CN1712990A - 光波距离测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种光波距离测量装置，由主振荡器(11)振荡产生的参考电信号具有两种互不相同频率(f1、f2)，在二者之间交替选择其一，每n次将一采样信号与该参考电信号同步，该采样信号的频率(fs)是参考电信号的两种频率(f1、f2)的平均值，模/数转换部根据该采样信号在每个参考电信号和接收到的电信号的周期至少进行一次模/数转换。

Description

光波距离测量装置

技术领域

本发明涉及一种借助调幅光波测量待测目标距离的光波距离测量装置。

背景技术

对于习知的各种光波距离测量装置而言，已知有一种采用飞行时间(TOF)系统的光波距离测量装置，还有一种采用调幅(AM)系统的光波距离测量装置。

采用TOF系统的光波距离测量装置的工作方式如下：向待测目标发射脉冲形式的距离测量光线，并接收该待测目标反射的该距离测量光线，根据发射该距离测量光线的时刻到接收到该距离测量光线的时刻之间的延时测出待测目标的距离(见文献JP 07-63853 A)。该系统的光波距离测量装置要求宽带放大器和高速算术运算电路，这是因为若要求高精度的测量，就必需对极短的时间进行测量。因此该系统的光波距离测量装置在技术上存在制造困难的问题。而采用AM系统的光波距离测量装置可以由较为廉价的元件和部件构成，因为可以利用数十MHz的较低频率对距离进行精确测量。正因为如此，在许多情况下AM系统已经在光波距离测量装置中被广泛使用。下面将参照图7对AM系统的测量原理进行说明。

频率为f的信号调幅后的距离测量光由光源部70(如激光器)向测量目标80发射，被目标80反射的距离测量光被光接收部90(例如崩溃光电二极管(APD))接收。这时，接收到的距离测量光具有距待测目标距离L相对应的相差ΔΦ。然后，对距离测量光发射与接收时刻的相差ΔΦ进行测量，可由等式1获得距离L。

等式1

$L=\frac{C}{2f}\×\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{2\mathrm{\π}}$

其中C为光速。

注意在实际测量中，调制距离测量光的信号频率进行了两种或更多的改变。采用这种处理的原因是避免当距离等于或大于C/2f时不能进行测量，因为在式1中当距离L为C/2f的倍数时，相差ΔΦ变为零(参见文献JP2002-90455 A)。

但是，在习知的AM系统的光波距离测量装置中，为了直接测量距离测量光在发射和接收之间的相差，必需使用频率高出该距离测量光若干倍的采样信号对该距离测量光进行模/数转换。正因为如此，就要求昂贵的对采样信号频率有效的模/数转换器。

发明内容

本发明正是针对上述解决上述问题而提出的，本发明的一个目的在于提供一种光波距离测量装置。该光波距离测量装置包括：一光源部，向待测目标发射距离测量光，该测量光被一具有预定频率的作为正弦波的参考电信号调幅；一光接收部，接收被待测目标反射的距离测量光并将该接收到的距离测量光转换为接收到的电信号；模/数转换装置，根据一采样信号对参考电信号和接收到的电信号进行模/数转换；相差检测装置，检测出经过模/数转换器的模/数转换的参考电信号和接收到的电信号的相位，将参考电信号的相位从接收到的电信号相位中减去，从而检测出该参考电信号的相位与该接收到的电信号之间的相差；距离检测装置，根据相差检测装置检测到的相差检测出距待测目标的距离，其中的参考电信号具有两种互不相同并且将交替选择的频率，每经过n次，采样信号与具有两种频率的参考电信号同步一次，采样信号的频率与参考电信号的两种频率的平均值相等，并且模/数转换装置根据采样信号在每个参考电信号和接收到的电信号的周期进行至少一次模/数转换。这里，n代表整数。

由于上述的结构，每个参考电信号和接收到的电信号都被进行模/数转换使其波长被降频转换，利用一个具有与参考电信号和采样信号之间相差相对应频率的信号。也就是说，可以由模/数转换装置对相位进行算术运算，该模/数转换装置与直接由信号波形检测相位的情况相比，具有较低的算术运算处理能力。

还有，本发明可被设计为：当参考电信号的两种频率之一被赋值为f₁，另一频率被指定为f₂，并且采样信号的频率被赋值为f_s，那么符合等式2中的关系。

等式2

                     f₁/f_s＝(n+1)/n

                     f₂/f_s＝(n-1)/n

还有，本发明可被设计为：距离测量光线是以脉冲猝发的方式发射(burst-emitted)。

还有，本发明可被设计为：相差检测装置基于被该模/数转换装置转换为数字数据的在该距离测量光线的非光线发射期间该接收到的电信号消除该参考电信号和接收到的电信号的数字数据中包含的直流分量(D.C.component)。

