CN206331041U - 相位检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及距离测量技术领域，具体涉及一种基于数字信号的相位检测装置，该装置包括：信号发生电路201、信号发射元件202、信号接收元件203、逻辑运算电路204和主控电路205。本实用新型的相位检测装置通过对发射信号进行编码的方式，编码基础为方波波形，实现全数字测相，有利于降低成本、减小电路体积和功耗，同时避免测相使用正弦波形时由于信号强度不同而比较阈值相同产生的附加相移。

Description

相位检测装置

技术领域

本实用新型涉及距离测量技术领域，具体涉及一种基于数字信号的相位检测装置。

背景技术

通过检测发射波束和接收波束之间的相位差，除以2Π乘以波长就可以得到目标物的距离，相比通过测试脉冲的时间延迟，乘以波传播速度来得到目标物距离的方法，相位检测容易做到更高的精度，考虑到相位模糊的不利因素，相位测距法在，测程适中，室内环境下，精度更高，成本也相对较低。目前在激光雷达，超声雷达，微波雷达等领域都得到了广泛的使用。

以激光雷达为例，建筑行业室内测绘用到的手持式测距仪绝大部分都是用相位法实现的，测程一般在100米左右，精度很容易达到1mm，在高精度地图测绘等方面，也有很多是用相位法，为提高测程，配合使用了角反射镜，从而可以测量1km以上的测量距离，测距精度优于1cm。这个测量精度是脉冲法难以达到的。

现有技术中的测相技术大体可以分为模拟测相和数字测相两种方式。

模拟测相技术使用基于非线性电子器件的鉴相器进行相位检测，可以达到比较高的精度；数字测相技术则一般用ADC采集混频后的波形，通过傅立叶变换等算法来实现鉴相，受环境影响比较小，可以通过累加等算法实现更高的信噪比，从而提高精度和测程。高速的鉴相器，还有高速的ADC都比较贵，为降低成本，商用的产品一般都采用了差频测量技术，用一个和发射频率略有差别的频率，一路和本振差频，一路和接收到的信号差频，通过差频将相位信号转移到低频段进行测量。理论可以证明，高频的相位差可以通过差频技术转移到低频的相位差。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的相位检测装置成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于数字信号的相位检测装置。

本实用新型的目的可通过以下的技术措施来实现：

本实用新型提供了一种相位检测装置，用于对待测目标进行距离测量，该装置包括：

信号发生电路，用于产生同步的发射编码信号和参考编码信号；

与信号发生电路连接的信号发射元件，根据发射编码信号生成经过编码的发射信号；

信号接收元件，用于接收所述经过编码的发射信号从所述待测目标反射的反射信号，并将所述反射信号进行信号处理形成反射编码信号；

与信号发生电路与信号接收元件均连接的逻辑运算电路，用于将反射编码信号和参考编码信号进行逻辑运算得到相位延迟；以及

主控电路，用于根据所述相位延迟确定待测目标的距离。

优选地，所述信号发生电路为DDS芯片、CPLD芯片或FPGA芯片。

优选地，所述信号发射元件为激光器、超声波发射器或微波发射器。

优选地，所述主控电路为CPLD芯片、FPGA芯片、DSP芯片、ASIC芯片或单片机。

优选地，信号接收元件包括：

接收单元，用于接收所述经过编码的发射信号从所述待测目标反射的反射信号；

转换单元，用于将反射信号转换为电信号；和

整形单元，用于将所得电信号转换为反射编码信号。

优选地，所述发射编码信号和所述参考编码信号具有频率差。

优选地，所述发射编码信号和所述参考编码信号均为步进码信号、BCD码信号、格雷码信号或循环码信号。

本实用新型的相位检测装置通过对发射信号进行编码的方式，编码基础为方波波形，实现全数字测相，有利于降低成本、减小电路体积和功耗，同时避免测相使用正弦波形时由于信号强度不同而比较阈值相同产生的附加相移。

附图说明

图1是本实用新型的相位检测装置的结构框图。

图2是本实用新型的应用例1的相位检测方法的编码波形图。

图3是本实用新型的应用例1的相位检测方法中逻辑运算的波形图。

图4是本实用新型的应用例2的相位检测方法的编码波形图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本实用新型。

相应地，本实用新型实施例提供了一种相位检测装置，请参阅图1所示，该装置包括：信号发生电路201、信号发射元件202、信号接收元件203、逻辑运算电路204和主控电路205。其中，信号发生电路201用于产生同步的发射编码信号和参考编码信号；信号发射元件202与信号发生电路201连接，根据发射编码信号生成经过编码的发射信号；信号接收元件203用于接收所述经过编码的发射信号从所述待测目标反射的反射信号，并将所述反射信号进行信号处理形成反射编码信号；逻辑运算电路204与信号发生电路201与信号接收元件203均连接，用于将反射编码信号和参考编码信号进行逻辑运算得到相位延迟；主控电路205用于根据所述相位延迟确定待测目标的距离。

