基于同步采樣和多重相位測量的激光測距裝置的制造方法
【專利摘要】本專利公開了基于同步采樣和多重相位測量的激光測距裝置，系統(tǒng)發(fā)出開始信號使激光器驅(qū)動單元產(chǎn)生周期為全局時鐘整數(shù)倍的半連續(xù)正弦信號對發(fā)射激光光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，目標(biāo)反射的回波光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡蟊蝗謺r鐘驅(qū)動下的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣,其中調(diào)制頻率和采樣間隔為同源倍頻關(guān)系。記錄開始信號上升沿與第一個回波波形采樣點(diǎn)前一時刻之間的全局時鐘個數(shù)，得到粗距離，對采樣數(shù)字波形進(jìn)行傅里葉變換并利用頻域鑒相獲取回波正弦波形到其抵達(dá)前一時刻的相位差，且采用過采樣后序列分解對回波進(jìn)行多次相位測量以提高精度，并根據(jù)正弦調(diào)制周期換算成精距離，粗距離和精距離相加為距離信息。本專利具有無測程限制，硬件實(shí)現(xiàn)簡單等特點(diǎn)。
【專利說明】
基于同步采樣和多重相位測量的激光測距裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本專利涉及激光測距信號處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于同步采樣和多重相位測量 的相位法激光測距方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】：
[0002] 激光測距是激光技術(shù)應(yīng)用的一個主要方面，由于激光具有的高相干性、方向性、單 色性等優(yōu)點(diǎn)，激光測距系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、高精度的測距功能。相位法激光測距是激光測 距系統(tǒng)中重要的一類，該方法通過測量連續(xù)調(diào)制信號在激光發(fā)射源與目標(biāo)間往返傳播所產(chǎn) 生的相位變化來間接地測定光信號傳播時間，進(jìn)而求得被測的距離。該方法可通過對輸出 光信號進(jìn)行高頻率調(diào)制和回波相位精確測量達(dá)到較高的測距精度，但由于調(diào)制信號的周期 性特點(diǎn)，系統(tǒng)的最大測量距離不能大于信號調(diào)制周期一半時間對應(yīng)的光程，使得測距精度 和測程兩個重要指標(biāo)互相制約。
[0003] 為解決上述問題，目前常用文獻(xiàn)[1]中提到的多頻測相方法，即用多個頻率的調(diào)制 波對距離進(jìn)行測量:使用較低頻率的調(diào)制波進(jìn)行粗距離測量，同時使用較高頻頻率的調(diào)制 波來進(jìn)行精距離測量，合并多個測尺結(jié)果得到最終的距離值。多測尺法能夠同時滿足測量 的距離和精度，但是這種方法需要多個發(fā)射和接收通道實(shí)現(xiàn)多路同步測量，難以保證多個 通道瞄準(zhǔn)的目標(biāo)精確重合，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜高，對功耗和重量負(fù)擔(dān)嚴(yán)重，且低頻測尺的存在限 制了測距速度。
[0004] 另一方面，在相位法激光測距系統(tǒng)中為達(dá)到更高的測距精度往往采用提高調(diào)制頻 率的方法，然而高頻測相實(shí)現(xiàn)難度大，測相精度差，從而制約了測距精度。當(dāng)前方法多采用 文獻(xiàn)[2]中提到的差頻測相來解決該問題，該方法的主要原理為將高頻調(diào)制的發(fā)射信號中 的一部分直接反饋回接收模塊，并與回波信號分別與低頻的本振信號混頻后，再經(jīng)過低通 濾波，得到了保留高頻調(diào)制分量相移信息的差頻信號，從而可在低頻下對相位進(jìn)行精確測 量。但該方法增加了混頻、濾波等環(huán)節(jié)，增加了相位測量誤差來源，且高精度模擬器件的存 在使得系統(tǒng)容易受到環(huán)境溫度和噪聲的影響，不利于多通道集成時的性能一致性，最后該 方法仍需要以多測尺測量來解決測程和精度的矛盾。
[0005] 因此，針對上述需求和現(xiàn)有技術(shù)問題，本專利提供了一種新型結(jié)構(gòu)的激光測距方 法，以解除調(diào)制頻率和測程之間的限制，同時兼具測距精度和測距速度的優(yōu)點(diǎn)。
[0006] [ 1 ]徐家奇.相位差式激光測距傳感器設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué)，2010:33-38.
