专利名称：基于双波长激光管相位测量的校准方法及其测距装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光电测距领域，尤其涉及基于双波长激光管相位测量的校准方法及其测距装置。
背景技术：
激光一直是人类引以骄傲的发明，它具有精确、快捷、使用方便、抗干扰性强等特点，由此发展的激光技术更是解决了许多传统技术无法解决的技术障碍，而利用激光技术和电子技术集合而成的激光测距仪，在长度、高度、距离、速度、外形等领域愈发受到民用、 军用和工业等行业的重视，在国外已经被广泛应用于以下领域各大工矿企业，电力石化， 水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，科研机构，农业，林业，房地产，休闲/户外运动.......基于测相位差原理的激光测距装置是用调制的激光光束照射被测目标，光束经被测目标反射后折回，将光束往返过程产生的相位变化，换算成被测目标的距离，应用于短距离高精度的距离测量，其测量的准确性和精度受装置内部零部件特性的影响。激光测距仪器的精度要求越高，其电路的复杂度与精密器件的需求量就大大提高。因此环境因素，例如温度以及器件使用寿命对器件性能的影响，导致器件产生的相位漂移不可忽视。现有技术多利用内外光路的相位差补偿原理消除电路系统的附加相移，确保测量数据不受外界环境因素的影响。消除附加相移的相位差补偿原理，简述如下设测距信号先后经内光路和外光路行程所迟后的相位差各为Ψ #和Ψ外，Δ Ψ为仪器内部信号发生器件产生的电子信号在电路传送和光电转换过程中所产生的附加相移， 则内、外光路测距信号e #和e,在鉴相器中对比相结果为Φ 内=Ψ 内+ ΔΨΦ 外=Ψ 外 + Δ Ψ上式中，Δ Ψ随仪器在不同环境而而产生工作状态的变化，为随机相移，无法通过精确计算求解，所以在测距时，交替使用内、外光路进行测相，在交替过程的短时间内，可以认为附加相移没有变化，于是取内、外光路比相结果的差值作为测量结果，即φ = φ 外-φ 内=Ψ 外-Ψ 内以上结果Φ已经消除了附加相移不稳定的影响，从而保证了测距的精度。现有技术采用如下的校准方法(1)单发单收系统，即单路发送光束单路接收光路信号，通过一个可控制的机械装置实现内外光路的切换，通过计算切换前后内外光路的相位值进行相位校正，消除环境不确定相位干扰。由于采用物理机械开关，机械响应时间长(一般为数百毫秒级别)，不可实时校准，且结构相对复杂，容易产生机械磨损和故障，使用寿命短，不适合作为工业精密仪器使用。(2)单发双收系统，即单路发射光束并通过双路分别接收内、外光路信号，两路接收信号分别进行处理并计算其相位差，从而消除环境不确定相位干扰。该系统采用两个雪崩二极管(Avalanche Photo Diode, APD)分别接收内外光路信号，由于APD价格昂贵(目前，一般为10美金以上)，使用两个APD不仅成本高，而且双路放大电路容易产生同频干扰。(3)传统双发单收系统，即双路独立发射同一波长光束并通过接收装置分别先后接收内、外光路信号，两路接收信号分别进行处理并计算其相位差，从而消除环境不确定相位干扰。该系统采用两个独立的光电发生装置分别发生两路相同波长的光波信号，而由于两路光电发生装置，特别是激光管，在工作时由于内外光路工作时间不同且两个激光性能差异极容易产生不同温度漂移无法用上述原理进行消除，从而产生测量距离的漂移。综上所述，以上三种解决方案在实际应用中均存在缺陷。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种相位测量的校准方法，基于传统双发单收系统，采用了不同波长且发光芯片于一体的双波长激光管，旨在解决现有技术中双路独立同波长激光管无法完全校准温度带来的相位漂移的问题。本发明实施例是这样实现的，一种基于双波长激光管相位测量的校准方法、，包括步骤步骤1为外光路的形成将系统光波发射装置(1、幻发射第一光波通过第一滤光片(3)至被测目标，所述光波被被测目标反射折回后通过光学装置(5、6)聚焦被一接收装置接收(7)并作为系统测量的外光路；所述光波在通过第一滤光片( 的同时，部分光波能量被该滤光片( 或其他反射片向接收装置反射并被第二滤光片(4)滤除；步骤2为内光路的形成将系统光波发射装置(1、幻发射的第二光波为第一滤光片(3)滤除并被该滤光片(3)反射或其他反射片向接收装置反射并通过第二滤光片(4)直接为所述接收装置(7)接收，其中通过第二滤光片(4)光波将作为系统相位测量基底参考的内光路；步骤3 将步骤1和步骤2工作时将先后切换光波发射装置(1、幻第一光波和第二光波，使所述接收装置(7)将先后接收到的内、外两路所述光波进行相位比较，输出消除基底参考的相位信号。