CN117111045B - 一种相位式激光测量用信号发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相位式激光测量用信号发生器，解决了不能进行远距离测距，不能实现运动测量，不能快速切换距离等技术问题。本发明的一种相位式激光测量用信号发生器，包括输入信号输出单元，输入信号输出单元的输出端与信号下变频单元的输入端连接，信号下变频单元的输出端与数据处理中心单元的输入端连接，数据处理中心单元的输出端分别与参考信号输出单元和至少一个反射信号输出单元的输入端相连接，参考信号输出单元的输出端为参考信号光输出口及参考信号电输出口，反射信号输出单元的输出端为反射信号光输出口及反射信号电输出口。本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，可以极大的提高开发、测试和验证效率。

Description

一种相位式激光测量用信号发生器
技术领域
本发明属于激光测量领域，具体涉及一种相位式激光测量用信号发生器。
背景技术
目前，相位式激光测距的激光测量设备开发缺少开发信号源或者环境支撑。例如存在以下问题：不能进行远距离例如百米或者上千米的测距，不能实现运动测量，不能快速切换距离等。
传统激光测距进行调试或者测量时，还没有一个仪器或者设备可以用于辅助调试，在精度测量时通常使用成本高且功能单一的高精度导轨进行，而且可以验证和测试的场景非常有限。
本申请公开了一种相位式激光测量用信号发生器，用于相位式激光测量开发、调试、定标、验证使用的专用仪器设备。可以极大的提高开发、测试和验证效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种相位式激光测量用信号发生器，以解决上述出现的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术包括输入信号输出单元、信号下变频单元、数据处理中心单元、参考信号输出单元、反射信号输出单元、参考信号光输出口、参考信号电输出口、反射信号光输出口及反射信号电输出口，输入信号输出单元的输出端与信号下变频单元的输入端连接，信号下变频单元的输出端与数据处理中心单元的输入端连接，数据处理中心单元的输出端分别与参考信号输出单元至少一个反射信号输出单元的输入端相连接，参考信号输出单元的输出端为参考信号光输出口及参考信号电输出口，反射信号输出单元的输出端为反射信号光输出口及反射信号电输出口。
进一步地，输入信号输出单元内部包括高增益放大器、第一信号调理电路、第二信号调理电路和第一切换开关，输入信号输出单元外部包括发射信号光输入口和发射信号电输入口；发射信号光输入口连接至高增益放大器，高增益放大器与第一信号调理电路相连接，发射信号电输入口连接至第二信号调理电路，第一信号调理电路和第二信号调理电路分别与第一切换开关相连接。
进一步地，信号下变频单元包括第一下变频器、第二下变频器、本地振荡器、第一输入低通滤波器、第二输入低通滤波器及第一模数转换器；第一下变频器与第一输入低通滤波器连接，本地振荡器分别与第一下变频器和第二下变频器连接，第二下变频器通过第二输入低通滤波器与第一模数转换器连接。
进一步地，数据处理中心单元包括第二模数转换器、高速并行数据处理单元、DSP及用户交互软件；第二模数转换器连接至高速并行数据处理单元，高速并行数据处理单元、DSP及用户交互软件依次连接。
进一步地，参考信号输出单元包括第一数模转换器、第一上变频器、第一上变频滤波器、第一程控增益放大器、第二切换开关、第三切换开关、第一激光器驱动单元、第一电信号输出驱动单元、第一激光回环信号调理单元；第一数模转换器连接至第一上变频器，第一上变频器、第一上变频滤波器、第一程控增益放大器及第二切换开关依次连接，第二切换开关分别连接至第一激光器驱动单元和第一电信号输出驱动单元，第一激光器驱动单元连接至参考信号光输出口，第一电信号输出驱动单元分别连接至参考信号电输出口及第三切换开关，参考信号光输出口向第一激光回环信号调理单元输出信号，第一激光回环信号调理单元连接至第三切换开关。
进一步地，所述第一数模转换器由直接数字频率合成器替换。
进一步地，反射信号输出单元包括第二数模转换器、第二上变频器、第二上变频滤波器、第二程控增益放大器、第四切换开关、第五切换开关、第二激光器驱动单元、第二电信号输出驱动单元、第二激光回环信号调理单元；第二数模转换器连接至第二上变频器，第二上变频器、第二上变频滤波器、第二程控增益放大器及第四切换开关依次连接，第四切换开关分别连接至第二激光器驱动单元和第二电信号输出驱动单元，第二激光器驱动单元连接至反射信号光输出口，第二电信号输出驱动单元分别连接至反射信号电输出口及第五切换开关，反射信号光输出口向第二激光回环信号调理单元输出信号，第二激光回环信号调理单元连接至第五切换开关。