[0007] [2]Poujouly A S,Journet B A. Laser range-finding by phase-shift measurement:moving toward smart systems[C]. Intelligent Systems and Smart Manufacturing.International Society for Optics and Photonics，2001:152-160·

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0008] 本文提出了一種新型的相位法激光測距原理，解除了調(diào)制頻率和測程之間的限 制，同時兼具高精度和快速測量的優(yōu)點(diǎn)。該方法利用動態(tài)范圍極大的時鐘計(jì)數(shù)來獲取粗距 離數(shù)據(jù)，解決了目標(biāo)距離超出單個調(diào)制周期測量距離時的多義性問題，使調(diào)制頻率不再受 到測程的制約，可盡量變高以提高測距精度;另一方面為實(shí)現(xiàn)對回波信號的精確測相，采用 過采樣和快速頻域鑒相的方法對回波進(jìn)行多次相位測量，在不延長測距時間的同時提高了 測距精度。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利提供如下技術(shù)方案：
[0010] 一種激光測距方法，其特征在于:具體包括如下步驟：
[0011] 1)在測距開始后，在全局時鐘驅(qū)動下產(chǎn)生周期為全局時鐘4XN倍(N為正整數(shù)）的 正弦調(diào)制信號對發(fā)射激光光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制；
[0012] 2)經(jīng)過目標(biāo)表面反射的回波光信號被激光測距系統(tǒng)部分接收，并被光電探測器轉(zhuǎn) 換成電信號后再通過全局時鐘驅(qū)動下的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路完成采樣，得到數(shù)字化的回波波形；
[0013] 3)記錄測距開始對應(yīng)的時鐘時刻與第一個回波波形采樣點(diǎn)前一時刻間的時鐘個 數(shù)，并根據(jù)時鐘周期換算成粗距離；
[0014] 4)對第一個回波波形采樣點(diǎn)以及相距該點(diǎn)時刻依次為1/4、1/2和3/4個正弦調(diào)制 周期一共4個采樣點(diǎn)構(gòu)成的采樣序列1進(jìn)行離散傅里葉變換，并根據(jù)頻域鑒相法求解出該采 樣序列相對于第一個回波波形采樣點(diǎn)前一時刻的相位值；
[0015] 5)對第二個回波波形采樣點(diǎn)以及相距該點(diǎn)時刻依次為1/4、1/2和3/4個正弦調(diào)制 周期一共4個采樣點(diǎn)構(gòu)成的采樣序列2進(jìn)行離散傅里葉變換，并根據(jù)頻域鑒相法求解出該采 樣序列相對于第一個回波波形采樣點(diǎn)前一時刻的相位值；
[0016] 6)以上述方式遍歷所有采樣點(diǎn)，得到多個相位測量值；
[0017] 7)將多個相位測量值取平均，并根據(jù)正弦調(diào)制頻率和光速換算成精距離；
[0018] 8)將粗距離和精距離相加得到目標(biāo)到激光測距系統(tǒng)的距離。
[0019]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利提供如下技術(shù)方案：
[0020] 一種實(shí)現(xiàn)上述方法中所述的全局時鐘驅(qū)動和回波過采樣的激光測距系統(tǒng)，其包 括：
[0021 ]主控模塊，由數(shù)字邏輯器件或微處理器構(gòu)成；
[0022] 激光發(fā)射模塊，由激光驅(qū)動電路、連續(xù)激光器和發(fā)射光學(xué)鏡頭組成；
[0023] 激光接收模塊，由接收光學(xué)鏡頭、線性響應(yīng)的光電探測器和信號放大電路組成； [0024]采樣模塊，由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成；
[0025] 時鐘分配模塊，由時鐘源和時鐘分配電路組成。
[0026]數(shù)據(jù)傳輸或顯示模塊，由數(shù)據(jù)傳輸模塊或顯示模塊組成。
[0027] 上述系統(tǒng)的工作流程為：時鐘分配模塊為主控模塊、激光發(fā)射模塊和數(shù)字化采樣 模塊提供同步的全局時鐘驅(qū)動，一次測距開始時，主控模塊向激光發(fā)射模塊的驅(qū)動電路發(fā) 送測距開始信號，后者發(fā)出一組包含多個相同正弦波的調(diào)制信號調(diào)制連續(xù)激光器的發(fā)射激 光光強(qiáng)，目標(biāo)反射的回波光信號被激光接收模塊的接收光學(xué)鏡頭接收，并經(jīng)過光電探測器 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡?，再?jīng)信號放大器完成信號放大后輸入到采樣模塊對回波電信號進(jìn)行模數(shù) 轉(zhuǎn)換，所得到的數(shù)字化采樣波形將輸入主控模塊，進(jìn)行距離信息的提取，最終傳遞到數(shù)據(jù)傳 輸或顯示模塊對距離信息進(jìn)行傳輸或顯示。
