一种相位式激光测距仪及其检相方法

摘要

本发明公开了一种相位式激光测距仪及其检相方法，属电子测量领域。其结构包括信号采样处理控制模块、第一信号放大滤波模块、第二信号放大滤波模块、测尺信号发生模块、激光调制发射模块、光信号接收检测模块、信号对数转换器模块、电源模块和显示模块；其检相方法包括选取系统降采样频率、确定采样数据长度、采样数据分组、相位移的计算和距离值的计算过程。本发明通过使用其相应的检相方法可用石英晶体滤波器对测距信号滤波，采用连续的间接测尺频率方式和降采样技术，采样与信号处理功能集成在同一芯片上，系统结构简易，测量精度高，成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光测距仪，尤其涉及一种相位式激光测距仪及其检相方法，属于电子测量领域。

背景技术

激光测距仪，作为非接触式的测量仪器，已被广泛使用于遥感、精密测量、工程建设、安全监测以及智能控制等领域，相位式激光测距仪以其精度高、功率小和便携的特点，适用于民用范畴，有较大的市场和应用前景。相位法测距通过测定调制光波经空气传播后所产生的相位移，从而求得光波所走过的路程。光波在传播过程中相位是不断变化的，测尺频率选取的越高，测距的理论精度就越高，但同时系统的实现难度就越大。激光测距有分散的直接测尺频率方式和连续的间接测尺频率方式两种，分散的直接测尺频率方式即是直接给出精测尺、粗测尺的频率用于测量，为减小因精测尺、粗测尺频率调节跨度大而带来的一系列问题，测距普遍采用连续的间接测尺频率方式，连续的间接测尺频率方式的原理是：对同一距离作相位法测量时，两个测尺频率分别测距的相位移之差，等于以这两个测尺频率的频差来测距而得到的相位移。伴随着测尺频率的提高，如何保证所检测到的测距信号质量成为关键问题，没有好的滤波性能，提高测尺频率对测量精度来说是没有意义的。石英晶体滤波器有着优良的带通滤波性能，通带带宽一般在10KHz左右，但只有较少的几种中心频率的型号，无法像L、R、C组成的带通滤波器那样任意调节中心频率，存在使用匹配的问题。

目前，相位式激光测距检相方法主要有降采样的数字同步检测法，FFT(快速傅立叶变换)检相法，脉冲计数式检相法三种。降采样的数字同步检测法和FFT检相法检相精度较高，前者要求测尺频率发生时序需和ADC(模数转换器)采样时序严格同步并符合特定的比例关系，现有的石英晶体滤波器中，若不加混频器件，难以找到能同时匹配测尺频率和ADC采样频率的型号，因此测尺信号的滤波质量不是很好，直接影响检测精度，此外，系统对ADC器件采样时序稳定性要求也比较高；后者FFT检相法由于需满足shannon采样定理，ADC的采样频率高，若要使用较低采样频率实现FFT检相需增加混频电路，实现成本较高；脉冲计数式检相法检相精度不高。

发明内容

本发明为了在相位式激光测距仪上很好的使用石英晶体滤波器优良的带通滤波性能而提出一种相位式激光测距仪及其检相方法。

一种相位式激光测距仪，其包括：信号采样处理控制模块、第一信号放大滤波模块、第二信号放大滤波模块、测尺信号发生模块、激光调制发射模块、光信号接收检测模块、信号对数转换器模块、电源模块、显示模块，其中：信号采样处理控制模块的输出端接测尺信号发生模块的输入端，测尺信号发生模块的输出端接激光调制发射模块的输入端，激光调制发射模块的输出端接第二信号放大滤波模块的输入端，激光调制发射模块还设有一激光发射端，第二信号放大滤波模块的输出端接信号采样处理控制模块的输入端，光信号接收检测模块的输出端接信号对数转换器模块的输入端，光信号接收检测模块还设有一激光接收端，信号对数转换器模块的输出端接第一信号发大滤波模块的输入端，第一信号放大滤波模块的输出端接信号采样处理控制模块的输入端，信号采样处理控制模块的显示信号输出端接显示模块的输入端，电源模块给上述所有模块供电。

一种基于该相位式激光测距仪的检相方法，其步骤如下：

采样频率f_A采得的数字信号结果为：

Q(K)＝aA sin(2πfK/f_A+θ+φ)+DC   (K＝0，1，2，3…)