进一步地，所述第二上变频器由直接数字频率合成器替换。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本申请设置了输入信号输出单元、信号下变频单元、数据处理中心单元、参考信号输出单元、反射信号输出单元、参考信号光输出口、参考信号电输出口、反射信号光输出口及反射信号电输出口，可以进行远距离例如百米或者上千米的测距；本发明可以实现运动测量，并可以实现快速切换距离等的测试环境。
本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，可以极大的提高开发、测试和验证效率。
附图说明
图1为本发明各个单元连接结构示意图；
图2为本发明输入信号输出单元的结构示意图；
图3为本发明信号下变频单元的结构示意图；
图4为本发明数据处理中心单元的结构示意图；
图5为本发明参考信号输出单元的结构示意图；
图6为本发明反射信号输出单元的结构示意图；
其中，附图标记对应的名称为：
1-输入信号输出单元；2-信号下变频单元；3-数据处理中心单元；4-参考信号输出单元；5-反射信号输出单元；6-参考信号光输出口；7-参考信号电输出口；8-反射信号光输出口；9-反射信号电输出口；10-高增益放大器；11A-第一信号调理电路；11B-第二信号调理电路；12A-第一切换开关；12B-第二切换开关；12C-第三切换开关；12D-第四切换开关；12E-第五切换开关；13-发射信号光输入口；14-发射信号电输入口；15A-第一下变频器；15B-第二下变频器；16-本地振荡器；17A-第一输入低通滤波器；17B-第二输入低通滤波器；18A-第一模数转换器；18B-第二模数转换器；19-高速并行数据处理单元；20-DSP；21-用户交互软件；22A-第一数模转换器；22B-第二数模转换器；23A-第一上变频器；23B-第二上变频器；24A-第一上变频滤波器；24B-第二上变频滤波器；25A-第一程控增益放大器；25B-第二程控增益放大器；26A-第一激光器驱动单元；26B-第二激光器驱动单元；27A-第一电信号输出驱动单元；27B-第二电信号输出驱动单元；28A-第一激光回环信号调理单元；28B-第二激光回环信号调理单元。
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，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此其不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；当然的，还可以是机械连接，也可以是电连接；另外的，还可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-图6所示，本发明提供的一种相位式激光测量用信号发生器，包括输入信号输出单元1、信号下变频单元2、数据处理中心单元3、参考信号输出单元4、反射信号输出单元5、参考信号光输出口6、参考信号电输出口7、反射信号光输出口8及反射信号电输出口9，输入信号输出单元1的输出端与信号下变频单元2的输入端连接，信号下变频单元2的输出端与数据处理中心单元3的输入端连接，数据处理中心单元3的输出端分别与参考信号输出单元4和至少一个反射信号输出单元5的输入端相连接，参考信号输出单元4的输出端为参考信号光输出口6及参考信号电输出口7，反射信号输出单元5的输出端为反射信号光输出口8及反射信号电输出口9。
优选地，输入信号输出单元1内部包括高增益放大器10、第一信号调理电路11A、第二信号调理电路11B和第一切换开关12A，输入信号输出单元1外部包括发射信号光输入口13和发射信号电输入口14；发射信号光输入口13连接至高增益放大器10，高增益放大器10与第一信号调理电路11A相连接，发射信号电输入口14连接至第二信号调理电路11B，第一信号调理电路11A和第二信号调理电路11B分别与第一切换开关12A相连接。第一切换开关12A连接至信号下变频单元2中的第一下变频器15A。
