专利名称：一种手持式激光测距装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测距装置领域，具体涉及一种基于激光和相位式测量的手持式激光测距装置。
背景技术：
目前，市场上存在的手持相位式激光测距装置测距误差在±3mm之内。主要产品有瑞士的LECIA、德国的BOSCH和喜得利。此类测距仪主要应用在工业安装、房地产测量等领域。其特点是精度高、测程一般小于300m，体积小，测量无需反射，并且有较多的功能。可进行简单的各类运算，有些产品还可以直接与计算机进行数据传输。它们的特点是:(1)使用的激光器均为半导体激光二极管，激光波长在405nm 900nm之间。(2)采用硅光电雪崩二极管作为接受管，这样不仅减小了仪器的体积而且大大的提高了微弱测量信号的探测能力。(3)为了提高测程，瑞士 LECIA公司在新型的手持式测距仪DISTO中采用了一种称之为Power range technology的技术,主要用来减小探测光束在空气中传播时的能量衰减，提高光波的探测能力，从而增大了测程度。(4)采用了最新的集成电路与数字信号处理技术，相位测量精度较高且功耗低。(5)采用新型复合材料制作的准直与接收光学镜头，具有较强的准直和探测能力。在我国，武汉地震大对等单位研制成功JCY-1及JCY-2型激光测距仪；北京光学仪器厂研制了 DCX-3型激光测距仪；238厂研制成功了 HQ-102型激光测距仪，北京大学等单位研制了长征DCH-1型短程光电测距仪。现代科技的发展，尤其是集成电路技术和光电信号检测技术的突飞猛进，使得高精度的测距仪有了很大的发展空间，我国在高精度的手持式测距仪的研究上还比较落后，正处于研发阶段，研制成功的产品并不多。其主要面临的技术问题是高精度相位测量与微弱信号的探测。北京麦哲伦主要有LMD100、LMD200、LMD300三个型号的产品，其中LMD100与LMD200的测距范围为0.6 30m ;测量精度在30m处可达5mm和3mm。LMD200还具有基本的数学运算功能。LMD300的测距范围为0.05 200m ;测量精度在30m处可达1.5mm ;内置2倍望远镜瞄准镜，可适用于远距离测量；拥有自动识别功能的可翻转式底座，能够自障碍边缘或角落起完成测量。三个型号所采用的激光波长分别为650nm、635nm、635nm。由于麦哲伦公司属于外商独资高新技术企业，它并不能代表目前国内研究水平。目前此领域主要存在的问题如下:(I)高精度测时、测相技术。测时和测相技术水平的高低是衡量一个国家科技发展水平的重要指标。科学研究的很多方面都与时间和相位的测量有关。时间或相位的测量精度是影响激光测距仪测量精度的一个主要方面，常用的测量方法是很难满足要求的，需要采用最新的高性能器件，在原有的测时测相方法上做进一步改进才能满足要求。同时还需要运用最新的科研成果探索出新型的测时测相方法。(2)微弱信号的检测和方法。目前所设计的测距仪均为非合作目标的测距，接收到的回波是很微弱的漫反射信号，加之所使用的半导体激光二极管功率小，接收到的信号功率低，包含的噪声大，同时还属于高频信号，对检测放大电路的要求相当高。(3)大动态范围低相差，高增益接收技术。被测目标距离变化范围大，目标反射率差异也很大，使接收的信号幅度动态范围大。而信号处理技术中的鉴相器要求输入信号动态范围小，且波形不能失真，才能保证检相误差仅取决于鉴相器，使测距精度高。(4)光学镜头的设计与制造。光学镜头对测距仪信号的检测有着很重要的作用，它是整个系统的最前端，光电二极管要能探测到由目标反射回来的微弱光信号，就必须使用光学透镜对从目标反射回的光信号进行汇聚，只有汇聚后信号的能量达到一定值才能产生光电流。光学镜头的加工属于超精加工，其对生产工艺有着很高的要求。测距仪本身体积小，要求光学镜头体积不能太大，但同时汇聚性能不能降低，这些条件的限制在很大程度上增加了制造的难度。
发明内容
本发明提供了一种体积小、重量轻、精度高的手持式激光测距装置。一种手持式激光测距装置，包括:激光发射器，用于向待测目标发射激光测距信号；DDS频率产生模块，用于向所述激光发射器和I/Q调制模块提供高频调制信号，其中高频调制信号的频率为500 1000MHz ；