还有，本发明可被设计为：采样信号包含至少两种频率互相相同但相位互不相同的频率，并且该相差检测装置通过重新布置经过模/数转换装置模/数转换后得到的该单独数字数据将该参考电信号和接收到的电信号恢复。

如上所述，根据本发明，当距离测量光的模/数转换不要求模/数转换装置进行高速算术运算处理。结果是有可能提供具有较廉价模/数转换器的光波距离测量装置。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例的光波距离测量装置的结构框图。

图2A、2B和2C分别是接收到的电信号、采样信号和恢复信号的波形的概念图。

图3A和3B是距离测量光在发射状态时的波形图，图3C是距离测量光在接收状态时的波形图。

图4A、4B、4C和4D分别是恢复信号的波形图。

图5是检验结果的图形表示。

图6是检验结果的图形表示。

图7是AM系统的光波距离测量装置的测量原理的概念图。

具体实施方式

以下结合图1对根据本发明提出的光波距离测量装置的实施例详细说明如下。该光波距离测量装置包括：光源部10，其包括有主振荡器11、第一锁相环(PLL)电路12、第二PLL电路13、激光驱动电路14和作为光发射部件的激光器15；光接收部，其包括有崩溃光电二极管(APD)21和放大器22；模/数转换装置30，其包括有第一模/数转换器31和第二模/数转换器32；相差检测装置40，其包括有相差算术运算电路41；以及距离检测装置50，其包括有CPU 51。请注意在本实施例中，采样信号由第三PLL电路生成。此外，第一到第三PLL电路12、13和60可以由其他将输入信号的频率变为任意频率以便输出结果信号(resultant signal)的适合电路替代，激光器15可由其它适合的光发射元件替代，APD 21可由其他适合的光接收元件替代，等等。下面对组成元部件的结构进行详细说明。

主振荡器11振荡频率为f₀的信号，并连接到第一和第二PLL电路12和13。第一和第二PLL电路12和13分别输出两个参考电信号作为两个具有频率f₁和f₂的正弦波信号，这两个参考电信号来自主振荡器11振荡产生的频率为f₀的信号。这两个参考电信号被提供给激光驱动电路14以便进行频率选择和调幅，并且具有频率f₁和f₂的距离测量光线被有选择地由连接于激光驱动电路14的输出端之间的激光器15输出。此外，在激光驱动电路14中选出的参考电信号还被提供给第一模/数轮换器31。由于该参考电信号和距离测量光线在其使用中具有相同的相位信息，在本实施例中，参考电信号被直接提供给第一模/数转换器31。

另一方面，APD 21接收由激光器15向待测目标发射并被待测目标反射的距离测量光线，从而输出与接收到的距离测量光线(以下简称为接收到的光线)相对应的电信号。接收到的光线通过放大器22被提供给第二模/数转换32。

除了第一和第二PLL电路12和13，第三PLL电路60与主振荡器11连接。第三PLL电路60将主振荡器11振荡发出的频率为f₀的信号输出为频率为f₀的采样信号提供给第一和第二模/数转换器31和32。第一模/数转换器31基于采样信号的频率f_s对参考电信号进行模/数转换，而第二模/数转换器32基于采样信号的频率f_s对接收到的电信号进行模/数转换。通过第一和第二模/数转换器31和32的模/数转换而获得的单独的数字数据都被送到相差算术运算电路40对参考电信号和接收到的电信号之间的相差进行算术运算。算术运算的结果被输入CPU 51转换为距离数据。请注意尽管在图中未示出，CPU 51能够为激光驱动电路14提供用来选择参考电信号频率的频率选择信号，并且还能够将诸如检测到的距离数据等数据传送到外部接口。此外，来自激光驱动电路14的参考电信号被直接输入到第一模/数转换器31。但是，另一种选择是，将激光器(激光器15)与光接收电路(APD21)相差一段参考距离置放，在这种状态下参考电信号可被输入到第一模/数转换器31。这样，由于能够消除光发射系统光接收系统温度的改变而造成的相位延迟，可以达到更高的测量精度。