对外输入输出端口主要由发射信号光输入口13、发射信号电输入口14、参考信号光输出口6、参考信号电输出口7、反射信号光输出口8、反射信号电输出口9组成。当测试一个激光测距模块时，发射部分通过发射信号光输入口13或者发射信号电输入口14接入，反射回波信号通过反射信号光输出口8或者反射信号电输出口9输出。此外还支持参考信号的输出，待测激光测量模块若参考信号端口引出时可以通过参考信号光输出口6或者参考信号电输出口7接入到激光测量模块的参考信号输入端口，用于测量不带激光发射的测试任务。
优选地，信号下变频单元2包括第一下变频器15A、第二下变频器15B、本地振荡器16、第一输入低通滤波器17A、第二输入低通滤波器17B及第一模数转换器18A；第一下变频器15A与第一输入低通滤波器17A连接，本地振荡器16分别与第一下变频器15A和第二下变频器15B连接，第二下变频器15B通过第二输入低通滤波器17B与第一模数转换器18A连接，第一输入低通滤波器17A和第一模数转换器18A分别连接至数据处理中心单元3。本地振荡器16分别与参考信号输出单元4中的第一上变频器23A和反射信号输出单元5中的第二上变频器23B相连接。
优选地，数据处理中心单元3包括第二模数转换器18B、高速并行数据处理单元19、DSP20及用户交互软件21；第二模数转换器18B连接至高速并行数据处理单元19，高速并行数据处理单元19、DSP20及用户交互软件21依次连接。高速并行数据处理单元19分别与参考信号输出单元4中的第一上变频器23A和反射信号输出单元5中的第二上变频器23B相连接。
优选地，参考信号输出单元4包括第一数模转换器22A、第一上变频器23A、第一上变频滤波器24A、第一程控增益放大器25A、第二切换开关12B、第三切换开关12C、第一激光器驱动单元26A、第一电信号输出驱动单元27A、第一激光回环信号调理单元28A；第一数模转换器22A连接至第一上变频器23A，第一上变频器23A、第一上变频滤波器24A、第一程控增益放大器25A及第二切换开关12B依次连接，第二切换开关12B分别连接至第一激光器驱动单元26A和第一电信号输出驱动单元27A，第一激光器驱动单元26A连接至参考信号光输出口6，第一电信号输出驱动单元27A分别连接至参考信号电输出口7及第三切换开关12C，参考信号光输出口6向第一激光回环信号调理单元28A输出信号，第一激光回环信号调理单元28A连接至第三切换开关12C。第三切换开关12C连接至信号下变频单元2中的第二下变频器15B。
优选地，所述第一数模转换器22A由直接数字频率合成器替换。
校准流程前，用户需要使用标准的校准件连接输入口和输出口环回。通过设备的控制面板设置其频率，校准模式等参数，并由DSP20控制高速并行数据处理单元19产生数据通过第一数模转换器22A，依次经过第一上变频滤波器24A、第一程控增益放大器25A，第二切换开关12B，并通过设定好的电通路或者光通路输出到外部校准件并返回光信号输入或者电信号输入，使用第二切换开关12B选择电通路或者光通路到第二下变频器15B、第二输入低通滤波器17B、第二模数转换器18B，最终返回到高速并行数据处理单元19，经过DSP20计算获取其校准值。
优选地，反射信号输出单元5包括第二数模转换器22B、第二上变频器23B、第二上变频滤波器24B、第二程控增益放大器25B、第四切换开关12D、第五切换开关12E、第二激光器驱动单元26B、第二电信号输出驱动单元27B、第二激光回环信号调理单元28B；第二数模转换器22B连接至第二上变频器23B，第二上变频器23B、第二上变频滤波器24B、第二程控增益放大器25B及第四切换开关12D依次连接，第四切换开关12D分别连接至第二激光器驱动单元26B和第二电信号输出驱动单元27B，第二激光器驱动单元26B连接至反射信号光输出口8，第二电信号输出驱动单元27B分别连接至反射信号电输出口9及第五切换开关12E，反射信号光输出口8向第二激光回环信号调理单元28B输出信号，第二激光回环信号调理单元28B连接至第五切换开关12E。第五切换开关12E连接至输入信号输出单元1中的第一切换开关12A。
所述第二数模转换器22B由直接数字频率合成器替换。
需要接入DUT的发射信号。在信号输出末端的第一激光器驱动单元26A和第一电信号输出驱动单元27A时，通过内部的第三切换开关12C、第一激光回环信号调理单元28A、第二下变频器15B、第二输入低通滤波器17B、第一模数转换器18A，最终返回到高速并行数据处理单元19，经过DSP20计算获取其校准值。此处需要对参考信号输出单元4、反射信号输出单元5各执行一次。
