CN209656894U - 一种单激光相位测距仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种单激光相位测距仪，包括频率合成器、发射系统、接收系统、高速转换电子开关、信号带通滤波放大电路、中央处理单元、显示系统；接收系统接收被测目标漫反射回来的测量光信号，并与频率合成器生成的参考信号进行光电混频，生成带测量距离信息的低频信号；低频信号和参考信号经高速转换电子开关的切换，分时进入信号带通滤波放大电路，在信号带通滤波放大电路中放大后；进入中央处理单元进行鉴相处理计算。上述测距仪直接用参考信号通过信号带通滤波放大电路放大得到低频参考信号，不需要专门设计内光路或者运用外光路与参考光路进行电混频形成参考，线路简单减少了环境因素对测距误差的影响，提高了激光测距的测量精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学仪器的技术领域，尤其涉及一种单激光相位测距仪。
背景技术
激光测距仪，是以激光器作为光源进行测距。激光相位测距仪是由光源发出的光通过调制器后，成为光强随高频信号变化的调制光，调制光发射的待测物体后，又被测距仪接收，转化为电信号。这个电信号就是调制光往返于测距仪和被测物体后经过解调的高频测距信号，它的相位已延迟了，通过测量调制光在待测距离上往返传播的相位差可以算距离。
目前的激光测距仪接收到待测目标的电信号后，还需要一个内光路信号或者需要一个测量光路与参考信号进行电混频电路得到内光路信号，但是这种测距仪会受到环境因素的影响，造成环境因素对测距误差。
发明内容
(一)发明目的
为解决上述技术问题，本实用新型一种单激光相位测距仪不采用内光路信号或者测量光路，而是直接用参考信号通过信号带通滤波放大电路就可以得到参考信号减少了环境因素对测距误差的影响，提高了激光测距的测量精度。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：一种单激光相位测距仪，其特征在于，包括，频率合成器、发射系统、接收系统、高速转换电子开关、信号带通滤波放大电路、中央处理单元、显示系统；
频率合成器在中央处理单元的控制下产生的高频调制信号传送至发射系统；发射系统输出经高频调制信号调制的测量光信号并发射至被测目标；接收系统接收被测目标漫反射回来的测量光信号，并将频率合成器生成的参考信号与测量光信号进行光电混频，生成带测量距离信息的低频信号；
低频信号和参考信号经高速转换电子开关的切换，分时进入信号带通滤波放大电路，在信号带通滤波放大电路中进行一定宽度的频率进行放大；放大后的低频信号和参考信号进入中央处理单元进行分析处理；最终获得被测目标的距离数据并输出至显示系统。
所述发射系统包括激光驱动电路、激光发射器和发射光学系统；
所述激光驱动电路根据高频振荡信号对激光二极管发射出的激光进行调制，产生测量光路；测量光路发射到发射光学系统，经发射光学系统准直聚焦后，投射在被测的目标上。
所述激光驱动电路包括第一电阻R10、第二电阻R70、第三电阻R12、第一三极管Q5、第二三极管Q2和第一电容C16；
所述激光发射器包括第一激光二极管(D3)和第二激光二极管(D4)；
所述激光二极管包括第一激光二极管D3和第二激光二极管D4；
第一激光二极管D3的PD端阴极与第二激光二极管D4的LD端阳极连接，第一激光二极管D3的PD端阳极通过第一电阻R10接地；
第一三极管Q5的集电极与第二激光二极管D4的LD端阴极连接，发射极通过第二电阻R70接地，基极与第二三极管Q2的集电极相连接；第一三极管Q5的基极通过第一电容C16的负极接地；
第二三极管Q2的基极接于第一激光二极管D3的LD端阳极和第一电阻R10之间，发射极接地；
其中，所述频率合成器的输出端接于与第二激光二极管D4的LD端阴极和第一三极管Q5的集电极之间，第一激光二极管D3的PD端阴极与第二激光二极管D4的LD端阳极之间接供电电压；第一三极管Q5的基极通过第三电阻R12的接外部偏置电压；
所述接收系统包括接收光学系统、偏置电路、接收器和前置放大电路；
接收光学系统将被测目标漫反射回来的测量光路聚焦在接收器上；前置放大电路，将参考信号和接收器接收到的测量光信号组成光电混频解调出低频信号；
偏置电路根据中央处理单元的控制信号为接收器提供工作电压。