在一个优选实施方式中，信号发生电路201产生的发射编码信号和参考编码信号均为步进码信号、BCD码信号、格雷码信号或循环码信号。发射编码信号和参考编码信号可以频率相同，发射编码信号和参考编码信号也可以具有频率差。所述信号发生电路201为DDS芯片、CPLD芯片或FPGA芯片。所述信号发射元件202为激光器、超声波发射器或微波发射器。所述主控电路205为CPLD芯片、FPGA芯片、DSP芯片、ASIC芯片或单片机。信号接收元件203进一步包括依次连接的接收单元2031、转换单元2032和整形单元2033，其中，接收单元2031用于接收所述经过编码的发射信号从所述待测目标反射的反射信号；转换单元2032用于将反射信号转换为电信号；整形单元2033用于将所得电信号转换为反射编码信号。逻辑运算电路204对反射编码信号和参考编码信号进行逻辑运算，得到一个预处理的信号，即为反射编码信号。

信号发生电路201生成同步的两路信号，第一路为发射的编码，第二路为参考的编码；发射编码控制信号发射元件202，可能是激光器或者超声波发射器、微波发射器等发射装置，形成编码的发射信号；编码的发射信号遇到目标之后反射，经接信号接收元件203接收、信号整形还原为编码波形（反射编码信号）；整形后的波形（反射编码信号）与参考编码波形（参考编码信号）进行逻辑运算，生成的信号经FPGA，ARM或者DSP采集，计算出距离信号并输出。

应用上述相位检测装置对待测目标进行距离测量的方法包括如下步骤：

步骤S101：产生同步的发射编码信号和参考编码信号；

步骤S102：根据发射编码信号生成经过编码的发射信号，所述发射信号为光信号、超声波信号或微波信号；

步骤S103：将所述经过编码的发射信号导向所述待测目标，并且接收从所述待测目标反射的反射信号；

步骤S104：将所述反射信号进行信号处理形成反射编码信号；

步骤S105：将反射编码信号和参考编码信号进行逻辑运算得到相位延迟；以及

步骤S106：根据所述相位延迟确定待测目标的距离。

在步骤S101中，发射编码信号和所述参考编码信号均为步进码信号、BCD码信号、格雷码信号或循环码信号。发射编码信号和参考编码信号之间可以同频，也可以存在频率差，使用差频信号会降低测量速度，但是可以提高分辨率。

在步骤S104中，首先将反射信号转换为电信号，再将所得电信号转换为反射编码信号。信号接收部分接收到反射的同样带有编码的激光信号、超声波信号或者微波信号，转换成电信号，考虑到信号幅度大小会随着待测目标反射率以及距离等因素有较大变化，这里需要用到增益控制，使输出信号在一定的范围内；信号整形部分将该电信号通过阈值比较或其它方式转换为规整的编码信号，即为反射编码信号。

上述的相位检测方法是一种基于数字化编码技术的测相方法，可以不用鉴相器，以及高速ADC，直接用CPLD，FPGA，DSP，ASIC芯片，甚至单片机的数字端口接收信号，实现低成本高速测相，可以应用在激光测距，超声测距，微波测距等方面。

应用例1

本应用例提供了利用上述的相位检测装置进行相位检测的方法，用于对待测目标进行距离测量，该方法包括如下步骤：

步骤1：产生同步的发射编码信号和参考编码信号；

步骤2：根据发射编码信号生成经过编码的发射信号，所述发射信号为光信号、超声波信号或微波信号；

步骤3：将所述经过编码的发射信号导向所述待测目标，并且接收从所述待测目标反射的反射信号；

步骤4：将所述反射信号进行信号处理形成反射编码信号；

步骤5：将反射编码信号和参考编码信号进行逻辑运算得到相位延迟；以及

步骤6：根据所述相位延迟确定待测目标的距离。

在本应用例中，发射编码信号和参考编码信号均为步进码，且频率相同，假设占空比为1/5，发射编码信号和参考编码信号同周期。

经过编码的发射信号为占空比1/5的方波，信号发射后经过传输，遇到目标之后反射，再传输回来被接收，信号发生了延迟，接收到的信号经过放大，整形之后还原成延迟后的编码波形（反射编码信号），请参阅图2所示，送入逻辑运算电路。

