CN201876545U - 脉冲相位式激光测距仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种脉冲相位式激光测距仪，主要是为了解决现有脉冲式激光测距仪和相位式激光测距仪的缺陷而设计。本实用新型包括电源，激光测量模组和显示系统；所述电源连接激光测量模组和显示系统，为其提供所需的电能，所述激光测量模组的输出端与显示系统相连，所述激光测量模组为脉冲相位式测距激光测量模组。本实用新型将脉冲式和相位式两种测距方法结合起来，利用发射连续的脉冲激光信号来实现脉冲和相位测距，有效地避免了脉冲式激光测距仪和相位式激光测距仪的缺点，具有较高的测量精度，抗干扰能力强、体积小、重量轻等特点，并能够实现无合作目标的远距离测量。

Description

脉冲相位式激光测距仪

技术领域

本实用新型涉及激光测距仪领域。

背景技术

目前应用的激光测距仪一般有脉冲式和相位式两种，虽已在各种测量行业中得到了广泛应用，但这两种测距仪还存在一些缺点。下面分别对其进行阐述：

1、脉冲式激光测距仪

脉冲激光测距仪是利用发射和接收激光脉冲信号的时间差来实现对被测目标的距离测量，其测距公式为：

$D=\frac{1}{2}\mathrm{ct}$

式中，D是测量距离，c是光速，t是测距信号往返时间。从公式中可知，只要测量出激光脉冲发射和接收所用的往返时间，就可以求出被测量的距离。这种脉冲式激光测距一般采用红宝石、YAG等固体激光器，输出功率大、测程远，但测距精度较差，且仪器体积较大。

2、相位式激光测距仪

相位式激光测距仪是利用发射连续激光信号和接收信号之间的相位差所含有的距离信息来实现对被测目标距离的测量，其测距公式为：

$D=\frac{c}{2}\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\πf}}\right)$

式中，D是测量距离，c是光速，φ是信号间的相位差，f是填充脉冲的频率。从公式中可以看出这种测距方式是一种间接测距方式，只要检测出发射和接收信号之间的相位差，就能求出被测量的距离。这种测距方法一般应用连续光源He-Ne激光器，功率小、利用调制和差频等技术后可实现较高的测量精度， 但在无合作目标情况下一般无法测距。

实用新型内容

为了克服上述的缺陷，本实用新型提供一种就有较高的测量精度，且能够实现无合作目标的远距离测距的脉冲相位式激光测距仪。

为达到上述目的，本实用新型脉冲相位式激光测距仪，包括电源，激光测量模组和显示系统；所述电源连接激光测量模组和显示系统，为其提供所需的电能，所述激光测量模组的输出端与显示系统相连，所述激光测量模组为脉冲相位式测距激光测量模组。

进一步地，所述脉冲相位式测距激光测量模组，包括：

激光发生与调制系统，由第一振荡器，分频器，调制器和激光器构成，所述振荡器产生的振荡信号经所述分频器和所述调制器使所述激光器产生连续的脉冲激光信号；

基准频率发生系统，由第二振荡器和分频器构成，产生基准频率信号；

激光发射接收系统，由激光发射系统和激光接收系统构成；其中，激光发射系统，接收并校正所述激光发生与调制系统输出的脉冲激光信号，并射向被测目标；激光接收系统，接收被测目标反射回来的激光信号；

信号处理和测量系统，包括光电转换器，放大器，激光信号监测器，脉冲相位测量控制系统；其中，所述光电转换器接收自所述激光接收系统输出的激光信号，所述光电转换器的输出端连接所述放大器；所述放大器的输出端连接所述脉冲相位测量控制系统；

所述激光信号监测器的监测端设置在所述激光发射系统的激光信号输出端，所述激光信号监测器的输出端连接所述脉冲相位测量控制系统；

所述时基控制电路，为所述脉冲相位测量控制系统提供时基信号和测量精度控制信号。

进一步地，脉冲相位测量控制系统包括倍频器，测距混频器，基准混频器，相位检测器，精测控制电路，精测计数器，粗测控制电路，粗测计数器，以及连接所述粗测计数器和所述精测计数器的粗精测衔接电路；其中，

所述倍频器的输入端与所述放大器的输出端相连，所述倍频器的输出端连接所述测距混频器，所述测距混频器的输入端还连接有所述基准频率发生系统，所述测距混频器的输出端连接所述相位检测器；

所述基准混频器的输入端分别与所述激光发生与调制系统和所述基准频率发生系统相连，所述基准混频器的输出端连接所述相位检测器；

所述相位检测器的输出端与所述精测控制电路的输入端相连，所述精测控制电路的输出端经所述精测计数器与所述粗精测衔接电路相连；

所述粗测控制电路的输入端与所述放大器的输出端相连，所述粗测控制电路的输入端还与所述激光信号监测器的输出端相连，所述粗测控制电路的输出端将所述粗测计数器与所述粗精测衔接电路相连。

