基于单波长双激光管相位测量的校准方法及其装置与流程

本发明涉及光电测距技术领域，尤其涉及一种基于单波长双激光管相位测量的校准方法及其装置。

背景技术：

激光一直是人类引以为傲的发明，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、外形等领域愈发收到民用、军用和工业等行业的重视，在国外已经被广泛应用于一下领域：各大工矿企业，电力石化，水利，通讯，环境，建筑，地址，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，科研机构，农业，园林，房地产，休闲/户外运动等。

基于测量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，起测量的准确性和精度受装置内部零件特性的影响。激光测距仪器是精度要求越高，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。

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,使用两个APD不仅成本高。

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。

另外，现有技术还存在以下缺陷：

1)现有技术中采用一个光波发射装置产生一路光波，需要利用光速转换装置改变光路，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，机械磨损不可以避免，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。

2)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。

3)现有技术采用传统双发单收方式，即两个独立激光管发生两路光路光波信号形成内外光路并通过APD分别接收所述信号达到消除基底信号的相位。该方案在实施过程中，由于双独立激光管在工作过程中，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成消除基底信号：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。

综合上述的描述，现有技术无法有效解决相位测量的校准。

技术实现要素：

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种基于单波长双激光管相位测量的校准方法及其装置，避免了环境变化在电路中引入不确定的噪音，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。

为实现上述目的，本发明提供一种基于单波长双激光管相位测量的校准方法，包括以下步骤：

步骤1，高频调制信号经过激光自动功率控制电路产生外光路并发射至被测目标，外光路被被测目标反射折回后经光电接收电路接收；

步骤2，高频调制信号经过激光自动功率控制电路产生内光路并直接发送至光电接收电路被接收；

步骤3，光电接收电路将先后接收的外光路和内光路的两路光波与参考相位信号进行相位比较，计算出距离相位并输出消除基底的信号。

其中，所述步骤1之前还包括一步骤0，所述步骤0为：频率合成器产生频率信号和本振信号，该频率信号经过高频处理控制后得到高频调制信号，该高频调制信号发送至激光自动功率控制电路；该高频调制信号经过激光自动功率控制电路切换后得到外光路和内光路。

其中，内光路及外光路与本振信号进行混频后得到所述步骤3中的稳定的参考相位信号。

其中，所述步骤3中光电接收电路接收的外光路和内光路两路光波是先通过低频信号放大后再与参考相位信号进行相位比较。

其中，采用激光自动功率控制电路，使得发射的激光功率在环境-10℃至50℃中都保持一样。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于单波长双激光管相位测量的校准装置，包括频率合成器、高频处理控制器、激光自动功率控制电路、光电接收电路、低频信号放大器、主控器和混频器；

所述频率合成器用于产生并输出频率信号和本振信号；所述混频器用于将内光路及外光路与本振信号进行混频并得到稳定的参考相位信号；所述激光自动功率控制电路对外光路和内光路进行切换；所述低频信号放大器用于将光电接收电路的输出信号进行放大后发送至主控器；

所述频率合成器与高频处理控制器连接并输出高频调制信号，该高频调制信号经过激光自动功率控制电路切换后得到外光路和内光路；该外光路发射至被测目标，外光路被被测目标反射折回后经光电接收电路接收；该内光路直接发送至光电接收电路被接收；光电接收电路将先后接收的外光路和内光路的两路光波经过低频信号放大器进行放大并输出至主控器；所述混频器中的参考相位信号与放大后的两路光波进行相位比较，计算出距离相位并输出消除基底的信号。

其中，输出消除基底的信号通过语音播放电路发送至喇叭以真人的声音报出；且所述输出消除基底的信号通过蓝牙发射电路发送至智能终端设备，并实时无线传输测量的距离数据发送至智能终端设备。

其中，所述激光自动功率控制电路包括第一三极管、第二三极管、第一激光二极管、第二激光二极管、第一采样二极管和第二采样二极管；工作电压接入第一激光二极管与第一采样二极管的公共端，工作电压也接入第二激光二极管与第二采样二极管的公共端，且所述第一采样二极管与第二采样二极管连接后形成公共端接入第二三极管的基极；所述第一激光二极管与高频处理控制器连接且接收高频处理控制器产生的高频调制信号，所述第二激光二极管和第一三极管的集电极均连接至第一激光二极管与高频处理控制器之间；工作电压通过第一电阻连接至第一三极管的基极；所述第二三极管的发射极接地，且第二三极管的集电极接入第一电阻与第一三极管的基极之间；当环境温度升高时第一激光二极管和第二激光二极管的电流增大，第一采样二极管和第二采样二极管采样到的电压变小，给第二三极管的IB偏置电流也变小，第二三极管的IC电流放大相对的变小，第一三极管的IB偏置电流增大，第一三极管的IC电流放大加深，由此激光的发光功率保持不变；当环境温度降低时第一激光二极管和第二激光二极管的电流减少，第一采样二极管和第二采样二极管采样到的电压变大，给第二三极管的IB偏置电流也变大，第二三极管的IC电流放大相对的变大，那么第一三极管的IB偏置电流减少，第一三极管的IC电流放大减少，由此激光的发光功率也保持不变。