参考编码信号的波形对应的在1/5周期内重复1111，也送入逻辑运算电路；逻辑运算电路采用逻辑与运算，当参考编码波形和接收到的反射编码波形都为1的时候输出为1，任何一路为0的时候输出为0；当接收的反射编码波形（反射编码信号）和参考编码波形延迟逐渐加大的时候，形成了0000，0001，0011，0111，1111，1110，1100，1000，0000的8种编码，这是一种步进码，如图3所示。如果接收到的编码为0001的时候说明相位延迟了1/4*1/5=1/20个整相位，同理，如果接收到的编码为0011的时候，说明相位延迟了1/2*1/5=1/10个整相位。

这种方式的相位测量精度为1/20整周期，精度不够好；同时在当延迟超过1/5周期的时候，两路信号都为全0，无法实现测相，会出现信号丢失。

进一步地，可以加大发射波形的占空比到1/2，编码波形为10个1时，可以减少信号丢失的情况，但在过渡区仍会出现两个周期信号无法分开的情况，出现类似相位测距的相位模糊的情况。

应用例2

本应用例提供了利用上述的相位检测装置进行相位检测的方法，用于对待测目标进行距离测量，该方法包括如下步骤：

步骤1：产生同步的发射编码信号和参考编码信号；

步骤2：根据发射编码信号生成经过编码的发射信号，所述发射信号为光信号、超声波信号或微波信号；

步骤3：将所述经过编码的发射信号导向所述待测目标，并且接收从所述待测目标反射的反射信号；

步骤4：将所述反射信号进行信号处理形成反射编码信号；

步骤5：将反射编码信号和参考编码信号进行逻辑运算得到相位延迟；以及

步骤6：根据所述相位延迟确定待测目标的距离。

在本应用例中，发射编码信号和参考编码信号频率相差10%，且两者均使用步进码。为避免上面范例中丢失信号或者相位模糊的情况，同时提高相位的分辨率，为此考虑两个编码信号之间产生频率差，利用拍频的原理测相，可以扩大测距范围，同时提高相位精度。

具体地，发射编码和参考编码仍然占空比为1/5，参考编码在1/5占空比内编码为1111，只是两者频率差10%，如图4所示，圆框中的重叠部分会产生非0的编码；逻辑运算步骤中采用逻辑与运算，当编码波形和接收波形都为1的时候输出为1，任何一路为0的时候输出为0；由于频差的作用，有些组会完全错开，有些部分对上，会形成部分对上的编码，也有一些会完全对上，形成1111编码。每一个子组随相位的变化表现出来依然为一种步进码。

通过分析接收到的编码，可以分析出编码对应的相位，10%的频差相当于把相位放大了10倍，测相精度由实施例1的1/20提高到了1/200。

由于有部分对准的情况，同时会有3～4组编码会出现，考虑到多组编码之间是有固定关系的，通过对多组编码进行相关运算，可以更精确的检出相位，一方面可以提高信噪比，一方面还可以额外提高相位的分辨率，使相位测量精度优于1/200。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种相位检测装置，用于对待测目标进行距离测量，其特征在于，该装置包括：

信号发生电路，用于产生同步的发射编码信号和参考编码信号；

与信号发生电路连接的信号发射元件，根据发射编码信号生成经过编码的发射信号；

信号接收元件，用于接收所述经过编码的发射信号从所述待测目标反射的反射信号，并将所述反射信号进行信号处理形成反射编码信号；

与信号发生电路与信号接收元件均连接的逻辑运算电路，用于将反射编码信号和参考编码信号进行逻辑运算得到相位延迟；以及

主控电路，用于根据所述相位延迟确定待测目标的距离。

2.根据权利要求1所述的相位检测装置，其特征在于，所述信号发生电路为DDS芯片、CPLD芯片或FPGA芯片。

3.根据权利要求1所述的相位检测装置，其特征在于，所述信号发射元件为激光器、超声波发射器或微波发射器。

4.根据权利要求1所述的相位检测装置，其特征在于，所述主控电路为CPLD芯片、FPGA芯片、DSP芯片、ASIC芯片或单片机。

5.根据权利要求1所述的相位检测装置，其特征在于，信号接收元件包括：

接收单元，用于接收所述经过编码的发射信号从所述待测目标反射的反射信号；

转换单元，用于将反射信号转换为电信号；和

整形单元，用于将所得电信号转换为反射编码信号。

6.根据权利要求1所述的相位检测装置，其特征在于，所述发射编码信号和所述参考编码信号具有频率差。

7.根据权利要求1所述的相位检测装置，其特征在于，所述发射编码信号和所述参考编码信号均为步进码信号、BCD码信号、格雷码信号或循环码信号。