特别地，所述激光器为砷化镓半导体激光器。

进一步地，所述显示系统由驱动电路和显示器构成。

特别地，所述电源包括整流电路，滤波电路和稳压电路。

本实用新型将脉冲式和相位式两种测距方法结合起来，利用发射连续的脉冲激光信号来实现脉冲和相位测距。本实用新型应用发射和接收脉冲信号的时间差实现对距离的粗测，应用发射和接收连续信号之间的相位差来实现对距离的精测，然后将两种测量距离在技术上有效的结合起来实现对距离的测量。本实用新型有效地避免了脉冲式激光测距仪和相位式激光测距仪的缺点，具有较高的测量精度，抗干扰能力强、体积小、重量轻等特点，并能够实现无合作目标的远距离测量。

本实用新型具有以下几点有益的效果：

(1)无合作目标的测距性能。

(2)较高的测量精度。

(3)能实现对被测目标的连续跟踪测量。

(4)能进行漫反射无合作目标和有合作目标两种方式测距。

(5)采用了半导体激光器，激光调制设备简单；采用了集成电路，仪器体积小、重量轻。

(6)整个测量过程自动化程度高，并有预置功能。

(7)主机安装在经纬仪上，能和经纬仪合作使用。

附图说明

图1为本实用新型所述脉冲相位式激光测距仪的结构示意图；

图2为本实用新型所述激光器的驱动电源的原理图；

图3为本实用新型所述激光器的驱动电源的等效电路图；

图4为本实用新型所述激光发射接收系统光路设计图；

图5为本实用新型所述信号处理和测量系统的电路原理图；

图6为本实用新型所示显示系统的电路图；

图7为本实用新型所述电源为5V电源电路图；

图8为本实用新型所述电源为15V电源电路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式做详细描述。

如图1所示，本实用新型所述脉冲相位式激光测距仪的结构示意图。本实用新型包括电源1，激光测量模组2和显示系统3；所述电源1连接激光测量模组2和显示系统3，为其提供所需的电能(其中，5V电源电路和15V电源电路图分别如图7和8所示)，所述激光测量模组2的输出端与显示系统3(其电路原理图如图6所示)相连，所述激光测量模组2为脉冲相位式测距激光测量模组。

其中，所述脉冲相位式测距激光测量模组，包括：

激光发生与调制系统21，由第一振荡器，分频器，调制器和激光器构成，所述第一振荡器产生的振荡信号经所述分频器和所述调制器使所述激光器产生连续的脉冲激光信号；

基准频率发生系统22，由第二振荡器和分频器构成，产生基准频率信号；激光发射接收系统23，由激光发射系统和激光接收系统构成(其光路图如图4所示)；其中，激光发射系统，接收并校正所述激光发生与调制系统输出的脉冲激光信号，并射向被测目标；激光接收系统，接收被测目标反射回来的激光信号；

信号处理和测量系统24，包括光电转换器，放大器，激光信号监测器，脉冲相位测量控制系统(其电路原理图如图5所示)；其中，所述光电转换器接收自所述激光接收系统输出的激光信号，所述光电转换器的输出端连接所述放大器；所述放大器的输出端连接所述脉冲相位测量控制系统；

所述激光信号监测器的监测端设置在所述激光发射系统的激光信号输出端，所述激光信号监测器的输出端连接所述脉冲相位测量控制系统；

所述时基控制电路，为所述脉冲相位测量控制系统提供时基信号和测量精度控制信号。

其中，所述脉冲相位测量控制系统包括倍频器，测距混频器，基准混频器，相位检测器，精测控制电路，精测计数器，粗测控制电路，粗测计数器，以及连接所述粗测计数器和所述精测计数器的粗精测衔接电路；其中，

所述倍频器的输入端与所述放大器的输出端相连，所述倍频器的输出端连接所述测距混频器，所述测距混频器的输入端还连接有所述基准频率发生系统所述测距混频器的输出端连接所述相位检测器；

所述基准混频器的输入端分别与所述激光发生与调制系统和所述基准频率发生系统相连，所述基准混频器的输出端连接所述相位检测器；

所述相位检测器的输出端与所述精测控制电路的输入端相连，所述精测控制电路的输出端经所述精测计数器与所述粗精测衔接电路相连；

所述粗测控制电路的输入端与所述放大器的输出端相连，所述粗测控制电路的输入端还与所述激光信号监测器的输出端相连，所述粗测控制电路的输出端将所述粗测计数器与所述粗精测衔接电路相连。

