一种相位脉冲式激光测距的方法

摘要

本发明公开一种相位脉冲式激光测距的方法，包括以下步骤：S1，获取频率为F1MHz的第一发射脉冲信号中各种频率分量的第一相位差及获取频率为F2MHz的第二发射脉冲信号中各种频率分量的第二相位差S2，将所述第二相位差和所述第一相位差做差运算，获得目标测尺频率的相位差S3，代入测距公式：得到相应的激光测距距离L；其中，所述第一发射脉冲信号和所述第二脉冲信号的占空比均为5％-10％；F1和F2分别满足：5MHz＜F1＜20MHz；5MHz＜F2＜20MHz。本发明具有成本低、抗干扰能力强、测量速度快的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及激光测距领域，更具体地说，本发明涉及一种相位脉冲式激 光测距的方法。

背景技术

传统的相位式激光测距仪，采用连续波作为发射激励，不同的时间段采 用不同的发射频率。采用测尺多，可以提高系统的抗噪声能力，但是要以增 加测量时间和成本为代价。采用测尺过少，则可能带来测程短、抗干扰能力 差等问题。现有技术中，一般采用多把测尺(＞4把)，以同时保证量程和精 度。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种相位脉冲式激光测距 的方法，采用低占空比、不同频率的两个发射脉冲信号作为发射激励，获取 每个发射脉冲信号中各种频率分量的相位差，再将两个发射脉冲信号各种频 率分量的相位差做差运算，获得多个目标测尺频率的相位差，满足测量精度 要求的同时，具有成本低、抗干扰能力强、测量速度快的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明通过以下技术方案 实现：

一种相位脉冲式激光测距的方法，包括以下步骤：

S1，获取频率为F1MHz的第一发射脉冲信号中各种频率分量的第一相位 差及获取频率为F2MHz的第二发射脉冲信号中各种频率分量的第二相位 差

S2，将所述第二相位差和所述第一相位差做差运算，获得目标测尺频率 的相位差

S3，代入测距公式：得到相应的激光测距距离L；

其中，C为光速度，L为测距距离；

所述第一发射脉冲信号和所述第二脉冲信号的占空比均为5％-10％；

所述频率为F1MHz的第一发射脉冲信号的频率范围为5MHz＜F1＜20MHz；

所述频率为F2MHz的第二发射脉冲信号的频率范围为5MHz＜F2＜20MHz。

进一步的，步骤S1具体包括以下步骤：

S11，通过频率为F1MHz的第一发射脉冲信号及其反馈的频率为F1MHz的 第一回波脉冲信号和频率为(F1-0.001)MHz的第一本振脉冲信号，采集第一 参考信号和第一回波信号；

S12，通过频率为F2MHz的第二发射脉冲信号及其反馈的频率为F2MHz的 第二回波脉冲信号和频率为(F2-0.001)MHz的第二本振脉冲信号，采集第二 参考信号和第二回波信号；