[0028] 從上述技術(shù)方案可以看出，所發(fā)明的方法利用全局時鐘對飛行時間進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲 取了目標(biāo)的粗距離數(shù)據(jù)，同時對周期為全局時鐘整數(shù)倍的調(diào)制信號進(jìn)行測相以獲取精距離 數(shù)據(jù)，由于采用同步采樣原理，即調(diào)制頻率和采樣間隔為同源倍頻關(guān)系，兩者可直接疊加得 到最終的測量結(jié)果，從而解決了相位法下測程和調(diào)制頻率的相互制約問題?；谠撓到y(tǒng)框 架，更進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)了一種高精度、高測距速度的測相方法:通過全局時鐘驅(qū)動下的模數(shù)轉(zhuǎn) 換電路對回波信號進(jìn)行過采樣，并分解成多個采樣序列以進(jìn)行多重測相，從而不需要延長 測量時間以采集多個回波，同時有效提升了測距精度。本專利的方法簡潔高效，可以低廉的 硬件成本實(shí)現(xiàn)無測程限制、高精度、高測距速度的激光測距系統(tǒng)。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利的優(yōu)點(diǎn)包括：
[0030] 1、無最大測程限制:采用時鐘計(jì)數(shù)完成粗距離的測量，無最大測程限制。
[0031] 2、兼具測距精度和測距速度：該方法一方面可不受測程限制盡可能提高調(diào)制頻 率，另一方面對同一回波信號進(jìn)行多次相位測量提高信噪比，兩者均有利于測相精度和測 距速度的提升。
[0032] 3、無頻譜泄漏：由于采樣頻率與調(diào)制頻率為同源倍頻關(guān)系，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)的頻域 鑒相法中在頻率漂移時的頻譜泄漏導(dǎo)致的鑒相誤差。
[0033] 4、相位提取算法開銷小，實(shí)時性強(qiáng):基于4點(diǎn)離散傅里葉變換的相位求取法的計(jì)算 量很小，同時多組重采樣序列的求相運(yùn)算可并行流水線處理，回波數(shù)據(jù)處理時間基本不會 對測距用時造成影響，能夠在大規(guī)模邏輯器件中輕易實(shí)現(xiàn)多通道集成。
【附圖說明】：
[0034] 為了更清楚地說明本專利實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的有關(guān)本專利的 附圖僅僅是本專利的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的 前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0035] 圖1為本專利的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架的示意圖；
[0036]圖2為本專利基于全局時鐘同步采樣的激光測距原理示意圖；
[0037] 圖3為本專利基于回波過采樣后進(jìn)行多重4點(diǎn)離散傅里葉變換后相位測量的原理 示意圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0038] 下面將結(jié)合本專利實(shí)施例中的附圖，對本專利實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)地描 述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本專利一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦＠?中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本專利保護(hù)的范圍。
[0039] 本專利方法的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)范例如圖1所示，其中時鐘源提供高精度的全局時鐘，并由 時鐘分配模塊分配到主控模塊、激光驅(qū)動模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊;主控模塊在一次測距開始 時，發(fā)送開始信號到激光驅(qū)動模塊，后者產(chǎn)生周期為全局時鐘整數(shù)倍的正弦信號對連續(xù)激 光器的輸出光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制;連續(xù)激光器的發(fā)射光經(jīng)過目標(biāo)反射后部分入射到探測器上，并 被轉(zhuǎn)變成電信號;模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊在全局時鐘驅(qū)動下對電信號進(jìn)行等時間間隔采樣，將得到 的數(shù)字波形傳輸?shù)街骺啬K，后者從中提取出距離信息，并傳遞到顯示或傳輸模塊進(jìn)行后 續(xù)使用。
[0040] 圖2為圖1的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)范例中所標(biāo)注的a-e各信號的時序關(guān)系示意圖，反映了基于 全局時鐘同步采樣的激光測距原理，其中：
[0041] a為高精度晶振產(chǎn)生的系統(tǒng)時鐘信號；
[0042] b為經(jīng)過時鐘分配模塊分路到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的采樣時鐘；
