CN219891408U - 一种新型高速相位激光测距装置及产品 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种新型高速相位激光测距装置及产品，涉及相位式激光测距技术领域，解决测距方案存在信号延迟，测量时间较长的技术问题。该装置包括锁相环时钟芯片、基准信号生成模块、测量信号生成模块和单片机，锁相环时钟芯片的第一端口、第二端口分别输出主振信号和本振信号；本振信号在传输过程中受S参数影响形成本振入射波和本振反射波；本振反射波被反射耦合回到锁相环时钟芯片内部，并与主振信号混频产生基准信号；测量信号生成模块接收测量光束经由测量目标的反射光信号与本振入射波，处理生成测量信号；单片机同时对测量信号与基准信号进行采样，得到测量光束的相位差。本实用新型同时对测量信号和基准信号采样，提高测距速度。

Description

一种新型高速相位激光测距装置及产品

技术领域

本实用新型涉及相位式激光测距技术领域，尤其涉及一种新型高速相位激光测距装置及产品。

背景技术

现有的相位式激光测距采用间接测量法，通过计算测量信号和基准信号的相位差得到距离值，实现毫米级高精度测距。相位式激光测距的核心器件高频时钟信号发生器(PLL频率合成器)，用于产生两路具有固定频率差的高频信号，即主振信号和本振信号。其中，主振信号连接外光路激光调制发射电路，本振信号连接光信号接收电路，主振信号经外光路激光管LD调制发射测量光束到目标，反射光信号通过光学透镜聚焦后，被雪崩二极管APD接收并进行光电信号转换，与本振信号混频得到差频信号即测量信号。

基准信号产生方法通常是在光学结构中另外增加一个内光路激光管LD，发射调制光信号被内部导光装置折射到APD接收进行光电信号转换与本振信号产生混频得到差频信号，因内光路激光管到APD的距离是固定的，因此内光路产生的差频信号可用来作为相位测距的基准信号。

然而内光路和外光路电路不能同时工作，需要通过电子模拟开关切换交替，依次得到测量信号和基准信号输入到单片机ADC采样处理。这种测距方法在行业领域内称为双发单收方案，应用上会出现模拟开关多次切换及基准信号和测量信号的分时鉴相距离换算耗时较长，测量速度较慢，无法满足快速物体位移监测应用场合。

在实现本实用新型过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

现有的测距方案中，内光路和外光路电路不能同时工作，会对信号产生延迟，增加测量时长。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新型高速相位激光测距装置及产品，以解决现有技术中存在的内光路和外光路电路不能同时工作，会对信号产生延迟，增加测量时长的技术问题。本实用新型提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：

本实用新型提供的一种新型高速相位激光测距装置，包括依次连接的锁相环时钟芯片、基准信号生成模块、测量信号生成模块和单片机，所述锁相环时钟芯片包括第一端口与第二端口；

所述第一端口、第二端口均同时与所述基准信号生成模块、测量信号生成模块连接，且所述第一端口、第二端口分别输出主振信号和本振信号；所述本振信号在传输过程中受S参数影响形成本振入射波和本振反射波；所述本振反射波被反射耦合回到所述锁相环时钟芯片内部，并与所述主振信号混频产生基准信号；所述测量信号生成模块接收测量光束经由测量目标的反射光信号与所述本振入射波，处理生成测量信号；

所述单片机同时对所述测量信号与所述基准信号进行采样，得到所述测量光束的相位差。

优选的，所述锁相环时钟芯片包括高频主振信号电路；

其中，所述基准信号生成模块也包括所述高频主振信号电路，所述本振反射波通过串扰耦合到所述高频主振信号电路，与所述主振信号混频得到所述基准信号；所述高频主振信号电路连接到所述第一端口，用于输出所述主振信号与所述基准信号的混合信号。

优选的，所述基准信号生成模块还包括低通滤波器和APD阻抗匹配网络，所述低通滤波器、APD阻抗匹配网络的输入端分别与所述第一端口、第二端口连接；所述低通滤波器的输出端与所述单片机连接，所述第一端口向所述低通滤波器输出所述混合信号，所述低通滤波器对所述混合信号进行分离，滤除所述主振信号后向所述单片机发送所述基准信号。