所述接收器为APD或光电二极管。
所述前置放大电路包括第四电阻R51、第五电阻R5、第六电阻R37、第七电阻R1、雪崩二极管D2和第一放大器U21；
第一放大器U21输入端的正极通过第四电阻R51接地，输入端的负极依次接第五电阻R5和雪崩二极管D2的阳极，输出端接高速转换电子开关；
第六电阻R37一端接第一放大器U21输入端的负极，另外一端接第一放大器U21的输出端；
所述频率合成器的输出端接于第七电阻R1和雪崩二极管D2之间；
所述接收器通过第四电阻R1与雪崩二极管D2的正极连接。
所述偏置电路包括第四电容C47、第五电容C23、第六电容C24、第十二电阻R17、第十三电阻R21、第十四电阻R23、第十五电阻R33、二极管D1、电感L5、开关管Q9；
开关管Q9的源极接地，漏极分别接二极管D1的阳极和电感；
电感L5的另外一端接外部供电电压；
二极管D1的阴极依次接第十四电阻R23、第十三电阻R21、第十五电阻R33后接地；
第五电容C23一端接于二极管D1的阴极和第十三电阻R21之间，另外一端接地；
第六电容C24一端接于十四电阻R23和第十三电阻R21之间，另外一端接地；
第四电容C47一端与第十二电阻R17连接后，接于第十三电阻R21和第十五电阻R33之间，另外一端接地；
开关管Q9的栅极与中央处理单元连接，接收中央处理单元输出的频率控制信号；
第十二电阻R17与第四电容C47之间接出端子，与中央处理单元的ADC端连接，接收中央处理单元模数转换采样控制信号；
接收器VH-APD接于第十四电阻R23和第十三电阻R21之间。
所述信号带通滤波放大电路包括第二电容C76，第三电容C6，第八电阻R6、第九电阻R7、第十电阻R9、第十一电阻R54、第二放大器U1-B；
第二放大器U1-B输入端的正极通过第十电阻R9接地，输入端的负极通过第三电容C6与第十一电阻R54连接后接地；
第九电阻R7一端接第二放大器U1-B输入端的负极，另外一端接第二放大器U1-B的输出端；
第二电容C76一端接于第十一电阻R54与第三电容C6之间，另外一端接第二放大器U1-B的输出端；
所述高速转换电子开关的输出端与第八电阻R6连接后，接于第十一电阻R54与第三电容C6之间。
(三)有益效果
本实用新型直接用参考信号通过信号带通滤波放大电路放大就可以得到低频参考信号，不需要专门设计内光路或者运用外光路与参考光路进行电混频形成参考，线路简单减少了环境因素对测距误差的影响，提高了激光测距的测量精度。增加了系统的测距稳定度，降低了成本，提高了生产效率。
附图说明
图1为本实用新型一种单激光相位测距仪结构示意图；
图2为本实用新型一种单激光相位测距仪频率合成器结构示意图；
图3为本实用新型一种单激光相位测距仪接收器和前置放大电路结构示意图；
图4为本实用新型一种单激光相位测距仪激光驱动电路结构示意图；
图5为本实用新型一种单激光相位测距仪高速转换电子开关结构示意图；
图6为本实用新型一种单激光相位测距仪信号带通滤波放大电路结构示意图；
图7为本实用新型一种单激光相位测距仪偏置电路结构示意图；
图8为本实用新型一种单激光相位测距仪中央处理单元结构示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。
如图1所示，本实施例一种单激光相位测距仪，包括：频率合成器、发射系统、接收系统、高速转换电子开关、信号带通滤波放大电路、中央处理单元和显示系统。
中央处理单元分别与频率合成器、发射系统、接收系统、高速转换电子开关、信号带通滤波放大电路和显示系统连接，对频率合成器、发射系统、接收系统、高速转换电子开关连接进行控制。
频率合成器在中央处理单元的控制下产生的高频调制信号传送至发射系统；发射系统输出经高频调制信号调制的测量光信号并发射至被测目标；接收系统接收被测目标漫反射回来的测量光信号，并将频率合成器生成的参考信号与测量光信号进行光电混频，生成带测量距离信息的低频信号；
低频信号和参考信号经高速转换电子开关的切换，分时进入信号带通滤波放大电路，在信号带通滤波放大电路中进行设定带宽的频率信号进行放大；放大后的低频信号和参考信号进入中央处理单元进行鉴相计算；最终获得被测目标的距离数据并输出至显示系统。
本实施例所述单激光测距仪与普通的双激光激光测距仪相比，不需要专门设计内光路或者运用外光路与参考光路进行电混频形成参考，线路更简单，成本降低。
