CN116990826B - 高动态精度激光相位式测距仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态精度激光相位式测距仪，包括设置在测距仪壳体内的光学模块和信号处理模块；光源模块由并列设置的光源发射装置和光源接收装置构成；光源发射装置由激光二极管和准直透镜组构成，光源接收装置由汇聚镜头和APD雪崩光电二极管构成；信号处理模块包括单片机、信号发生模块、激光发射模块、高压偏置模块、跨阻放大‑低通滤波模块和开关三极管混频‑LR低通滤波模块；该测距仪的光源发射装置保证激光信号的传输效果，光源接收装置保证其输出信号准确，并提高信号处理速度；且信号处理模块中的各模块之间相互配合，使信号测量稳定、准确和快速，实现解决现有技术的高精度情况下输出慢，只能依靠降低输出速度提高精度的问题。

Description

高动态精度激光相位式测距仪

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，特别涉及一种高动态精度激光相位式测距仪。

背景技术

激光测距是一种常用的测量技术，该技术在许多领域中得到广泛应用，例如建筑、工程、制造、地理测量和机器人等。常见的激光测距类型分别为飞行时间法、相位法、三角法，飞行时间法计算激光往返的时间，根据光速不变，从而计算出距离，该方案适合较远的距离测量，例如卫星地形勘测，地月距离测量等；相位法对往返调制激光相位差的计算，间接的计算出位移，通过改变调制激光的频率，可以实现量程以及精度的变换，适用于中近程的测量，不仅可以在科学实验里用于精确测量，也可以用于远距离的勘探例如激光雷达，遥感设备等等；三角法测距基于近轴光路的相似三角形原理，通过高分辨率的CCD检测返回光的位置，再根据相似三角形原理计算出位移，该方案适用于极小量程的测量，当检测距离变长时精度下降严重，因此该方案常用于曲面测量、扫地机器人等。

现有的相位式激光测距仪在硬件设计上包括电路结构设计和光路结构设计，例如：成乃朋公开了一种基于相位法的高精度激光测距仪的研究与设计，已公开专利CN102419166A公开了一种高精度多频同步相位激光测距装置与方法；具体来说，相位式激光测距仪在光路模块中，激光器为光源，其通过准直透镜将激光光斑进行整形，而后激光与被测面接触后发生反射，光线返回至接收透镜，并尽可能的将返回的激光收集并汇集到光电传感器上，最后由光电传感器将光信号转化成电信号；而在电路模块中，则首先是对激光器进行调制，其次是时钟发生部分，对于激光器的调制频率信号，当进行较大量程的测量时可通过单片机产生低频的调制频率信号，若需要进行短距离测量，需要高频率的调制频率信号，则需要借助专门的时钟发生芯片；对于光电转换模块，采用的光电传感器为APD雪崩光电二极管，需要由高压反向偏置电路、信号处理电路协同工作，才可以驱动雪崩光电二极管并将光信号转化为可以被采集的电信号；对于较高频率的信号直接采样会有很大的难度，因此现有方案都选择了采用混频手段进行处理，并通过集成的混频芯片实现；信号的采样以及对于相位的解算，采用单片机进行完成，使用单片机的ADC（模拟数字信号转化）功能将被混频的初始信号、返回信号进行采集，并通过芯片内部的相位解算程序测出两个信号的相位值，再将差值换算为距离值输出。而上述方案存在的问题是，在近距离测量时其结果输出速率低，每秒钟只可以解算一到三次距离值，对于静物的测量没有影响，若是物体处于一个高速运动的状态，较低的测量解算频率会导致有着非常大的误差，且无法实现及时的检测；而为了提高相位解算的进度，就必须增加采样位数以及信号运算的位数，过大过长的信号在解算时，CPU的运算将会变慢，导致了最终的输出变慢。此外，在处理精度方面，现有的相位式激光测距仪其精度在±1mm，若想继续提高精度，则必然会面临高频信号处理的硬件压力，以及相位分辨的精度问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种不仅解决现有测距仪在高精度情况下输出慢，并且还能在在输出速度不降低的情况下进一步提高精度的高动态精度激光相位式测距仪。

为此，本发明技术方案如下：

一种高动态精度激光相位式测距仪，包括设置在测距仪壳体内的光学模块和信号处理模块；

光源模块由并列设置的光源发射装置和光源接收装置构成；光源发射装置由分别固定在第一封闭镜筒前端和后端的激光二极管和准直透镜组构成，准直透镜组由呈平行且间隔设置的两个准直透镜构成，激光二极管以其激光发射端朝向准直透镜组中心处的方式设置；光源接收装置由分别固定在第二封闭镜筒前端和后端的汇聚镜头和APD雪崩光电二极管构成， APD雪崩光电二极管以其光源接收端朝向汇聚镜头中心处的方式设置；

信号处理模块包括单片机、信号发生模块、激光发射模块、高压偏置模块、跨阻放大-低通滤波模块和开关三极管混频-LR低通滤波模块；其中，

单片机由CPU核心、DAC输出模块、串口输出模块、IIC通讯模块、GPIO指令模块、DMA信号存储模块、第一ADC信号采样模块和第二ADC信号采样模块构成；CPU核心的第一个输出端与IIC通讯模块的输入端连接、第二个输出端与GPIO指令模块的输入端连接、第三个输出端与DAC输出模块的输入端连接、第四个输出端与串口输出模块的输入端连接；DMA信号存储模块的输出端与CPU核心的输入端连接；第一ADC信号采样模块和第二ADC信号采样模块的输出端分别与DMA信号存储模块的两个输入端连接，以分别将二者的采样信号输入至与DMA信号存储模块中的两个独立区块进行存储，并按照时间顺序分别传送至CPU核心中；