优选的，所述测量信号生成模块包括高通选频器和激光调制驱动电路；所述激光调制驱动电路上设置有激光管LD，所述激光管LD接收到所述主振信号导通，向所述测量目标调制发射所述测量光束；所述高通选频器的输入端与所述第一端口连接，所述激光调制驱动电路的输入端连接所述高通选频器的输出端，所述高通选频器对所述混合信号进行分离，滤除所述基准信号后向所述激光调制驱动电路发送所述主振信号。

优选的，所述测量信号生成模块还包括光信号接收电路；所述光信号接收电路的输入端与所述APD阻抗匹配网络的输出端连接，所述光信号接收电路的输出端连接到所述单片机。

优选的，所述测距装置还包括运放器OPA1、运放器OPA2；

所述运放器OPA1的输入端连接所述光信号接收电路的输出端，所述运放器OPA2的输入端与所述低通滤波器的输出端连接。

优选的，所述单片机包括ADC1通道和ADC2通道，所述运放器OPA1、运放器OPA2的输出端分别与所述ADC1通道、ADC2通道连接。

优选的，所述光信号接收电路设置有雪崩二极管APD，所述雪崩二极管APD用于接收所述测量光束的反射光信号，并对所述反射光信号进行光电转换；所述反射光信号转换得到的电信号与所述本振入射波混频得到所述测量信号。

优选的，所述单片机上设置有I2C接口，所述单片机通过所述I2C接口与所述锁相环时钟芯片进行通信。

本新型还提供一种新型高速相位激光测距产品，包括上述的一种新型高速相位激光测距装置。

实施本实用新型上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：

本实用新型基于射频电路端口S参数传输原理，能够在锁相环时钟芯片内部实现电信号混频功能从而得到基准信号。单片机与锁相环时钟芯片通信连接，当单片机驱动激光调制驱动电路发射调制测量光束得到测量信号的同时，锁相环芯片也同步连续输出基准信号。本实用新型实现了激光测量信号和基准信号同时采样，进而减少了信号的延迟，提高了测距速度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，附图中：

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的电路连接图。

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，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本实用新型可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本实用新型的范围和实质。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了说明本实用新型的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。

实施例一：

如图1所示，本实用新型提供了一种新型高速相位激光测距装置，包括依次连接的锁相环时钟芯片、基准信号生成模块、测量信号生成模块和单片机，锁相环时钟芯片包括第一端口与第二端口；

第一端口、第二端口均同时与基准信号生成模块、测量信号生成模块连接，且第一端口、第二端口分别输出主振信号和本振信号；本振信号在传输过程中受S参数影响形成本振入射波和本振反射波；本振反射波被反射耦合回到锁相环时钟芯片内部，并与主振信号混频产生基准信号；测量信号生成模块接收测量光束经由测量目标的反射光信号与本振入射波，处理生成测量信号；

单片机同时对测量信号与基准信号进行采样，得到测量光束的相位差。

作为可选的实施方式，锁相环时钟芯片包括高频主振信号电路；

其中，基准信号生成模块也包括高频主振信号电路，本振反射波通过串扰耦合到高频主振信号电路，与主振信号混频得到基准信号；高频主振信号电路连接到第一端口，用于输出主振信号与基准信号的混合信号。

作为可选的实施方式，基准信号生成模块还包括低通滤波器和APD阻抗匹配网络，低通滤波器、APD阻抗匹配网络的输入端分别与第一端口、第二端口连接；低通滤波器的输出端与单片机连接，第一端口向低通滤波器输出混合信号，低通滤波器对混合信号进行分离，滤除主振信号后向单片机发送基准信号。

作为可选的实施方式，测量信号生成模块包括高通选频器和激光调制驱动电路；激光调制驱动电路上设置有激光管LD，激光管LD接收到主振信号导通，向测量目标调制发射测量光束；高通选频器的输入端与第一端口连接，激光调制驱动电路的输入端连接高通选频器的输出端，高通选频器对混合信号进行分离，滤除基准信号后向激光调制驱动电路发送主振信号。

