CN205176273U - 一种测距设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种测距设备，包括用于产生两路频率相差恒定的电信号的信号发生器；用于接收电信号一并将其转换为测量光信号发出的激光发生装置；用于接收测量光信号并将其转换为电信号后与电信号二进行混频并输出混频信号一的光敏器件；用于使光信号在内外光路间切换的光路切换装置；用于将电信号一、二进行混频并输出混频信号二的混频器；用于计算混频信号一、二的相位差并根据所述相位差计算出被测物距离的信号处理模块。本实用新型技术方案通过光敏器件和混频器进行混频，在切换一次内外光路的前提下，即可以完成多组频率的测量，简化了电路复杂程度，增强了切换装置的使用寿命。

Description

一种测距设备

技术领域

本实用新型涉及一种测量仪器，尤其涉及测量距离的设备。

背景技术

激光测距系统是基于对激光的良好的方向性或相干性而设计的测量仪器。测距仪发出的激光信号并到达目标物体，经目标物体反射后回到测距仪器。仪器通过计算信号从发射时间点到接收时间点的时间差t，然后与光速c相乘后得到信号经过的距离。基本测距公式为D＝ct，式中：D测距仪光路起点与目标物体间的距离，c是激光在空气中的传播速度，t是激光束往返一次所需要的时间。相位式激光测距是利用频率已定的驱动信号对激光束进行幅度调制。调制的激光束照射到被测量目标，测定调制光往返一次所产生的相位延迟，根据调制光的频率，就可计算出此相位延迟所代表的距离进行测距。相位式激光测距仪主要应用于精密测距领域，其精度一般为毫米级别。有的测距系统为了有效地反射测量信号并使被测目标的表面精度限制在同一标准上，一般会配有全反射棱镜作为合作目标。

现有技术中公开了以一种“基于双波长激光管相位测量的校准方法及其测距装置”(专利公开号102540170A)，该技术采用双路集成的光波发射装置分别通过不同滤光片产生内、外光路信号，再通过一个信号接收装置分别接收内光路信号和外光路信号的返回信号，然后两信号进行相位比较得到相位差以实现相位补偿和校准的目的，避免了环境变化在电路中引入不确定的相位噪音，提高了激光测距的测量精度，增加了系统的测距稳定度，减少了环境因素对测距误差的影响，降低了系统对元器件的性能要求，从而减低了系统的成本。但是该技术方案在多组频率测量时，需要多次切换内外光路，降低了测量系统的工作效率，只具有一个混频器，只有一路混频信号，必须精确计算内外光路测量的起始时间或者时间间隔，务必给测量带来误差，同时其需要两个激光发射装置来发射测量光信号，避免不了两个激光之间的差异引起的误差，增加了设备的复杂度和制造成本。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供了一种测距设备。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种测距设备，包括：信号发生器，用于产生两路频率相差恒定的电信号一、二；激光发生装置，用于接收电信号一并将其转换为测量光信号发出；光敏器件，用于接收测量光信号并将其转换为电信号后与电信号二进行混频并输出混频信号一；光路切换装置，用于切换测量光信号的光路，所述光路分内光路和外光路，所述外光路为测量光信号经被测物反射回光敏器件的路径，所述内光路为测量光信号直接射向光敏器件的路径；混频器，用于将电信号一、二进行混频并输出混频信号二；信号处理模块，计算混频信号一、二的相位差并根据所述相位差计算出被测物距离。

优选的，所述信号处理模块，用于分别计算出光信号在内光路和外光路下的所述混频信号一、二的相位差数据Δ1和Δ2，再利用相位差数据Δ1和Δ2的差值(Δ1-Δ2)计算出被测物距离。

优选的，所述信号处理模块包括低通滤波放大器和控制器模块，所述低通滤波放大器用于对混频信号一和混频信号二分别进行滤波并放大后得到低频信号一、二，所述控制器模块计算低频信号一、二的相位差并根据所述相位差计算出被测物距离。

优选的，所述控制器模块包括模数转换模块和处理器，所述模数转换模块接收低频信号一、二并生成数字信号一、二，所述处理器计算数字信号一、二的相位差并根据所述相位差计算出被测物距离。

优选的，所述光敏器件为雪崩光电二极管。

优选的，所述混频器为三极管或mos管。

优选的，所述激光发生装置包括激光驱动装置和激光管，所述激光驱动装置接收电信号一并将其转化为驱动信号并输出，所述激光管接收到驱动信号后发出测量光信号。

本实用新型与现有技术相比，本实用新型技术方案通过光敏器件和混频器同时对信号进行混频，在切换一次内外光路的前提下，即可以完成多组频率的测量，大大减少内外光路切换次数，提升测量速度，同时具有二路混频信号，只需计算二路混频信号的相位差值，不需要计算内外光路测量的起始时间或时间间隔，提高测量精度，简化了电路复杂程度，增强了切换装置的使用寿命，本方案采用一个激光管发射激光，消除不同激光管之间差异引起测量误差，提高精度。本方案采用相位差值计算距离，即消除电路本身产生的误差，同时进行光路校准，提高测量的精度和速度。

