本發(fā)明涉及雷達測距領域，具體涉及一種提高TOF相位法測距雷達測距精度的方法。

背景技術：

TOF相位法測距雷達是指通過飛行時間法(Time of Flight)進行非接觸式測距的設備。TOF相位法測距雷達通過發(fā)射連續(xù)波調(diào)制信號，根據(jù)該調(diào)制信號在待測距離D上往返一次所形成的相移，調(diào)制信號在光路上傳播一個周期的距離，相位就延遲2π，已知光速c，因此只要測出不足一個周期的相位延遲φ，即可通過間接的方式確定調(diào)制信號在雷達與被測物體之間的往返時間t，從而得出目標距離D。

然而我們并不能直接確定計算得到的相位延遲φ是否是在一個調(diào)制周期內(nèi)，因此，相位法只能夠測到一個調(diào)制周期內(nèi)的距離。并且，在硬件不變的條件下，檢測相位延遲φ的精度是確定的，調(diào)制頻率越高，有效量程越小，但距離分辨率會越高，反之，調(diào)制頻率越低，有效量程越大，距離分辨率會越低。

目前，通常的TOF相位法測距雷達通過設計不同調(diào)制頻率的信號來完成不同距離的測量，高頻率適合近距離(0-30m)測量，低頻率適合中遠距離(30-200m)測量。

一般來說，受限于芯片、電子元器件以及成本的影響，TOF相位法測距雷達在近距離的距離精度較高，在遠距離的距離精度相對較低。然而，若從硬件上提高TOF相位法測距雷達測距精度就需要選用精度更高的芯片和電子元器件，這勢必會增加成本。大多數(shù)TOF相位法測距雷達在中遠距離均不能實現(xiàn)高精度測距，究其原因，是因為在確定的硬件條件下，精度和量程不能兼顧，即大量程測距，精度必然低，小量程測距，精度必然高。

本發(fā)明提高TOF相位法測距雷達測距精度的原理是通過高頻率和低頻率兩種光信號調(diào)制測量，得到高精度和低精度的距離，通過算法處理即可得到一個大量程范圍內(nèi)高精度的測距結果。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種提高TOF相位法測距雷達測距精度的方法，解決現(xiàn)有TOF激光(紅外)雷達測距精度和量程不能兼顧的問題，并且不增加硬件成本。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術方案：

一種提高TOF相位法測距雷達測距精度的方法，所述方法包括：(1)信號調(diào)制單元驅動調(diào)制頻率f1對信號光進行調(diào)制，測距雷達發(fā)射調(diào)制信號光；感光元件對回波信號采樣；信號處理單元計算相位差φ1，將相位差φ1換算成與物體的距離D1；

(2)信號調(diào)制單元驅動調(diào)制頻率f2對信號光進行調(diào)制，測距雷達發(fā)射調(diào)制信號光；感光元件對回波信號采樣；信號處理單元計算相位差φ2，將相位差φ2換算成與物體的距離D2；調(diào)制頻率f1小于調(diào)制頻率f2；

(3)信號處理單元根據(jù)D1和D2得到修正后的距離值D。

優(yōu)選的，所述調(diào)制信號光為正弦調(diào)制信號光或方波調(diào)制信號光。

優(yōu)選的，感光元件對每同一調(diào)制頻率下的回波信號采樣可設置為四次采樣或兩次采樣。

優(yōu)選的，感光元件對每同一調(diào)制頻率下的回波信號采樣之間均相差1/4的調(diào)制周期。

優(yōu)選的，所述距離D1或者所述距離D2為單次測距結果或多次測量結果的均值。

優(yōu)選的，步驟(1)與步驟(2)沒有先后順序。

優(yōu)選的，所述換算包括：根據(jù)相位差間接測量出所述調(diào)制信號光在雷達與被測物體之間的往返時間，結合光速計算出雷達與被測物體之間的距離。

優(yōu)選的，通過調(diào)制頻率f1調(diào)制的調(diào)制信號光測出的距離D1和通過調(diào)制頻率f2調(diào)制的調(diào)制信號光測出的距離D2之間的關系如下：

其中，n為全程往返距離中頻率f2的調(diào)制信號光重復周期次數(shù)，c為光速，L2為頻率f2調(diào)制信號光的量程。

優(yōu)選的，所述步驟(3)中，所述修正后的距離值D如下式

D＝n·L2+D2

n₀取整數(shù)部分得到n。

優(yōu)選的，所述方法用于無人機、無人車或行走機器人中對周圍環(huán)境中物體的探測。

與最接近的現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明在不改變硬件，不增加成本的條件下，提高TOF相位法測距雷達的測距精度，尤其是中遠距離精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提高TOF相位法測距雷達測距精度的流程圖；