作为可选的实施方式，测量信号生成模块还包括光信号接收电路；光信号接收电路的输入端与APD阻抗匹配网络的输出端连接，光信号接收电路的输出端连接到单片机。

作为可选的实施方式，测距装置还包括运放器OPA1、运放器OPA2；

运放器OPA1的输入端连接光信号接收电路的输出端，运放器OPA2的输入端与低通滤波器的输出端连接。

作为可选的实施方式，单片机包括ADC1通道和ADC2通道，运放器OPA1、运放器OPA2的输出端分别与ADC1通道、ADC2通道连接。

作为可选的实施方式，光信号接收电路设置有雪崩二极管APD，雪崩二极管APD用于接收测量光束的反射光信号，并对反射光信号进行光电转换；反射光信号转换得到的电信号与本振入射波混频得到测量信号。

作为可选的实施方式，单片机上设置有I2C接口，单片机通过I2C接口与锁相环时钟芯片进行通信。

本实用新型基于射频电路端口S参数传输原理，能够在锁相环时钟芯片内部实现电信号混频功能从而得到基准信号。单片机与锁相环时钟芯片通信连接，当单片机驱动激光调制驱动电路发射调制测量光束得到测量信号的同时，锁相环芯片也同步连续输出基准信号。本实用新型实现了激光测量信号和基准信号同时采样，进而减少了信号的延迟，提高了测距速度。

本实用新型的具体工作原理为：

单片机通过I²C通讯接口控制锁相环时钟芯片产生两路高频信号输出，第一端口输出主振信号fa连接到激光调制驱动电路的激光管LD调制发射激光测量光束，第二端口输出本振信号fb连接到光信号接收电路的雪崩二极管APD。其中，锁相环时钟芯片、基准信号生成模块、测量信号生成模块、单片机依次相连。

为了实现单片机的双路ADC同时进行采样，本实用新型基于射频电路端口S传输参数原理，创造性地在锁相环时钟芯片内部实现了电信号混频，从而使高频锁相环时钟芯片输出低频的基准信号。锁相环时钟芯片在相位激光测距系统中，通常只是用来产生两路高频率时钟信号，芯片设计时并不具备混频功能。但是本实用新型利用锁相环时钟芯片高频信号输出端口与负载之间存在的S21正向传输系数(本振入射波)和S11反射系数(本振反射波)，通过调整第二端口和负载之间的APD阻抗匹配网络参数，使高频主振信号电路的本振反射波信号反馈耦合到另一路高频信号输出电路中，从而实现电信号混频作用。因锁相环时钟芯片是高频半导体元器件，高频半导体器件通常具有非线性特性，非线性器件在具备一定反馈耦合条件时会形成混频作用，例如时钟芯片内部两路高频信号电路之间因分布参数和趋肤效应从而存在串扰信号。串扰顾名思义就是其中一路信号串入到另外一路信号中，当串扰信号幅值达到一定程度时可形成混频作用。通常情况下串扰可能会造成某些干扰，在芯片和电路设计时需要避免减少串扰现象发生。本实用新型基于高频信号S传输参数原理，将串扰信号加以适当利用，通过调整APD阻抗匹配网络参数将其中一路高频时钟信号的S11反射系数信号(反射波信号)反馈回芯片内部通过串扰耦合到另一路高频时钟信号输出电路中，适当调整串扰信号耦合程度使内部两路高频信号形成电信号混频即可得到低频差频信号。该低频差频信号通过芯片高频信号输出端口外接的低通选频器，滤波放大后作为基准信号。