本发明的另一方面，所述内外光路光波均为同一光波发射装置(1、幻发射，所述第一波长和第二波长的波长不同。本发明的另一方面，所述其他反射片包括反射棱镜，全反镜和其他具备光学反射功能的零件，以及光纤，光导管和其他具备光学导光功能的材料。本发明实施例的另一目的在于提供一种相位测量的校准装置，所述装置包括一光波发射装置，用于发射双波长光路信号，此光波信号具有稳定的频率、相位和幅度，所述光波发射装置为发射波长不同的双波长激光管或其他具备二个或以上波长的光波发射装置；光电转换装置，用于分别接收所述由被测目标反射折回的所述外光路和经第二滤光片所述内光路信号；滤光片，用于导通和截止所述外光路和内光路的光路信号，同时能反射外光路光波至内光路，所述滤光片为光学玻璃镀膜、光学塑料镀膜或其他具备上述功能有色光学元件；鉴相器，用于分别接收所述光电转换装置输出的信号，并将分别先后将两路信号进行相位比较输出消除基底参考的相位信号。混频器，用于将所述光电转换装置输出的两路信号分别先后与同一混频信号进行混频并放大后输出至所述鉴相器。所述光电转换装置和所述混频器包含于一接收装置内， 所述接收装置为光电二极管、光电三极管、雪崩二极管或光电倍增管。振荡器，用于产生并输出所述高频振荡信号和所述混频信号，所述振荡器为晶振、 锁相环、倍频器、分频器或直接数字频率合成器；放大装置，用于接收所述光电转换装置的输出信号进行放大并输出。本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述相位测量的校准装置。本发明实施例提供了一种基于双波长激光管的双发单收双光路相位测量的校准方法，采用双路集成的光波发射装置分别通过不同滤光片产生内、外光路信号，再通过一个信号接收装置分别接收内光路信号和外光路信号的返回信号，然后两信号进行相位比较得到相位差以实现相位补偿和校准的目的，避免了环境变化在电路中引入不确定的相位噪音，提高了激光测距的测量精度，增加了系统的测距稳定度，减少了环境因素对测距误差的影响，降低了系统对元器件的性能要求，从而减低了系统的成本，加强了激光测距在各行业的应用。与传统双发单收系统不同，双波长激光管采用集成方式将两种波长不同的激光管发射芯片邦定在一颗激光管内，所以两个激光发射芯片具备相同的热传导和散热特性，所以环境温度和自发热产生的温度漂移为共模的；同时采用不同波长的光路发射系统和滤光片组有效分离了内外光路，较传统双发单收方案在结构上不同位置或角度分别放置同一波长的激光管提高了系统的紧凑性且减少分散发射带来的射频串扰和干扰问题。
图1是本发明实施例提供的相位测量的校准方法的实现流程图；图2是本发明实施例提供的采用双波长激光管相位测量和校准装置的系统框架图；图3是本发明第一实施例提供的相位测量的校准装置的系统框架图；图4是本发明第二实施例提供的相位测量的校准装置的系统框架图；图5是本发明实施例提供的相位测量的校准装置的结构图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明实施例利用双波长激光管的双发单收双光路相位测量的校准方法，采用一个光波发射装置先后发出两个波长不同光波通过相对应的滤光片分别产生内、外光路信号，再通过一个信号接收装置分别接收内光路信号和外光路信号的返回信号，并对内光路与外光路的返回信号进行相位比较，从而在消除附加相移，实现相位误差的补偿和校准的目的的同时避免传统方法采用相同波长激光管独立光路带来的期间温度漂移不一致和电磁干扰串扰等问题，优化了测距装置的结构，提高了产品的稳定性和可靠性。图1示出了本发明实施例提供的相位测量的校准方法的实现流程，详述如下在步骤SlOl中，一光波发射装置发射第一波长光波通过第一滤光片至被测目标， 所述光波被被测目标反射折回后被一接收装置接收，其中，所述第一波长光波作为外光路信号由高频振荡信号调制生成；在步骤S102中，所述光波发射装置发射第二波长光波通过第二滤光片至所述接收装置，其中所述第二光波作为基底参考的内光路信号由所述高频振荡信号调制生成；在步骤S103中，所述接收装置将先后接收到的两路所述光波进行相位比较，输出消除基底的信号。在本发明实施例中，进行相位比较的两路光波可以为与混频信号进行混频后的光波，其中与两路光波进行混频的混频信号可以为同一高频振荡信号，也可为频率相同，相位相同或具有固定相位差的两路高频振荡信号。