高速激光測(cè)距方法及高速激光測(cè)距系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種高速激光測(cè)距系統(tǒng)，其包括發(fā)射模塊、接收模塊、混頻電路等單元，該激光測(cè)距方法及系統(tǒng)采用單一測(cè)量頻率，將相位的測(cè)量換算成單一周期內(nèi)時(shí)間的測(cè)量，用簡(jiǎn)單、通用的時(shí)間測(cè)量集成電路(如CPLD)，測(cè)量出頻率適中（比如幾十Khz)的下變頻信號(hào)的一周期內(nèi)的時(shí)間差，即可測(cè)出直線距離。由于使用單一測(cè)量頻率信號(hào)，且下變頻的信號(hào)頻率適中，而且只需測(cè)量時(shí)間差，所以可以在測(cè)量速度和測(cè)量分辨率上做折衷，設(shè)計(jì)出既滿足測(cè)量速度有滿足測(cè)量分辨率要求的應(yīng)用實(shí)例，且成本較低，能廣泛使用于各種機(jī)器人上的測(cè)距模塊方案，還能廣泛使用在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，汽車(chē)防撞系統(tǒng)等。
【專(zhuān)利說(shuō)明】高速激光測(cè)距方法及高速激光測(cè)距系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光測(cè)距【技術(shù)領(lǐng)域】，特別一種能實(shí)現(xiàn)高速、高精度、短距離激光測(cè)距的方法及實(shí)現(xiàn)該測(cè)距方法的激光測(cè)距系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]激光相位測(cè)距方法是通過(guò)激光作為光源對(duì)目標(biāo)距離進(jìn)行精確測(cè)定的一種方法，目前激光測(cè)距主要通過(guò)干涉法、相位法、脈沖法三種方式實(shí)現(xiàn)。其中干涉法激光測(cè)距對(duì)震動(dòng)很敏感，只適于測(cè)量相對(duì)位移量，在無(wú)震動(dòng)、測(cè)程很短的精密測(cè)量中能適用，因此這種激光測(cè)距方法應(yīng)用范圍較窄，不能得到較為廣泛的應(yīng)用。脈沖法激光測(cè)距是通過(guò)將激光脈沖飛行時(shí)間換算成測(cè)程的方式進(jìn)行測(cè)距，由于激光發(fā)射器能在瞬間輸出超強(qiáng)功率的紅外波段的激光脈沖，且單次脈沖持續(xù)的時(shí)間很短，因此該測(cè)距方法的優(yōu)點(diǎn)是:超遠(yuǎn)程、對(duì)人體無(wú)傷害、抗干擾能力較強(qiáng)等；缺點(diǎn)是，測(cè)量分辨率低。相位式激光測(cè)距方式是通過(guò)計(jì)算二個(gè)頻率較高的測(cè)量信號(hào)的相位差來(lái)計(jì)算測(cè)程，激光發(fā)射器發(fā)射的是經(jīng)調(diào)制的可見(jiàn)光，所以該測(cè)距方法的優(yōu)點(diǎn)是:測(cè)量分辨率高，應(yīng)用靈活；缺點(diǎn)是:測(cè)程短，單次測(cè)量速度較慢，由于使用的是可見(jiàn)光，抗可見(jiàn)光干擾的能力差。
[0003]其中相位法最常用的是雙頻率信號(hào)測(cè)量法，其原理是，用Fl和F2 二個(gè)測(cè)尺頻率分別調(diào)制光波去測(cè)量同一距離時(shí)，而光波的相位移分別為:Φ1=2ΠΡΚ=2Π (Ν1+ΔΝ1),Φ2=2ΠΡ2?=2Π (Ν2+ΛΝ2)，相位差為 Λφ = φ1-φ2=2Π[ (Ν1-Ν2)+ ( ΔΝ1-ΔΝ2) ]=2Π(Ν+ΛΝ)，其中 Ν=Ν1_Ν2，ΔΝ=ΔΝ1-ΔΝ20
[0004]若用差頻F1-F2作為光波的調(diào)制頻率來(lái)測(cè)量這一距離時(shí)，其相位為，Φ=2Π (Fl-F2)t=2n [ (N1-N2)+ ( ΔΝ1-ΔΝ2) ]=2Π (Ν+ΛΝ)，可見(jiàn)，對(duì)同一距離做相位法測(cè)量時(shí)，二個(gè)測(cè)尺頻率分別測(cè)距的相位移之差，等于以二個(gè)測(cè)尺頻率的差頻作為測(cè)尺頻率來(lái)測(cè)距時(shí)的相位移。在實(shí)`際應(yīng)用中，將Fl或F2其中的一個(gè)作為精尺，因?yàn)镕l或F2對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)較短，用它的相位進(jìn)行細(xì)分，可得出較高距離分辨率的結(jié)果，F(xiàn)1-F2作為粗尺，因?yàn)镕1-F2對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，用它的相位檢測(cè)的距離較長(zhǎng)，可提高測(cè)程。