信号发生模块的输入端与IIC通讯模块的输出端连接，以通过IIC通讯模块激活信号发生模块，并指定信号发射模块产生具有不同频率的本征频率信号和调制频率信号；

激光发射模块分别与激光二极管、GPIO指令模块和信号发生模块连接，以通过GPIO指令模块激活激光发射模块，激光发射模块结合输入信号发生模块发送的本征频率信号和GPIO指令模块发送的PWM脉宽调制频率信号，向激光二极管输出能让光强呈周期性变化的电信号；

高压偏置模块分别与APD雪崩光电二极管和GPIO指令模块连接，以通过GPIO指令模块激活高压偏置模块，并向APD雪崩光电二极管提供反向偏置电压；

APD雪崩光电二极管还与信号发生模块的调制频率信号输出端连接，以接收调制频率信号和探测返回的光信号，并输出经差频处理的高低频混合信号；开关三极管混频-LR低通滤波模块分别与信号发生模块和第二ADC信号采样模块连接，以接收本征频率信号和调制频率信号进行混频处理，并去除混频信号中的高频分量，输出低频分量至第二ADC信号采样模块；

跨阻放大-低通滤波模块分别与APD雪崩光电二极管和第一ADC信号采样模块连接，以将APD雪崩光电二极管输出的电流混频信号转变为电压混频信号，并去除电压混频信号中的高频分量，输出低频分量至第一ADC信号采样模块。

进一步地，激光二极管采用可进行外调制的激光二极管；准直透镜采用K9玻璃制球面镜片，其直径为5mm、厚度为1~2mm；两个准直透镜之间的间距为5mm；激光二极管的激光发射端与相邻准直透镜之间的间距为7mm。

进一步地，汇聚镜头为由K9玻璃制成的外侧面为凸球面、内侧面为平面的圆形镜片，且镜片的最大厚度为8mm，最小厚度为5mm，镜片直径为APD雪崩光电二极管的直径的10倍；APD雪崩光电二极管位于汇聚镜头的一倍焦距处。

进一步地，单片机采用STM32系列单片机。

进一步地，信号发生模块包括有源晶振和信号发生芯片；其中，信号发生芯片与有源晶振连接，以通过有源晶振提供稳定时钟振荡；信号发生芯片与IIC通讯模块连接，以通过接收IIC通讯模块发送的时钟信号和数据信号，产生并输出相位相同、频率不同的本征频率信号和调制频率信号。

进一步地，激光发射模块包括运算放大器、稳压二极管和晶体三极管；其中，运算放大器通过稳压二极管和晶体三极管分别与激光二极管的发射管和信号发生模块的本征频率信号输出端连接，运算放大器还与GPIO指令模块连接，以通过GPIO指令模块激活激光二极管、并输入PWM脉宽调制频率信号，使激光二极管在PWM脉宽调制频率信号和本征频率信号作用下，输出与本征频率信号频率相对应的激光信号；运算放大器还与激光二极管的接收管连接，以形成负反馈，使激光二极管LD1的工作功率随温度调节。

进一步地，高压偏置模块包括场效应管、稳压二极管和升压芯片；升压芯片与GPIO指令模块连接，以激活高压偏置模块、并输入PWM脉宽调制频率信号；升压芯片通过场效应管和稳压二极管与APD雪崩光电二极管连接，以形成高偏置电压并提供给APD雪崩光电二极管。

进一步地，跨阻放大-低通滤波模块由跨阻放大器和有源的低通滤波器构成；跨阻放大器与APD雪崩光电二极管连接，以将由APD雪崩光电二极管输出的电流信号在跨阻放大器中转变为电压信号；低通滤波模块分别与跨阻放大器和第一ADC信号采样模块连接，低通滤波模块将跨阻放大器输入的电压信号中的高频分量去除，将该低频分量输送至第一ADC信号采样模块中进行采样。

进一步地，开关三极管混频-LR低通滤波模块由一阶无源RC高通滤波器、一阶无源高通滤波器、晶体三极管和LRπ型滤波电桥；一阶无源RC高通滤波器的一端与信号发生模块的本征频率信号输出端连接、另一端与晶体三极管的基极连接，一阶无源高通滤波器的一端与信号发生模块的调制频率信号输出端连接、另一端与晶体三极管的发射极连接，使本征频率信号和调制频率信号混频为混频信号；LRπ型滤波电桥的一端与晶体三极管的集电极连接、另一端与第二ADC信号采样模块，以将混频信号中高频分量滤除后，将低频分量输出至第二ADC信号采样模块。

与现有技术相比，该高动态精度激光相位式测距仪的有益效果如下：

在光学模块的结构设计上，光源发射装置由激光二极管和准直透镜组构成，准直透镜组通过两个具有特定结构和间距的准直透镜组成，通过利用准直透镜组对激光光束进行整形，使得无论被测表面距离光源多远，其光斑大小均不变，保证激光信号的传输效果；而光源接收装置由汇聚镜头和APD雪崩光电二极管构成，汇聚镜头进一步提升APD雪崩光电二极管的相应强度，保证其输出的电流信号更加准确，减少后续电路中的误差，并利用APD雪崩光电二极管的混频功能为简化信号处理模块提供基础，释放单片机算力以提高数据处理效果，加快整体信号处理速度；