在本发明实施例中，上述两路光波均为激光且波长不同。在本发明实施例中，接收装置可以先接收第一光波，再接收第二光波；或先接收第二光波，再接收第一光波。作为本发明的一个实施例，接收装置可以为光电二极管、光电三极管、APD、光电倍增管等具有光电转换功能的装置。图2示出了本发明实施例提供的采用双波长激光管双发单收的相位测量的校准装置的系统框架图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。一光波发射装置201根据接收到的第一高频振荡信号调制生成一调制第一波长光波，并将所述光波通过第一滤光片202作为外光路信号发射至被测目标；同时所述光波被第一滤光片反射并被第二滤光片203截止；然后光波发生装置201发射第二波长光波通过第二滤光片203至光电转换装置204作为内光路信号，同时第二波长光波被第一滤光片 202截止。光电转换装置204对所述内光路信号和外光路信号分别进行光电转换并输出。 最后鉴相器205分别接收光电转换装置输出的信号，并将两路信号进行相位比较输出消除基底的相位差信号。在本发明实施例中，光波发射装置201包括时钟发生器、调制驱动电路、发光装置，其中发光装置在驱动器的驱动下发射光波，该发光装置可以为激光二极管(Laser Diode，LD)、发光二极管(Light Emitting Diode, LED)或其他的发光器件。作为本发明的一个实施例，光波发射装置201可以为激光波发射装置，如激光二极管，发射激光。在本发明实施例中，第一滤光片202与第二滤光片203均为光学器件，目的在于区分、导通或截止第一波长光波和第二波长光波，构建测距装置的内外装置。该滤光片可以为光学玻璃镀膜、光学塑料镀膜或其他具备上述功能有色光学元件。在本发明实施例中，第一滤光片202与第二滤光片203与光电转换装置204对准， 使光波直接入射到该光电转换装置204中；也可以在第二滤光片203与光电转换装置204 之间设有反光镜以改变光路，便于光电转换装置204接收；还可以在第二滤光片203与光电转换装置204之间连接有光信号传输线，该传输线可以为光纤、导光管。在本发明实施例中，光电转换装置204可以为光电二极管、光电三极管、APD、光电倍增管等光电转换装置。
在本发明实施例中，光电转换装置204可以先接收外光路光波，再接收内光路光波，或先接收内光路光波，再接收外光路光波。图3示出了本发明第一实施例提供的相位测量的校准装置的系统框架图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分，与图2相比，本校准装置包括振荡器301、光波发射装置302、第一滤光片303、第二滤光片304、光电转换装置305，以及高频放大装置306、 混频器307，低频放大装置308和鉴相器309用于信号调理和相位获取。由振荡器301产生同频率同相位的第一高频振荡信号和第二高频振荡信号，光波发射装置302接收来自振荡器301的第一高频振荡信号、调制第一和第二波长光波，并发射作为光路信号；所述第一波长光波通过第一滤光片303至被测目标，被被测目标反射后折回，光电转换装置305接收返回的外光路信号，进行光电转换后输出电信号，输出的电信号为高频的电信号再由高频放大装置306进行放大并输出，混频器307接收来自放大装置 306的信号与振荡器301输出的第二高频振荡信号进行混频，输出混频后的信号，所述混频信号被低频放大装置308放大后进入鉴相器309。然后，所述第二波长光波被第一滤光片反射光波通过第二滤光片304作为内光路信号的光波，如所述外光路信号流程，最后内光路和外光路分别被鉴相器鉴相并输出相位差信号。在本发明实施例中，振荡器301可以为晶振、石英振荡器、PLL(锁相环)、DDS(直接数字频率合成器)或其他频率发生器件和电路。在本发明实施例中，混频器307可以为模拟乘法器、下变频混频器或其他电子混频器和光电二极管、光电三极管、APD(雪崩二极管)、光电倍增管等具有混频功能的光电混
频装置。在本发明实施例中，光电转换装置305和混频器307可以由一个接收装置代替，该接收装置可同时实现光电转换装置305和混频器307的功能。作为本发明的一个实施例， 接收装置可以为光电二极管、光电三极管、APD、PMT(光电倍增管)等具有光电转换功能的