[0043] c為主控模塊在全局時鐘驅(qū)動下產(chǎn)生的測距開始信號：
[0044] d為激光驅(qū)動模塊收到測距開始信號后產(chǎn)生的周期為全局時鐘整數(shù)倍的正弦調(diào)制 信號；
[0045] e為回波光經(jīng)過探測器轉(zhuǎn)變成的電信號。
[0046]距離信息的獲取方式為記錄測距開始對應(yīng)的時鐘時刻與第一個回波波形采樣點(diǎn) 前一時刻間的時鐘個數(shù)n，即為粗時間，并根據(jù)時鐘周期T和光速c，由I) = =^^計(jì)算出粗 距離D;根據(jù)回波信號采樣數(shù)據(jù)獲取回波信號到其抵達(dá)前一時刻的相位差φ，根據(jù)正弦調(diào)制 周期Τ換算成精時間t，進(jìn)一步利用d 換算成精距離;將粗距離D和精距離d疊加在一 cS 起即可得到目標(biāo)距離。
[0047]圖3為本專利基于回波過采樣后進(jìn)行多重4點(diǎn)DFT相位測量的原理示意圖，模數(shù)轉(zhuǎn) 換模塊在全局時鐘驅(qū)動下對回波信號進(jìn)行采樣得到圖2中所示的采樣點(diǎn)。當(dāng)采樣頻率恰好 為調(diào)制頻率的4倍時，用離散傅里葉變換后計(jì)算相位的過程可化簡為：
V其中yi~y4為間隔為調(diào)制周期V4的4個采樣值。該簡 化過程使得相位提取過程計(jì)算量大大降低，提高了在硬件系統(tǒng)中的可實(shí)現(xiàn)性。當(dāng)采樣頻率 為調(diào)制頻率4整數(shù)倍時（圖2中以8倍作為范例），可得到多組用于進(jìn)行簡化離散傅里葉變換4 點(diǎn)采樣序列，如圖2中三角形點(diǎn)和圓點(diǎn)所示，且組間同序號采樣點(diǎn)的時間差為一個全局時鐘 周期，由每組序列分別求得相位值后加上序列間的固定偏移量對齊，即可得到對同一回波 的多次相位測量結(jié)果，并取平均或中值得到最終的精確相位值。該方法以提升采樣率的方 式實(shí)現(xiàn)了有限回波信號的多次測量，提高了測相精度，同時無需延長采樣時間，測距速度 快。
[0048]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本專利不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在 不背離本專利的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本專利。因此，無論 從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本專利的范圍由所附權(quán) 利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有 變化囊括在本專利內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。 [0049]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個實(shí)施方式僅包 含一個獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 將說明書作為一個整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員 可以理解的其他實(shí)施方式。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于同步采樣和多重相位測量的激光測距系統(tǒng)，其特征在于:包括： 主控模塊，由數(shù)字邏輯器件或微處理器構(gòu)成； 激光發(fā)射模塊，由激光驅(qū)動電路、連續(xù)激光器和發(fā)射光學(xué)鏡頭組成； 激光接收模塊，由接收光學(xué)鏡頭、光電探測器和信號放大電路組成； 采樣模塊，由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成； 時鐘分配模塊，由時鐘源和時鐘分配電路組成； 數(shù)據(jù)傳輸或顯示模塊，由數(shù)據(jù)傳輸模塊或顯示模塊組成； 時鐘分配模塊為主控模塊、激光發(fā)射模塊和數(shù)字化采樣模塊提供同步的全局時鐘驅(qū) 動，一次測距開始時，主控模塊向激光發(fā)射模塊的驅(qū)動電路發(fā)送測距開始信號，后者發(fā)出一 組包含多個相同正弦波的調(diào)制信號調(diào)制連續(xù)激光器的發(fā)射激光光強(qiáng)，目標(biāo)反射的回波光信 號被激光接收模塊的接收光學(xué)鏡頭接收，并經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡?，再?jīng)信號放 大器完成信號放大后輸入到采樣模塊對回波電信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所得到的數(shù)字化采樣波 形將輸入主控模塊，進(jìn)行距離信息的提取，最終傳遞到數(shù)據(jù)傳輸或顯示模塊對距離信息進(jìn) 行傳輸或顯示。
【文檔編號】G01S17/36GK205608186SQ201620319400
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】吳小可, 徐衛(wèi)明, 舒嶸, 肖 琳
【申請人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所