由于锁相环时钟芯片的高频信号端口(第二端口)输出阻抗为50欧，与之连接的雪崩二极管APD是高阻器件，输入阻抗远高于50欧，为了使高频信号有效地传输到雪崩二极管APD，因此需要在锁相环时钟芯片的第二端口和雪崩二极管APD之间设计APD阻抗匹配网络。APD阻抗匹配网络采用LC结构，调整LC电感和电容参数使雪崩二极管APD的输入端阻抗接近50欧。基于射频S参数传输原理，在APD阻抗匹配网络的输入端同时存在S21-fb本振入射波信号和S11-fb本振反射波信号。其中，S21-fb本振入射波信号正向传输到光信号接收电路，S11-fb本振反射波信号反射到锁相环时钟芯片内部并串扰到高频主振信号电路中。

本振信号的S11-fb本振反射波信号与主振信号fa在芯片内部中产生电信号混频并得到差频信号fc，所获得的差频信号fc也即所需要的基准信号。差频信号fc叠加在高频主振信号fa上，从锁相环时钟芯片的主振信号端口(第一端口)输出混合信号(fa+fc)。由于差频信号fc是KHz低频信号，而主振信号fa是上百MHz高频信号，根据这一特点在在主振信号输出端口并联一个高通选频器和一个低通滤波器，将混合信号通过不同频率的滤波器分离出高频信号和低频信号。

如图2所示，U1即为锁相环时钟信号芯片，CLK1引脚和CLK2引脚即为第一端口和第二端口。高通选频器由电感L1和电容C1组成串联谐振选频电路。电感L1和电容C1利用电感通低频阻高频、电容通高频阻低频的原理，对于第一端口输出的需要分离的混合信号，利用电容吸收电感、阻碍的方法不使低频信号通过；对于高频主振信号，利用电容高阻、电感低阻的特点让它通过。LD激光调制驱动电路获取到高频主振信号，驱动激光管LD调制发射激光测量光束。低通滤波电路(低通滤波器)由电阻R1和电容C3组成，其电阻R1的一端连接锁相环时钟芯片的第一端口，电阻R1的另一端连接电容将高频信号旁路接地，同时将滤除高频信号后的差频信号fc连接到运放器OPA1处进行放大，放大后的信号接入单片机进行采样。第二端口输出连接由L2和C2串联组成APD阻抗匹配网络，将本振信号发送到APD光信号接收电路。

基于射频S参数传输原理，在APD阻抗匹配网络的输入端同时存在S21-fb本振入射波信号和S11-fb本振反射波信号。其中，S21-fb本振入射波信号正向传输到光信号接收电路，S11-fb本振反射波信号反射到锁相环时钟芯片内部并串扰到高频主振信号电路中。光信号接收电路的雪崩二极管APD在负极接收到高频的S21-fb本振入射波信号，测量光束照射在雪崩二极管APD上产生光生载流子，光生载流子在雪崩二极管APD内部雪崩区即高电场区发生雪崩倍增，光生载流子组成光电流在外部电路作用下形成电信号并输出。电信号与S21-fb本振入射波信号混频得到测量信号，并通过电阻R3输入运放器OPA1的反相输入端。测量信号经过运放器OPA1放大后输入单片机进行采样。

具体地，混合信号fa+fc经高通选频器将差频信号fc隔离只输出主振信号fa，主振信号fa连接到激光二极管LD调制产生测量光束，经测量目标反射后产生的反射光被通过雪崩二极管APD在光信号接收电路接收，经由光电转换后与S21-fb本振入射波信号混频得到差频信号fd，即测量信号。同时混合信号fa+fc经低通滤波器将高频主振信号fa滤除只输出差频信号fc，差频信号fc即基准信号。测量信号fd和基准信号fc分别经运放器OPA1、运放器OPA2放大后，分别接入单片机两路ADC通道，即ADC1通道和ADC2通道，进行同步采样鉴相，得到测量信号fd和基准信号fc相位差，计算出被测目标距离。

进一步的，测量信号和基准信号各自独立接入单片机处理，单片机进行双路ADC通道同时采样计算，不需要使用模拟开关切换两路信号分别采样计算，因而也不会存在信号延迟，测量一个周期时间可以大幅缩短，显著提高测量速度，对于移动较快的运动目标可以实现毫米级别精准测量。同时基准信号由于是时钟芯片内部产生，不易受环境温度变化影响，相位稳定，提高了测量精度和效率。