S13，将采集得到的所述第一参考信号和所述第一回波信号发送给控制 器，并分别与本地正弦信号进行鉴相后再做相位差的处理，得出第一相位差；

S14，将采集得到的所述第二参考信号和所述第二回波信号发送给控制 器，并分别与本地正弦信号进行鉴相后再做相位差的处理，得出第二相位差。

优选的，步骤S11具体包括以下步骤：

将频率为F1MHz的第一发射脉冲信号与(F1-0.001)MHz的第一本振脉冲 信号依次经过混频、低通滤波、放大处理，得到所述第一参考信号；

将频率为F1MHz的第一回波脉冲信号与(F1-0.001)MHz的第一本振脉冲 信号依次经过混频、低通滤波、放大处理，得到所述第一回波信号。

优选的，步骤S12具体包括以下步骤：

将频率为F2MHz的第二发射脉冲信号与(F2-0.001)MHz的第二本振脉冲 信号依次经过混频、低通滤波、放大处理，得到所述第二参考信号；

将频率为F2MHz的第二回波脉冲信号与(F2-0.001)MHz的第二本振脉冲 信号依次经过混频、低通滤波、放大处理，得到所述第二回波信号。

优选的，步骤S13具体包括以下步骤：

控制器接收所述第一参考信号并对其进行模数转换，并将模数转换后的 第一参考信号与本地正弦信号做鉴相处理，得出第一相位；

控制器接收所述第一回波信号并对其进行模数转换，并将模数转换后的 第一回波信号与本地正弦信号做鉴相处理，得出第二相位；

所述控制器对所述第一相位和所述第二相位做差的运算，得出第一相位 差。

优选的，步骤S14具体包括以下步骤：

控制器接收所述第二参考信号并对其进行模数转换，并将模数转换后的 第二参考信号与本地正弦信号做鉴相处理，得出第三相位；

控制器接收所述第二回波信号并对其进行模数转换，并将模数转换后的 第二回波信号与本地正弦信号做鉴相处理，得出第四相位；

所述控制器对所述第三相位和所述第四相位做差的运算，得出第二相位 差。

进一步的，所述本地正弦信号至少有五个；

每个所述本地正弦信号的频率F≥0.001MHz，且为频率F＝0.001MHz的倍 频；

每个所述本地正弦信号对应一个所述第一相位差以及一个所述第二相位 差。

优选的，所述本地正弦信号的频率为0.001MHz、0.002MHz、0.003MHz、 0.004MHz和0.005MHz。

进一步的，所述第一发射脉冲信号频率F1为7.5MHz，所述第二发射脉冲 信号频率F2为8MHz。

优选的，所述第一发射脉冲信号和所述第二发射脉冲信号的占空比均为 5％。

优选的，所述第一参考信号、第一回波信号、第二参考信号和第二回波 信号的占空比均为10％。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点 和积极效果：

1)采用低占空比5％-10％、频率满足5MHz＜F1＜20MHz、5MHz＜F2＜20MHz 的两个发射脉冲信号作为发射激励，获取每个发射脉冲信号中各种频率分量 的相位差，再将两个发射脉冲信号各种频率分量的相位差做差运算，获得多 个目标测尺频率的相位差，满足测量精度要求的同时，具有成本低、抗干扰 能力强、测量速度快的优点；

2)所述本地正弦信号是频率F≥1KHz的至少五个；每个所述本地正弦信 号对应一个所述第一相位差以及一个所述第二相位差；用于获取每个发射脉 冲信号中至少前5个频率分量的相位差，提高测量精度；

3)所述第一发射脉冲信号频率F1为7.5MHz，所述第二发射脉冲信号频 率F2为8MHz，占空比均为5％；此时，通过至少五个所述本地正弦信号获取 每个发射脉冲信号中至少前5个频率分量的相位差，可以获得多种长短衔接 的目标测尺频率的相位差，提高测量的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明 的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本发明所述的相位脉冲式激光测距的方法中第一发射脉冲信号为 7.5MHz占空比为5％时采集第一参考信号和第一回波信号的方法示意图；

图2为本发明所述的相位脉冲式激光测距的方法中获得第一发射脉冲信 号中各种频率分量的第一相位差的方法示意图；

图3为本发明所述的相位脉冲式激光测距的方法中第二发射脉冲信号为 8MHz占空比为5％时采集第二参考信号和第二回波信号的方法示意图；

图4为本发明所述的相位脉冲式激光测距的方法中获得第二发射脉冲信 号中各种频率分量的第二相位差的方法示意图。

具体实施方式

为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发 明的下述各种具体实施例。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中 所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示 意性地加以说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。下面 参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不 配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本发明提供一种相位脉冲式激光测距的方法，包括以下步骤：

S1，获取频率为F1MHz的第一发射脉冲信号中各种频率分量的第一相位 差及获取频率为F2MHz的第二发射脉冲信号中各种频率分量的第二相位 差

S2，将所述第二相位差和所述第一相位差做差运算，获得目标测尺频率 的相位差

S3，代入测距公式：得到相应的激光测距距离L；

其中，C为光速度，L为测距距离；

所述第一发射脉冲信号和所述第二脉冲信号的占空比均为5％-10％；

所述频率为F1MHz的第一发射脉冲信号的频率范围为5MHz＜F1＜20MHz；

所述频率为F2MHz的第二发射脉冲信号的频率范围为5MHz＜F2＜20MHz。 传统的相位式激光测距仪，采用连续波作为发射激励，不同的时间段采用不 同的发射频率，采用测尺多，可以提高系统的抗噪声能力，但是要以增加测 量时间和成本为代价。采用测尺过少，则可能带来测程短、抗干扰能力差等 问题。一般使用多把测尺(＞4把)以同时保证量程和精度。本发明实施方式 采用占空比为5％-10％、频率分别为F1和F2的两个发射脉冲信号作为发射激 励，获取每个发射脉冲信号中各种频率分量的相位差，再将两个发射脉冲信 号各种频率分量的相位差做差运算，从而获得多个目标测尺频率的相位差。 低占空比的发射脉冲信号的高瞬时功率将提高测距系统的抗光噪能力，抗干 扰能力强；低占空比的发射脉冲信号具有丰富的谐波分量，将两个发射脉冲 信号各种频率分量的相位差做差运算，可以获得多个目标测尺频率的相位差， 以满足测量精度要求，无需大于两种的测尺频率，降低成本，加快测量速度。

