專利名稱：相位差檢測方法和系統(tǒng)、雙晶振混頻電路及距離測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于相位差檢測領域，尤其涉及一種相位差檢測方法、相位差檢測 系統(tǒng)、雙晶振混頻電路、以及距離測量裝置。
背景技術：
隨著二十世紀八十年代以來半導體激光器和數(shù)字電路長足發(fā)展，長距離高 精度的激光測距技術越來越廣泛應用于電力、水利、通訊、環(huán)境、建筑、警務、 消防、爆破、航海、鐵路、軍事反恐等領域。毫米級別測量精度的相位式激光
測距產(chǎn)品已經(jīng)逐步在200米內(nèi)的短程激光測距中占主導地位。
基于測相位差原理的相位式激光測距裝置是用連續(xù)調(diào)制的激光波束照射被 測目標，光束經(jīng)被測目標反射后折回，將光束往返過程產(chǎn)生的相位變化，換算 成被測目標的距離，應用于短距離高精度的距離測量。由于裝置內(nèi)部零部件的 選擇配置不同，測量的準確性和精度也有所不同?，F(xiàn)有技術中的相位式激光測 距裝置，采用鎖相環(huán)(Phase Locked Loop, PLL )來獲得兩個同步信號，由基 準頻率和輸出頻率的相位差產(chǎn)生振蕩器的控制信號，從而調(diào)整信號輸出頻率， 實現(xiàn)兩個信號相位的同步。圖1示出了現(xiàn)有技術提供的相位式激光測距裝置的 結構，相位式激光測距裝置包括PLL電路、光源、調(diào)制器、接收器、測距信 號混頻器、以及相位計。PLL電路產(chǎn)生兩個相位同步的信號， 一路為外光路信 號， 一路為內(nèi)光路信號，調(diào)制器接收外光路信號后，根據(jù)外光路信號的頻率調(diào) 制光源產(chǎn)生的光波信號，并發(fā)射測距光束，測距光束發(fā)射到被測目標后反射折 回，返回光束^皮接收器接收，接收器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后送入測距信號混 頻器中，測距信號混頻器將內(nèi)光路信號與返回光束混頻，并輸出給相位計，由 相位計計算得到所需相位差，最后根據(jù)數(shù)學關系計算得到相位式激光測距裝置與被測目標之間的距離。由于鎖相環(huán)內(nèi)部器件的結構特性，鎖相環(huán)電路具有精 度低，成本高，以及電路相對復雜等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例的目的在于提供一種相位差檢測方法，旨在解決現(xiàn)有技術中
使用PLL電路的相位式激光測距裝置精度低、成本高、功耗大的問題。 本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的， 一種相位差4企測方法，所述方法包括 產(chǎn)生兩個不同頻率的高頻振蕩信號，將每個高頻振蕩信號分為兩路，其中
一路為用于本地參考的本地參考信號， 一路為用于測距的測距信號； 將所述兩路本地參考信號混頻，輸出低頻的第 一差頻信號； 將根據(jù)一路測距信號調(diào)制后的光波發(fā)送到被測目標處被反射的返回信號，
與另 一路測距信號混頻，輸出第二差頻信號；
將所述第二差頻信號與第一差頻信號相減，獲取所述第二差頻信號與第一
差頻信號的相位差。
本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種雙晶混頻電路，所述雙晶混頻電路
包括
第一晶體振蕩器和第二晶體振蕩器，用于分別產(chǎn)生兩個不同頻率的高頻振 蕩信號，并將每個高頻振蕩信號分為兩路，其中一路為用于本地參考的本地參 考信號， 一路為用于測距的測距信號；
第一混頻器，用于將所述兩路本地參考信號混頻，輸出低頻的笫一差頻信
號；
第二混頻器，用于將根據(jù)一路測距信號調(diào)制后的光波發(fā)送到被測目標處被 反射的返回信號，與另一路測距信號混頻，輸出第二差頻信號。
本發(fā)明實施例的另一 目的在于提供一種采用上述雙晶混頻電路實現(xiàn)的相位 差檢測裝置。
本發(fā)明實施例的另一 目的在于提供一種采用相位差檢測裝置實現(xiàn)的測量裝置。
本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種相位差檢測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 光源，用于發(fā)出光波；