附图说明

附图1为本实用新型测距设备实施例的结构示意图；

附图2为通过本实用新型的测距设备进行测距的方法实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施例做进一步描述。

如说明书附图1所示的一种测距设备，包括激光驱动装置3、激光管4、信号发生器2、光路切换装置6、光敏器件5、混频器7、滤波放大器8、数模转换装置9以及处理器1，在本实施例中滤波放大器8分为低通滤波放大器一81和低通滤波放大器二82，所述信号发生器2输入端与处理器1第一信号输出端电连接，所述处理器1的第二、第三信号输出端分别与激光驱动装置3和光路切换装置6的使能信号输入端电连接，所述信号发生器2的第一信号输出端与激光驱动装置3信号输入端和混频器7的第一信号输入端电连接，所述信号发生器2的第二信号输出端与光敏器件5信号输入端和混频器7的第二信号输入端电连接，所述混频器7的信号输出端通过滤波放大器一81与数模转换装置9的第一信号输入端电连接，所述光敏器件5的信号输出端通过滤波放大器二82与数模转换装置9的第二信号输入端电连接，所述数模转换装置9的信号输出端与处理器1的信号输入端电连接；所述光路切换装置6安装于激光管4射出的激光光路上，用于激光在外光路11和内光路21间的切换。

当所述实施例测距设备需要开始测量被测物10距离时，处理器1通过第一信号输出端向信号发生器2传输启动信号及需要生成的一组频率信息，信号发生器2产生2路频率相差恒定的电信号F11和F12，所述电信号F11和F12的频率分别为f11和f12，此实施例中将f11和f12分别选取为200mhz和199.995mhz，当然也可选取其它频率。信号发生器2向激光驱动装置3发送电信号F11，同时处理器1控制激光驱动装置3点亮激光管4且将电信号F11变成光信号。

处理器1第三信号输出端输出控制信号使得光路切换装置切换到外光路，激光管4通过光路切换装置沿光路11向被测物体发出光信号，被测物体接收到光信号的照射后沿光路12反射光信号到光敏器件5，光敏器件5将接收到的光信号转换为电信号F111并与信号发生器2发送给它的信号F12进行混频，产生频率分别为(f11+f12)和(f11-f12)的两个电信号，所述光敏器件5将上述两电信号发送给滤波放大器二82，所述滤波放大器二82中包含了低通滤波器模块和带通放大器模块，通过低通滤波器模块，将频率为(f11+f12)的电信号滤掉，剩下频率为(f11-f12)的低频信号，将所述低频信号通过带通放大器模块进行放大后产生信号频率为(f11-f12)的电信号F14。其中所述光敏器件5可以采用雪崩二极管，在雪崩二极管里面进行，同时也将光信号转换为电信号。

同时，混频器7直接将从信号发生器2中输入的2路频率相差恒定的信号信号F11和F12进行混频，得到频率分别为(f11+f12)、(f11-f12)的两个电信号，通过滤波放大器一81中的低通滤波器，将(f11+f12)滤掉，剩下频率为(f11-f12)的低频信号F13输入到数模转换装置9中。

所述数模转换装置9在处理器1的控制下对F13和F14进行转换，并计算出F13和F14的相位差Δ11。

为了测量更好的精度和距离，一般选择频率为三组或者三组以上，比如上述第一组频率中的f11可选取为200mhz，另一个f12可选取为199.995mhz，显然通过混频之后可以得到5khz的频率，这样就可以降低数模转换的要求，不用高速数模转换。由于采用相位式激光测距法，处理器在计算相位的时候，只能判断一个周期以内的相位，所以频率越高，精度越高，距离越短，200mhz的频率测量距离为0.75m左右，所以就需要更低频率，比如20mhz、2mhz，这样精度低，但是测量距离很长，分别约为7.5m和75m，使用在实际操作中需要多组的频率，通过组合，得出精确距离，该多组测量数据的组合采用现有技术，在此就不做论述。

因此在得到相位差Δ11后，信号发生器2又再次生成另两组频率，一组为频率分别为f21和f22的电信号F21和F22，另一组为频率分别为f31和f32的电信号F31和F32，在本实施例中f21、f22、f31和f32取值分别为20mhz、19.995mhz、2mhz和1.995mhz，接下来测距设备的工作过程与上述第一组频率的工作过程一样，在此只坐下简单论述：