下面说明待测目标距离的算术运算原理。

在本实施例中，采样信号的频率f_s和参考信号的频率f₁和f₂之间的关系符合等式2。用频率为f₁的参考电信号调幅后的距离测量光向待测目标发射后，从被待测目标反射的距离测量光获得的接收到的电信号的频率也是f₁。这时，如果使用频率为f_s的采样信号将参考信号和接收到的信号进行模/数转换，那么模/数转换就对个独的波长进行。图2A、2B和2C是相差算术运算电路41所复原的信号波形的示意图。如图所示，当使用频率为f_s的采样信号对频率为f₁的参考电信和接收到的电信号进行模/数转换后，就会获得频率为f₁与f之差(f₁-f_s)的绝对值的信号，该信号的周期是参考电信号的周期的n倍。由于这一信号是被降频转换的，并且具有与频率为f₁的参考电信号和接收到的电信号的相似的相位，因此可以通过对该信号的分析获得其相位。当通过模/数转换获得的第k个数字数据被赋值为S_k时，这一时刻的相位用等式3表达：

等式3

$\mathrm{\Φ}=\arctan \left(\frac{\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_k\cos \left(\frac{2\mathrm{\πk}}{n}\right)}{\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_k\sin \left(\frac{2\mathrm{\πk}}{n}\right)}\right)$

其中k为整数(0，1，...(n-1))。

等式3意味着利用傅立叶变换得到相位，因此参考电信号和接收到的电信号的相位是基于等式3进行算术运算的。接收到的电信号的相位减去参考电信号的相位，从而得到相差ΔΦ。然后根据等式1将相差ΔΦ转换为距离。尽管以上是针对频率为f₁的参考电信号的情况而言的，它同样适用于频率为f₂的参考电信号的情况。

在实测中，被频率为f₁和f₂的参考电信号调幅的距离测量光被交替地施加到待测目标。这样的结果是接收到的电信号也具有频率f₁和f₂。如果任意地设置参考电信号的频率，就需要和参考电信号的频率种类的数量相同的相差算术运算电路41进行等式3的算术运算。在本实施例中，参考电信号具有两种频率。相应地，f₁和f₂，就需要两个相差算术运算电路，这就使电路的小型化变得困难。但是，采样信号的频率f_s和参考电信号的频率f₁和f₂被设置为符合等式2，从而能够利用同一相差算术运算电路41进行相差算术运算。下面将要说明如何利用同一相差算术运算电路41进行相差算术运算。

将频率为f₁的接收到的信号被赋值为F₁，并且频率为f₂的接收到的信号被赋值为F₂，就会发现相对应的相位显示出不同的值。将这些相位分别赋值为Φ₁和Φ₂，就可以分别用F₁＝sin(2πf₁t+Φ₁)和F₂＝sin(2πf₂t+Φ₂)表示接收到的电信号。通过对这些接收到的电信号进行模/数转换得到的数字数据的第k个单独数字数据利用等式2以等式4表示：

等式4

$F_1=\sin (2\mathrm{\π}{f}_1\frac{k}{f_s}+{\mathrm{\Φ}}_1)=\sin (2\mathrm{\π}\frac{n+1}{n}k+{\mathrm{\Φ}}_1)$

$F_2=\sin (2\mathrm{\π}{f}_2\frac{k}{f_s}+{\mathrm{\Φ}}_2)=\sin (2\mathrm{\π}\frac{n-1}{n}k+{\mathrm{\Φ}}_2)$

当接收到的电信号的第k个数字数据在等式4中用F₁表示时，接收到的电信号的相位通过将F₁代入等式3用等式5表示。

等式5

$\begin{array}{c}\tan {\mathrm{\Φ}}_1=\frac{\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin (2\mathrm{\π}\frac{n+1}{n}k+{\mathrm{\Φ}}_1)\×\cos \left(\frac{2\mathrm{\πk}}{n}\right)}{\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin (2\mathrm{\π}\frac{n+1}{n}k+{\mathrm{\Φ}}_1)\×\sin \left(\frac{2\mathrm{\πk}}{n}\right)}\\ =\frac{\frac{1}{2}\{\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin (\frac{n+2}{n}2\mathrm{\πk}+{\mathrm{\Φ}}_1)+\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin (2\mathrm{\πk}+{\mathrm{\Φ}}_1)\}}{-\frac{1}{2}\{\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{co}s(\frac{n+2}{n}2\mathrm{\πk}+{\mathrm{\Φ}}_1)-\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}c\mathrm{os}(2\mathrm{\πk}+{\mathrm{\Φ}}_1)\}}\end{array}$