I/Q调制模块，接收I/Q信号并对来自DDS频率产生模块的高频调制信号进行调制，输出调制后信号；APD混频接收模块，用于接收来自待测目标所返回的激光测距信号，并将该激光测距信号与I/Q调制模块发送的调制后信号进行混频处理，输出带相位差的低频信号；低频放大模块，用于将所述带相位差的低频信号转换成低频电压信号；微控制器模块，用于产生并向I/Q调制模块输出I/Q信号，还用于接收来自所述低频放大模块的低频电压信号，并对该低频电压信号进行鉴相处理，得到待测目标的距离信号以进行输出。作为一种优选，还设有连接在I/Q调制模块与APD混频接收模块之间的信号放大模块，用于对调制后信号进行放大。作为一种优选，还设有受控于所述微控制器模块的高压产生模块，该高压产生模块向APD混频接收模块提供反相偏置电压。为了便于指令输入以及所述距离信号的输出，作为一种优选，还设有与微控制器模块相连的按键及显示模块。更优选，可以使用不同按键来实现不同的功能，在电路设计上采用不同阻值不同电压的方法，通过微控制器进行编程实现不同的测量功能。作为一种优选，所述微控制器模块还连接有电源模块，其余各个组件直接或间接的通过微控制器模块获得工作电压。本发明具有以下优点:本发明对相位式测距装置进行优化设计，使用DDS频率产生技术、抑制消光比的激光驱动发射技术、I/Q调制技术和APD电外差混频技术。使用微控制器实现精致的液晶显示和按键电路设计，使得该装置具有体积小、功耗低、测量精准、速度快等优点，尤其适合于工业安装、房地产测量、建筑施工、室内装潢等领域。
图1是本发明装置的总体框图。图2是鉴相模块的示意图。图3是本发明装置实物的按键位置结构图。图4、图5、图6和图7是测距过程中的数据显示结果。
具体实施例方式如图1所示。本发明主要包括以下模块:微控制器模块，DDS频率产生模块、激光发射器、I/Q调制模块、信号放大模块、高压产生模块、低频放大模块、电源模块、按键及显示模块、Aro混频接收模块。其工作原理与流程是:首先微控制器模块为DDS频率产生模块发送命令，控制DDS频率产生模块的频率，产生一个500 1000MHz (优选为750MHz)的高频调制信号，此高频调制信号送至激光发射器，对激光信号进行调制，然后 经放大后(即激光测距信号)由激光发射器发射至待测目标，由待测目标返回的激光测距信号进入APD混频接收模块；I/Q调制模块接收I/Q信号(来自微控制器模块)并对来自DDS频率产生模块的高频调制信号进行调制(即将来自DDS频率产生模块的高频调制信号和来自微控制器模块的I/Q信号进行一次混频)，输出调制后信号，该调制后信号经信号放大模块放大后发送至APD混频接收模块；APD混频接收模块，接收来自待测目标所返回的激光测距信号，并将该激光测距信号与信号放大模块发送的调制后信号进行混频处理，即二次混频，输出带相位差的低频信号，该低频信号经低频放大模块转换成低频电压信号后进入微控制器模块中进行鉴相处理;APD混频接收模块工作所需的高压信号由微控制器模块控制高压产生模块提供。微控制器模块，向DDS频率产生模块发送命令；向高压产生模块发送命令；产生并向I/Q调制模块输出I/Q信号；接收来自低频放大模块的低频电压信号，并对该低频电压信号进行鉴相处理，得到待测目标的距离信号以输出至显示模块，通过显示模块显示出来，为了便于指令输入以及所述距离信号的输出，设置与微控制器模块相连的按键以及显示模块，按键模块设有几个不同的按键，可以使用不同按键来实现不同的功能，在电路设计上采用不同阻值不同电压的方法，通过微控制器进行编程实现不同的测量功能。显示模块包括液晶驱动以及LCD显示屏。微控制器模块将运算处理结果在显示单元进行显示。微控制器模块还连接有电源模块，其余各个组件直接或间接的通过微控制器模块获得工作电压，本发明的电源模块使用了 DC-DC的转换芯片，是6V的电源电压转换成3.3V的直流电压，方便供电，该转换芯片具有输入输出电源范围宽，空载时双自动模式和高效模式，并可通过控制其中一个引脚达到关闭装置的目的。DDS频率产生模块是系统的关键电路之一，在本电路中，晶振采用高稳定度的温补石英晶体振荡器，采用频率合成的方法得到其它的频率(即输出的高频调制信号)。其中主振是由锁相环电路产生的，锁相环电路由三个基本部件组成:鉴相器、环路滤波器、压控振荡器。