上述技术方案的步骤S1中，获取第一发射脉冲信号中各种频率分量的第 一相位差以及第二发射脉冲信号中各种频率分量的第二相位差，具体包括以 下步骤：

S11，通过频率为F1MHz的第一发射脉冲信号及其反馈的频率为F1MHz的 第一回波脉冲信号和频率为(F1-0.001)MHz的第一本振脉冲信号，采集第一 参考信号和第一回波信号；

S12，通过频率为F2MHz的第二发射脉冲信号及其反馈的频率为F2MHz的 第二回波脉冲信号和频率为(F2-0.001)MHz的第二本振脉冲信号，采集第二 参考信号和第二回波信号；

S13，将采集得到的所述第一参考信号和所述第一回波信号发送给控制 器，并分别与本地正弦信号进行鉴相后再做相位差的处理，得出第一相位差；

S14，将采集得到的所述第二参考信号和所述第二回波信号发送给控制 器，并分别与本地正弦信号进行鉴相后再做相位差的处理，得出第二相位差。

上述技术方案中，步骤S11具体包括以下步骤：

将频率为F1MHz的第一发射脉冲信号与(F1-1KHz)的第一本振脉冲信号 依次经过混频、低通滤波、放大处理得到第一参考信号；

将频率为F1MHz的第一回波脉冲信号与(F1-1KHz)的第一本振脉冲信号 依次经过混频、低通滤波、放大处理得到第一回波信号。

将频率为F1MHz的第一发射脉冲信号与(F1-0.001)MHz的第一本振脉冲 信号依次经过混频、低通滤波、放大处理，得到所述第一参考信号；

将频率为F1MHz的第一回波脉冲信号与(F1-0.001)MHz的第一本振脉冲 信号依次经过混频、低通滤波、放大处理，得到所述第一回波信号。

上述技术方案中，步骤S12具体包括以下步骤：

将频率为F2MHz的第二发射脉冲信号与(F2-0.001)MHz的第二本振脉冲 信号依次经过混频、低通滤波、放大处理，得到所述第二参考信号；

将频率为F2MHz的第二回波脉冲信号与(F2-0.001)MHz的第二本振脉冲 信号依次经过混频、低通滤波、放大处理，得到所述第二回波信号。

上述技术方案中，步骤S13具体包括以下步骤：

控制器接收所述第一参考信号并对其进行模数转换，并将模数转换后的 第一参考信号与本地正弦信号做鉴相处理，得出第一相位；

控制器接收所述第一回波信号并对其进行模数转换，并将模数转换后的 第一回波信号与本地正弦信号做鉴相处理，得出第二相位；

所述控制器对所述第一相位和所述第二相位做差的运算，得出第一相位 差。

上述技术方案中，步骤S14具体包括以下步骤：

控制器接收所述第二参考信号并对其进行模数转换，并将模数转换后的 第二参考信号与本地正弦信号做鉴相处理，得出第三相位；

控制器接收所述第二回波信号并对其进行模数转换，并将模数转换后的 第二回波信号与本地正弦信号做鉴相处理，得出第四相位；

所述控制器对所述第三相位和所述第四相位做差的运算，得出第二相位 差。

上述技术方案中，所述本地正弦信号至少有五个；每个所述本地正弦信 号的频率F≥0.001MHz，且为频率F＝0.001MHz的倍频；每个所述本地正弦信 号对应一个所述第一相位差以及一个所述第二相位差。优选的，所述本地正 弦信号的频率为0.001MHz、0.002MHz、0.003MHz、0.004MHz和0.005MHz。即， 本地正弦信号是频率F≥1KHz的至少五个，所述五个本地正弦信号的频率可 以选用1KHz、2KHz、3KHz、4KHz和5KHz；至少五个频率F≥1KHz的本地正弦 信号，用于获取每个发射脉冲信号中至少前5个频率分量的相位差，有利于 提高测量精度。