在信号处理模块的结构设计上，其由单片机、信号发生模块、激光发射模块、高压偏置模块、跨阻放大-低通滤波模块和开关三极管混频-LR低通滤波模块构成；其中，信号发生模块作为调制信号和本征信号的产生源头，能够精准且实时的产出不存在相位误差的调制信号，使得相位式测距仪的精度从源头上得到实现；激光发射模块能够快速的响应信号发射模块的信号，从而发射出符合要求的高频光强周期变化的激光，使得测量信号能够高效无误的发射，进一步的提高了高频调制的稳定性，让测量速度的稳定性得到保证；高压偏置模块为APD雪崩光电二极管提供准确的高频电压，使APD雪崩光电二极管始终处于在线性工作状态，实现快速的响应，达到提高精度的作用；而跨阻放大-低通滤波模块将光信号转换成电信号，使有效信号得到加强、噪声剔除，为回波信号的准确采样打下了基础；开关三极管混频-LR低通滤波模块替代传统混频芯片，利用模拟结构，大大提高了信号混频速度，减少了信号处理的时间，加快信号传输速度；

综上，该高动态精度激光相位式测距仪解决了现有技术中在高精度情况下输出慢的问题，以及在输出速度不降低的情况无法提高精度的问题。

附图说明

图1为本发明的高动态精度激光相位式测距仪的结构示意图；

图2为本发明的高动态精度激光相位式测距仪的工作原理示意图；

图3为本发明的高动态精度激光相位式测距仪的信号发生模块的电路结构示意图；

图4为本发明的高动态精度激光相位式测距仪的激光发射模块的电路结构示意图；

图5为本发明的高动态精度激光相位式测距仪的高压偏执模块的电路结构示意图；

图6为本发明的高动态精度激光相位式测距仪的跨阻放大-低通滤波模块的电路结构示意图；

图7为本发明的高动态精度激光相位式测距仪的开关三极管混频-LR低通滤波模块的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

参见图1，该高动态精度激光相位式测距仪包括设置在测距仪壳体内的光学模块和信号处理模块。

测距仪壳体由自上而下依次设置的光学模块安装箱1、信号处理模块安装板3和底板2构成；其中，光学模块安装箱1为内设有空腔、底部设有开口的箱体，且在长度方向上，箱体的一侧高度高于其另一侧高度，使箱体呈台阶状；光学模块安装在高箱体内，对应地，位于高箱体与低箱体连接处的竖板为光学模块安装竖板；在光学模块安装竖板居中开设有呈间隔设置的第一光源模块安装孔和第二光源模块安装孔，其一侧侧板面上开设有航插孔；底板2为一尺寸与光学模块安装箱1底端开口尺寸相适应的矩形板，其顶面开设有用于设置信号处理模块安装板3的凹槽，并通过沿周向设置的若干个螺钉封装在光学模块安装箱1的底端开口处；在光学模块安装箱1底端的两个长边侧分别沿水平方向向外延伸形成有固定板，使底板2通过设置在光学模块安装箱1两侧固定板上的多个螺栓可拆卸固定在光学模块安装箱1底部。

光源模块由光源发射装置和光源接收装置构成；其中，光源发射装置由第一封闭镜筒、激光二极管9和准直透镜组构成；第一封闭镜筒水平固定在光学模块安装箱1内，其前端固定在第一光源模块安装孔处；准直透镜组固定在第一封闭镜筒的前端开口处，其由呈平行间隔设置的第一准直透镜7和第二准直透镜8构成；激光二极管9以其激光发射端朝向准直透镜组中心处的方式固定在第一封闭镜筒的后端开口处；光源接收装置由汇聚镜头4、第二封闭镜筒5和APD雪崩光电二极管6构成；第二封闭镜筒5水平固定在光学模块安装箱1内，其前端固定在第二光源模块安装孔处；汇聚镜头4固定在第二封闭镜筒5的前端开口处；APD雪崩光电二极管以其光源接收端朝向汇聚镜头4中心处的方式固定在第二封闭镜筒5的后端开口处。

在光源发射装置中，作为激光产生光源，激光二极管1具体采用进行外调制的激光二极管，以通过改变激光器的输出，实现光强的周期改变，调制光强（例如设置激光的光强改变频率为200MHz）；但是，由于激光二极管发出的光束为高斯光束并含有一定的散射角度，因此，在激光二极管1的激光发射路径上设置准直透镜组2，以对激光光束进行整形，使得无论被测表面距离光源多远，其光斑大小均不变；具体地，准直透镜采用K9玻璃制的球面镜片，其直径为5mm、厚度为2mm；两片准直透镜之间的间距为5mm；激光二极管1的激光发射端与相邻准直透镜之间的间距为7mm；与单片准直透镜、或三片准直透镜构成准直透镜组相比，该由两片准直透镜构成的准直透镜组成像效果最佳。

在光源接收装置中，作为光电传感器，APD雪崩光电二极管3对经过漫反射的返回信号依旧能探测到并形成一个较高的输出电流；同时，为了让APD雪崩光电二极管3尽可能的接收到返回信号，使成像充满整个镜头，即增强APD雪崩光电二极管3的响应强度，使其输出的电流信号更加准确，减少后续电路中的误差，在APD雪崩光电二极管3的光信号接收路径上设置汇聚镜头4；汇聚镜头4为一个由K9玻璃制成的外侧面为凸球面、内侧面为平面的圆形镜片，镜片的最大厚度为8mm，最小厚度为5mm，且镜片直径为APD雪崩光电二极管3的直径的10倍；在本实施例中，基于APD雪崩光电二极管3的直径为2mm，汇聚镜头4的直径为20mm；汇聚镜头4与APD雪崩光电二极管3之间的间距满足：APD雪崩光电二极管3位于汇聚镜头4的一倍焦距处；封闭镜筒5的作用为将APD雪崩光电二极管3的接收光路罩住，防止因其他杂散光进入导致噪声增加。