微控制器模块还用于向DDS频率产生模块(向DDS频率产生模块中的寄存器发送)中输出指令，以控制DDS频率产生模块发出的高频调制信号的频率；DDS频率产生模块采用频率合成的方法通过对输出指令以及自身基准频率的运算得到最终发出的高频调制信号的频率；DDS频率产生模块中的锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步，利用自身的相位锁定特性，获得与基准频率成一定倍数的新频率(即最终发出的高频调制信号的频率)。当环路稳定时，主振和本振之差被锁定，两者具有相同的频率稳定度和飘移特性，保证了差频的稳定性。激光发射器包含一个激光调制和发射系统，能实现激光的发射，完成对激光信号的调制，并且能对激光消光比进行控制，激光发射器还包括自动功率控制(APC)、调制补偿等功能。这些控制环路具有温度补偿，在整个温度范围和有效使用期限内保持恒定的消光比。I/Q调制模块采用了 I/Q调制技术实现混频，微控制器模块发出I信号和Q信号，这两种信号分别相互正交，大小相等，利用DDS频率产生模块产生的高频调制信号与I/Q信号进行混频，实现测距装置的一次混频，产生一个与发射信号相差一个中频的信号(即调制后信号)，以便于后续的二次混频。APD混频接收模块采用APD电外差方式实现二次混频，APD接收角频率为《:带相位差的激光信号(即激光测距信号)与二极管反向叠加的交流信号(即调制后信号)进行自混频得到角频率为的带相位差的低频信号。此信号为电流信号，经低频放大模块的滤波后被运放放大、转为电压信号，送至微控制器模块。在微控制器模块中进行鉴相处理，微控制器模块中包括用于进行所述鉴相处理的鉴相模块，该鉴相模块包括鉴相触发器、与门和计数器；其中鉴相触发器的结构如图2所示，具有两个信号输入端(R和S)，一个输出端Q和一个反向输出端； 与门具有两个输入端，其中一个连接鉴相触发器的输出端Q，另一个用于接收填充脉冲f；p，该填充脉冲f；p可提供参照周期，所述填充脉冲f；p可以由DDS频率产生模块发出，也可以采用其他信号源。计数器，接收所述与门的输出信号。鉴相处理的过程为:将来自低频放大模块的低频电压信号Vs以及来自微控制器模块的参考信号 ' (都是连续单一频率的正弦波)分别经过整形电路整形后得到对应的方波，然后分别将两个方波信号加至鉴相触发器的两个信号输入端，Vr的下降沿使鉴相触发器置位(置1)，即输出端Q输出高电平；Vs方波的下降沿使鉴相触发器复位(置0)，即输出端Q输出低电平；Vr的下降沿使鉴相触发器置位，计数器开始计数；经过相位差Ap Cvs与 ' 之间的相位差)的时间之后，Vs方波的下降沿又使鉴相触发器复位，与门关闭，这时填充脉冲不能通过与门，因此计数器停止工作；由于输出端Q所得到的鉴相脉冲宽度(即鉴相触发器的置位时间)对应着两个比较
相位信号的相位差，所以在计数器工作期间内所累计的通过与门的填充脉冲个数的多少就反应了鉴相脉冲的宽度的长短，因此在计数器工作期间内所累计的通过与门的填充脉冲个数再乘以填充脉冲f；p的周期就得到鉴相脉冲宽度，即反映了测距信号Vs和参考信号\之间的相位差Ag，而后可以利用现有技术(参照文献:徐恒梅，付永庆.相位法激光测距
系统[J].应用科技，2010，(37)06:20 22)根据相位差A炉换算出待测目标的距离。实施例如图3所示，是本发明装置的按键版面图，其标号I为电源键:开机、关机；2是测量键:打开激光，进行测量，打开连续测量功能；3是清除键:清除当前测量结果，返回到单段距离测量模式；4是模式键:实现在面积、体积、单勾股、双勾股和单段距离测量模式之间的转换；5是加/减功能键:进行加减法运算；6是测量基准切换键:在仪器的尾端、三脚架螺母位置、仪器的前端、延伸杆进行基准的切换；7是单位转换键:在米、毫米、小数英尺、分数英尺、小数英寸和分数英寸单位之间进行循环切换；8是最大/最小值测量键:调用最大、最小值测量模式。在电池槽内装入4节新的“AAA”碱性电池，按动“电源键”打开激光测距装置，仪器默认进入单段距离测量模式；按住“电源键”约2秒关闭仪器。如果在5分钟内没有对仪器进行操作，仪器将自动关闭以节省电池电量。仪器默认的测量基准为该仪器的尾端，反复按动“测量基准切换键”可以在仪器的三脚架螺母位置、仪器的前端、仪器的延伸杆及仪器的尾端进行基准切换设置，下次测量将以用户设定的基准位置开始。关机后，测量基准自动还原为仪器的尾端。按动单位转换键可以进行测量单位切换，从“米”到“毫米”到“十进制英寸”到“分数英寸”到“十进制英寸”再到“分数英寸”循环切换。