第一晶體振蕩器和第二晶體振蕩器，用于分別產(chǎn)生兩個不同頻率的高頻振 蕩信號，并將每個高頻振蕩信號分為兩路，其中一路為用于本地參考的本地參 考信號， 一路為用于測距的測距信號；
第一混頻器，用于將所述兩路本地參考信號混頻，輸出低頻的第一差頻信
調(diào)制器，用于將所述光源發(fā)出的光波根據(jù)一路測距信號進行調(diào)制，發(fā)射至 被測目標；
信號接收模塊，用于接收調(diào)制后的光波發(fā)送到被測目標處被反射的返回信 號，將所述返回信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出；
第二混頻器，用于將根據(jù)一路測距信號調(diào)制后的光波發(fā)送到被測目標處被
反射的返回信號，與另一路測距信號混頻，輸出第二差頻信號；以及
鑒相器，用于將所述第二差頻信號與第一差頻信號相減，獲取所述第二差 頻信號與第一差頻信號的相位差。
本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種采用上述相位差檢測系統(tǒng)實現(xiàn)的測 量裝置。
本發(fā)明實施例產(chǎn)生兩個高頻振蕩信號，每個高頻振蕩信號分為兩路， 一路 用于本地參考， 一路用于測距，將本地參考信號混頻得到一路差頻信號，將測 距參考信號混頻得到另一路差頻信號，兩路差頻信號相減得到信號傳輸產(chǎn)生的 相位差。本發(fā)明具有精度高、成本低、穩(wěn)定性好、功耗小等優(yōu)點，用于高精度 檢測相位差，可以實現(xiàn)毫米級測量精度。


圖1是現(xiàn)有技術提供的相位式激光測距裝置的結構6圖2是本發(fā)明實施例提供的相位差檢測方法的實現(xiàn)流程圖； 圖3是本發(fā)明實施例提供的雙晶振混頻電路的結構圖； 圖4是本發(fā)明實施例提供的相位差檢測系統(tǒng)的結構圖； 圖5是本發(fā)明實施例提供的距離測量裝置的結構圖； 圖6是本發(fā)明實施例提供的激光測距方法的實現(xiàn)流程圖。
具體實施例方式
為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實 施例，對本發(fā)明進^f亍進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例^f叉 僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明實施例中產(chǎn)生兩個高頻振蕩信號，每個高頻振蕩信號分為兩路，一 路用于本地參考， 一路用于測距，將本地參考信號混頻得到一路差頻信號，將 測距參考信號混頻得到另 一路差頻信號，兩路差頻信號相減得到信號傳輸產(chǎn)生 的相位差，根據(jù)信號在所測媒質(zhì)中的傳播速度和振蕩頻率，可以進行高精度距 離測量。
在本發(fā)明的實施例中，假設產(chǎn)生信號1和信號2兩個高頻振蕩信號，將信 號1分為信號1A和1B兩路，信號2分為信號2A和2B兩路，其中信號1A和 信號2A用于本地參考，信號1B和信號2B用于測距。
設產(chǎn)生的高頻振蕩信號1的頻率為/，角頻率為"=2<，發(fā)射時刻'的相位 為^ + e， e為初相角；產(chǎn)生的高頻振蕩信號2頻率為,，角頻率為"、27^,發(fā) 射時刻,的相位為"'"伊，伊為初相角，其中信號1和信號2兩個高頻振蕩信號 存在隨機的初始相位差。信號1A和信號2A首先進行混頻并取低頻的差頻 a/=/-/'，得到作為本地參考的低頻第一差頻信號，設為e。，上述第一差頻信號
在發(fā)射時刻'的相位為
信號1B用于測距，設到達被測目標所需的時間為^，因此產(chǎn)生的相位延遲為"、測距信號到達被測目標的相位為""^-必^;再從被測目標返回相位同 樣延遲了"、因此接收返回信號時的相位為W + 其中^=&。帶有測
距信息的返回信號與信號2B進行混頻后取其差頻^=廠,，得到低頻第二差頻
信號，設為"，上述第二差頻信號在發(fā)射時刻f的相位為
% =(K V + (6>_。_ f2iD (2)
(1)式和(2)式相減，即可測定第一差頻信號與第二差頻信號兩個低頻 信號的相位差 ，為
^,-l必^ (3)
相位差^即為測距信號在2倍測線距離上的相位延遲。其中，上述混頻后 的低頻信號仍保持著原高頻信號間的相位關系。
由上述原理可見，第一差頻信號和第二差頻信號均帶有初始時兩組高頻振 蕩信號的相位差，通過兩差頻信號相減可完全消除該相位差對測量數(shù)據(jù)的影響。
