生触发信号同相二分频信号Tri_s0（25MHz）并送入下混频器Ⅰ，下混频器Ⅰ将触发信号同相二分频信号Tri_s0（25MHz）与第二个时钟信号clk2(24.9975MHz)进行下混频得到触发信号同相低频信号Tri_s1(2.5KHz)，之后触发信号同相低频信号Tri_s1(2.5KHz)被送入计数模块Ⅱ和计数模块Ⅲ；激光接收电路接受的回波信号Echo（50MHz）分别被送入同相异步二分频模块Ⅱ、反相异步二分频模块和计数器模块Ⅱ，同相异步二分频模块和反相异步二分频模块分别对回波信号Echo（50MHz）进行二分频处理后得到信号回波信号同相二分频信号Echo_p0(25MHz)和反相二分频信号Echo_n0（25MHz），回波信号同相二分频信号Echo_p0(25MHz)和反相二分频信号Echo_n0（25MHz）分别由下混频器Ⅱ及下混频器Ⅲ与第二个时钟信号clk2(24.9975MHz)进行下混频后得到回波信号同相低频信号Echo_p1(2.5KHz)和反相低频信号Echo_n1（2.5KHz），之后二者分别被送入计数模块Ⅱ和计数模块Ⅲ；计数模块Ⅰ在检测到开始信号start的上升沿后开始对触发信号Trigger（50MHz）的上升沿进行计数，并在接收到回波信号Echo（50MHz）的第一个上升沿时停止计数，最后将计数结果（记为N）输出到距离计算模块；计数模块Ⅲ在检测到触发信号同相低频信号Tri_s1(2.5KHz)的上升沿后开始对第三个时钟信号clk3（200MHz）的上升沿进行计数，并在接收到回波信号的同相低频信号Echo_p1（2.5KHz）的上升沿时停止计数，最后将计数结果（记为Np）输出到距离计算模块；计数模块Ⅲ在检测到触发信号同相低频信号Tri_s1(2.5KHz)上升沿后开始对第三个时钟信号clk3上升沿进行计数，并在接收到回波信号的反相低频信号Echo_p1（2.5KHz）的上升沿停止计数，最后将计数结果（记为Nn）输出到距离计算模块，距离计算模块完成距离计算并输出距离计算结果。
实施例2 本实施例着重介绍一种单频大量程高精度相位式激光测距方法，如图3所示，图3所示信号时序图为实施例1中信号时序，结合图2、图3分析该方法如下。
图3 为FPGA内部信号时序图；
图3中：ΔΦ.触发信号和回波信号之间的总体相位差；N.时间间隔中触发信号的整周期数；Δφ.触发信号与回波信号之间不足2π的相位差；φp触发信号与回波信号的同相相位差；φn触发信号与回波信号的反相相位差；τ.时钟周期；T tof .激光飞行时间；f Trigger.触发信号周期；
test信号键入后，系统将在第一个时钟信号clk1的上升沿开始输出触发信号Trigger(50MHz)；同时输出start信号，在接收到回波信号Echo（50MHz）后，系统内部如图2中计数器模块Ⅰ会测得飞行时间内触发信号Trigger（50MHz）的整周期数N，即计数器模块Ⅰ会在start信号上升沿的触发下对触发信号Trigger（50MHz）的上升沿开始计数，并在回波信号Echo（50MHz）的第一个上升沿处停止计数。φp和φn分别是触发信号与回波信号同相相位差与反相相位差，两者平均值为触发信号与回波信号之间不足2π的相位差Δφ=（φp+φn）/2；触发信号与回波信号之间总体相位差ΔΦ=N*2π+（φp+φn）/2；如图3所示φp和φn分别为触发信号同相二分频信号Tri_s0（25MHz）与回波信号同相二分频信号Echo_p0（25MHz）和回波信号反相二分频信号Echo_n0（25MHz）之间的相位差，通过对该三个信号进行下混频处理后可以得到低频的三个信号，触发信号同相低频信号Tri_s1（2.5KHz）、回波信号同相低频信号Echo_p1（2.5KHz）、回波信号反相低频信号Echo_n1（2.5KHz），且保持三个信号之间相位差不变，即触发信号同相低频信号Tri_s1（2.5KHz）与回波信号同相低频信号Echo_p1（2.5KHz）和回波信号反相低频信号Echo_n1（2.5KHz）之间相位差分别为φp和φn，则相位差的测量精度提升了M=25M/(25M-24.9975M)=10000倍。在图2中，计数模块Ⅱ在信号触发信号同相低频信号Tri_s1（2.5KHz）的上升沿开始对时钟信号clk3(200MHz)上升沿计数，在回波信号同相低频信号Echo_p1（2.5KHz）的上升沿处停止计数，并且输出计数值Np；同理，计数模块Ⅲ在触发信号同相低频信号Tri_s1（2.5KHz）的上升沿开始对时钟信号clk3(200MHz)上升沿计数，在回波信号反相低频信号Echo_n1（2.5KHz）的上升沿处停止计数，并且输出计数值Np；则可以得到φp和φn由下列公式计算。