等式5中分母和分子的首项分别是各自周期为零的周期函数的总和，因此等式5的右侧为tanΦ₁。

另一方面，当等式4中用F₂表示的接收到的电信号的第k个数字数据时，接收到的电信号的相位用类似于等式5的等式6表示：

等式6

$\tan {\mathrm{\Φ}}_2=\frac{\frac{1}{2}\{\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin (2\mathrm{\πk}+{\mathrm{\Φ}}_2)+\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin (\frac{n-2}{n}2\mathrm{\πk}+{\mathrm{\Φ}}_2)\}}{-\frac{1}{2}\{\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos (2\mathrm{\πk}+{\mathrm{\Φ}}_2)-\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos (\frac{n-2}{n}2\mathrm{\πk}+{\mathrm{\Φ}}_2)\}}$

等式6中分母和分子的第二项分别为零，和等式5一样，等式6的右侧为-tanΦ₁。结果，对于频率为f₁和f₂的接收到的电信号，在其相位算术运算中仅仅是符号被转换了，这样频率为f₁和f₂的接收到的电信号的相位算术运算就可以在同一算术运算电路中进行。这样就能够将包含有相差算术运算电路41的光波距离测量装置小型化。请注意可以在CPU 51或类似元件中对转换的符号进行校正。尽管以上是针对接收到的电信号而言的，上述内容同样适用于参考电信号。

此外，如果考虑到激光器的安全标准，距离测量光还可以脉冲猝发光(burst light)的形式发射。对于激光器件来说，符合安全标准是十分重要的，因为没有对激光器件采取保险措施的需要。激光的安全标准是由固定时间周期内光线的总功率控制的。因此，与在激光安全标准内连续发射距离测量光相比而言，当距离测量光以脉冲猝发光的形式发射时，可以增加瞬时光功率以提高距离测量光的检测灵敏度。请注意激光驱动电路14适合于以将脉冲猝发信号(burst signal)乘以参考电信号的脉冲猝发光的形式发射距离测量光。

此外，为了实现距离算术运算的提速，相差算术运算电路41还能够在距离测量光的非光线发射期间基于接收到的作为数字数据的的电信号除去参考电信号和接收到的电信号的数字数据中包含的直流分量(DCcomponent)，该数字数据是通过第二模/数转换电路32将被反射的距离测量光进行模/数转换而得到的。每个参考电信号和接收到的电信号都是以信号的直流分量和交流分量的相加形式表达的，并且只有信号的交流分量需要进行相位算术运算。但是，当恢复信号的波长不是原始信号波长的整数倍时，相位算术运算中就包含了信号的直流分量。然后，在距离测量光的非光线发射时间接收到的电信号被看做是直流分量，该直流分量被第二模/数转换电路32进行模/数转换，得到数字数据S_KDC，并且按等式3对数字数据S_KDC的值进行算术运算。该值从距离测量光的光线发射期间的相位中减去的，因此可以消除信号的直流分量。结果，即使当恢复信号的波长短于原始信号的一个波长时，仍然可以进行相位算术运算，这样就可以实现距离算术运算的高速提升。请注意在等式3中数字数据S_k即使被(S_k-S_KDC)所取代，仍然可以消除恢复信号的直流分量。这在当原始信号的直流分量能够被看做是常量时是非常有效的。即，仅仅需要在距离测量光线的非光线发射期间对应接收到的信号的一点进行数字数据S_KDC的测量，因此能够提高距离算术运算的速度。

此外，在上述的实施例中，以具有一种采样信号的情况进行了说明。但是，采样信号可以包含至少两种频率相同但相位不同的信号。就此而言，相关检测电路41通过重新布置由模/数转换器进行模/数转换所得到的单独数字数据就能够恢复参考电信号。采用这种结构，能够将一个周期内的每个参考电信号和接收到的电信号的至少两点进行模/数转换，这样就增加了数字数据的数量，从而提高了测量精度。此外，模/数转换可以由价格不贵的模/数转换器承担，结果是能够利用价格不贵的光波距离测量装置进行高精度的距离测量。以上所述已经清楚地表明待恢复的信号的频率具有与参考电信号和采样信号之间的相差。因此，可以基于该频率，通过适当地重新整理个别数字数据将信号恢复。这里，当假定采样信号包含m个相位互不相同的信号，那么相关算术运算电路41就必需包含一个具有(m×n)个地址的存储部。因此，当参考电信号或接收到的电信号被恢复时，就可以将存储在相应地址内的数字数据读出。