圖2是本發(fā)明雙頻測距調(diào)制信號傳播過程中的相位變化。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

圖1為本發(fā)明實施過程的流程示意圖，首先進行第一次測量，信號調(diào)制單元驅動一調(diào)制頻率f1對光強進行調(diào)制，連續(xù)波調(diào)制為正弦調(diào)制或方波調(diào)制。測距雷達中的光源發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的調(diào)制信號光。

控制感光元件按照1/4調(diào)制周期的相位差依次接收經(jīng)過被測物體返回的調(diào)制光強信號，得到4次不同相位的回波信號DCS0-DCS3，DCS0-DCS3之間均相差1/4的調(diào)制周期。DCS(Distance Calculation Sample)為距離相位采樣。DCS0即相位移動為0度的回波信號相位幅值，DCS1即相位移動為90度的回波信號相位幅值，DCS2即相位移動為180度的回波信號相位幅值，DCS3即相位移動為270度的回波信號相位幅值。

信號處理單元通過這4次回波信號計算調(diào)制信號光在被測物體往返行程的相位移動φ1，間接測量出激光與目標之間的往返時間t1。

信號處理單元根據(jù)光速c計算得到雷達與被測物體之間的距離D1。其中，頻率f1對應的量程為L1。

然后再進行第二次測量，信號調(diào)制單元驅動一調(diào)制頻率f2對光強進行調(diào)制，連續(xù)波調(diào)制為正弦調(diào)制或方波調(diào)制。

然后感光元件按照1/4調(diào)制周期的相位差依次接收經(jīng)過被測物體返回的調(diào)制光強信號，得到4次不同相位的回波信號(DCS0-DCS3)，DCS0-DCS3之間均相差1/4的調(diào)制周期。

信號處理單元通過這4次回波信號計算調(diào)制信號光在被測物體往返行程的相位移動φ2，間接測量出激光與目標之間的往返時間t2，根據(jù)光速計算得到雷達與被測物體之間的距離D2。其中，頻率f2對應的量程為L2。

在本發(fā)明所述實施例中，通過頻率f1進行距離測量和通過頻率f2進行距離測量沒有先后順序，可以先進行頻率f1測量，也可先進行頻率f2測量。其中f2高于f1，兩者取值范圍例如為0.625MHZ-100MHZ，但不限于此。本領域技術人員可以根據(jù)具體的雷達測距系統(tǒng)來選擇f1與f2的頻率值。

頻率f1測量和頻率f2測量不區(qū)分單次或多次，可以只進行一次頻率f1測量或頻率f2測量，也可進行多次頻率f1測量或頻率f2測量。比如在f1調(diào)制頻率下或者再f2調(diào)制頻率下，進行3-5次距離測量，然后求平均值。

感光元件進行4次相位采集(DCS0-DCS3)，但根據(jù)TOF相位法的原理，本發(fā)明不限于4次相位采集，也可只進行相差1/4調(diào)制周期的兩次相位采集，均可完成一次相位差φ的計算，

雙頻測距調(diào)制信號傳播過程中的相位變化如圖2所示，從原理上講，D1與D2的關系由以下公式確定，其中，n為全程往返距離中頻率f2測試的重復周期次數(shù)，該公式也可表示為D1≈n·L2+D2。顯然，當實際距離超過頻率f2對應的量程L2時，單次測量已經(jīng)不能確定準確的距離信息了，只有所測距離在調(diào)制頻率對應的量程范圍內(nèi)，才能確定準確的距離值。

對于一個確定的TOF相位法測距雷達，其檢測相位延遲φ的精度是確定的，調(diào)制頻率越高，一個有效相位周期對應的距離越短，距離分辨率會越高，反之，調(diào)制頻率越低，一個有效相位周期對應的距離越長，距離分辨率會越低。因此，低調(diào)制頻率f1測試得到的距離D1的精度低于高調(diào)制頻率f2測試的到的距離D2的精度，因此雙頻測試融合得到的距離了D會兼顧高精度和長距離。

信號處理單元獲取兩次測量的距離值D1和D2，根據(jù)公式D1≈n·L2+D2可知，只需確認n的值，即可求得雙頻融合之后的高精度距離值。根據(jù)公式n₀取整數(shù)部分即可確定n，即全程往返距離中頻率f2測試的重復周期次數(shù)。然后由公式D＝n·L2+D2，即可得到經(jīng)過雙頻融合之后的高精度距離值。

通過上述TOF相位法測距雷達雙頻修正方法，可使得TOF相位法測距雷達能在近距離和中遠距離均達到高精度的測距結果，尤其是提高了TOF相位法測距雷達中遠距離測距精度。

最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權利要求保護范圍之內(nèi)。