圖2示出了本發(fā)明實施例提供的相位差檢測方法的實現(xiàn)流程，詳述如下
在步驟S201中，產(chǎn)生兩個不同頻率的高頻振蕩信號，將每個高頻振蕩信號 分為兩路，其中一路為用于本地參考的本地參考信號， 一路為用于測距的測距 信號；
在步驟S202中，將所述兩路本地參考信號混頻，輸出低頻的第一差頻信號， 該第一差頻信號中包括兩個高頻振蕩信號的基本相位差；
在本發(fā)明實施例中，兩路高頻振蕩信號同步，具有相同頻率、相同相位的 特點。
在步驟S203中，在步驟S202執(zhí)行的同時將根據(jù)一路測距信號調(diào)制后的光 波發(fā)送到被測目標處被反射的返回信號，與另一路測距信號混頻，輸出第二差 頻信號，該第二差頻信號中包括兩個高頻振蕩信號的基本相位差，以及信號傳 輸過程中產(chǎn)生的相位差；
在本發(fā)明實施例中，光波可以為激光、紅外線、超聲波以及其他光波。 在步驟S204中，將所述第二差頻信號與第一差頻信號相減，獲取所述第二差頻信號與第一差頻信號的相位差。
在本發(fā)明實施例中，根據(jù)信號在所測媒質(zhì)中的傳播速度和信號的振蕩頻率， 可以測量距離或者信號所走的路程時間。
在本發(fā)明實施例中，采用晶體振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩信號。晶體振蕩器是高 精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電 路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設備產(chǎn)生時鐘信號和為特 定系統(tǒng)提供基準信號。具有精度高、成本低、頻率長期穩(wěn)定性好、功耗低、體 積小、溫度敏感度低、適應現(xiàn)代集成工藝要求諸多優(yōu)點。選用晶體振蕩器代替
PLL電路的頻率振蕩器，相比與PLL電路具有精度高、成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu) 點，用于高精度檢測相位差，可以實現(xiàn)毫米級測量精度。
圖3示出了本發(fā)明實施例提供的雙晶振混頻電路的結構，為了便于說明， 僅示出與本發(fā)明實施例相關的部分。
晶體振蕩器301產(chǎn)生穩(wěn)定的兩路高頻振蕩信號， 一路信號1A作為本地參 考信號輸出給混頻器302， 一^各信號1B用于測距輸出；晶體振蕩器303產(chǎn)生兩 路高頻振蕩信號2A、信號2B， 一路信號2A輸出給混頻器302, —路信號2B 輸出給混頻器304;混頻器302接收信號1A和信號2A,進行混頻并輸出低頻 信號作為第一差頻信號，上述第一差頻信號包括兩個高頻振蕩信號的基本相位 差；信號1B用于調(diào)制光波，經(jīng)調(diào)制的光波發(fā)射至被測目標，光波被被測目標 反射后返回，混頻器304接收信號2B和返回信號，進行混頻并輸出低頻信號 作為第二差頻信號，上述第二差頻信號包括兩個高頻振蕩信號的基本相位差， 以及測距相位差。
由于晶體振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩信號的相位隨機，晶體振蕩器301和晶體 振蕩器303產(chǎn)生的信號并非同步信號，因此將信號1A和信號2A送入混頻器 302混頻并取低頻第一差頻信號作為基底。
圖4示出了本發(fā)明實施例提供的相位差檢測系統(tǒng)的結構，為了便于說明， 僅示出與本發(fā)明實施例相關的部分。
9雙晶振混頻電路402產(chǎn)生信號IB并輸出第一差頻信號和第二差頻信號， 調(diào)制器404接收來自雙晶振混頻電路402的信號IB,將光源403發(fā)送的光波調(diào) 制并發(fā)射至被測目標，光波被被測目標反射后返回，信號接收模塊405接收被 被測目標反射返回的返回信號進行光電轉(zhuǎn)換，并輸出電信號給雙晶振混頻電路 402，鑒相器401接收來自雙晶振混頻電路402的第 一差頻信號和第二差頻信號， 并鑒別兩個信號相位差。
在本發(fā)明實施例中，雙晶振混頻電路402包括晶體振蕩器301 、混頻器302、 晶體振蕩器303、以及混頻器304。