測(cè)距時(shí)，用Fl和F2 二個(gè)測(cè)尺頻率分別調(diào)制光波去測(cè)量同一距離時(shí)，檢測(cè)出二個(gè)相位值，用其中的一個(gè)相位值用前面講述的方法換算成較精確的距離值LI，再用二個(gè)相位的差值去換算成精確度較低的距離值L2，假設(shè)用Fl作為精尺頻率，F(xiàn)l對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是X1，F(xiàn)1-F2粗尺頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)是λ，設(shè)Fl=m*(Fl-F2),則 λ =m* λ I,則總的測(cè)距系統(tǒng)與目標(biāo)物的距離L= (L2-λ 1/2)+LI。由上述方法不難看出，要測(cè)量一次距離，需要用二個(gè)測(cè)尺頻率Fl和F2做二次測(cè)量、處理和計(jì)算，而且每次測(cè)量時(shí)相位的計(jì)算較為復(fù)雜，這是因?yàn)镕l和F2的頻率較高的緣故，所以這種方法比較耗時(shí)，不能作為高速測(cè)量使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種既滿足高速測(cè)量、又滿足較高分辨率要求，且成本較低的激光測(cè)距方法，以及實(shí)現(xiàn)該激光測(cè)距方法的一種激光測(cè)距系統(tǒng)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種高速激光測(cè)距方法，其包括如下步驟:將正弦信號(hào)通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激光二極管工作，使激光二極管發(fā)射平行光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行照射；使用APD雪崩光電二極管接收目標(biāo)物的反射光并轉(zhuǎn)化為回波信號(hào)；取激光驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激光二極管的發(fā)射信號(hào)，用同一路本振信號(hào)對(duì)發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)進(jìn)行混頻、下變頻，得到兩路中頻信號(hào)，測(cè)量?jī)陕分蓄l信號(hào)的相位差，二路中頻信號(hào)的相位差即為回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的相位差，該相位差與測(cè)量距離成正比例的關(guān)系，這樣根據(jù)相位差就可測(cè)量出激光二極管距目標(biāo)物的距離。
[0007]優(yōu)選地，兩路中頻信號(hào)通過(guò)帶有計(jì)時(shí)功能的CPLD進(jìn)行測(cè)量。
[0008]優(yōu)選地，激光二極管發(fā)射的平行光為635nm的紅光。
[0009]本發(fā)明還公開(kāi)了一種實(shí)現(xiàn)上述高速激光測(cè)距方法的激光測(cè)距系統(tǒng)，其包括:發(fā)射模塊，所述發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)包括正弦波發(fā)射信號(hào)形成電路、激光二極管驅(qū)動(dòng)電路、激光二極管和發(fā)射透鏡，正弦波發(fā)射信號(hào)形成電路給激光二極管驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送正弦信號(hào)使激光二極管發(fā)光，激光二極管發(fā)出光經(jīng)發(fā)射透鏡變?yōu)槠叫泄猓唤邮漳K，所述接受模塊包括接收透鏡、Aro雪崩光電二極管、Aro偏壓自混頻運(yùn)放電路、本振耦合Aro偏壓電路、所述收透鏡用于接收反射光并照射在APD雪崩光電二極管上，APD雪崩光電二極管上與APD偏壓自混頻運(yùn)放電路連接，APD偏壓自混頻運(yùn)放電路與本振耦合APD偏壓電路連接；混頻電路，所述混頻電路的信號(hào)輸入端與激光二極管驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸出端連接，混頻電路的本振頻率輸入端與正弦波本振形成電路連接,所述正弦波本振形成電路還與本振耦合Aro偏壓電路的本振頻率輸入端連接；所述混頻電路的輸出端通過(guò)運(yùn)放整形電路與計(jì)時(shí)電路連接，所述Aro偏壓自混頻運(yùn)放電路通過(guò)運(yùn)放整形電路與所述計(jì)時(shí)電路連接。