相位测距的实质为检测发射光和接收光的相位，但是单片机无法对高频率的光信号进行采样，因此为了实现采样需要对原始的两个光信号进行混频处理，使其能够达到单片机采样的目的；基于此，参见图2，信号处理模块包括单片机、信号发生模块、激光发射模块、高压偏置模块、开关三极管混频-LR低通滤波模块和跨阻放大-低通滤波模块。

单片机由CPU核心、DAC输出模块、串口输出模块、IIC通讯模块、GPIO指令模块、DMA信号存储模块、第一ADC信号采样模块和第二ADC信号采样模块构成；其中，CPU核心的第一个输出端与IIC通讯模块的输入端连接，CPU核心的第二个输出端与第一GPIO指令模块的输入端连接；第一ADC信号采样模块和第二ADC信号采样模块的输出端分别与DMA信号存储模块的两个输入端连接，以分别将二者的采样信号输入至与DMA信号存储模块中的两个独立区块进行存储；DMA信号存储模块的输出端与CPU核心的输入端连接，使采样信号按时间顺序分别传送至CPU核心中，由CPU核心对采样信号进行处理，并得到位移数据；CPU核心的第三个输出端与DAC输出模块的输入端连接，将CPU核心处理得到的位移数据转换为电压值，以电压信号的形式传输至用户设备中，便于实时监测；CPU核心的第四个输出端与串口输出模块的输入端连接，将CPU核心处理得到的位移数据输出值计算机中。

具体地，单片机采用STM32系列单片机；在本实施例中，单片机采用STM32H750单片机。

根据相位式测距的原理，在一定的鉴相精度下，测尺的长度是由调制激光的频率所决定，激光其频率越高，测距精度就越高，其中，调制频率至少需要达到150MHz以上；另外，根据差频测相的原理需要产生两个频率信号，一个用于调制，一个作为本征信号，二者之间的频率差值要求严格，同时产生的两个频率信号之间，必须保证相位的一致。对于高频信号的产生，一般的晶振无法满足需求，因此需要根据需要设计新的信号发生模块。

在本申请中，信号发生模块基于信号发生芯片设计而成，信号发生芯片通过与有源晶振连接，以通过有源晶振向模块提供稳定时钟振荡；信号发生芯片还分别与IIC通讯模块的SCL端和SDA端连接，以通过IIC通讯模块的SCL端发送的激活信号使信号发生模块激活，并通过IIC通讯模块的SDA端发送的频率信号使信号发生模块产生两个相位一致、频率不同的信号，即本征频率信号IF1和调制频率信号IF2；该两个频率信号用于与光信号进行混频，因此只有这两个频率信号的相位是一致，才能确定两个采样信号相位的变化完全是由测距距离改变而引起的。

其中，信号发生芯片具体采用SI5351芯片；该信号发生芯片为一个集成式锁相环芯片，可直接与STM32单片机进行数据传输，而且还能够同时输出相位相同但是频率不同的多路频率信号，并分别作为本征频率信号和调制频率信号；同时该种集成式频率信号所具有频率误差小的优点能够使的量程精确，同时所具有不存在相位误差的优点使得硬件所带来误差将被进一步减少，使得精度进一步提高。

具体地，信号发生模块具体基于信号发生电路实现；参见图3，信号发生电路包括有源晶振Y1、信号发生芯片、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3；其中，有源晶振Y1的两个负极端共接接地、两个正极端分别与信号发生芯片的XA端和XB端连接；信号发生芯片的CLK0端与第三电阻R3的第一端连接，第三电阻R3的第二端与第三电容C3的第一端连接，第三电容C3的第二端作为本征频率信号IF1的输出端；信号发生芯片的CLK2端与第四电阻R4的第一端连接，第四电阻R4的第二端作为调制频率信号IF2的输出端；信号发生芯片的VDD端作为第一外接端OUT1，其与3.3V外接电源连接；信号发生芯片的SCL端、第一电阻R1的第一端和第一电容C1的第一端共接，信号发生芯片的SDA端、第二电阻R2的第一端和第二电容C2的第一端共接，第一电容C1的第二端和第二电容C2的第二端分别接地；第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第二端作为第二外接端、二者与3.3V外接电源连接；信号发生芯片的SCL端和SDA端还分别与IIC通讯模块的SCL端和SDA端连接；信号发生芯片的VDDO端作为第三外接端，其与3.3V外接电源连接；信号发生芯片的GND端接地，信号发生芯片的CLK1端悬空不使用。

在该信号发生电路中，有源晶振Y1通过两个输出端口连接芯片SI5351，以为其提供外部的稳定时钟振荡，振荡频率为25MHz；信号发生芯片通过GND端和VDDO端完成对高低电平的定义，以在芯片的内部产生指定频率的信号；信号发生芯片的SCL端和SDA端还分别与IIC通讯模块的SCL端和SDA端连接，以分别接收IIC通讯模块发送的激活信号和数据信号；信号发生芯片的CLK0端用于发射第一个时钟信号，经第三电阻和第三电容形成高通滤波，即本征频率信号，并经由本征频率信号IF1的输出端向外发射；信号发生芯片的CLK2端用于发射第二个时钟信号，经第四电阻形成调制频率信号，并经由调制频率信号IF2的输出端向外发射；具体地，本征频率信号IF1输出至激光发射模块、开关三极管混频-LR低通滤波模块，调制频率信号IF2输出至高压偏置模块和开关三极管混频-LR低通滤波模块。综上，信号发生模块作为调制信号和本征信号的产生源头，能够精准且实时的产出不存在相位误差的调制信号，使得相位式测距仪的精度从源头上得到实现。