上述技术方案中，第一发射脉冲信号频率F1优选为7.5MHz，第二发射脉 冲信号频率F2优选为8MHz；第一发射脉冲信号和第二发射脉冲信号的占空比 均优选为5％。占空比为5％时，7.5MHz的第一发射脉冲信号和8MHz的第二发 射脉冲信号，通过至少五个本地正弦信号获取每个发射脉冲信号中至少前5 个频率分量的相位差，可以获得多种长短衔接的目标测尺频率的相位差，从 而提高测量的精度。

此外，优选的所述第一参考信号、第一回波信号、第二参考信号和第二 回波信号的占空比均为10％。

实施例

为了获取频率F1为7.5MHz的第一发射脉冲信号中各种频率分量的第一 相位差，通过以下步骤：

(1)、如图1所示，将占空比为5％、频率F1为7.5MHz的第一发射脉冲 信号和(F1-1KHz)＝7.499MHz的第一本振脉冲信号依次经过混频、低通滤波、 放大处理得到所述第一参考信号；将频率F1为7.5MHz的第一回波脉冲信号 和(F1-1KHz)＝7.499MHz的第一本振脉冲信号依次经过混频、低通滤波、放 大处理得到所述第一回波信号；

(2)、如图2所示，将第一参考信号发送给控制器，控制器对第一参考 信号进行模数转换处理后与1KHz本地正弦信号通过数字鉴相器实现鉴相，得 到第一相位；将第一回波信号发送给控制器，控制器对第一回波信号进行模 数转换处理后与1KHz本地正弦信号通过数字鉴相器实现鉴相，得到第二相位； 控制器对第一相位和第二相位做差运算，得到第一相位差

(3)、将本地正弦信号的频率由1KHz变换成2KHz、3KHz、4KHz、5KHz， 分别对应得到第一相位差为

根据上述三个步骤，如图3和4所示，获取频率F1为8MHz的第二发射 脉冲信号中各种频率分量的第二相位差，分别是

现以一个通用的相位式激光测距仪为例：

根据公式其中，L表示测距距离，c表示光速，f表示距离L的测 尺，由于高精度高可靠性的相位式测距仪要求最佳测尺之间倍率不能大于3 倍，且考虑实际硬件设计方便，要求带宽尽可能小，便于保证一致性。那么， 该测距仪可能的六种测尺、对应的相位差和测距精度如表1所示，本实施例 的两种发射频率及其相位差如表2所示：

表1激光测距仪可能的六种测尺、对应的相位差和测距精度

表2本实施例的测尺频率及对应的相位差

结合表1和表2可知：

F3为0.5MHz时，相当于F2为8MHz时与F1是7.5MHz时做差运算，即， F3(0.5)＝F2(8)-F1(7.5)，那么对应的相位差运算为：对应的测 距精度在300m；

F3为1MHz时，相当于F2为16MHz时与F1是15MHz时做差运算，即， F3(1)＝F2(16)-F1(15)，那么对应的相位差运算为：对应的测距 精度在150m；

F3为2.5MHz时，相当于F2为40MHz时与F1是37.5MHz时做差运算，即， F3(2.5)＝F2(40)-F1(37.5)，那么对应的相位差运算为：对应的 测距精度在60m；

F3为7.5MHz时，相当于F1是7.5MHz时，即，F3(7.5)＝F1(7.5)，那 么对应的相位差运算为：对应的测距精度在20m；

F3为15MHz时，相当于F1为15MHz时，即，F3(15)＝F1(15)，那么对 应的相位差运算为：对应的测距精度在10m；

F3为40MHz时，相当于F2为40MHz时，即，F3(40)＝F2(40)，那么对 应的相位差运算为：对应的测距精度在3.75m。

综上可知，实现测距仪的六种目标测尺，均可以通过本实施例的两种发 射脉冲的频率组合做差运算得出，对应的，目标测尺的测量精度也可以通过 本实施例的两种发射脉冲信号的相位差做差运算得出，由此可见，实现测距 仪的六种目标测尺对应需要激发六种频率的发射脉冲信号；而运用本发明实 施方式提出的相位脉冲式激光测距的方法，仅需低占空比、不同频率的两个 发射脉冲信号作为发射激励，通过获取每个发射脉冲信号中各种频率分量的 相位差，再将两个发射脉冲信号各种频率分量的相位差做差运算，从而即可 获得多个目标测尺的相位差，进而满足测量精度要求。相对于普通的测距仪 测距方法，本发明提供的测距方法具有成本低、抗干扰能力强、测量速度快 的优点。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方 式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领 域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围 所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。