[0010]優(yōu)選地，所述相位比較電路采用計(jì)時(shí)電路CPLD。
[0011 ] 優(yōu)選地，所述本振耦合APD偏壓電路為倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路，所述倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路與PWM緩沖驅(qū)動(dòng)電路連接，所述倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路通過(guò)PWM信號(hào)的占空比控制升壓值，所述倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路還與一 APD偏壓取樣電路連接，所述APD偏壓取樣電路與一單片機(jī)微控制器電路連接，所述單片機(jī)微控制器電路與所述計(jì)時(shí)電路CPLD連接，所述計(jì)時(shí)電路CPLD與所述PWM緩沖驅(qū)動(dòng)電路連接；單片機(jī)微控制器電路通過(guò)APD偏壓取樣電路反饋信號(hào)大小通過(guò)計(jì)時(shí)電路CPLD控制PWM緩沖驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸出。
[0012]優(yōu)選地，所述單片機(jī)微控制器電路上設(shè)有外部復(fù)位、RS232接口及ISP接口。
[0013]優(yōu)選地，所述激光二極管驅(qū)動(dòng)電路為激光APC驅(qū)動(dòng)電路，所述激光APC驅(qū)動(dòng)電路還與一開(kāi)關(guān)控制電路連接，所述開(kāi)關(guān)控制電路控制所述激光APC驅(qū)動(dòng)電路工作或停止。
[0014]優(yōu)選地，所述正弦波本振形成電路為緩沖正弦波本振形成電路，該緩沖正弦波本振形成電路的信號(hào)輸入端與所述計(jì)時(shí)電路CPLD連接，所述計(jì)時(shí)電路CPLD輸出本振方波信號(hào)給所述緩沖正弦波本振形成電路。
[0015]優(yōu)選地，所述APD偏壓自混頻運(yùn)放電路為APD偏壓自混頻及高精密運(yùn)放電路。
[0016]如上所述，本發(fā)明的高速激光測(cè)距方法及高速激光測(cè)距系統(tǒng)具有以下有益效果:該激光測(cè)距方法及系統(tǒng)采用單一測(cè)量頻率，將相位的測(cè)量換算成單一周期內(nèi)時(shí)間的測(cè)量，用簡(jiǎn)單、通用的時(shí)間測(cè)量集成電路(如CPLD)，測(cè)量出頻率適中(比如幾十Khz)的下變頻信號(hào)的一周期內(nèi)的時(shí)間差，即可測(cè)出直線距離。由于使用單一測(cè)量頻率信號(hào)，且下變頻的信號(hào)頻率適中，而且只需測(cè)量時(shí)間差，所以可以在測(cè)量速度和測(cè)量分辨率上做折衷，設(shè)計(jì)出既滿足測(cè)量速度有滿足測(cè)量分辨率要求的應(yīng)用實(shí)例，且成本較低，能廣泛使用于各種機(jī)器人上的測(cè)距模塊方案，還能廣泛使用在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，汽車(chē)防撞系統(tǒng)等。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的整體模塊示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明實(shí)施例發(fā)射、接收模塊示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的整機(jī)裝配示意圖。
[0020]圖4是本發(fā)明實(shí)施例發(fā)射模塊的發(fā)光示意圖。
[0021]圖5是本發(fā)明實(shí)施例接收模塊接收反射光的示意圖。