φp=2π*f Echo_p1Np*τ
φn=2π*f Echo_n1Nn*τ
f Echo_p1= f Echo_n1= f Trigger_s1=2.5KHz
激光飞行时间T tof 可由下列公式计算出来。
T tof =ΔΦ/(2π*f Trigger)
代入上述ΔΦ，φp和φn表达式，可得
T tof =2N*f Trigger+τ*f Echo_p1*(Np+Nn)/f Trigger
则目标距离可由以下公式计算出。
D=c*T tof /2=c*ΔΦ*f Trigger/4π=c*N*f Trigger +c*τ*f Echo_p1*(Np+Nn)/2f Trigger
其中c为光速。
则测距理论精度为
ΔD=c*τ*f Echo_p1/2f Trigge=0.000375m=0.375mm(理论精度)。
实施例3 本实施例结合图4说明PLL锁相环模块的工作原理。
图4为PLL模块电路原理图；
图4中：clk.输入时钟信号(50MHz)；clk_o1.输出时钟信号（50MHz）；clk2.输出时钟信号（24.9975MHz）；clk3.输出时钟信号（200MHz）；
本发明采用Intel公司Cyclone 10 10CL016YU256C8G型号FPGA芯片，该芯片内部集成有4个PLL锁相环模块，如图4所示，系统时钟信号clk（50MHz）输入PLL锁相环模块，分别分为三路，一路直接输出为信号clk_out1(50MHz) ,另外一路首先经过三级锁相环结构进行倍频处理，倍频因子分别为50/100,99/100和101/100，则输出信号频率为f clk_out1 =f clk *(50/100)*(99/100)*(101/100)=24.9975MHz；最后输出信号clk_out2(24.9975MHz),最后一路经过倍频因子为4的锁相环结构倍频后输出信号clk_out3(200MHz)。
实施例4 本实施例结合图5a、图5b说明同相/反相异步二分频原理。
图5a为同相/反相异步二分频电路图；
图5b为同相/反相异步二分频电路信号时序图。
图5a、图5b中：S_in.输入信号；S_out1.同相异步二分频输出信号；S_out2.反相异步二分频输出信号。
如图5a、图5b所示，在FPGA内部利用D触发器与反相器搭建同相异步二分频电路与反相异步二分频电路，其信号时序结构如图5a、图5b所示，从图中可以看出，输出信号S_out1与输入信号S_in之间是同相关系，信号S_out2与输入信号S_in之间是反相关系，而且S_in的频率是S_out1和S_out2的两倍。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种单频大量程高精度相位式激光测距系统，其特征在于：
包括晶振(1)、现场可编程逻辑门阵列FPGA(2)、激光发射电路(3)、激光二极管(4)、激光接收电路(5)、雪崩光电二极管(6)；所述晶振(1)为系统提供系统时钟信号，现场可编程逻辑阵列FPGA(2)在接收到test信号后系统开始进入工作状态，现场可编程逻辑阵列FPGA(2)产生触发信号Trigger输入激光发射电路(3)，驱动激光二极管(4)发射调制连续波激光，经目标物体反射后，雪崩光电二极管(6)接收反射的调制连续波激光信号并送入激光接收电路(5)，激光接收电路(5)将接收的回波信号送入现场可编程逻辑阵列FPGA(2)，在现场可编程逻辑阵列FPGA(2)内部对发射信号和回波信号进行处理，测得相位差并计算目标距离并输出数据；
所述现场可编程逻辑门阵列FPGA(2)由PLL锁相环模块(7)、两个同相异步二分频模块、反相异步二分频模块(10)、触发模块(11)、三个下混频器及三个计数模块组成；所述两个同相异步二分频模块分别为相异步二分频模块Ⅰ(8)及相异步二分频模块Ⅱ(9)；所述三个下混频器分别为下混频器Ⅰ(12)、下混频器Ⅱ(13)及下混频器Ⅲ(14)；所述三个计数模块分别为计数模块Ⅰ(15)、计数模块Ⅱ(16)及计数模块Ⅲ(17)；