频率合成器
频率合成器与发射系统、接收系统、高速转换电子开关分别连接，用于生成高频调制信号和参考信号，并将高频调制信号传送至发射系统，将参考信号传送至接收系统和高速转换电子开关。
本实施例中，频率合成器为DDS电路，由中央处理单元控制生成多组带PLL高频振荡信号。如图2所示，频率合成器U12的A端和B端由在中央处理单元控制，输出多组高频信号，生成高频调制信号TX和参考信号REFERENCE。
发射系统
发射系统，用于输出经高频调制信号调制的测量光信号并发射至被测目标。
参考图1所示，所述发射系统包括由激光驱动电路和激光二极管组成的激光处理单元，以及发射光学系统。
所述激光驱动电路根据高频振荡信号对激光二极管发射出的激光进行调制，产生测量光路；测量光路发射到发射光学系统，经发射光学系统准直聚焦后，投射在被测的目标上。
发射光学系统，用于将发射的激光准直聚焦投射在被测的目标上。
激光驱动电路如图4所示，包括、第一电阻R10、第二电阻R70、第三电阻R12、第一三极管Q5、第二三极管Q2和第一电容C16。
所述激光发射器包括第一激光二极管D3和第二激光二极管D4。
第一激光二极管D3的PD端阴极与第二激光二极管的LD端阳极连接，第一激光二极管D3的PD端阳极通过第一电阻R10接地；第一三极管Q5的集电极与第二激光二极管D4的LD端阴极连接，发射极通过第二电阻R70接地，基极与第二三极管Q2的集电极相连接；第一三极管Q5的基极通过第一电容C16的负极接地；第二三极管Q2的基极接于第一激光二极管D3的PD端阳极和第一电阻R10之间，发射极接地；
其中，所述频率合成器的输出端接于与第二激光二极管D4的LD端阴极和第一三极管Q5的集电极之间，第一激光二极管D3的PD端阴极与第二激光二极管的LD端阳极之间接供电电压；第一三极管Q5的基极通过第三电阻R12的另外一端接外部偏置电压。
频率合成器生成高频调制信号TX从激光二极管的LD端阴极和第一三极管Q5的集电极之间进入激光驱动电路。
本实施例激光驱动电路是自动激光功率控制电路，电路简单，成本低，并且能很好的起到自动激光功率控制作用，使激光发射功率能在环境-20～50℃中保持不变，保证了测距精度的稳定。
接收系统
接收系统，与高速转换电子开关连接，用于接收被测目标漫反射回来的测量光信号，并将参考信号与测量光信号进行光电混频，生成带测量距离信息的低频信号。
参考图1所示，所述接收系统包括接收光学系统、偏置电路、接收器和前置放大电路。
接收光学系统将被测目标漫反射回来的测量光路聚焦在接收器上；前置放大电路，将参考信号和接收器接收到的测量光信号组成光电混频解调出低频信号。
接收光学系统，用于接收被测目标漫反射回来的测量光路，并聚焦在接收器上。
偏置电路，用于为接收器提供工作电压。偏置电路根据中央处理单元的控制信号，产生一定的电压范围提供给接收器起到工作作用。
如图7所示，所述偏置电路包括第四电容C47、第五电容C23、第六电容C24、第十二电阻R17、第十三电阻R21、第十四电阻R23、第十五电阻R33、二极管D1、电感L5、开关管Q9；
开关管Q9的源极接地，漏极分别接二极管D1的阳极和电感；
电感L5的另外一端接外部供电压；
二极管D1的阴极依次接第十四电阻R23、第十三电阻R21、第十五电阻R33后接地；
第五电容C23一端接于二极管D1的阴极和第十三电阻R21之间，另外一端接地；
第六电容C24一端接于十四电阻R23和第十三电阻R21之间，另外一端接地；
第四电容C47一端与第十二电阻R17连接后，接于第十三电阻R21和第十五电阻R33之间，另外一端接地；
开关管Q9的栅极与中央处理单元连接，接收中央处理单元输出的频率控制信号PWM；
第十二电阻R17与第四电容C47之间接出端子，与中央处理单元的ADC端连接，接收中央处理单元模数转换采样控制信号；
接收器VH-APD接于第十四电阻R23和第十三电阻R21之间。
本实施例偏置电路改变了PWM的频率控制和ADC1模数转换采样，能使接收器VH-APD电压输出精度达到0.1V，传统的做法达不到本实用新型精度；高精度的电压供给APD其分辨率得到提高，最终测量精度就会提高。
所述接收器为APD或光电二极管。本实施例中，接收器采用APD，APD接收更灵敏，增益高，噪声低对测距的精度有保证。