其中：f是测尺频率；K是单个采样点数；a是由大气传输和电路影响产生的衰减系数；A是出射激光强度幅值；DC是直流偏置值，是一个定值；θ是光电系统结构和电路传输造成的相位移；φ是将光传输造成的相位移对2π求余所得的值；

检相方法步骤如下：

a.选取系统的降采样频率：

ADC采样频率f_A＝f₁-f₂(f₁>f₂)，也就是系统所用的降采样频率值，其中：第一测尺频率f₁和第二测尺频率f₂为两个连续的间接测尺频率，必须分别和单个信号放大滤波模块中的两个石英晶体滤波器的中心频率相等；

b.确定采样数据长度：

采样数据长度k＝3*2^b-1(b＝0，1，2，3...)，还包括采样数据长度k＝0这一点，其中：b值根据系统的处理能力及精度要求来选取；

c.采样数据分组：

将两个ADC模块采样得到的采样点数据均进行如下分组：把采样点数据每隔两个数据取出，重新组成三组新的数据，即两个ADC模块采得的采样点数据的第1、4、7…个数据分别组成第一数组Q₀和第二数组Q′₀，第2、5、8…个数据分别组成第三数组Q₁和第四数组Q′₁，第3、6、9…个数据分别组成第五数组Q₂和第六数组Q′₂；

d.相位移的计算：

系统的第一测尺频率f₁和第二测尺频率f₂均进行如下相位移值的计算：首先对检测信号电路的第一数组Q₀、第三数组Q₁、第五数组Q₂和参考信号电路的第二数组Q′₀、第四数组Q′₁、第六数组Q′₂中每个数组的元素总和做二进制右移b位平均运算，将这六个数组转化为对应的第一平均值A₀、第三平均值A₁、第五平均值A₂和第二平均值A′₀、第四平均值A′₁、第六平均值A′₂；然后对检测信号电路平均值做如下串行计算：A₃＝A₁-A₀，A₄＝A₀-A₂，A₅＝A₁-A₂，A₆＝A₄-A₃；同理对参考信号电路平均值做如下串行计算：A′₃＝A′₁-A′₀，A′₄＝A′₀-A′₂，A′₅＝A′₁-A′₂，A′₆＝A′₄-A′₃；最后计算A₇＝A₆+A′₆，A₈＝A′₅-A₅，再对A₇/A₈的值做一次反正切运算；经过两次如上运算，从而得到第一测尺频率f₁下的第一相位移对2π求余后的值φ₁和第二测尺频率f₂下的第二相位移对2π求余后的值φ₂；

e.距离值的计算：

在第一相位移对2π求余后的值φ₁和第二相位移对2π求余后的值φ₂中：若φ₁>φ₂，则粗测尺频率相位移值φ₃＝φ₁-φ₂；若φ₁<φ₂，则粗测尺频率相位移值φ₃＝φ₁+2π-φ₂；计算粗测尺距离值$D_1=\frac{\lambda }{2}·\frac{{\phi }_3}{2\pi },$将其取整得出第一有效距离值D₁′；再计算精测尺距离值$D_2=\frac{\lambda }{2}·\frac{{\phi }_1}{2\pi },$将其取小数位得出第二有效距离值D₂′；则所测距离值D＝D₁′+D₂′，其中：λ是光波波长。

本发明提出了一种相位式激光测距仪系统结构，并以此结构为基础提出了一种相位检测方法，通过使用此方法检相，系统可以用石英晶体滤波器对测距信号进行滤波；本系统采用连续的间接测尺频率方式，并使用了降采样技术，采样与信号处理功能集成在同一芯片上，系统结构简易，测量精度高，成本低。

附图说明

图1是本发明的激光测距仪的整体模块示意图，图中标号名称：1.信号采样处理控制模块，2.第一信号放大滤波模块，2’.第二信号放大滤波模块，3.测尺信号发生模块，4.激光调制发射模块，5.光信号接收检测模块，6.信号对数转换器模块，7.电源模块，8.显示模块。