[0022]圖6是本發(fā)明實(shí)施例的工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0024]請(qǐng)參閱圖1至圖6。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0025]如圖1、2所示，該激光測(cè)距系統(tǒng)包括發(fā)射模塊、接收模塊和主板模塊幾部分，其中發(fā)射模塊和接收模塊實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射和接收的功能和部分發(fā)射和接收信號(hào)的處理功能，主板模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收信號(hào)的部分處理功能和整形功能，還實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的處理功能和系統(tǒng)所需要的控制功能及通信功能、對(duì)外的接口功能。
[0026]發(fā)射模塊包括高精度有源晶振17、緩沖及正弦波發(fā)射信號(hào)形成電路16、激光APC驅(qū)動(dòng)電路4 (即恒功率激光二極管驅(qū)動(dòng)電路)、發(fā)射管21、發(fā)射透鏡22，發(fā)射管21采用激光二極管。高精度有源晶振17產(chǎn)生誤差小于5ppm的較高穩(wěn)定度的高頻方波信號(hào)，該信號(hào)輸出到緩沖及正弦波發(fā)射信號(hào)形成電路16，由緩沖及正玄波發(fā)射信號(hào)形成電路16將方波信號(hào)經(jīng)反相器緩沖后，由LC濾波器濾掉高次諧波分量，使其成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)，該正弦波信號(hào)輸出到激光APC驅(qū)動(dòng)電路4，形成發(fā)射信號(hào)。激光APC驅(qū)動(dòng)電路4是恒功率激光驅(qū)動(dòng)電路(APC)，激光APC驅(qū)動(dòng)電路4產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)采用振幅調(diào)制方式驅(qū)動(dòng)發(fā)射管21工作。發(fā)射管21工作時(shí)發(fā)出635nm的紅光，通過(guò)發(fā)射透鏡22變成小束平行激光發(fā)射出去，發(fā)射管21輸出的光功率大約5mw左右，因?yàn)楣夤β屎苄?，所以?duì)人體是安全的。
[0027]接收模塊包括接收透鏡24、接收管23、APD偏壓自混頻及高精密運(yùn)放電路9、倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路8。接收透鏡24用于接收反射光并照射在接收管23上，接收管23采用APD雪崩光電二極管，接收管23與倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路8，倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路8用于向接收管23提供APD偏壓，倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路8還與APD偏壓自混頻及高精密運(yùn)放電路9連接。APD偏壓自混頻及高精密運(yùn)放電路9對(duì)接收管23形成的和發(fā)射信號(hào)同頻率的電流信號(hào)進(jìn)行混頻下變頻并變成電壓信號(hào)IF2中頻信號(hào)，并進(jìn)行高精密的放大，該電路的APD反相偏壓來(lái)自倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路8，倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路8采用倍壓升壓電路，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比可改變升壓值，其中PWM信號(hào)來(lái)自PWM緩沖驅(qū)動(dòng)電路7，該倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路8還將來(lái)自緩沖及正弦波本振形成電路15 (位于主板模塊上)的本振信號(hào)耦合到APD偏壓上，這樣APD偏壓自混頻及高精密運(yùn)放電路9就實(shí)現(xiàn)了混頻下變頻的功能。
[0028]如附圖1中所示，虛線框中的發(fā)射模塊和接收模塊結(jié)合成一整體的發(fā)射接收模塊，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)結(jié)構(gòu)和發(fā)射管、接收管及小信號(hào)高頻電路的緊密結(jié)合，使得高頻小信號(hào)的失真度能有效的減小，保證測(cè)量的精度。如圖3所示，發(fā)射接收模塊位于發(fā)射接收電路板上31，主板模塊位于主板30，發(fā)射接收電路板上31與主板30通過(guò)連接器連接。