本实用新型所述脉冲相位式激光测距仪的详细工作过程为：

(1)发射脉冲激光信号：第一振荡器产生的振荡信号，经分频器和调制器使激光器产生连续的脉冲激光信号，经激光发射系统发送给被测目标。

(2)接收返回的激光信号：由被测目标返回的脉冲激光信号经激光接收系统、光电转换器、放大器传输给脉冲相位测量控制系统。

(3)粗测距离：当激光发射系统发出激光时，激光信号监测器监测到激光信号，并将该信号输出给粗测控制电路，粗测控制电路接收到激光信号后立即输出控制信号给粗测计数器，粗测计数器开始工作；当粗测控制电路接收到由由放大器输出的回波电信号时，粗测控制电路输出控制信号给粗测计数器，粗测计数器停止工作，从而完成了对被测目标的粗测过程。

(4)精测距离：放大器输出的回波电信号经倍频器后，由测距混频器输出测距信号，并将测距信号与基准混频器输出的基准信号输入到相位检测器中，经相位检测器输出含有距离信息的相位差信号；然后，经精测控制电路传输到精测计数器，输出距离的精确测量值。

(5)粗精测衔接电路接受到被测目标的粗测距离值和精测距离值后，将上述两个值结合起来，输出更高精度的距离测量值。

其中，本实用新型中粗精测衔接电路的作用是将脉冲测距对目标的粗测距离的高位精确值和相位测距对目标的精测距离低位的精确值无误差的有效结合起来，从而实现对距离的准确测量；时基控制电路的作用是产生时基信号和控制信号，以保证仪器有序的测量和规定的测量精度。

本实用新型的测量原理为：脉冲相位式激光测距仪是将脉冲式和相位式两种测距方法结合起来实现的一种测距方法，利用发射连续的脉冲激光信号来实现脉冲和相位测距。具体的实现是根据频谱分析，发射的激光脉冲信号可用各次谐波表示为：

$P\left(t\right)=p_m\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{A}_n\cos (2\mathrm{\πnft}-\mathrm{\φn})$

在激光接收系统回路中，光电二极管上产生的脉冲谐波电流为：

${\stackrel{.}{i}}_{\mathrm{\φ}\left(t\right)}=k_1{p}_{\left(m\right)}+k_2{p}_m\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{A}_n\cos [(2\mathrm{\πnft}-\mathrm{\φn})-\frac{2\mathrm{\πnf}}{c}\·2D]$

其中，φ是光脉冲在所测距离上传播每个谐波的滞后相位角，所以反射回来的每个谐波分量都含有反映距离大小的相位信息。测量某一谐波的相位差就可求出被测距离，具体计算公式为：

$D=\frac{c}{4\mathrm{\πnf}}\·\mathrm{\Δ\φ}$

其中，Δφ即测量出的某谐波分量滞后的相位角。

如图2和图3所示，分别为本实用新型所述激光器的驱动电源的原理图和等效电路。本实用新型所述的激光器为GJ1320砷化镓半导体激光器，其参数如表1：

表1 GJ1320砷化镓半导体激光器参数表

波长范围	0.8～0.9μm
		峰值功率输出	7～200W
重复频率	10KHz
		脉冲宽度	50～100ns
谱线宽度	3～3.5nm
		光束发散角	垂直(30°～40°)×水平(18°～30°)
阈值电流	6.5～25A
		工作电流	15～35A
正向工作压降	10～35V

用半导体材料作为激光工作物质的激光器称为半导体激光器。P-N结电注入型半导体激光器又称为激光二级管(Diode)，或LD。半导体材料可以是两元、三元或多元化合物，其结构可以是同质结或单异质结(SHL)，双异质结(DHL)等，还可以将单管LD组成阵列式(array)或层叠式(stack)以增大输出。激励方式除P-N结电注入外，还有电子束激励，光激励和雪崩击穿等方式。这种P-N结电注入型半导体激光器具有近红外高重复频率和峰值功率较高的特点，还具有体积小，耗能少和寿命长的优点。本实用新型采用的GJ1320砷化镓半导体激光器，也具有上述半导体激光器所具有的特点。

脉冲半导体激光器具有峰值功率高、体积小等优势，已被广泛应用于激光测距、激光雷达和自由空间激光通信等领域。在激光探测和激光通信中，系统带宽、作用距离、精度、抗干扰和低功耗等性能都取决于半导体激光器发射的激光脉冲质量，而半导体激光器发射的光脉冲是由激光电源产生的电脉冲直接调制得到的，激光器产生的光脉冲特性在一定程度上依赖于脉冲驱动电源的设计，抽运电流的幅值、脉冲宽度决定了激光脉冲的峰值功率。因此，脉冲半导体激光器脉冲电源的设计是激光测距中的一项关键技术。