图2是本发明单一测尺频率下的检相流程示意图，其中：ADC0、ADC1表示信号采样所使用的采样通道。

具体实施方案

如图1所示，本发明的整体模块包括信号采样处理控制模块1、第一信号放大滤波模块2、第二信号放大滤波模块2’、测尺信号发生模块3、激光调制发射模块4、光信号接收检测模块5、信号对数转换器模块6、电源模块7、显示模块8。首先由信号采样处理控制模块1控制测尺信号发生模块3产生第一测尺频率信号，该信号幅度调制激光调制发射模块4中的激光管，激光管的光电监测信号作为参考信号，经第二信号放大滤波模块2’滤波后，由信号采样处理控制模块1采样处理；出射激光在空气传播反射后，经光信号接收检测模块5检测，产生检测信号，该信号进入信号对数转换器模块6进行信号动态范围调节，再经过第一信号放大滤波模块2滤波，由信号采样处理控制模块1执行信号采样和处理；将参考信号与检测信号检测处理结果比对后，检出此测尺频率下的相位信息。再由信号采样处理控制模块1控制测尺信号发生模块3产生第二测尺频率信号，经过同样的过程，检出此测尺频率下的相位信息；最后，通过匹配这两个测尺频率下所检测的相位信息，得到测距数据，此数据送显示模块8，给出直观测量结果。电源模块7提供系统各模块的电源。

如图2所示，是基于该激光测距仪的单一测尺频率下的检相方法，其完整的检相方法如下：

采样频率f_A采得的数字信号结果为：

Q(K)＝aA sin(2π fK/f_A+θ+φ)+DC   (K＝0，1，2，3…)

其中：f是测尺频率；K是单个采样点数；a是由大气传输和电路影响产生的衰减系数；A是出射激光强度幅值；DC是直流偏置值，是一个定值；θ是光电系统结构和电路传输造成的相位移；φ是将光传输造成的相位移对2π求余所得的值；

检相方法步骤如下：

a.选取系统的降采样频率：

ADC采样频率f_A＝f₁-f₂(f₁>f₂)，也就是系统所用的降采样频率值，其中：第一测尺频率f₁和第二测尺频率f₂为两个连续的间接测尺频率，必须分别和单个信号放大滤波模块中的两个石英晶体滤波器的中心频率相等；

b.确定采样数据长度：

采样数据长度k＝3*2^b-1(b＝0，1，2，3...)，还包括采样数据长度k＝0这一点，其中：b值根据系统的处理能力及精度要求来选取；

c.采样数据分组：

将两个ADC模块采样得到的采样点数据均进行如下分组：把采样点数据每隔两个数据取出，重新组成三组新的数据，即两个ADC模块采得的采样点数据的第1、4、7…个数据分别组成第一数组Q₀和第二数组Q′₀，第2、5、8…个数据分别组成第三数组Q₁和第四数组Q′₁，第3、6、9…个数据分别组成第五数组Q₂和第六数组Q′₂；

d.相位移的计算：

系统的第一测尺频率f₁和第二测尺频率f₂均进行如下相位移值的计算：首先对检测信号电路的第一数组Q₀、第三数组Q₁、第五数组Q₂和参考信号电路的第二数组Q′₀、第四数组Q′₁、第六数组Q′₂中每个数组的元素总和做二进制右移b位平均运算，将这六个数组转化为对应的第一平均值A₀、第三平均值A₁、第五平均值A₂和第二平均值A′₀、第四平均值A′₁、第六平均值A′₂；然后对检测信号电路平均值做如下串行计算：A₃＝A₁-A₀，A₄＝A₀-A₂，A₅＝A₁-A₂，A₆＝A₄-A₃；同理对参考信号电路平均值做如下串行计算：A′₃＝A′₁-A′₀，A′₄＝A′₀-A′₂，A′₅＝A′₁-A′₂，A′₆＝A′₄-A′₃；最后计算A₇＝A₆+A′₆，A₈＝A′₅-A₅，再对A₇/A₈的值做一次反正切运算；经过两次如上运算，从而得到第一测尺频率f₁下的第一相位移对2π求余后的值φ₁和第二测尺频率f₂下的第二相位移对2π求余后的值φ₂；

e.距离值的计算：

在第一相位移对2π求余后的值φ₁和第二相位移对2π求余后的值φ₂中：若φ₁>φ₂，则粗测尺频率相位移值φ₃＝φ₁-φ₂；若φ₁<φ₂，则粗测尺频率相位移值φ₃＝φ₁+2π-φ₂；计算粗测尺距离值$D_1=\frac{\lambda }{2}·\frac{{\phi }_3}{2\pi },$将其取整得出第一有效距离值D₁′；再计算精测尺距离值$D_2=\frac{\lambda }{2}·\frac{{\phi }_1}{2\pi },$将其取小数位得出第二有效距离值D₂′；则所测距离值D＝D₁′+D₂′，其中：λ是光波波长。