[0029]在發(fā)射接收模塊上設(shè)有一 IFl混頻電路13，IFl混頻電路13的信號(hào)輸入端與激光APC驅(qū)動(dòng)電路4的信號(hào)輸出端連接，混頻電路的本振頻率輸入端與正弦波本振形成電路連接，所述正弦波本振形成電路還與本振耦合APD偏壓電路的本振頻率輸入端連接；所述混頻電路的輸出端通過(guò)運(yùn)放整形電路與計(jì)時(shí)電路連接，所述Aro偏壓自混頻運(yùn)放電路通過(guò)運(yùn)放整形電路與所述計(jì)時(shí)電路連接。從激光APC驅(qū)動(dòng)電路4取出一路發(fā)射信號(hào)去IFl混頻電路13進(jìn)行下變頻得到發(fā)射中頻信號(hào)IFl，IFl混頻電路13的本振頻率來(lái)自緩沖及正弦波本振形成電路15。
[0030]主板模塊上設(shè)有IF2過(guò)零比較器整形電路IUIFl過(guò)零比較器整形電路6、計(jì)時(shí)電路CPLD2等單元。IFl混頻電路13輸出的IFl中頻信號(hào)至IFl運(yùn)放5，IFl中頻信號(hào)經(jīng)放大到理想幅值后輸出至IFl過(guò)零比較器整形電路6，IFl中頻信號(hào)經(jīng)IFl過(guò)零比較器整形電路6整形后輸出IFl方波信號(hào)至計(jì)時(shí)電路CPLD2。IF2運(yùn)放10對(duì)來(lái)自ATO偏壓自混頻及高精密運(yùn)放電路9的IF2中頻信號(hào)進(jìn)行第二次放大，這樣IF2信號(hào)就能達(dá)到較大的幅值，以供后續(xù)處理使用。由APD偏壓自混頻及高精密運(yùn)放電路9輸出的信號(hào)經(jīng)IF2運(yùn)放10變?yōu)槔硐敕鹊恼也↖F2信號(hào)，然后再經(jīng)IF2過(guò)零比較器整形電路11，輸出IF2方波信號(hào)至計(jì)時(shí)電路CPLD2。計(jì)時(shí)電路CPLD2為具有計(jì)時(shí)功能的可編輯邏輯集成電路，在此處該計(jì)時(shí)電路CPLD2可作為相位比較電路來(lái)比較IFl方波信號(hào)與IF2方波信號(hào)的相位差，IFl方波信號(hào)的相位減去IF2方波信號(hào)的相位就是發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的相位差，該相位差和測(cè)量距離成正比。
[0031]主板模塊上還設(shè)有一 APD偏壓取樣電路12，APD偏壓取樣電路12實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路8的APD偏壓信號(hào)進(jìn)行取樣并送往單片機(jī)微控制器電路I的ADC端口，這樣單片機(jī)能得到APD偏壓的真實(shí)大小，然后通過(guò)計(jì)時(shí)電路CPLD2輸出PWM控制信號(hào)至PWM緩沖驅(qū)動(dòng)電路7，由PWM緩沖驅(qū)動(dòng)電路7輸出的PWM控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路8輸出的APD偏壓的大小。單片機(jī)微控制器電路I和計(jì)時(shí)電路CPLD2通過(guò)數(shù)據(jù)、地址、控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行通信。
[0032]激光APC驅(qū)動(dòng)電路4還與一開(kāi)關(guān)控制電路連接，開(kāi)關(guān)控制電路為圖中所示APC開(kāi)關(guān)SW驅(qū)動(dòng)電路3，計(jì)時(shí)電路CPLD2同時(shí)輸出APC開(kāi)關(guān)SW控制信號(hào)至APC開(kāi)關(guān)SW驅(qū)動(dòng)電路3，Sff信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)后作為開(kāi)關(guān)信號(hào)去控制激光APC驅(qū)動(dòng)電路4，Sff能控制激光APC驅(qū)動(dòng)電路4是處于工作還是停止?fàn)顟B(tài)。[0033]單片機(jī)微控制器電路I上設(shè)有外部復(fù)位、RS232接口及ISP接口。單片機(jī)微控制器電路I還可以通過(guò)外部復(fù)位25進(jìn)行強(qiáng)制復(fù)位。