前置放大电路，用于将接收器解调后的信号进行前级放大。如图3所示，所述前置放大电路包括第四电阻R51、第五电阻R5、第六电阻R37、第七电阻R1、雪崩二极管D2和第一放大器U21；第一放大器U21输入端的正极通过第四电阻R51接地，输入端的负极依次接第五电阻R5和雪崩二极管D2的阳极，输出端接高速转换电子开关；第六电阻R37一端接第一放大器U21输入端的负极，另外一端接第一放大器U21的输出端。
所述频率合成器的输出端接于第七电阻R1和第二光敏二极管D2之间；所述接收器通过第四电阻R1与雪崩二极管D2的正极连接。
参考信号REFERENCE从第七电阻R1和雪崩二极管D2之间进入前置放大电路，前置放大电路解调出低频信号SIGNAL从第一放大器U21的输出端输出至高速转换电子开关。
高速转换电子开关，用于控制测量信号与参考信号的转换，转换的速度为纳秒级别，有效的保证了测量的速度。
高速转换电子开关，与信号带通滤波放大电路连接，用于对低频信号与参考信号进行切换输送至信号带通滤波放大电路。
如图5所示，由中央处理单元发出的控制信号CONCTRL，对高速转换电子开关进行控制，在高速转换电子开关控制下低频信号SIGNAL和参考信号REFERENCE分时切换输出。
信号带通滤波放大电路
信号带通滤波放大电路，与中央处理单元连接，用于将低频信号与参考信号分别进行一定的宽度的频率内进行放大，并将放大后的低频信号与参考信号传送至中央处理单元。
如图6所示，所述信号带通滤波放大电路包括第二电容C76，第三电容C6，第八电阻R6、第九电阻R7、第十电阻R9、第十一电阻R54、第二放大器U1-B；
第二放大器U1-B输入端的正极通过第十电阻R9接地，输入端的负极通过第三电容C6与第十一电阻R54连接后接地；
第九电阻R7一端接第二放大器U1-B输入端的负极，另外一端接第二放大器U1-B的输出端；
第二电容C76一端接于第十一电阻R54与第三电容C6之间，另外一端接第二放大器U1-B的输出端；
所述高速转换电子开关的输出端与第八电阻R6连接后，接于第十一电阻R54与第三电容C6之间。
经高速转换电子开关控制的低频信号SIGNAL与参考信号通过第八电阻R6进入信号带通滤波放大电路，放大后的低频信号ADC和参考信号从第二放大器U1-B的输出端输出进入中央处理单元进行分析处理。
信号带通滤波放大电路将低频信号和参考信号只能在一定的频率带宽内进行放大，把带宽外的信号截止掉，有用的信号得到更好的放大不失真，这对测量的精度和测量稳定性有很大的提高。
中央处理单元
如图8所示，中央处理单元是本实用新型单激光相位测距仪中的大脑，通过运用软件的算法实现了硬件的鉴相，各个支路的控制，最终将测距的数据送到了显示系统。不需要像传统的测距另加一个鉴相系统才能完成，这样大大降低了成本，而生产中存在的问题相应的减少很多，产品外型可以做得小巧。
本实施例一种单激光相位测距仪，没有内光路的电混频，解决了传统远距离测量方式中，工作难度大，测量速度慢，效率低。采用了相位测距仪适应各种不同的环境测量，提高了测量成本，测量效率，解决了各种复杂环境的测距误差大，或不能测量的问题。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种单激光相位测距仪，其特征在于，包括，频率合成器、发射系统、接收系统、高速转换电子开关、信号带通滤波放大电路、中央处理单元、显示系统；
频率合成器在中央处理单元的控制下产生的高频调制信号传送至发射系统；发射系统输出经高频调制信号调制到测量光信号并发射至被测目标；接收系统接收被测目标漫反射回来的测量光信号，并将频率合成器生成的参考信号与测量光信号进行光电混频，生成带测量距离信息的低频信号；
低频信号和参考信号经高速转换电子开关的切换，分时进入信号带通滤波放大电路，在信号带通滤波放大电路中进行设定带宽的频率信号放大；放大后的低频信号和参考信号进入中央处理单元进行鉴相计算，获得被测目标的距离数据并输出至显示系统。
2.根据权利要求1所述的单激光相位测距仪，其特征在于，
所述发射系统包括激光驱动电路、激光发射器和发射光学系统；
所述激光驱动电路根据高频振荡信号对激光二极管发射出的激光进行调制，产生测量光路；测量光路发射到发射光学系统，经发射光学系统准直聚焦后，投射在被测的目标上。
3.根据权利要求2所述的单激光相位测距仪，其特征在于，