激光发射模块基于单片机的GPIO功能搭建而成，单片机的GPIO指令模块包括有激活信号输出端和PWM输出端；其中，激光发射模块与GPIO指令模块连接，以通过GPIO指令模块向激光发射模块输入激活信号或PWM脉宽调制频率信号；激光发射模块分别与信号发生模块和激光二极管连接，以接收信号发生模块发送的本征频率信号IF1，并通过结合PWM脉宽调制频率信号向激光二极管发出激光信号，实现对激光二极管光强的周期性的外部调制，进而，激光二极管发射出具有特定频率的调制光。

具体地，激光发射模块具体基于激光发射电路实现；参见图4，激光发射电路包括第一电感L1、第五电阻R5、第四电容C4、运算放大器U1、第一稳压二极管D1和晶体三极管Q1；其中，第一电感L1的正极作为第四外接端，其与3.3V外接电源连接；第一电感L1的负极、第五电阻R5的第一端、激光二极管LD1的发射管正极和激光二极管LD1的接收管负极共接；激光二极管LD1的发射管负极和晶体三极管Q1的集电极连接，并作为第五外接端OUT5，与信号发生电路中第三电容C3的第二端连接，以输入本征频率信号IF1；第五电阻R5的第二端、第一电容C4的第一端、运算放大器U1的引脚5、晶体三极管Q1的基极和第一稳压二极管D1的负极共接接地；晶体三极管Q1的发射极接地；第一稳压二极管D1的正极、运算放大器U1的引脚1、激光二极管LD1的接收管正极和运算放大器U1的引脚4共接；运算放大器U1的引脚2接地；运算放大器U1的引脚3作为第六外接端OUT6，其分别与GPIO指令模块的激活指令输出端和GPIO指令模块的PWM输出端连接，以输入激活指令和PWM脉宽调制频率信号。其中，激光二极管具体采用650nm红光半导体激光器；运算放大器具体采用3peak公司生产的一款高速高带宽的芯片TP1561，其有着较高的压摆率适用于响应速度极快的场景下，增益带宽为6MHz；晶体三极管具体采用NPN型晶体管MMBT3646。

在该激光发射电路中，第一电感L1的负极为作为第四外接端OUT4与外接电源连接，以为电路供电；第一电感L1的设置用于初步滤除高频噪声电压，而后电压经过为激光二极管LD1和运算放大器U1供电；第五外接端OUT5与信号发生电路连接，以接收本征频率信号，对激光二极管LD1的光强实现周期性的外部调制；第六外接端OUT6与GPIO指令模块的PWM输出端连接，当无PWM脉宽调制频率信号时，晶体三极管Q1处于截止状态，激光二极管LD1中的电流值非常小低于其阈值电流，不产生激光；当有PWM脉宽调制频率信号输入时，信号则先经运算放大器U1转换为电流信号，再经稳压二极管D1使晶体三极管Q1的基极电压值提高，令其处于放大区进行工作，这时晶体三极管Q1的电流大于激光二极管LD1的阈值电流，激光二极管LD1工作于线性区中，结合本征频率信号IF1的内调制，输出与本征频率信号IF1的频率相对应的激光信号值；激光二极管LD1同时还接收正极（PD+极）的反馈电流信号，即当激光二极管LD1长时间工作时，其温度会有所上升，这时PD+会提高输出的电流信号，使运算放大器U1的引脚1处电流值降低，进而使晶体三极管Q1基极的电压降低，从而使输出的电流降低，激光二极管LD1的整体功率降低，温度随之下降，达到负反馈的效果，使激光发生模块始终保持稳定，减少由于功率不稳定而带来的误差。综上，激光发射模块能够快速的响应信号发射模块的信号，从而发射出符合要求的高频光强周期变化的激光，使得测量信号能够高效无误的发射，进一步的提高了高频调制的稳定性，让测量速度的稳定性得到保证。

作为一个激光测距系统，其光电检测元件对测距结果具有至关重要的影响；本申请采用APD雪崩光电二极管作为光电检测元件，完成对激光的响应，其较高的内部增益，可获得更高的信噪比信号；同时在激光测距仪的使用场景中，往往不存在合作目标，测距的对象表面也多为粗糙的表面，容易漫反射，导致回波信号的能量较低，因此也需要进行增益放大；此外，APD雪崩光电二极管的内混频功能，可直接输出低频但是保留相位信息的电信号。而APD雪崩光电二极管在使用时需要有一个高压反向偏置模块为其提供反偏电压。

高压偏置模块与GPIO指令模块和APD雪崩光电二极管连接；其中，高压偏置模块与GPIO指令模块连接，以产生工作激活信号，使高压偏置模块工作；高压偏置模块与APD雪崩光电二极管连接，以为APD雪崩光电二极管提供反向偏置电压。

高压偏置模块包括场效应管、稳压二极管和升压芯片；升压芯片与GPIO指令模块连接，以激活高压偏置模块、并输入PWM脉宽调制频率信号；升压芯片通过场效应管和稳压二极管与APD雪崩光电二极管连接，以形成高偏置电压并提供给APD雪崩光电二极管。