RS232外部接口 26負(fù)責(zé)單片機(jī)微控制器電路I和外部進(jìn)行通信，比如測(cè)量距離數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?。單片機(jī)微控制器電路I通過(guò)ISP接口 27進(jìn)行實(shí)施程序下載、燒錄以及和外部的通信等功能。計(jì)時(shí)電路CPLD2通過(guò)程序下載JTAG28進(jìn)行程序下載和燒錄等。計(jì)時(shí)電路CPLD2通過(guò)外部控制TG1，229對(duì)外實(shí)施雙向控制功能。該系統(tǒng)的外部電源接口采用外接12V直流電源的方式通過(guò)12V電源輸入接口 18接入12V直流電源。12V直流電經(jīng)5V穩(wěn)壓電路19輸出紋波小的5V直流電供整個(gè)系統(tǒng)使用，主要是模擬電路部分使用。5V直流電再經(jīng)過(guò)3.3V穩(wěn)壓電路20輸出3.3V紋波小的直流電供系統(tǒng)的數(shù)字電路部分使用?？傊?jì)時(shí)電路CPLD2負(fù)責(zé)實(shí)施IFl、IF2方波信號(hào)相位差的檢測(cè)和發(fā)射、接收的控制功能。單片機(jī)微控制器電路I負(fù)責(zé)實(shí)施反饋采樣信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換和相位/距離轉(zhuǎn)換計(jì)算功能以及外部通信的功能，另外，外部接口功能也由單片機(jī)微控制器電路I負(fù)責(zé)實(shí)施。
[0034]激光相位測(cè)距的基本工作原理為:發(fā)射信號(hào)是正弦波信號(hào)，發(fā)射信號(hào)的頻率和測(cè)距量程有關(guān)，具體為:設(shè)測(cè)距量程為D，目標(biāo)物與測(cè)距系統(tǒng)的直線距離為L(zhǎng)，發(fā)射信號(hào)的頻率為F，發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)為λ，發(fā)射信號(hào)的相位為，接收信號(hào)的相位為Φr，光速C=3xl0 Λ SM,由于接收信號(hào)是發(fā)射信號(hào)的反射信號(hào)，所以接收信號(hào)的頻率和波長(zhǎng)和發(fā)射信號(hào)的頻率和波長(zhǎng)相同。再設(shè) F=12.5Mhz，則 λ =C/F= (3*10 Λ 8)/ (12.5*10 Λ 6)=24Μ,由于單波長(zhǎng)內(nèi)的信號(hào)相位差能夠加以分辨，所以2D=A，D=X /2=12M。以上計(jì)算了發(fā)射信號(hào)頻率是12.5Mhz時(shí)的測(cè)距量程的大小。2?=(Φι-φ8)/2Πχλ，?=(φι-φ8)*λ/4π。由于發(fā)射信號(hào)的頻率固定，則λ/4Π為一常數(shù)，L與接收與發(fā)射信號(hào)的相位差成正比，只要檢測(cè)出接收與發(fā)射信號(hào)的相位差，則可得出距離的數(shù)值。
[0035]本發(fā)明采用的是單頻率相位測(cè)距的原理，由于只需要測(cè)量一個(gè)頻率較低的中頻IF的相位差，比如該中頻為20Khz，而且不用做正弦函數(shù)的計(jì)算，只用計(jì)時(shí)器件如CPLD計(jì)時(shí)即可得出相位差，也能做到較高的測(cè)距分辨率，由于只需一次測(cè)量且不用做正弦函數(shù)得計(jì)算，所以能適用于高速測(cè)距的場(chǎng)合。
[0036]下面結(jié)合圖6，對(duì)該單頻率相位測(cè)距的原理進(jìn)行介紹。將正弦信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)發(fā)射管21工作，使發(fā)射管21發(fā)射出平行光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行照射；使用接收管23接收目標(biāo)物的反射光并轉(zhuǎn)化為回波信號(hào)；取激光驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)發(fā)射管的發(fā)射信號(hào)，用同一路本振信號(hào)對(duì)發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)進(jìn)行混頻、下變頻，得到兩路中頻信號(hào)，兩路中頻信號(hào)經(jīng)放大整形后進(jìn)入相位比較電路，測(cè)量?jī)陕分蓄l信號(hào)的相位差，二路中頻信號(hào)的相位差即為回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的相位差，該相位差與測(cè)量距離成正比例的關(guān)系，這樣根據(jù)相位差就可測(cè)量出激光二極管距目標(biāo)物的距離。