直ο在本发明实施例中，高频放大装置306将接收的高频电信号进行放大，价格昂贵， 低频放大装置308将混频后的低频电信号进行放大，价格相对较低，如果电路的其他器件性能良好，高频放大装置306和低频放大装置308均可省略，或者省略其一。如果采用一个接收装置代替光电转换装置305和混频器307，那么高频放大装置306可以省略，然后可以在接收装置305之后直接连接低频电放大装置308，成本较低。图4是本发明第二实施例提供的相位测量的校准装置的系统框架图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分，与图3比较，本校准装置包括振荡器401、光波发射装置402、第一滤光片403、第二滤光片404、低频放大装置406、鉴相器407，以及光电混频装置405，用于分别接收所述内光路光波和由被测目标反射折回的所述外光路光波进行光电转换，并分别与混频信号进行混频，并分别输出混频后的信号。在本发明实施例中，接收装置405替代图3中的光电转换装置305和混频器306。图5示出了本发明第一、二实施例提供的基于双波长激光管相位测量和校准装置的结构图，锁相环501和驱动电路502根据高频振荡信号驱动双波长光波发射装置503发射光波，所发射的第一波长光波被第一滤光片504透射作为外光路信号；然后双波长光波发射装置503所发射的第二波长光波被第一滤光片504反射后通过第二滤光片505作为内光路信号。内外光路分别被接收装置507接收并通过偏置电路506和从所述锁相环501输出的高频混频信号进行光电转换、混频，并经低频放大器508放大后输出到鉴相器509。所述鉴相器509将两次接收到的信号进行相位比较最后输出得到消除基底参考的相位。在本发明实施例中，双波长光波发射装置503发射光波通过第一滤光片504后与接收装置507对准，使光波直接入射到接收装置507中；也可以在第二滤光片505与接收装置507之间设置反射镜或反射镜组510以改变光路，便于接收装置507接收；还可以在第二滤光片505与接收装置507之间安装光信号传输线完成内光路光信号传输，该传输线可以为光纤、光导管或其他光学通光元件。作为在本发明实施例，第一滤光片504可以设置在返回的外光路信号后，作为切换外光路信号的双波长光波发射装置503发射光波通过第一滤光片504后与接收装置507 对准，使光波直接入射到接收装置507中；也可以在第二滤光片505与接收装置507之间设置反射镜或反射镜组510以改变光路，便于接收装置507接收；还可以在第二滤光片505与接收装置507之间安装光信号传输线完成内光路光信号传输，该传输线可以为光纤、光导管或其他光学通光元件。现有技术中采用一个光波发射装置产生一路光波，需要利用光束转换装置改变光路，得到内、外两路光，光束转换装置的多次转换会产生机械负荷，机械磨损不可避免，且电路响应时间长，另外带有光束转换装置必然导致电路复杂，体积大，成本高；对比于现有技术，在本发明实施例中，可以采用控制电路控制内外光路的开关或切换，避免使用机械开关控制，且采用控制电路控制的响应时间快，接收内外光路信号的间隔时间间小，切换间隔时间为毫秒级别，可认为电路切换期间的周围环境不变，电路未受影响，不影响测量精度。现有技术采用一个光波发射装置产生一路光波，需要由分光透镜同时产生内外两路光波，因此需采用双APD(雪崩二极管)接收装置接收同时传输的光波，由于APD浪费电路空间、且成本较本方案高20 %以上。此外还有方案采用传统双发单收方式，即两个独立LD (激光管)发生两路光波信号形成内外光路并通过APD(雪崩二极管)分别接收所述信号达到消除基底信号的相位。所述方案在实施过程中，由于双独立LD在工作工程中，工作时间和工作环境不同而导致两个 LD的工作状态不同而无法完全消除基底信号；此外由于LD器件离散性较大，不同管子之间的差异也直接造成较大误差。相对比上述双APD与双LD方案，本发明实施例采用双核封装的单芯片双波长激光管，通过内外光路切换和两个波长激光的校正完全消除APD和LD自身的共模影响，达到较所述双APD与双LD方案更高的精度。综上所述，本发明实施例提供了一种基于双波长激光管的双发射单光路接收的校准方法，采用两个不同波长和相对应的两个滤光片分别切换内、外光路信号，再通过一个信号接收装置分别接收内光路信号和外光路信号的返回信号，内光路与外光路的返回信号进行光电转换、混频、放大和鉴相，输出消除基底的信号从而避免了环境变化在电路中引入不确定的相位噪音，且由控制电路控制内、外光路切换从而稳定高速的实现相位误差补偿和校准的目的，减少了环境因素对测距误差的影响，提高了激光测距的测量精度，增加了系统的测距稳定度，降低了系统对元器件的性能要求，从而减低了系统的成本，加强了激光测距在各行业的应用。