具体地，高压偏置模块具体基于高压偏置电路实现；参见图5，高压偏置电路包括场效应管X1、第二稳压二极管D2、第六电阻R6、第五电容C5、第二电感L2和升压芯片U2；其中，升压芯片U2的EXT端与场效应管X1的第一端连接，场效应管X1的第二端与第二稳压二极管D2的正极连接，场效应管X1的第三端接地；第二稳压二极管D2的负极作为第七外接端OUT7，也即高压输出端，其与APD雪崩光电二极管连接；升压芯片U2的FB端与第六电阻R6的第一端连接，第六电阻R6的第二端作为第八外接端OUT8，其与GPIO指令模块的PWM输入端连接并接地；升压芯片U2的VDD端、第五电容R6的第一端、第二电感L2的负极端共接，第五电容R6的第二端接地，第二电感L2的正极端作为第十外接端OUT10，其与3.3V外接电源连接；升压芯片U2的CE端作为第九外接端OUT9，其与GPIO指令模块的激活信号输出端连接；升压芯片U2的GND端接地。其中，升压芯片具体采用大电流升压芯片ME209。

该高压偏置电路以升压芯片U2为核心展开，其具体采用第五外接端OUT5的第二端与3.3V外接电源连接，以为高压偏置电路供电；第九外接端OUT9与GPIO指令模块的激活信号输出端连接，以通过接收GPIO指令模块发送的激活信号激活升压芯片工作；第八外接端OUT8与GPIO指令模块的PWM输出端连接，以输入PWM脉宽调制频率信号，其中，当PWM信号的占空比高，则输出的电压高；升压芯片U2的EXT端作为芯片输出端，输出电压信号，电压信号依次经过场效应管X1和一个正向导通的第二稳压二极管D2，在第二稳压二极管D2的负极处形成一个较高的偏置电压，通过第七外接端OUT7输出给APD雪崩光电二极管，使APD雪崩光电二极管在反向偏置电压下工作，探测返回的光信号，并将光信号转化成电信号。综上，高压偏置模块为APD提供准确的高频电压，让APD准确的稳定在线性工作模块，且只有处于线性工作状态的APD才可以实现快速的响应，以完成提高精度的作用。

APD雪崩光电二极管还与信号发生电路的第四电阻R4的第二段连接，以向APD雪崩光电二极管输入调制频率信号IF2，利用APD雪崩光电二极管的混频功能，将其探测到的返回光信号与调制频率信号IF2进行差频运算，最终输出低频且带有相位差信息的电流信号。

在激光测距仪中，需要对发射信号和返回光信号进行采样鉴相；其中，返回光信号利用APD雪崩光电二极管自身的混频功能实现了差频的需求，而发射信号则需要设计开关三极管混频-LR低通滤波模块，以实现发射信号的混频差频。

开关三极管混频-LR低通滤波模块由一阶无源RC高通滤波器、一阶无源高通滤波器、晶体三极管和LRπ型滤波电桥；其中，一阶无源RC高通滤波器的一端与信号发生模块的本征频率信号输出端连接、另一端与晶体三极管的基极连接，一阶无源高通滤波器的一端与信号发生模块的调制频率信号输出端连接、另一端与晶体三极管的发射极连接，使本征频率信号和调制频率信号混频为混频信号；LRπ型滤波电桥的一端与晶体三极管的集电极连接、另一端与第二ADC信号采样模块，以将混频信号中高频分量滤除后，将低频分量输出至第二ADC信号采样模块。具体地，开关三极管混频-LR低通滤波模块基于开关三极管混频-LR低通滤波电路实现，参见图6，开关三极管混频-LR低通滤波电路包括第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第三电感L3、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9和第二晶体三极管Q2；其中，第七电阻R7的第一端作为第十一外接端OUT11，其与3.3V外接电源连接；第七电阻R7的第二端与第三电感L3的正极连接；第三电感L3的负极、第九电阻R9的第一端、第二晶体三极管Q2的集电极、第六电容C6的第一端和第八电阻R8的第一端共接，第六电容的第二端接地；第八电阻R8的第二端与第七电容C7连接，二者作为第十三外接端OUT13，即混频信号输出端，其与第二ADC信号采样模块的输入端连接；第七电容C7的第二端接地；第二晶体三极管Q2的发射极、第九电容C9的第一端和第十三电阻R13的第一端共接，第九电容C9的第二端作为第十四外接端OUT14，其与第四电阻R4的第二端连接，以输入调制频率信号IF2；第十三电阻R13的第二端接地；第九电阻R9的第二端、第二晶体三极管Q2的基极、第十二电阻R12的第一端、第八电容C8的第一端共接；第八电容C8的第二端、第十一电阻R11的第一端、第十电阻的第一端共接；第十一电阻R11的第二端接地，第十二电阻R12的第二端接地；第十电阻的第二端作为第十二外接端，其与第四电容的第二端连接，以输入本征频率信号IF1；

在该开关三极管混频-LR低通滤波电路中，从第九接入端IN9输入的本征频率信号IF1出发，本征频率信号IF1先通过由第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12和第八电容C8构成的一阶无源RC高通滤波器，而后输入到作为开关三极管的第二晶体三极管Q2的基极；与此同时，自第八接入端IN8输入调制频率信号IF2先通过由第九电容C9和第十三电阻R13构成的一阶无源高通滤波器，而后输入至第二晶体三极管Q2的发射极；然后，本征频率信号IF1和调制频率信号IF2利用第二晶体三极管Q2的混频功能，形成一个包含高频分量与低频分量的信号，该信号自第二晶体三极管Q2的集电极输出至由第六电容C6、第八电阻R8和第七电容C7构成的LRΠ型滤波电桥，以滤除新信号中的高频分量，最终将仅包含有低频分量的信号通过第十三外接端OUT13，输送给单片机的第二ADC信号采样模块采样。综上，开关三极管混频-LR低通滤波模块替代混频芯片，利用模拟结构，大大提高了信号混频速度，减少了信号处理的时间，以加快信号的传输。