本发明设计的出发点是利用石英晶体滤波器优良的带通滤波特性来保证测量的精度。在不使用混频器件的前提下，测尺频率被限定为石英晶体滤波器的通带中心频率，本系统石英晶体滤波模块有两个通带中心频率，将它们作为测尺频率。系统有两路ADC采样通道，拥有各自的采样保持电路，以降采样测距信号的方式工作。系统有两路信号通路，分别为检测信号通路与参考信号通路，相应的拥有检测信号电路和参考信号电路，系统通过比对这两路信号得出激光经空气传播所产生的相位移。系统测尺信号发生模块3主要包括一DDS，通过写控制字方式控制产生不同频率的正弦波调制信号，其有三种工作模式：一为单频模式，二为直接转换模式，三为线性扫描模式，本发明使用直接转换模式，需预先将所用的两个测尺频率相关参数分别编程导入DDS内部的两个寄存器中，通过写控制字选择不同的寄存器，从而产生不同的测尺频率信号。系统激光调制发射模块4主要包括一半导体激光管和激光出射光路结构，出射激光为小功率二类激光，出射端有一准直透镜，激光管有光电监测功能。系统光信号接收检测模块5主要包括集成运算放大器，硅PIN光电二极管，对数放大器，滤波片和光信号接收光路结构，接收前端有一接收透镜，该模块只检测中心频率与出射激光中心频率相同的窄带光信号。系统信号采样处理控制模块1主要包括一MCU和一键盘。系统电源模块7主要包括一直流转换器，使用两节碱性AA电池作为电源。系统显示模块8主要包括一液晶控制器，一液晶显示屏。系统在调试阶段进一步包括一JTAG仿真和调试接口，该接口在调试完成后可从系统内祛除，因此实际产品中不包含此JTAG接口。

该相位式激光测距仪的工作原理是：在电源模块的使能端加载高电平信号使其使能，将由两节碱性AA电池组成的输入电源转换为稳定的3.3V输出，直接或以分压方式作为系统各器件的电源；待系统所有电源和时钟信号均稳定后，通过JTAG口将本发明中的算法程序下载至信号采样处理控制模块1中的MCU里并运行，此时MCU处于中断等待状态，等待测距触发信号的到来，若5分钟后还无测距触发信号到来，MCU发低电平信号至电源模块，使之失效，关断系统；预先将两个测尺频率的相关参数分别编程导入到测尺信号发生模块3中DDS内部的两个寄存器中，此时，DDS等待MCU的写控制字触发信号，无有效信号输出；激光调制发射模块4、光信号接收检测模块5、两个信号放大滤波模块2和2’、信号对数转换器模块6均将测距触发信号作为使能信号；显示模块8上电后就处于工作状态，等待MCU的输出测距数据。

当测距触发信号到来，MCU进入中断服务程序，发写控制字触发信号通知DDS打开直接转换模式功能，并写入控制字到DDS选择产生第一个测尺频率信号，之后，MCU执行一短时间等待；与此同时，激光调制发射模块4、光信号接收检测模块5、两个信号放大滤波模块2和2’、信号对数转换器模块6使能，在MCU短时间等待中达到稳定工作状态；短时间等待完毕，MCU启动TIMER3(片上时钟)，发出某固定频率的时钟信号作为MCU片上两个ADC模块的采样触发同步信号，当采样数据达到3倍的2的某次幂个时，MCU再发写控制字信号通知DDS打开直接转换模式功能，并写入控制字到DDS选择产生第二个测尺频率信号；此后，MCU不再等待，当ADC采样数据达到6倍的2的某次幂个时，MCU进入检相算法处理，并发出一控制信号使激光调制发射模块4、光信号接收检测模块5、两个信号放大滤波模块2和2’、信号对数转换器模块6均失效；当检相算法处理完毕，MCU送测距结果到显示模块，并重新进入中断等待状态，等待下一个测距触发信号的到来，若5分钟后还无测距触发信号到来，MCU发低电平信号至电源模块，使之失效，关断系统。