由晶振(1)产生的系统时钟信号clk输入到FPGA内部后经过PLL锁相环模块处理后产生三个时钟信号，分别为第一个时钟信号clk1、第二个时钟信号clk2和第三个时钟信号clk3；test信号键入后，触发模块产生触发信号Trigger和开始信号start，触发信号Trigger分别被送入激光发射电路发射调制连续波激光和同相异步二分频模块Ⅰ，触发信号Trigger经过同相异步二分频模块Ⅰ进行同相异步二分频处理后产生触发信号的同相二分频信号Tri_s0并送入下混频器Ⅰ，下混频器Ⅰ将触发信号的同相二分频信号Tri_s0与第二个时钟信号clk2进行下混频得到触发信号的同相低频信号Tri_s1，之后触发信号的同相低频信号Tri_s1被送入计数模块Ⅱ和计数模块Ⅲ；同时，激光接收电路接收的回波信号Echo分别被送入同相异步二分频模块Ⅱ、反相异步二分频模块和计数器模块Ⅰ，同相异步二分频模块Ⅱ和反相异步二分频模块分别对回波信号Echo进行二分频处理后得到信号回波信号的同相二分频信号Echo_p0和反相二分频信号Echo_n0，回波信号的同相二分频信号Echo_p0和反相二分频信号Echo_n0分别由下混频器Ⅱ与下混频器Ⅲ分别与第二个时钟信号clk2进行下混频后得到回波信号的同相低频信号Echo_p1和反相低频信号Echo_n1，之后二者分别被送入计数模块Ⅱ和计数模块Ⅲ；计数模块Ⅰ在检测到开始信号start的上升沿后开始对触发信号Trigger的上升沿进行计数，并在接收到回波信号Echo的第一个上升沿时停止计数，最后将计数结果N输出到距离计算模块；计数模块Ⅱ在检测到触发信号的同相低频信号Tri_s1的上升沿后开始对第三个时钟信号clk3的上升沿进行计数，并在接收到回波信号的同相低频信号Echo_p1的上升沿时停止计数，最后将计数结果Np输出到距离计算模块；计数模块Ⅲ在检测到触发信号的同相低频信号Tri_s1的上升沿后开始对第三个时钟信号clk3的上升沿进行计数，并在接收到回波信号反相低频信号Echo_n1的上升沿时停止计数，最后将计数结果Nn输出到距离计算模块。
2.根据权利要求1所述的一种单频大量程高精度相位式激光测距系统，其特征在于：
所述现场可编程逻辑门阵列FPGA还包括距离计算模块(18)，用于接收现场可编程逻辑阵列中三个计数模块发送的计数结果并进行计算输出最后的目标距离。
3.根据权利要求2所述的一种单频大量程高精度相位式激光测距系统，其特征在于：
所述晶振(1)采用50MHz晶振，为系统提供50MHz系统时钟信号。
4.根据权利要求3所述的一种单频大量程高精度相位式激光测距系统，其特征在于：
所述第一个时钟信号clk1为50MHz；
所述第二个时钟信号clk2为24.9975MHz；
所述第三个时钟信号clk3为200MHz。
5.根据权利要求4所述的一种单频大量程高精度相位式激光测距系统，其特征在于：
触发信号的同相二分频信号Tri_s0为25MHz；
触发信号的同相低频信号Tri_s1为2.5KHz。
6.根据权利要求5所述的一种单频大量程高精度相位式激光测距系统，其特征在于：
回波信号Echo为50MHz；
触发信号Trigger为50MHz。
7.根据权利要求6所述的一种单频大量程高精度相位式激光测距系统，其特征在于：
回波信号的同相二分频信号Echo_p0为25MHz；
反相二分频信号Echo_n0为25MHz；
回波信号的同相低频信号Echo_p1为2.5KHz；
反相低频信号Echo_n1为2.5KHz。
8.一种单频大量程高精度相位式激光测距方法，其特征在于：
具体包括如下步骤：
步骤一：晶振产生的时钟信号clk输入现场可编程逻辑阵列，为整个系统提供时钟信号；PLL锁相环模块对时钟信号处理，分别得到第一个时钟信号clk1、第二个时钟信号clk2、第三个时钟信号clk3；test信号键入后，系统进入工作模式，首先触发模块在test信号键入后的第一个时钟信号clk1的上升沿开始输出与时钟信号同频同相的触发信号Trigger,并且输出start信号；
步骤二：触发信号Trigger分别被送入激光发射电路、计数模块Ⅰ和同相异步二分频模块Ⅰ；激光发射电路接收到触发信号Trigger后驱动激光二极管产生调制连续波激光信号，调制信号为触发信号Trigger，连续波激光信号经过目标物体反射后被雪崩光电二极管接收并转换为电信号送入激光接收电路并产生回波信号Echo，回波信号Echo被送入计数模块Ⅰ；在另一路触发信号Trigger被送入同相异步二分频模块Ⅰ进行分频处理得到触发信号的同相二分频信号Tri_s0，触发信号同相二分频信号Tri_s0与第二个时钟信号clk2在下混频器Ⅰ中进行下混频处理得到触发信号同相低频信号Tri_s1，同相低频信号Tri_s1被送入计数模块Ⅱ和计数模块Ⅲ；