跨阻放大-低通滤波模块由跨阻放大器和有源的低通滤波器构成；其中，跨阻放大器与APD雪崩光电二极管连接，以将由APD雪崩光电二极管输出的电流信号在跨阻放大器中转变为电压信号，更方便后续电路处理以及ADC采样；低通滤波模块分别与跨阻放大器和第一ADC信号采样模块连接，以将电压信号中的高频分量滤除，输出低频分量，进而将该信号送入STM32单片机的第一ADC信号采样模块中进行采样。

具体地，跨阻放大-低通滤波模块基于跨阻放大-低通滤波电路实现，参见图7，跨阻放大-低通滤波电路包括双运放芯片、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R19、第十电容C10、第十一电容C11和第十二电容C12；双运放芯片由第一运算放大器U3和第二运算放大器U4构成；其中，

第一运算放大器U3的引脚1、第十一电容C11的第一端、第十二电容C12的第一端和第十八电阻的第一端共接；第一运算放大器U3的引脚2、第十一电容C11的第二端和第十八电阻的第二端共接；第十二电容C12的第二端与第十七电阻R17的第一端连接；第一运算放大器U3的引脚3作为第十五外接端OUT15，其与APD雪崩光电二极管的信号输出端连接；第一运算放大器U3的引脚4接地；第一运算放大器U3的引脚8作为第十六外接端OUT16，其与3.3V外接电源连接；第二运算放大器U4的引脚5、第十五电阻的第一端、第十六电阻的第一端和第十电容的第一端共接；第十五电阻的第二端与第十七外接端OUT17连接，且二者作为第十七外接端与3.3V外接电源连接；第十六电阻的第二端接地；第十电容的第二端接地；第二运算放大器U4的引脚6、第十七电阻R17的第二端和第十四电阻R14的第一端共接；第二运算放大器U4的引脚7与第十四电阻R14的第二端连接，二者作为第十八外接端OUT18与第一ADC信号采样模块的输入端连接；其中，双运放芯片具体采用TP1542芯片，其为一种高增益低噪声的芯片，增益带宽积最高可以达到1.3MHz。

在跨阻放大-低通滤波电路中，双运放芯片的第一运算放大器U3、第十八电阻R18和第十一电容C11构成一个跨阻放大器，具体地，以第十五外接端OUT15为起始端，APD雪崩光电二极管输出的带有相位信息的高低频混合信号通过双运放芯片的引脚3（正输入端）输入；由于双运放芯片引脚1和引脚2与并联的通过第十八电阻R18和第十一电容C11形成一个负反馈回路，使带有相位信息的高低频混合信号经过第十八电阻R18后电流值与电阻相乘形成一个电压信号，并从双运放芯片的引脚1输出；而第十二电容C12、第十七电阻R17、第十四电阻R14与双运放芯片的第二运算放大器U4构成一个有源的低通滤波器，具体地，由跨阻放大器输出的电压信号进入有源的低通滤波器进行滤波，滤波结果自第二运算放大器U4的引脚7输出，并通过第十八外接端OUT18输送给第一ADC采样模块采样。综上，跨阻放大-低通滤波模块将光信号转换成电信号，且让有效的信号得到加强、噪声剔除，为回波信号的准确采样打下了基础。

在本申请的信号处理模块的结构设计上，由于相位测距的最终目的需要测量得到两个相位，即一个激光开始发射时的相位（该相位又称为零点相位），另一个是对应距离的相位，进而二者的差值即为距离；因此，在开关三极管混频-LR低通滤波模块中，本征频率信号和调制频率信号先进行一次混频，得出一个开始发射时的零点相位，即一个具有低频分量和零点相位的信号；而上述的对应距离的相位获得方式为：先利用本征频率信号发射激光，在APD接受反射后，再利用调制频率信号混频得到一个具有低频分量和距离相位的信号；最终，由第一ADC采样模块和第二ADC采样模块采样得到的两个信号为两个相位不同且频率一致的信号，便于单片机处理；与此同时，本申请的信号处理模块中，通过设计不同的功能模块，最终实现了解决了现有技术中存在的高精度情况下输出慢的问题，以及在输出速度不降低的情况无法提高精度的问题。

Claims (9)

1.一种高动态精度激光相位式测距仪，其特征在于，包括设置在测距仪壳体内的光学模块和信号处理模块；其中，

光学模块由并列设置的光源发射装置和光源接收装置构成；光源发射装置由分别固定在第一封闭镜筒前端和后端的激光二极管和准直透镜组构成，准直透镜组由呈平行且间隔设置的两个准直透镜构成，激光二极管以其激光发射端朝向准直透镜组中心处的方式设置；光源接收装置由分别固定在第二封闭镜筒前端和后端的汇聚镜头和APD雪崩光电二极管构成， APD雪崩光电二极管以其光源接收端朝向汇聚镜头中心处的方式设置；

