CN205608186U - 基于同步采样和多重相位测量的激光测距装置 - Google Patents
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Abstract
本专利公开了基于同步采样和多重相位测量的激光测距装置，系统发出开始信号使激光器驱动单元产生周期为全局时钟整数倍的半连续正弦信号对发射激光光强进行调制，目标反射的回波光转变为电信号后被全局时钟驱动下的模数转换器采样,其中调制频率和采样间隔为同源倍频关系。记录开始信号上升沿与第一个回波波形采样点前一时刻之间的全局时钟个数，得到粗距离，对采样数字波形进行傅里叶变换并利用频域鉴相获取回波正弦波形到其抵达前一时刻的相位差，且采用过采样后序列分解对回波进行多次相位测量以提高精度，并根据正弦调制周期换算成精距离，粗距离和精距离相加为距离信息。本专利具有无测程限制，硬件实现简单等特点。
Description
技术领域：
本专利涉及激光测距信号处理领域，尤其涉及一种基于同步采样和多重相位测量的相位法激光测距方法与系统。
背景技术：
激光测距是激光技术应用的一个主要方面，由于激光具有的高相干性、方向性、单色性等优点，激光测距系统能够实现远距离、高精度的测距功能。相位法激光测距是激光测距系统中重要的一类，该方法通过测量连续调制信号在激光发射源与目标间往返传播所产生的相位变化来间接地测定光信号传播时间，进而求得被测的距离。该方法可通过对输出光信号进行高频率调制和回波相位精确测量达到较高的测距精度，但由于调制信号的周期性特点，系统的最大测量距离不能大于信号调制周期一半时间对应的光程，使得测距精度和测程两个重要指标互相制约。
为解决上述问题，目前常用文献[1]中提到的多频测相方法，即用多个频率的调制波对距离进行测量:使用较低频率的调制波进行粗距离测量，同时使用较高频频率的调制波来进行精距离测量，合并多个测尺结果得到最终的距离值。多测尺法能够同时满足测量的距离和精度,但是这种方法需要多个发射和接收通道实现多路同步测量，难以保证多个通道瞄准的目标精确重合，系统实现复杂高，对功耗和重量负担严重，且低频测尺的存在限制了测距速度。
另一方面，在相位法激光测距系统中为达到更高的测距精度往往采用提高调制频率的方法，然而高频测相实现难度大，测相精度差，从而制约了测距精度。当前方法多采用文献[2]中提到的差频测相来解决该问题，该方法的主要原理为将高频调制的发射信号中的一部分直接反馈回接收模块，并与回波信号分别与低频的本振信号混频后，再经过低通滤波，得到了保留高频调制分量相移信息的差频信号，从而可在低频下对相位进行精确测量。但该方法增加了混频、滤波等环节，增加了相位测量误差来源，且高精度模拟器件的存在使得系统容易受到环境温度和噪声的影响，不利于多通道集成时的性能一致性，最后该方法仍需要以多测尺测量来解决测程和精度的矛盾。
因此，针对上述需求和现有技术问题，本专利提供了一种新型结构的激光测距方法，以解除调制频率和测程之间的限制，同时兼具测距精度和测距速度的优点。
[1]徐家奇.相位差式激光测距传感器设计[D].上海交通大学,2010:33-38.
[2]Poujouly A S,Journet B A.Laser range-finding by phase-shiftmeasurement:moving toward smart systems[C].Intelligent Systems andSmart Manufacturing.International Society for Optics and Photonics,2001:152-160.