用頻率為F的正弦波信號(hào)調(diào)制光波去測(cè)量距離，則發(fā)射和反射回波正弦波信號(hào)的相位分別為Φ1，Φ2，相位差為ΛΦ = Φ1-Φ2。將頻率為F的發(fā)射和反射回波正弦波信號(hào)用同一個(gè)本振頻率正弦波信號(hào)進(jìn)行混頻下變頻，得到中頻信號(hào)IFl和IF2，設(shè)本振信號(hào)頻率為Fo，則本振信號(hào)的相位為Φο, IFl和IF2的相位分別為，Φ3=Φ1_Φο, Φ4= Φ 2-Φo, IFl和IF2的相位差為Λ Φ1=Φ3-Φ4=(Φ1-Φο)-(Φ2-Φο) = Φ1-Φ2。貝丨J IFl和IF2的相位差等于發(fā)射和反射回波正弦波信號(hào)的相位差，又發(fā)射和反射回波正弦波信號(hào)的相位差和測(cè)量距離成正比，所以測(cè)算出IFl和IF2的相位差即可以得出測(cè)量距離。[0037]該激光測(cè)距方法及系統(tǒng)采用單一測(cè)量頻率，將相位的測(cè)量換算成單一周期內(nèi)時(shí)間的測(cè)量，用簡(jiǎn)單、通用的時(shí)間測(cè)量集成電路(如CPLD)，測(cè)量出頻率適中(比如幾十Khz)的下變頻信號(hào)的一周期內(nèi)的時(shí)間差，即可測(cè)出直線距離。由于使用單一測(cè)量頻率信號(hào)，且下變頻的信號(hào)頻率適中，而且只需測(cè)量時(shí)間差，所以可以在測(cè)量速度和測(cè)量分辨率上做折衷，設(shè)計(jì)出既滿足測(cè)量速度有滿足測(cè)量分辨率要求的應(yīng)用實(shí)例，且成本較低，能廣泛使用于各種機(jī)器人上的測(cè)距模塊方案，還能廣泛使用在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，汽車(chē)防撞系統(tǒng)等。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0038]上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種高速激光測(cè)距方法，其特征在于，其包括如下步驟:將正弦信號(hào)通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激光二極管工作，使激光二極管發(fā)射平行光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行照射；使用APD雪崩光電二極管接收目標(biāo)物的反射光并轉(zhuǎn)化為回波信號(hào)；取激光驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激光二極管的發(fā)射信號(hào)，用同一路本振信號(hào)對(duì)發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)進(jìn)行混頻、下變頻，得到兩路中頻信號(hào)，測(cè)量?jī)陕分蓄l信號(hào)的相位差，兩路中頻信號(hào)的相位差即為回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的相位差，該相位差與測(cè)量距離成正比例的關(guān)系，這樣根據(jù)相位差就可測(cè)量出激光二極管距目標(biāo)物的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速激光測(cè)距方法，其特征在于:兩路中頻信號(hào)通過(guò)帶有計(jì)時(shí)功能的CPLD進(jìn)行測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速激光測(cè)距方法，其特征在于:激光二極管發(fā)射的平行光為635nm的紅光。