实施例仅是一个特例，并不表明本实用新型就这样一种实现方式。

实施例二：

本实施例二与实施例一的不同点在于：本新型还提供一种新型高速相位激光测距产品，包括上述的一种新型高速相位激光测距装置。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型高速相位激光测距装置，其特征在于，包括依次连接的锁相环时钟芯片、基准信号生成模块、测量信号生成模块和单片机，所述锁相环时钟芯片包括第一端口与第二端口；

所述第一端口、第二端口均同时与所述基准信号生成模块、测量信号生成模块连接，且所述第一端口、第二端口分别输出主振信号和本振信号；所述本振信号在传输过程中受S参数影响形成本振入射波和本振反射波；所述本振反射波被反射耦合回到所述锁相环时钟芯片内部，并与所述主振信号混频产生基准信号；所述测量信号生成模块接收测量光束经由测量目标的反射光信号与所述本振入射波，处理生成测量信号；

所述单片机同时对所述测量信号与所述基准信号进行采样，得到所述测量光束的相位差。

2.根据权利要求1所述的一种新型高速相位激光测距装置，其特征在于，所述锁相环时钟芯片包括高频主振信号电路；

其中，所述基准信号生成模块也包括所述高频主振信号电路，所述本振反射波通过串扰耦合到所述高频主振信号电路，与所述主振信号混频得到所述基准信号；所述高频主振信号电路连接到所述第一端口，用于输出所述主振信号与所述基准信号的混合信号。

3.根据权利要求2所述的一种新型高速相位激光测距装置，其特征在于，

所述基准信号生成模块还包括低通滤波器和APD阻抗匹配网络，所述低通滤波器、APD阻抗匹配网络的输入端分别与所述第一端口、第二端口连接；所述低通滤波器的输出端与所述单片机连接，所述第一端口向所述低通滤波器输出所述混合信号，所述低通滤波器对所述混合信号进行分离，滤除所述主振信号后向所述单片机发送所述基准信号。

4.根据权利要求3所述的一种新型高速相位激光测距装置，其特征在于，

所述测量信号生成模块包括高通选频器和激光调制驱动电路；所述激光调制驱动电路上设置有激光管LD，所述激光管LD接收到所述主振信号导通，向所述测量目标调制发射所述测量光束；所述高通选频器的输入端与所述第一端口连接，所述激光调制驱动电路的输入端连接所述高通选频器的输出端，所述高通选频器对所述混合信号进行分离，滤除所述基准信号后向所述激光调制驱动电路发送所述主振信号。

5.根据权利要求3所述的一种新型高速相位激光测距装置，其特征在于，所述测量信号生成模块还包括光信号接收电路；所述光信号接收电路的输入端与所述APD阻抗匹配网络的输出端连接，所述光信号接收电路的输出端连接到所述单片机。

6.根据权利要求5所述的一种新型高速相位激光测距装置，其特征在于，所述测距装置还包括运放器OPA1、运放器OPA2；

所述运放器OPA1的输入端连接所述光信号接收电路的输出端，所述运放器OPA2的输入端与所述低通滤波器的输出端连接。

7.根据权利要求6所述的一种新型高速相位激光测距装置，其特征在于，所述单片机包括ADC1通道和ADC2通道，所述运放器OPA1、运放器OPA2的输出端分别与所述ADC1通道、ADC2通道连接。

8.根据权利要求6所述的一种新型高速相位激光测距装置，其特征在于，所述光信号接收电路设置有雪崩二极管APD，所述雪崩二极管APD用于接收所述测量光束的反射光信号，并对所述反射光信号进行光电转换；所述反射光信号转换得到的电信号与所述本振入射波混频得到所述测量信号。

9.根据权利要求1所述的一种新型高速相位激光测距装置，其特征在于，所述单片机上设置有I2C接口，所述单片机通过所述I2C接口与所述锁相环时钟芯片进行通信。

10.一种新型高速相位激光测距产品，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的一种新型高速相位激光测距装置。