步骤三：激光接收电路接收的回波信号Echo分别被送入同相异步二分频模块Ⅱ、反相异步二分频模块和计数器模块Ⅰ；同相异步二分频模块Ⅱ和反相异步二分频模块分别对回波信号Echo进行二分频处理后得到回波信号同相二分频信号Echo_p0和反相二分频信号Echo_n0，回波信号同相二分频信号Echo_p0和反相二分频信号Echo_n0分别由下混频器Ⅱ及下混频器Ⅲ与第二个时钟信号clk2进行下混频后得到回波信号同相低频信号Echo_p1和反相低频信号Echo_n1，之后二者分别被送入计数模块Ⅱ和计数模块Ⅲ；计数模块Ⅰ在检测到开始信号start的上升沿后开始对触发信号Trigger的上升沿进行计数，并在接收到回波信号Echo的第一个上升沿时停止计数，最后将计数结果N输出到距离计算模块；计数模块Ⅱ在检测到触发信号同相低频信号Tri_s1的上升沿后开始对第三个时钟信号clk3的上升沿进行计数，并在接收到回波信号的同相低频信号Echo_p1的上升沿时停止计数，最后将计数结果Np输出到距离计算模块；计数模块Ⅲ在检测到触发信号同相低频信号Tri_s1上升沿后开始对第三个时钟信号clk3上升沿进行计数，并在接收到回波信号的反相低频信号Echo_n1的上升沿停止计数，最后将计数结果Nn输出到距离计算模块，距离计算模块完成距离计算并输出距离计算结果。
9.根据权利要求8所述的一种单频大量程高精度相位式激光测距方法，其特征在于：
所述步骤三中距离计算模块的计算过程，具体如下：
目标距离D与激光飞行时间Ttof之间的计算关系为
D＝c*Ttof/2
c为光速，其中，激光飞行时间与发射信号和接收信号之间的总体相位差ΔΦ的关系如下：
Ttof＝ΔΦ/(2π*fTrigger)
其中，fTrigger为触发信号周期；
发射信号和接收信号之间的总体相位差表示如下：
ΔΦ＝N*2π+(φp+φn)/2；
其中：N为相位差中整相位数；
φp表示发射信号的上升沿与回波信号上升沿的相位差；
φn表示发射信号的上升沿与回波信号下降沿之间的相位差；
其中，φp＝2π*fEcho_p1Np*τ
φn＝2π*fEcho_n1Nn*τ
fEcho_p1＝fEcho_n1＝fTrigger_s1；
Np与Nn分别为计数时钟数，为触发信号周期分别通过计数模块Ⅱ与计数模块Ⅲ获得；
fEcho_p1，fEcho_n1，fTrigger_s1分别为回波信号的同相低频信号Echo_p1,回波信号的反相低频信号Echo_n1,触发信号的同相低频信号Trigger_s1的信号频率，计数模块Ⅱ与计数模块Ⅲ获的计数时钟均为第三个时钟信号clk3，计数模块Ⅱ与计数模块Ⅲ获的计数时钟周期均为τ；
代入目标表达式后，目标距离由以下表达式计算：
D＝c*Ttof/2＝c*ΔΦ*fTrigger/4π＝c*N*fTrigger+c*τ*fEcho_p1*(Np+Nn)/2fTrigger。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102901970A (zh) * 2012-11-08 2013-01-30 天津理工大学 一种单调制连续波激光测距装置与测距方法
CN103809185A (zh) * 2013-12-23 2014-05-21 深圳市威睿晶科电子有限公司 高速激光测距方法及高速激光测距系统
CN106953870A (zh) * 2017-03-31 2017-07-14 吴平 优先权安全管理工作方法及其设备
CN110187353A (zh) * 2019-05-22 2019-08-30 北京石油化工学院 一种远目标激光测距方法
CN111158007A (zh) * 2020-01-15 2020-05-15 吉林大学 一种基于fpga数字混频的脉冲-相位式激光测距方法及系统
CN113009455A (zh) * 2021-04-14 2021-06-22 吉林大学 一种提高脉冲激光测距精度的方法与系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102901970A (zh) * 2012-11-08 2013-01-30 天津理工大学 一种单调制连续波激光测距装置与测距方法
CN103809185A (zh) * 2013-12-23 2014-05-21 深圳市威睿晶科电子有限公司 高速激光测距方法及高速激光测距系统
CN106953870A (zh) * 2017-03-31 2017-07-14 吴平 优先权安全管理工作方法及其设备
CN110187353A (zh) * 2019-05-22 2019-08-30 北京石油化工学院 一种远目标激光测距方法
CN111158007A (zh) * 2020-01-15 2020-05-15 吉林大学 一种基于fpga数字混频的脉冲-相位式激光测距方法及系统
CN113009455A (zh) * 2021-04-14 2021-06-22 吉林大学 一种提高脉冲激光测距精度的方法与系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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