实例1

为了证明本实施例的光波距离测量装置的可用性，下面对一待测目标的距离进行实际测量的实例进行说明。

采用振荡频率为13.3MHz的石英振荡器作为主振荡器11。来自振荡器11的频率为f₀的振荡信号被输入第一到第三PLL电路12、13和60，并通过其得到具有频率f₁和f₂分别为46.7MHz和13.3MHz的正弦波信号形式的参考电信号，并得到采样信号，其具有频率f_s为50MHz并相互间相移90度的两种信号。参考电信号的频率f₁和f₂，以及每个采样信号的频率f_s符合等式2，并且在这一时刻的n为15。激光器15采用波长为785nm的红外线激光器。用参考电信号对激光束进行调幅，并且参考电信号乘以激光驱动电路14中的脉冲猝发信号，从而得到每18μs中有3μs的光线发射时间。然后，由激光器15向待测目标发射光发射状态如图3A至3C所述的距离测量光线。请注意在安全标准中，图中所示的以脉冲猝发形式发射的距离测量光的瞬时最大功率最多增加到规定值(最大3.7mW)的6倍，也就是22.2mW，符合最严格的激光器安全标准，IEC60825-2。第一和第二模/数转换器31和32采用速度为50MHz的算术运算速度的模/数转换器。请注意第二模/数转换器32是由两个算术运算速度为50MHz的模/数转换器构成，因此模/数转换实际上是在100MHz的采样频率下进行的。这时，接收到的电信号的每个波长内被采样两点，这样使用15波长的采样数据恢复一个波长的原始信号。

首先，当把白纸置于距离距离测量装置100mm、2000mm和4000mm处和不放置白纸时在相差检测电路中被恢复的参考电信号和接收到的电信号被进行检验。这四种情况下的测量结果分别如图4A、4B、4C和4D所示。请注意在这些图示中，实线代表参考电信号的波形，虚线代表接收到的电信号的波形。从这些附图中可以看出，即使是在说明书中被认为是最大检测距离的4000mm的情况下，接收到的电信号仍然被恢复。

接着，将同一白纸分别置于与上述相同的位置测量距离、偏差和接收到的电信号的电平。测量结果如图5所示。如图5可知，尽管接收到的电信号的电平随着待测距离的增加而降低，即使是在超出图4A到4D示出的测量结果反映的的最大检测距离(4000mm)的4,500mm，获得的距离和偏差的测量结果均令人满意。

最后，选取白纸以外的其他测量目标进行距离测量。测量结果如图6所示。请注意图中的实线代表期望值。选取铝板、硬纸板、PC板、天鹅绒、黑纸、木材和着色板作为距离测量目标。由图中可以看出，得到了优秀的距离测量结果，而与距离测量目标的材料质无关。

Claims (5)

1.一种光波距离测量装置，其特征在于其包括：

一光源部，向待测目标施加距离测量光线，该距离测量光线使用作为具有预定频率的正弦波信号的参考电信号进行调幅，

一光接收部，接收被待测目标反射的距离测量光线，将该接收到的距离测量光线转换为接收到的电信号；

模/数转换装置，基于采样信号将该参考电信号和接收到的电信号进行模/数转换；

相差检测装置，检测通过模/数转换装置模/数转换后的参考电信号和接收到的电信号的相位，将参考电信号的相位从接收到的电信号的相位中减去，从而检测参考电信号和接收电信号之间的相差；和

距离检测装置，基于相差检测装置检测到的相差检测与待测目标相距的距离，

其中该参考电信号具有两种互不相同的频率，这两种频率被交替地任意选定其一，

每n次该采样信号与该具有两种不同频率的参考电信号同步，并且该采样信号的一个频率等于该参考电信号的两种不同频率的平均值，并且

该模/数转换装置基于该采样信号在该参考电信号和接收到的电信号的每个周期进行至少一次模/数转换。

2.根据权利要求1所述的光波距离测量装置，其特征在于当该参考电信号的两种不同频率之一被赋值为f₁、另一频率被赋值为f₂，并将采样信号的频率被赋值为f_s时，符合以下关系：

f₁/f_s＝(n+1)/n

f₂/f_s＝(n-1)/n

3.权利要求1或2所述的光波距离测量装置，其特征在于其所述的距离测量光线是以脉冲猝发的方式发射(burst-emitted)。

4.根据权利要求1所述光波距离测量装置，其特征在于其所述的相差检测装置基于在该距离测量光线的非光线发射期间通过该模/数转换装置转换为数字数据的该接收到的电信号消除该参考电信号和接收到的电信号的数字数据中包含的直流分量(D.C.component)。

5.根据权利要求1所述光波距离测量装置，其特征在于其所述的采样信号包含至少两种频率互相相同但相位互不相同的频率，并且该相差检测装置通过重新整理经过模/数转换装置模/数转换后得到的该个别数字数据将该参考电信号和接收到的电信号恢复。

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