图2和3所示分别为本实用新型所述激光器的驱动电路的一般形式和相应的等效电路。其中，L为寄生电感(由于电路中有放电电容、开关元件、激光器，所以放电回路内部有寄生电感)；C为储能电容；R为电路的总电阻，包括激光器等效电阻、开关元件电阻和电路串联电阻。为了减小体积，储能元件一般选电容，考虑到放电的速度，用功率MOSFET管作为开关元件。

本实用新型所述脉冲相位式激光测距仪的主要技术指标如下：

(1)最大量程无合作目标400m，有合作目标2000m；

(2)测量精度±0.5m；

(3)激光器峰值功率30W；

(4)主机重量3kg；

(5)电源12V；

(6)工作温度-10℃～+40℃；

下面是本实用新型所述脉冲相位式激光测距仪的两个具体实施例的测试实验结果。

1号样机采用了单芯片砷化镓半导体激光器，2号样机采用了陈列式砷化镓半导体激光器。两台样机在各种环境下进行多次的实际测量，结果均能满足技术要求。表2是1号样机的一组实测数据；表3是2号机的一组实测数据。

表2，1号样机实测数据表

基准距离(m)	30	50	100	150	200	250	300	350
									实测距离(m)	29.6	49.8	100.1	150.3	199.8	250.4	299.6	350.2

表3，2号样机实测数据表

基准距离(m)	30	50	100	150	200	250	300	350
									实测距离(m)	30.3	50.1	99.8	149.9	200.2	249.9	300.2	349.7

两台样机经过在野外各种环境条件的多次实际测量，证明整机性能稳定，抗干扰能力强，调制速度快，测距精度高，能连续跟踪测量。

以上，仅为本实用新型的较佳实施例，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种脉冲相位式激光测距仪，包括电源，激光测量模组和显示系统；所述电源连接激光测量模组和显示系统，为其提供所需的电能，所述激光测量模组的输出端与显示系统相连，其特征在于，所述激光测量模组为脉冲相位式测距激光测量模组。

2.根据权利要求1所述脉冲相位式激光测距仪，其特征在于，所述脉冲相位式测距激光测量模组，包括：

激光发生与调制系统，由第一振荡器，分频器，调制器和激光器构成，所述振荡器产生的振荡信号经所述分频器和所述调制器使所述激光器产生连续的脉冲激光信号；

基准频率发生系统，由第二振荡器和分频器构成，产生基准频率信号；

激光发射接收系统，由激光发射系统和激光接收系统构成；其中，激光发射系统，接收并校正所述激光发生与调制系统输出的脉冲激光信号，并射向被测目标；激光接收系统，接收被测目标反射回来的激光信号；

信号处理和测量系统，包括光电转换器，放大器，激光信号监测器，脉冲相位测量控制系统；其中，所述光电转换器接收自所述激光接收系统输出的激光信号，所述光电转换器的输出端连接所述放大器；所述放大器的输出端连接所述脉冲相位测量控制系统；

所述激光信号监测器的监测端设置在所述激光发射系统的激光信号输出端，所述激光信号监测器的输出端连接所述脉冲相位测量控制系统；

所述时基控制电路，为所述脉冲相位测量控制系统提供时基信号和测量精度控制信号。

3.根据权利要求2所述脉冲相位式激光测距仪，其特征在于，脉冲相位测量控制系统包括倍频器，测距混频器，基准混频器，相位检测器，精测控制电路，精测计数器，粗测控制电路，粗测计数器，以及连接所述粗测计数器和所述精测计数器的粗精测衔接电路；其中， 

所述倍频器的输入端与所述放大器的输出端相连，所述倍频器的输出端连接所述测距混频器，所述测距混频器的输入端还连接有所述基准频率发生系统，所述测距混频器的输出端连接所述相位检测器；

所述基准混频器的输入端分别与所述激光发生与调制系统和所述基准频率发生系统相连，所述基准混频器的输出端连接所述相位检测器；

所述相位检测器的输出端与所述精测控制电路的输入端相连，所述精测控制电路的输出端经所述精测计数器与所述粗精测衔接电路相连；

所述粗测控制电路的输入端与所述放大器的输出端相连，所述粗测控制电路的输入端还与所述激光信号监测器的输出端相连，所述粗测控制电路的输出端将所述粗测计数器与所述粗精测衔接电路相连。

4.根据权利要求2所述脉冲相位式激光测距仪，其特征在于，所述激光器为砷化镓半导体激光器。

5.根据权利要求1所述脉冲相位式激光测距仪，其特征在于，所述显示系统由驱动电路和显示器构成。

6.根据权利要求1所述脉冲相位式激光测距仪，其特征在于，所述电源包括整流电路，滤波电路和稳压电路。 

Images