(I)开始测量手握仪器放置在准备测量的起始点，按“测量键”打开激光，将激光瞄准想要测量的目标，再按一次“测量键”进行测量。(2)清除当前测量值按“清除键”清除当前测量值，同时显示以前的测量值。在面积、体积、勾股测量模式下，反复按清除键可以返回到单段距离测量模式。(3)单段距离测量a、按“电源键”打开激光测距仪，仪器自动进入单段距离测量模式(图4)。b、按“测量键”打开激光，激光指示图标从下向上闪烁，将激光束瞄向所要测量的目标。C、再按一次“测量键”进行测量。d、测量结果以大体字显示在屏幕的最下行，测量结束后激光自动关闭(图5)。e、要进行第二次测量，再按一次“测量键”打开激光，第一次测量数值向上移一行显示(图6)。f、瞄向新的目标，再按一次“测量键”进行第二次测量。g、第二次测量数据在屏幕的最下行显示，测量结束后激光自动关闭(图7)。h、重复以上第5到7步进行新的长度测量。其它功能测量步骤同单端距离测量。
权利要求
1.一种手持式激光测距装置，其特征在于，包括: 激光发射器，用于向待测目标发射激光测距信号； DDS频率产生模块，用于向所述激光发射器和I/Q调制模块提供高频调制信号，其中高频调制信号的频率为500 1000MHz ； I/Q调制模块，接收I/Q信号并对来自DDS频率产生模块的高频调制信号进行调制，输出调制后信号； APD混频接收模块，用于接收来自待测目标所返回的激光测距信号，并将该激光测距信号与I/Q调制模块发送的调制后信号进行混频处理，输出带相位差的低频信号； 低频放大模块，用于将所述带相位差的低频信号转换成低频电压信号； 微控制器模块，用于产生并向I/Q调制模块输出I/Q信号，还用于接收来自所述低频放大模块的低频电压信号，并对该低频电压信号进行鉴相处理，得到待测目标的距离信号以进行输出。
2.根据权利要求1所述的手持式激光测距装置，其特征在于，还设有连接在I/Q调制模块与APD混频接收模块之间的信号放大模块，用于对调制后信号进行放大。
3.根据权利要求1所述的手持式激光测距装置，其特征在于，还设有受控于所述微控制器模块的高压产生模块，该高压产生模块向APD混频接收模块提供反相偏置电压。
4.根据权利要求1所述的手持式激光测距装置，其特征在于，还设有与微控制器模块相连的按键及显示模块。
5.根据权利要求1所述的手持式激光测距装置，其特征在于，所述微控制器模块还连接有电源模块，其余各个组件直接或间接的通过微控制器模块获得工作电压。
6.根据权利要求1所述的手持式激光测距装置，其特征在于，所述高频调制信号的频率为 600 800MHz。
全文摘要
本发明公开了一种手持式激光测距装置，包括激光发射器，向待测目标发射激光测距信号；DDS频率产生模块，向激光发射器提供高频调制信号；I/Q调制模块，对高频调制信号进行调制，输出调制后信号；APD混频接收模块，接收来自待测目标所返回的激光测距信号，并将该激光测距信号与调制后信号进行混频处理，输出带相位差的低频信号；低频放大模块，将低频信号转换成低频电压信号；微控制器模块，产生并输出I/Q信号，接收低频电压信号并对该低频电压信号进行鉴相处理，得到待测目标的距离信号以进行输出。本发明装置具有体积小、功耗低、测量精准、速度快等优点，尤其适合于工业安装、房地产测量、建筑施工、室内装潢等领域。
文档编号G01S17/08GK103226200SQ20131009397
公开日2013年7月31日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者黄静, 章涵博 申请人:浙江理工大学