工作前必须先校准，消除通道幅度和相位误差。本申请中相位式激光测量用信号发生器的校准方法，包括：
步骤a，设置外部晶体振荡器，所述外部晶体振荡器为本地振荡器的外部基准晶振；获取需要校正的频率点和外部晶体振荡器频率，得到需要发射给本地振荡器的频率控制字参数，以及得到第一数模转换器22A需要给出的输出信号频率；计算；其中，f1为需要校正的频率；f0为外部晶体振荡器的频率；f2为第一数模转换器22A和第二数模转换器22B需要输出的频率；m、n为本地振荡器（锁相环）的控制字，具体的，m为高频情况下的倍频数，n为中高频情况下的分频数，m、n均为离散的取值并且为有限的正整数，m、n可以配置获取并取决于具体的锁相环；其中数模转换器是一种低频信号产生器，可以由直接数字频率合成器等替换。
步骤b，根据需要输出的频率f2以及高频情况下的倍频数m、高频情况下的分频数n，计算低频情况下的倍频数i和低频情况下的分频数j；
步骤c，根据步骤a和步骤b中高频情况下的倍频数m、高频情况下的分频数n、低频情况下的倍频数i和低频情况下的分频数j，以及根据初始相位值0对应的控制字中高频情况下的倍频数m、高频情况下的分频数n、低频情况下的倍频数i和低频情况下的分频数j，预设参考信号输出单元4和反射信号输出单元5的控制字；
步骤d，判断频率和相位差精度是否达到预期；
步骤e，若为是，保存校正值，结束操作；若为否，根据频率相位差异调节频率相位控制字，重复c步骤至结束操作。
该校准方法用于校准输出通道一致性以及入射和反射路径误差。
优选地，其中校正值的计算方法为：
步骤A，DSP20控制高速并行数据处理单元19产生数据通过第二模数转换器18B得到模拟信号；
步骤B，模拟信号依次经过第一上变频滤波器24A、第一程控增益放大器25A，第二切换开关12B，并通过设定好的电通路输出到外部校准件并返回电信号输入，或者通过设定好的光通路输出到外部校准件并返回光纤输入；
步骤C，使用第三切换开关12C选择电通路或者光通路到第二下变频器15B，再依次通过第二输入低通滤波器17B、第一模数转换器18A得到数字信号，数字信号返回到高速并行数据处理单元19，经过DSP20计算获取校正值。
本发明的相位式激光测量用信号发生器有2种工作模式，闭环模式和开环模式，这两种模式使用前都需要进行校准后使用。
闭环模式需要接入DUT的发射信号，可以发射信号光输入口13或发射信号电输入口14接入，同时DUT的反射信号输入需要接到反射信号光输出口8、反射信号电输出口9。
工作前需要通过设备的控制面板设置其频率、场景、模型、距离、目标物体反射率、工作模式等配置信息。
DUT的发射信号经过光信号或者电信号输入，使用第三切换开关12C选择电通路或者光通路到第二下变频器15B、第二输入低通滤波器17B、第一模数转换器18A，最终返回到高速并行数据处理单元19，经过DSP20结合配置信息解析其信号特征后，并根据实现设置好的场景、模型、距离、目标物体反射率和校准信息等生成所需要的反射数据配置信息。
根据反射数据配置信息，得到数字信号并通过第一数模转换器22A，依次经过第一上变频滤波器24A、第一程控增益放大器25A，第三切换开关12C，并通过设定好的电通路或者光通路输出到外部DUT。
开环模式时无需待测设备发射激光或者信号，只是需要接入到DUT的参考信号接口和反射信号接口，DUT的参考信号接口的接到参考信号光输出口6或参考信号电输出口7。DUT的反射信号接口接到反射信号光输出口8或反射信号电输出口9，输出经过模型或者处理后的反射信号。
工作前需要通过设备的控制面板设置其频率、场景、模型、距离、目标物体反射率、工作模式等配置信息。
DSP20结合设备配置信息，生成参考数据配置信息。同时并根据实现设置好的场景、模型、距离、目标物体反射率和校准信息等生成所需要的反射数据配置信息。
根据参考数据配置信息和反射数据配置信息，得到数字信号并通过第一数模转换器22A，依次经过第一上变频滤波器24A、第一程控增益放大器25A，第三切换开关12C，并通过设定好的电通路或者光通路输出到外部DUT。需要注意是的参考数据配置信息是下发到参考信号输出单元4，反射数据配置信息下发到反射信号输出单元5。