在本發(fā)明實施例中，相位差檢測系統(tǒng)進一步包括信號處理模塊406,信號 處理模塊406包括用于過濾電信號的過濾裝置、以及用于將電信號放大的放大 裝置。調(diào)制器404接收來自雙晶振混頻電路402的信號1B,將光源403發(fā)送的 光波調(diào)制并發(fā)射至被測目標，光波被被測目標反射后返回，信號接收模塊405 接收返回信號進行光電轉(zhuǎn)換，并輸出電信號給信號處理模塊406，信號處理模 塊406對電信號進行放大、濾波處理，輸出的信號進入雙晶振混頻電路402中 的混頻器304，雙晶振混頻電路402輸出第一差頻信號和第二差頻信號至鑒相 器401 ，鑒相器401計算得到相位差數(shù)據(jù)輸出。
在本發(fā)明的實施例中，通過上述相位差檢測系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)相位差的檢 測，還可實現(xiàn)對光波傳輸距離或時間的測量，圖5出了本發(fā)明實施例提供的距 離測量裝置的結構，為了便于說明，僅示出與本發(fā)明實施例相關的部分。
調(diào)制器404接收來自雙晶振混頻電路402的信號1B,將光源403發(fā)送的光 波調(diào)制并發(fā)射至被測目標，光波被被測目標反射后返回，信號接收模塊405接 收返回信號進行光電轉(zhuǎn)換，并輸出電信號給雙晶振混頻電路402中的混頻器 304，雙晶振混頻電路402輸出第一差頻信號和第二差頻信號至鑒相器401,鑒 相器401計算得到相位差數(shù)據(jù)輸出給計算模塊501,計算模塊501計算光波傳 輸時間或距離并輸出時間或距離數(shù)據(jù)。
作為本發(fā)明的一個實施例，上述距離測量裝置進一步包括信號處理模塊406,信號處理模塊406包括用于過濾電信號的過濾裝置、以及用于將電信號放 大的放大裝置。信號處理模塊406接收信號接收模塊405輸出的電信號，對電 信號進行放大、濾波處理后，輸出的信號進入雙晶振混頻電路402中的混頻器 304。采用信號處理模塊406具有抗干擾、放大信號的作用，增強了返回信號的 強度和準確度。
圖6示出了本發(fā)明實施例提供的激光測距方法的實現(xiàn)流程，詳述如下 在步驟S601中，開啟電路，對電路進行初始化；
在步驟S602中，兩個晶體振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩信號，晶體振蕩器產(chǎn)生信號 1A和信號1B，晶體振蕩器產(chǎn)生信號2B和信號2A;
在步驟S603中，判斷產(chǎn)生的高頻振蕩信號是否作為本地參考信號，是則執(zhí) 行步驟S608，否則扭J亍步驟S604;
在步驟S604中，根據(jù)信號1A調(diào)制光源產(chǎn)生的光波，并將光波發(fā)射至被測 目標；
在步驟S605中，利用信號接收模塊接收返回信號，并轉(zhuǎn)換為電信號； 在步驟S606中，信號處理模塊接收來自信號接收it塊輸出的電信號，將信 號進行濾波、放大；
在步驟S607中，混頻器將信號2B和返回信號混頻，輸出第二差頻信號； 在步驟S608中，將信號1A和信號2A在本地進行混頻，輸出第一差頻信
號；
在步驟S609中，對兩個差頻信號鑒相，得到相位差； 在步驟S510中，才艮據(jù)所得相位差計算時間或距離。
本發(fā)明實施例中產(chǎn)生兩個高頻振蕩信號，每個高頻振蕩信號分為兩路，一 路用于本地參考， 一路用于測距，將本地參考信號混頻得到一路差頻信號，將 測距參考信號混頻得到另 一路差頻信號，兩路差頻信號相減得到信號傳輸產(chǎn)生 的相位差，能夠高精度檢測相位差，可以實現(xiàn)毫米級測量精度。通過采用雙晶 體振蕩器和雙混頻器的電^^結構，具有精度高、成本#<、頻率長期穩(wěn)定性好、功耗低、體積小、溫度壽文感度低、適應現(xiàn)代集成工藝要求諸多優(yōu)點。在高度集 成的系統(tǒng)上可實現(xiàn)高精度相位測量，使激光測量精度達到毫米級別，并能在調(diào)