信号处理模块包括单片机、信号发生模块、激光发射模块、高压偏置模块、跨阻放大-低通滤波模块和开关三极管混频-LR低通滤波模块；单片机由CPU核心、DAC输出模块、串口输出模块、IIC通讯模块、GPIO指令模块、DMA信号存储模块、第一ADC信号采样模块和第二ADC信号采样模块构成；CPU核心的第一个输出端与IIC通讯模块的输入端连接、第二个输出端与GPIO指令模块的输入端连接、第三个输出端与DAC输出模块的输入端连接、第四个输出端与串口输出模块的输入端连接；DMA信号存储模块的输出端与CPU核心的输入端连接；第一ADC信号采样模块和第二ADC信号采样模块的输出端分别与DMA信号存储模块的两个输入端连接，以分别将二者的采样信号输入至与DMA信号存储模块中的两个独立区块进行存储，并按照时间顺序分别传送至CPU核心中；信号发生模块的输入端与IIC通讯模块的输出端连接，以通过IIC通讯模块激活信号发生模块，并指定信号发射模块产生具有不同频率的本征频率信号和调制频率信号；激光发射模块分别与激光二极管、GPIO指令模块和信号发生模块连接，以通过GPIO指令模块激活激光发射模块，激光发射模块结合输入信号发生模块发送的本征频率信号和GPIO指令模块发送的PWM脉宽调制频率信号，向激光二极管输出能让光强呈周期性变化的电信号；高压偏置模块分别与APD雪崩光电二极管和GPIO指令模块连接，以通过GPIO指令模块激活高压偏置模块，并向APD雪崩光电二极管提供反向偏置电压；APD雪崩光电二极管还与信号发生模块的调制频率信号输出端连接，以接收调制频率信号和探测返回的光信号，并输出经差频处理的高低频混合信号；开关三极管混频-LR低通滤波模块分别与信号发生模块和第二ADC信号采样模块连接，以接收本征频率信号和调制频率信号进行混频处理，并去除混频信号中的高频分量，输出低频分量至第二ADC信号采样模块；跨阻放大-低通滤波模块分别与APD雪崩光电二极管和第一ADC信号采样模块连接，以将APD雪崩光电二极管输出的电流混频分量转变为电压混频信号，并去除电压混频信号中的高频分量，输出低频分量至第一ADC信号采样模块。

2.根据权利要求1所述的高动态精度激光相位式测距仪，其特征在于，激光二极管采用可进行外调制的激光二极管；准直透镜采用K9玻璃制球面镜片，其直径为5mm、厚度为1~2mm；两个准直透镜之间的间距为5mm；激光二极管的激光发射端与相邻准直透镜之间的间距为7mm。

3.根据权利要求1所述的高动态精度激光相位式测距仪，其特征在于，汇聚镜头为由K9玻璃制成的外侧面为凸球面、内侧面为平面的圆形镜片，且镜片的最大厚度为8mm，最小厚度为5mm，镜片直径为APD雪崩光电二极管的直径的10倍；APD雪崩光电二极管位于汇聚镜头的一倍焦距处。

4.根据权利要求1所述的高动态精度激光相位式测距仪，其特征在于，单片机采用STM32系列单片机。

5.根据权利要求1所述的高动态精度激光相位式测距仪，其特征在于，信号发生模块包括有源晶振和信号发生芯片；其中，信号发生芯片与有源晶振连接，以通过有源晶振提供稳定时钟振荡；信号发生芯片与IIC通讯模块连接，以通过接收IIC通讯模块发送的时钟信号和数据信号，产生并输出相位相同、频率不同的本征频率信号和调制频率信号。

6.根据权利要求1所述的高动态精度激光相位式测距仪，其特征在于，激光发射模块包括运算放大器、稳压二极管和晶体三极管；其中，运算放大器通过稳压二极管和晶体三极管分别与激光二极管的发射管和信号发生模块的本征频率信号输出端连接，运算放大器还与GPIO指令模块连接，以通过GPIO指令模块激活激光二极管、并输入PWM脉宽调制频率信号，使激光二极管在PWM脉宽调制频率信号和本征频率信号作用下，输出与本征频率信号频率相对应的激光信号；运算放大器还与激光二极管的接收管连接，以形成负反馈，使激光二极管LD1的工作功率随温度调节。

7.根据权利要求1所述的高动态精度激光相位式测距仪，其特征在于，高压偏置模块包括场效应管、稳压二极管和升压芯片；升压芯片与GPIO指令模块连接，以激活高压偏置模块、并输入PWM脉宽调制频率信号；升压芯片通过场效应管和稳压二极管与APD雪崩光电二极管连接，以形成高偏置电压并提供给APD雪崩光电二极管。

8.根据权利要求1所述的高动态精度激光相位式测距仪，其特征在于，跨阻放大-低通滤波模块由跨阻放大器和有源的低通滤波器构成；跨阻放大器与APD雪崩光电二极管连接，以将由APD雪崩光电二极管输出的电流信号在跨阻放大器中转变为电压信号；低通滤波模块分别与跨阻放大器和第一ADC信号采样模块连接，低通滤波模块将跨阻放大器输入的电压信号中的高频分量去除，将该低频分量输送至第一ADC信号采样模块中进行采样。

9.根据权利要求1所述的高动态精度激光相位式测距仪，其特征在于，开关三极管混频-LR低通滤波模块由一阶无源RC高通滤波器、一阶无源高通滤波器、晶体三极管和LRπ型滤波电桥；一阶无源RC高通滤波器的一端与信号发生模块的本征频率信号输出端连接、另一端与晶体三极管的基极连接，一阶无源高通滤波器的一端与信号发生模块的调制频率信号输出端连接、另一端与晶体三极管的发射极连接，使本征频率信号和调制频率信号混频为混频信号；LRπ型滤波电桥的一端与晶体三极管的集电极连接、另一端与第二ADC信号采样模块，以将混频信号中高频分量滤除后，将低频分量输出至第二ADC信号采样模块。