4.一種高速激光測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于，其包括: 發(fā)射模塊，所述發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)包括正弦波發(fā)射信號(hào)形成電路、激光二極管驅(qū)動(dòng)電路、激光二極管和發(fā)射透鏡，正弦波發(fā)射信號(hào)形成電路給激光二極管驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送正弦信號(hào)使激光二極管發(fā)光，激光二極管發(fā)出光經(jīng)發(fā)射透鏡變?yōu)槠叫泄猓? 接收模塊，所述接受模塊包括接收透鏡、APD雪崩光電二極管、AH)偏壓自混頻運(yùn)放電路、本振耦合APD偏壓電路、所述收透鏡用于接收反射光并照射在APD雪崩光電二極管上，APD雪崩光電二極管上與APD偏壓自混頻運(yùn)放電路連接，APD偏壓自混頻運(yùn)放電路與本振耦合AH)偏壓電路連接； 混頻電路，所述混頻電路的信號(hào)輸入端與激光二極管驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸出端連接，混頻電路的本振頻率輸入端與正弦波本振形成電路連接，所述正弦波本振形成電路還與本振耦合APD偏壓電路的本振頻率輸入端連接； 所述混頻電路的輸出端通過(guò)運(yùn)放整形電路與相位比較電路連接，所述APD偏壓自混頻運(yùn)放電路通過(guò)運(yùn)放整形電路與所述相位比較電路連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速激光測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:所述相位比較電路采用計(jì)時(shí)電路CPLD。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高速激光測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:所述本振耦合Aro偏壓電路為倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路，所述倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路與PWM緩沖驅(qū)動(dòng)電路連接，所述倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路通過(guò)PWM信號(hào)的占空比控制升壓值，所述倍壓升壓及本振耦合APD偏壓電路還與一 APD偏壓取樣電路連接，所述APD偏壓取樣電路與一單片機(jī)微控制器電路連接，所述單片機(jī)微控制器電路與所述計(jì)時(shí)電路CPLD連接，所述計(jì)時(shí)電路CPLD與所述PWM緩沖驅(qū)動(dòng)電路連接；單片機(jī)微控制器電路通過(guò)APD偏壓取樣電路反饋信號(hào)大小通過(guò)計(jì)時(shí)電路CPLD控制PWM緩沖驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速激光測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:所述單片機(jī)微控制器電路上設(shè)有外部復(fù)位、RS232接口及ISP接口。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速激光測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:所述激光二極管驅(qū)動(dòng)電路為激光APC驅(qū)動(dòng)電路，所述激光APC驅(qū)動(dòng)電路還與一開(kāi)關(guān)控制電路連接，所述開(kāi)關(guān)控制電路控制所述激光APC驅(qū)動(dòng)電路工作或停止。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高速激光測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:所述正弦波本振形成電路為緩沖正弦波本振形成電路，該緩沖正弦波本振形成電路的信號(hào)輸入端與所述計(jì)時(shí)電路CPLD連接，所述計(jì)時(shí)電路CPLD輸出本振方波信號(hào)給所述緩沖正弦波本振形成電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速激光測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:所述AH)偏壓自混頻運(yùn)放電路為APD偏壓自混 頻及聞精密運(yùn)放電路。
【文檔編號(hào)】G01S17/08GK103809185SQ201310714628
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】孫叢林 申請(qǐng)人:深圳市威睿晶科電子有限公司