发明内容：
本文提出了一种新型的相位法激光测距原理，解除了调制频率和测程之间的限制，同时兼具高精度和快速测量的优点。该方法利用动态范围极大的时钟计数来获取粗距离数据，解决了目标距离超出单个调制周期测量距离时的多义性问题，使调制频率不再受到测程的制约，可尽量变高以提高测距精度；另一方面为实现对回波信号的精确测相，采用过采样和快速频域鉴相的方法对回波进行多次相位测量，在不延长测距时间的同时提高了测距精度。
为实现上述目的，本专利提供如下技术方案：
一种激光测距方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
1)在测距开始后，在全局时钟驱动下产生周期为全局时钟4×N倍(N为正整数)的正弦调制信号对发射激光光强进行调制；
2)经过目标表面反射的回波光信号被激光测距系统部分接收，并被光电探测器转换成电信号后再通过全局时钟驱动下的模数转换电路完成采样，得到数字化的回波波形；
3)记录测距开始对应的时钟时刻与第一个回波波形采样点前一时刻间的时钟个数，并根据时钟周期换算成粗距离；
4)对第一个回波波形采样点以及相距该点时刻依次为1/4、1/2和3/4个正弦调制周期一共4个采样点构成的采样序列1进行离散傅里叶变换，并根据频域鉴相法求解出该采样序列相对于第一个回波波形采样点前一时刻的相位值；
5)对第二个回波波形采样点以及相距该点时刻依次为1/4、1/2和3/4个正弦调制周期一共4个采样点构成的采样序列2进行离散傅里叶变换，并根据频域鉴相法求解出该采样序列相对于第一个回波波形采样点前一时刻的相位值；
6)以上述方式遍历所有采样点，得到多个相位测量值；
7)将多个相位测量值取平均，并根据正弦调制频率和光速换算成精距离；
8)将粗距离和精距离相加得到目标到激光测距系统的距离。
为实现上述目的，本专利提供如下技术方案：
一种实现上述方法中所述的全局时钟驱动和回波过采样的激光测距系统，其包括：
主控模块，由数字逻辑器件或微处理器构成；
激光发射模块，由激光驱动电路、连续激光器和发射光学镜头组成；
激光接收模块，由接收光学镜头、线性响应的光电探测器和信号放大电路组成；
采样模块，由模数转换电路组成；
时钟分配模块，由时钟源和时钟分配电路组成。
数据传输或显示模块，由数据传输模块或显示模块组成。
上述系统的工作流程为：时钟分配模块为主控模块、激光发射模块和数字化采样模块提供同步的全局时钟驱动,一次测距开始时，主控模块向激光发射模块的驱动电路发送测距开始信号，后者发出一组包含多个相同正弦波的调制信号调制连续激光器的发射激光光强，目标反射的回波光信号被激光接收模块的接收光学镜头接收，并经过光电探测器转变为电信号后，再经信号放大器完成信号放大后输入到采样模块对回波电信号进行模数转换，所得到的数字化采样波形将输入主控模块，进行距离信息的提取，最终传递到数据传输或显示模块对距离信息进行传输或显示。
从上述技术方案可以看出，所发明的方法利用全局时钟对飞行时间进行计数，获取了目标的粗距离数据，同时对周期为全局时钟整数倍的调制信号进行测相以获取精距离数据，由于采用同步采样原理，即调制频率和采样间隔为同源倍频关系，两者可直接叠加得到最终的测量结果，从而解决了相位法下测程和调制频率的相互制约问题。基于该系统框架，更进一步的实现了一种高精度、高测距速度的测相方法:通过全局时钟驱动下的模数转换电路对回波信号进行过采样，并分解成多个采样序列以进行多重测相，从而不需要延长测量时间以采集多个回波，同时有效提升了测距精度。本专利的方法简洁高效，可以低廉的硬件成本实现无测程限制、高精度、高测距速度的激光测距系统。
与现有技术相比，本专利的优点包括：
1、无最大测程限制：采用时钟计数完成粗距离的测量，无最大测程限制。
2、兼具测距精度和测距速度：该方法一方面可不受测程限制尽可能提高调制频率，另一方面对同一回波信号进行多次相位测量提高信噪比，两者均有利于测相精度和测距速度的提升。
3、无频谱泄漏：由于采样频率与调制频率为同源倍频关系，不会出现传统的频域鉴相法中在频率漂移时的频谱泄漏导致的鉴相误差。
4、相位提取算法开销小，实时性强：基于4点离散傅里叶变换的相位求取法的计算量很小，同时多组重采样序列的求相运算可并行流水线处理，回波数据处理时间基本不会对测距用时造成影响，能够在大规模逻辑器件中轻易实现多通道集成。
附图说明：
为了更清楚地说明本专利实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本专利的附图仅仅是本专利的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本专利的系统实现框架的示意图；