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于双波长激光管相位测量的校准方法，其特征在于，所述方法包括步骤步骤1为外光路的形成将系统光波发射装置(1、幻发射第一光波通过第一滤光片(3)至被测目标，所述光波被被测目标反射折回后通过光学装置(5、6)聚焦被一接收装置接收(7)并作为系统测量的外光路；所述光波在通过第一滤光片( 的同时，部分光波能量被该滤光片C3)或其他反射片向接收装置反射并被第二滤光片(4)滤除；步骤2为内光路的形成将系统光波发射装置(1、幻发射的第二光波为第一滤光片 (3)滤除并被该滤光片(3)反射或其他反射片向接收装置反射并通过第二滤光片(4)直接为所述接收装置(7)接收，其中通过第二滤光片(4)光波将作为系统相位测量基底参考的内光路；步骤3 将步骤1和步骤2工作时将先后切换光波发射装置(1、幻第一光波和第二光波，使所述接收装置(7)将先后接收到的内、外两路所述光波进行相位比较，输出消除基底参考的相位信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内外光路光波均为同一光波发射装置 (1、2)发射，所述第一波长和第二波长的波长不同。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述其他反射片包括反射棱镜，全反镜和其他具备光学反射功能的零件，以及光纤，光导管和其他具备光学导光功能的材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述接收装置(7)将先后接收到的内外两路所述光波进行相位比较，输出消除基底参考的相位信号。
5.如权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，两路所述光波均为激光。
6.一种相位测量的校准装置，其特征在于，所述装置包括一光波发射装置，用于发射双波长光路信号，此光波信号具有稳定的频率、相位和幅度，所述光波发射装置为发射波长不同的双波长激光管或其他具备二个或以上波长的光波发射装置；光电转换装置，用于分别接收所述由被测目标反射折回的所述外光路和经第二滤光片所述内光路信号；滤光片，用于导通和截止所述外光路和内光路的光路信号，同时能反射外光路光波至内光路，所述滤光片为光学玻璃镀膜、光学塑料镀膜或其他具备上述功能有色光学元件；鉴相器，用于分别接收所述光电转换装置输出的信号，并将分别先后将两路信号进行相位比较输出消除基底参考的相位信号。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括混频器，用于将所述光电转换装置输出的内、外光路信号分别先后与同一混频信号进行混频并放大后输出至所述鉴相器。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述光电转换装置和所述混频器包含于一接收装置内，所述接收装置为光电二极管、光电三极管、雪崩二极管或光电倍增管。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括振荡器，用于产生并输出所述高频振荡信号和所述混频信号，所述振荡器为晶振、锁相环、倍频器、分频器或直接数字频率合成器；放大装置，用于接收所述光电转换装置的输出信号进行放大并输出。
10. 一种包含如权利要求5至9任一项所述的测距装置。
全文摘要
本发明适用于相位式光电测距领域，提供了一种基于双波长激光管相位测量的校准方法及其测距装置，所述方法包括步骤1为外光路的形成，步骤2为内光路的形成以及步骤3将步骤1和步骤2工作时将先后切换光波发射装置(1、2)第一光波和第二光波，使所述接收装置(7)将先后接收到的内、外两路所述光波进行相位比较，输出消除基底参考的相位信号。本发明实现了相位补偿和校准的目的，避免了环境变化在电路中引入不确定的相位噪音，提高了激光测距的测量精度，减少了环境因素对测距误差的影响，降低了系统的成本，加强了相位式光电测距系统在各行业的应用。
文档编号G01S17/08GK102540170SQ20121002934
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月10日 优先权日2012年2月10日
发明者乔佰文, 杜鑫, 查晓怡 申请人:江苏徕兹光电科技有限公司