最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种相位式激光测量用信号发生器，其特征在于，包括输入信号输出单元（1）、信号下变频单元（2）、数据处理中心单元（3）、参考信号输出单元（4）、反射信号输出单元（5）、参考信号光输出口（6）、参考信号电输出口（7）、反射信号光输出口（8）及反射信号电输出口（9），输入信号输出单元（1）的输出端与信号下变频单元（2）的输入端连接，信号下变频单元（2）的输出端与数据处理中心单元（3）的输入端连接，数据处理中心单元（3）的输出端分别与参考信号输出单元（4）和至少一个反射信号输出单元（5）的输入端相连接，参考信号输出单元（4）的输出端为参考信号光输出口（6）及参考信号电输出口（7），反射信号输出单元（5）的输出端为反射信号光输出口（8）及反射信号电输出口（9）；
参考信号输出单元（4）包括第一数模转换器（22A）、第一上变频器（23A）、第一上变频滤波器（24A）、第一程控增益放大器（25A）、第二切换开关（12B）、第三切换开关（12C）、第一激光器驱动单元（26A）、第一电信号输出驱动单元（27A）、第一激光回环信号调理单元（28A）；第一数模转换器（22A）连接至第一上变频器（23A），第一上变频器（23A）、第一上变频滤波器（24A）、第一程控增益放大器（25A）及第二切换开关（12B）依次连接，第二切换开关（12B）分别连接至第一激光器驱动单元（26A）和第一电信号输出驱动单元（27A），第一激光器驱动单元（26A）连接至参考信号光输出口（6），第一电信号输出驱动单元（27A）分别连接至参考信号电输出口（7）及第三切换开关（12C），参考信号光输出口（6）向第一激光回环信号调理单元（28A）输出信号，第一激光回环信号调理单元（28A）连接至第三切换开关（12C）。
2.根据权利要求1所述的一种相位式激光测量用信号发生器，其特征在于，输入信号输出单元（1）内部包括高增益放大器（10）、第一信号调理电路（11A）、第二信号调理电路（11B）和第一切换开关（12A），输入信号输出单元（1）外部包括发射信号光输入口（13）和发射信号电输入口（14）；发射信号光输入口（13）连接至高增益放大器（10），高增益放大器（10）与第二信号调理电路（11B）相连接，发射信号电输入口（14）连接至第一信号调理电路（11A），第一信号调理电路（11A）和第二信号调理电路（11B）分别与第一切换开关（12A）相连接。
3.根据权利要求1所述的一种相位式激光测量用信号发生器，其特征在于，信号下变频单元（2）包括第一下变频器（15A）、第二下变频器（15B）、本地振荡器（16）、第一输入低通滤波器（17A）、第二输入低通滤波器（17B）及第一模数转换器（18A）；第一下变频器（15A）与第一输入低通滤波器（17A）连接，本地振荡器（16）分别与第一下变频器（15A）和第二下变频器（15B）连接，第二下变频器（15B）通过第二输入低通滤波器（17B）与第一模数转换器（18A）连接。
4.根据权利要求1所述的一种相位式激光测量用信号发生器，其特征在于，数据处理中心单元（3）包括第二模数转换器（18B）、高速并行数据处理单元（19）、DSP（20）及用户交互软件（21）；第二模数转换器（18B）连接至高速并行数据处理单元（19），高速并行数据处理单元（19）、DSP（20）及用户交互软件（21）依次连接。
5.根据权利要求1所述的一种相位式激光测量用信号发生器，其特征在于，所述第一数模转换器（22A）由直接数字频率合成器替换。
6.根据权利要求1所述的一种相位式激光测量用信号发生器，其特征在于，反射信号输出单元（5）包括第二数模转换器（22B）、第二上变频器（23B）、第二上变频滤波器（24B）、第二程控增益放大器（25B）、第四切换开关（12D）、第五切换开关（12E）、第二激光器驱动单元（26B）、第二电信号输出驱动单元（27B）、第二激光回环信号调理单元（28B）；第二数模转换器（22B）连接至第二上变频器（23B），第二上变频器（23B）、第二上变频滤波器（24B）、第二程控增益放大器（25B）及第四切换开关（12D）依次连接，第四切换开关（12D）分别连接至第二激光器驱动单元（26B）和第二电信号输出驱动单元（27B），第二激光器驱动单元（26B）连接至反射信号光输出口（8），第二电信号输出驱动单元（27B）分别连接至反射信号电输出口（9）及第五切换开关（12E），反射信号光输出口（8）向第二激光回环信号调理单元（28B）输出信号，第二激光回环信号调理单元（28B）连接至第五切换开关（12E）。
7.根据权利要求6所述的一种相位式激光测量用信号发生器，其特征在于，所述第二上变频器（23B）由直接数字频率合成器替换。
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