图2为本专利基于全局时钟同步采样的激光测距原理示意图；
图3为本专利基于回波过采样后进行多重4点离散傅里叶变换后相位测量的原理示意图。
具体实施方式：
下面将结合本专利实施例中的附图，对本专利实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利保护的范围。
本专利方法的系统实现范例如图1所示，其中时钟源提供高精度的全局时钟，并由时钟分配模块分配到主控模块、激光驱动模块和模数转换模块；主控模块在一次测距开始时，发送开始信号到激光驱动模块，后者产生周期为全局时钟整数倍的正弦信号对连续激光器的输出光强进行调制；连续激光器的发射光经过目标反射后部分入射到探测器上，并被转变成电信号；模数转换模块在全局时钟驱动下对电信号进行等时间间隔采样，将得到的数字波形传输到主控模块，后者从中提取出距离信息，并传递到显示或传输模块进行后续使用。
图2为图1的系统实现范例中所标注的a-e各信号的时序关系示意图，反映了基于全局时钟同步采样的激光测距原理，其中：
a为高精度晶振产生的系统时钟信号；
b为经过时钟分配模块分路到模数转换模块的采样时钟；
c为主控模块在全局时钟驱动下产生的测距开始信号：
d为激光驱动模块收到测距开始信号后产生的周期为全局时钟整数倍的正弦调制信号；
e为回波光经过探测器转变成的电信号。
距离信息的获取方式为记录测距开始对应的时钟时刻与第一个回波波形采样点前一时刻间的时钟个数n，即为粗时间，并根据时钟周期T和光速c，由计算出粗距离D；根据回波信号采样数据获取回波信号到其抵达前一时刻的相位差根据正弦调制周期T换算成精时间t，进一步利用换算成精距离；将粗距离D和精距离d叠加在一起即可得到目标距离。
图3为本专利基于回波过采样后进行多重4点DFT相位测量的原理示意图，模数转换模块在全局时钟驱动下对回波信号进行采样得到图2中所示的采样点。当采样频率恰好为调制频率的4倍时，用离散傅里叶变换后计算相位的过程可化简为：其中y1～y4为间隔为调制周期π/4的4个采样值。该简化过程使得相位提取过程计算量大大降低，提高了在硬件系统中的可实现性。当采样频率为调制频率4整数倍时(图2中以8倍作为范例)，可得到多组用于进行简化离散傅里叶变换4点采样序列，如图2中三角形点和圆点所示，且组间同序号采样点的时间差为一个全局时钟周期，由每组序列分别求得相位值后加上序列间的固定偏移量对齐，即可得到对同一回波的多次相位测量结果，并取平均或中值得到最终的精确相位值。该方法以提升采样率的方式实现了有限回波信号的多次测量，提高了测相精度，同时无需延长采样时间，测距速度快。
对于本领域技术人员而言，显然本专利不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本专利的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本专利。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本专利的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本专利内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (1)
1.一种基于同步采样和多重相位测量的激光测距系统，其特征在于：包括：
主控模块，由数字逻辑器件或微处理器构成；
激光发射模块，由激光驱动电路、连续激光器和发射光学镜头组成；
激光接收模块，由接收光学镜头、光电探测器和信号放大电路组成；
采样模块，由模数转换电路组成；
时钟分配模块，由时钟源和时钟分配电路组成；
数据传输或显示模块，由数据传输模块或显示模块组成；
时钟分配模块为主控模块、激光发射模块和数字化采样模块提供同步的全局时钟驱动,一次测距开始时，主控模块向激光发射模块的驱动电路发送测距开始信号，后者发出一组包含多个相同正弦波的调制信号调制连续激光器的发射激光光强，目标反射的回波光信号被激光接收模块的接收光学镜头接收，并经过光电探测器转变为电信号后，再经信号放大器完成信号放大后输入到采样模块对回波电信号进行模数转换，所得到的数字化采样波形将输入主控模块，进行距离信息的提取，最终传递到数据传输或显示模块对距离信息进行传输或显示。
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