所述激光驱动电路包括第一电阻(R10)、第二电阻(R70)、第三电阻(R12)、第一三极管(Q5)、第二三极管(Q2)和第一电容(C16)；
所述激光发射器包括第一激光二极管(D3)和第二激光二极管(D4)；
第一激光二极管(D3)的PD端阳极通过第一电阻(R10)接地；
第一三极管(Q5)的集电极与第二激光二极管(D4)的LD端阴极连接，发射极通过第二电阻(R70)接地，基极与第二三极管(Q2)的集电极相连接；第一三极管(Q5)的基极通过第一电容(C16)的负极接地；
第二三极管(Q2)的基极接于第一光激光二极管(D3)的PD端阳极和第一电阻(R10)之间，发射极接地；
其中，所述频率合成器的输出端接于第二激光二极管(D4)的LD端阴极和第一三极管(Q5)的集电极之间，第一激光二极管(D3)的PD端阴极与第二激光二极管(D4)的LD端阳极之间接外部激光器供电电压；第一三极管(Q5)的基极通过第三电阻(R12)接外部偏置电压。
4.根据权利要求1所述的单激光相位测距仪，其特征在于，
所述接收系统包括接收光学系统、偏置电路、接收器和前置放大电路；
接收光学系统将被测目标漫反射回来的测量光路聚焦在接收器上；前置放大电路，将参考信号和接收器接收到的测量光信号组成光电混频解调出低频信号；
偏置电路根据中央处理单元的控制信号为接收器提供工作电压。
5.根据权利要求4所述的单激光相位测距仪，其特征在于，
所述接收器为APD或光电二极管。
6.根据权利要求4所述的单激光相位测距仪，其特征在于，
所述前置放大电路包括第四电阻(R51)、第五电阻(R5)、第六电阻(R37)、第七电阻(R1)、雪崩二极管(D2)和第一放大器(U21)；
第一放大器(U21)输入端的正极通过第四电阻(R51)接地，输入端的负极依次接第五电阻(R5)和雪崩二极管(D2)的阳极，输出端接高速转换电子开关；
第六电阻(R37)一端接第一放大器(U21)输入端的负极，另外一端接第一放大器(U21)的输出端；
所述频率合成器的输出端接于第七电阻(R1)和雪崩二极管(D2)之间；
所述接收器通过第四电阻(R1)与雪崩二极管(D2)的正极连接。
7.根据权利要求4所述的单激光相位测距仪，其特征在于，
所述偏置电路包括第四电容(C47)、第五电容(C23)、第六电容(C24)、第十二电阻(R17)、第十三电阻(R21)、第十四电阻(R23)、第十五电阻(R33)、二极管(D1)、电感(L5)、开关管(Q9)；
开关管(Q9)的源极接地，漏极分别接二极管(D1)的阳极和电感；
电感(L5)的另外一端接单激光相位测距仪的外部供电电压；
二极管(D1)的阴极依次接第十四电阻(R23)、第十三电阻(R21)、第十五电阻(R33)后接地；
第五电容(C23)一端接于二极管(D1)的阴极和第十三电阻(R21)之间，另外一端接地；
第六电容(C24)一端接于十四电阻(R23)和第十三电阻(R21)之间，另外一端接地；
第四电容(C47)一端与第十二电阻(R17)连接后，接于第十三电阻(R21)和第十五电阻(R33)之间，另外一端接地；
开关管(Q9)的栅极与中央处理单元连接，接收中央处理单元输出的频率控制信号；
第十二电阻(R17)与第四电容(C47)之间接出端子，与中央处理单元的ADC端连接，接收中央处理单元模数转换采样控制信号；
接收器(VH-APD)接于第十四电阻(R23)和第十三电阻(R21)之间。
8.根据权利要求1所述的单激光相位测距仪，其特征在于，
所述信号带通滤波放大电路包括第二电容(C76)，第三电容(C6)，第八电阻(R6)、第九电阻(R7)、第十电阻(R9)、第十一电阻(R54)、第二放大器(U1-B)；
第二放大器(U1-B)输入端的正极通过第十电阻(R9)接地，输入端的负极通过第三电容(C6)与第十一电阻(R54)连接后接地；
第九电阻(R7)一端接第二放大器(U1-B)输入端的负极，另外一端接第二放大器(U1-B)的输出端；
第二电容(C76)一端接于第十一电阻(R54)与第三电容(C6)之间，另外一端接第二放大器(U1-B)的输出端；
所述高速转换电子开关的输出端与第八电阻(R6)连接后，接于第十一电阻(R54)与第三电容(C6)之间。
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