制頻率達到10MHz以上時達到0.05度以下的檢測精度，使激光測量的精度保 持在毫米級別；相比現(xiàn)有技術中的鎖相環(huán)器件精度為千分之一左右，具備極高 的振蕩頻率精度，可達20ppm以下，在頻率方面具有更高的穩(wěn)定度；雙晶振混 頻電路內(nèi)器件同時工作可以消除環(huán)境變化帶來的器件性能漂移；采用信號處理 模塊具有抗千擾、放大信號的作用，增強了返回信號的強度和準確度；同時整 個系統(tǒng)成本較采用PLL電路的系統(tǒng)低30%以上。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā) 明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包括在本發(fā)明 的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1、一種相位差檢測方法，其特征在于，所述方法包括產(chǎn)生兩個不同頻率的高頻振蕩信號，將每個高頻振蕩信號分為兩路，其中一路為用于本地參考的本地參考信號，一路為用于測距的測距信號；將所述兩路本地參考信號混頻，輸出低頻的第一差頻信號；將根據(jù)一路測距信號調(diào)制后的光波發(fā)送到被測目標處被反射的返回信號，與另一路測距信號混頻，輸出第二差頻信號；將所述第二差頻信號與第一差頻信號相減，獲取所述第二差頻信號與第一差頻信號的相位差。
2、 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述光波為激光、紅外線、或 超聲波。
3、 一種雙晶混頻電路，其特征在于，所述雙晶混頻電^各包括 第一晶體振蕩器和第二晶體振蕩器，用于分別產(chǎn)生兩個不同頻率的高頻振蕩信號，并將每個高頻振蕩信號分為兩路，其中一路為用于本地參考的本地參 考信號， 一路為用于測距的測距信號；第一混頻器，用于將所述兩路本地參考信號混頻，輸出低頻的第一差頻信第二混頻器，用于將根據(jù)一路測距信號調(diào)制后的光波發(fā)送到被測目標處被 反射的返回信號，與另一路測距信號混頻，輸出第二差頻信號。
4、 如權利要求3所述的電路，其特征在于，所述光波為激光、紅外線、或 超聲波。
5、 一種采用權利要求3的雙晶混頻電路實現(xiàn)的相位差檢測裝置。
6、 一種采用權利要求5的相位差檢測裝置實現(xiàn)的測量裝置。
7、 一種相位差檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括 光源，用于發(fā)出光波；第一晶體振蕩器和第二晶體振蕩器，用于分別產(chǎn)生兩個不同頻率的高頻振蕩信號，并將每個高頻振蕩信號分為兩路，其中一路為用于本地參考的本地參考信號， 一路為用于測距的測距信號；第一混頻器，用于將所述兩路本地參考信號混頻，輸出低頻的第一差頻信號；調(diào)制器，用于將所述光源發(fā)出的光波根據(jù)一路測距信號進行調(diào)制，發(fā)射至 被測目標；信號接收模塊，用于接收調(diào)制后的光波發(fā)送到被測目標處被反射的返回信 號，將所述返回信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出；第二混頻器，用于將根據(jù)一路測距信號調(diào)制后的光波發(fā)送到被測目標處被 反射的返回信號，與另一^^測距信號混頻，輸出第二差頻信號；以及鑒相器，用于將所述第二差頻信號與第一差頻信號相減，獲取所述第二差 頻信號與第 一差頻信號的相位差。
8、 如權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括 信號處理模塊，用于對所述信號接收模塊輸出的電信號進行濾波或者放大。
9、 如權利要求7或8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光波為激光、紅外線、 或超聲波。
10、 一種采用權利要求7的相位差檢測系統(tǒng)實現(xiàn)的測量裝置。
全文摘要
本發(fā)明適用于相位差檢測領域，提供了一種相位差檢測方法、相位差檢測系統(tǒng)、雙晶振混頻電路、以及距離測量裝置。本發(fā)明的相位差檢測方法為產(chǎn)生兩個不同頻率的高頻振蕩信號，將每個高頻振蕩信號分為兩路，其中一路為用于本地參考的本地參考信號，一路為用于測距的測距信號；將所述兩路本地參考信號混頻，輸出低頻的第一差頻信號；將根據(jù)一路測距信號調(diào)制后的光波發(fā)送到被測目標處被反射的返回信號，與另一路測距信號混頻，輸出第二差頻信號；將所述第二差頻信號與第一差頻信號相減，獲取所述第二差頻信號與第一差頻信號的相位差。本發(fā)明具有精度高、成本低、穩(wěn)定性好、功耗小等優(yōu)點，用于高精度檢測相位差，可以實現(xiàn)毫米級測量精度。
文檔編號H03D13/00GK101504462SQ20081006534
公開日2009年8月12日 申請日期2008年2月4日 優(yōu)先權日2008年2月4日
發(fā)明者昕 伍, 智 俞, 鑫 杜 申請人:深圳市博時雅科技有限公司