控制信号发生器2产生一组信号F21和F22，这时候光路切换装置6不进行动作，光路仍为外光路，混频器7接收到F21和F22后输出信号并经滤波放大器一81后产生电信号F23，光敏器件5接受到F21和F22后输出信号并经滤波放大器二82后产生信号F24，这时候单片机控制数模转换，同时对F23和F24进行转换，计算出F23和F24的相位差Δ21。

接下来，控制信号发生器2产生一组信号F31和F32，这时候光路切换装置6仍不运作，光路仍为外光路，混频器7接收到F31和F32后输出信号并经滤波放大器一81后产生电信号F33，光敏器件5接受到F31和F32后输出信号并经滤波放大器二82后产生信号F34，这时候单片机控制数模转换，同时对F33和F34进行转换，计算出F33和F34的相位差Δ31。

在处理器1计算出相位差Δ31并存储后，处理器1第三信号输出端输出控制信号控制光路切换装置6切换到内光路，激光管4通过光路切换装置6沿光路21向光敏器件5发出光信号，光敏器件5将接收到的光信号转换为电信号并与信号发生器2发送给它的电信号F32进行混频，产生频率为(f33+f34)和(f33-f34)的两个电信号，所述光敏器件5将上述两信号发送给滤波放大器二82，所述滤波放大器二82中包含了低通滤波器模块和带通放大器模块，通过低通滤波器，将频率为(f33+f34)的电信号滤掉，剩下频率为(f33-f34)的低频信号，将所述低频信号通过带通放大器进行放大后产生信号频率为(f33-f34)的电信号F34。

同时，混频器7将从信号发生器2中输入的电信号F31和F32进行混频，得到频率分别为(f33+f34)和(f33-f34)的两个电信号，通过滤波放大器一81中的低通滤波器，将(f33+f34)滤掉，剩下频率为(f33-f34)的低频信号F33并输入到数模转换装置9中。

所述数模转换装置9在处理器1的控制下对F33和F34进行转换，并计算出F33和F34的相位差Δ32。

接下来，在光路切换装置6不进行动作，光路仍保持为内光路的情况下，控制信号发生器2又依次输出另两组电信号：F21和F22，F11和F12。最终处理器1接收并储存该两组电信号条件下的相位差数据Δ22和Δ12。

处理器1根据所获得的相位差数据，即可获得三个不同精度等级的内外光路相位差数据(Δ11-Δ12)、(Δ21-Δ22)、(Δ31-Δ32)，根据上述内外光路相位差即可得到上述三个不同精度等级的距离数据，其中所述根据内外光路相位差数据获得距离数据是相位式激光测距法的现有技术，在此不做论述。对获得的三个不同精度等级的距离数据的通过组合，即可得出精确距离数据，该多组不同精度的测量数据的组合采用的是相位式激光测距法中的现有技术，在此也不做论述。

以上所述的本实用新型实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测距设备，其特征在于，包括：

信号发生器，用于产生两路频率相差恒定的电信号一、二；

激光发生装置，用于接收电信号一并将其转换为测量光信号发出；

光敏器件，用于接收测量光信号并将其转换为电信号后与电信号二进行混频并输出混频信号一；

光路切换装置，用于切换测量光信号的光路，所述光路分内光路和外光路，所述外光路为测量光信号经被测物反射回光敏器件的路径，所述内光路为测量光信号直接射向光敏器件的路径；

混频器，用于将电信号一、二进行混频并输出混频信号二；

信号处理模块，用于计算混频信号一、二的相位差并根据所述相位差计算出被测物距离。

2.根据权利要求1所述的测距设备，其特征在于，所述信号处理模块，用于分别计算出光信号在内光路和外光路下的所述混频信号一、二的相位差数据Δ1和Δ2，再利用相位差数据Δ1和Δ2的差值Δ1-Δ2计算出被测物距离。

3.根据权利要求2所述的测距设备，其特征在于，所述信号处理模块包括低通滤波放大器和控制器模块，所述低通滤波放大器用于对混频信号一和混频信号二分别进行滤波并放大后得到低频信号一、二，所述控制器模块计算低频信号一、二的相位差并根据所述相位差计算出被测物距离。

4.根据权利要求3所述的测距设备，其特征在于，所述控制器模块包括模数转换模块和处理器，所述模数转换模块接收低频信号一、二并生成数字信号一、二，所述处理器计算数字信号一、二的相位差并根据所述相位差计算出被测物距离。

5.根据权利要求4所述的测距设备，其特征在于，所述光敏器件为雪崩光电二极管。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的测距设备，其特征在于，所述混频器为三极管或mos管。

7.根据权利要求6所述的测距设备，其特征在于，所述激光发生装置包括激光驱动装置和激光管，所述激光驱动装置接收电信号一并将其转化为驱动信号并输出，所述激光管接收到驱动信号后发出测量光信号。