其中，所述第一三极管的发射极通过第二电阻接地，且第一电阻与第一三极管的基极之间连接有电容；所述第二三极管的基极通过第三电阻接地。

其中，所述光电接收电路可以为光电二极管、光电三极管、雪崩二极管或光电倍增管中的一种。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的基于单波长双激光管相位测量的校准方法及其装置，高频调制信号经过激光自动功率控制电路切换后得到外光路和内光路，再通过光电接收分别接收收外光路信号的返回信号和内光路信号，并将外光路信号的返回信号和内光路信号与参考相位信号进行相位比较，从而在消除附加相移，实现相位误差的补偿和校准的目的；同时采用了激光自动功率控制电路控制内、外光路切换，从而更加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。

附图说明

图1为本发明的基于单波长双激光管相位测量的校准方法流程图；

图2为本发明的基于单波长双激光管相位测量的校准装置的结构图；

图3为本发明中激光自动功率控制电路的电路图。

主要元件符号说明如下：

10、频率合成器 11、高频处理控制器

12、激光自动功率控制电路 13、光电接收电路

14、低频信号放大器 15、主控器

16、混频器 17、语音播放电路

18、喇叭 19、蓝牙发射电路

20、外光路 21、内光路。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

请参阅图1，本发明的基于单波长双激光管相位测量的校准方法，包括以下步骤：

步骤S0，频率合成器产生频率信号和本振信号，该频率信号经过高频处理控制后得到高频调制信号，该高频调制信号发送至激光自动功率控制电路；

步骤S1，高频调制信号经过激光自动功率控制电路产生外光路并发射至被测目标，外光路被被测目标反射折回后经光电接收电路接收；

步骤S2，高频调制信号经过激光自动功率控制电路产生内光路并直接发送至光电接收电路被接收；该高频调制信号经过激光自动功率控制电路切换后得到外光路和内光路；

步骤S3，光电接收电路将先后接收的外光路和内光路的两路光波与参考相位信号进行相位比较，计算出距离相位并输出消除基底的信号；内光路及外光路与本振信号进行混频后得到步骤S3中的稳定的参考相位信号；步骤S3中光电接收电路接收的外光路和内光路两路光波是先通过低频信号放大后再与参考相位信号进行相位比较。

相较于现有技术的情况，本发明提供的基于单波长双激光管相位测量的校准方法，高频调制信号经过激光自动功率控制电路切换后得到外光路和内光路，再通过光电接收分别接收收外光路信号的返回信号和内光路信号，并将外光路信号的返回信号和内光路信号与参考相位信号进行相位比较，从而在消除附加相移，实现相位误差的补偿和校准的目的；同时采用了激光自动功率控制电路控制内、外光路切换，从而更加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。

在本实施例中，采用激光自动功率控制电路12，使得发射的激光功率在环境-10℃至50℃中都保持一样。不需要任何补偿情况下，可以在宽的工作环境中其测量精度不变。进行相位比较的内光路、外光路可以为混频信号经行混频后的光波，相位相同或具有固定相位差的两路高频调频信号。

请进一步参阅图2，本发明还提供一种基于单波长双激光管相位测量的校准装置，包括频率合成器10、高频处理控制器11、激光自动功率控制电路12、光电接收电路13、低频信号放大器14、主控器15和混频器16；

频率合成器10用于产生并输出频率信号和本振信号；混频器16用于将内光路21及外光路22与本振信号进行混频并得到稳定的参考相位信号；激光自动功率控制电路12对外光路20和内光路21进行切换；低频信号放大器14用于将光电接收电路13的输出信号进行放大后发送至主控器15；

频率合成器10与高频处理控制器11连接并输出高频调制信号，该高频调制信号经过激光自动功率控制电路12切换后得到外光路21和内光路22；该外光路21发射至被测目标，外光路21被被测目标反射折回后经光电接收电路13接收；该内光路20直接发送至光电接收电路13被接收；光电接收电路13将先后接收的外光路20和内光路21的两路光波经过低频信号放大器14进行放大并输出至主控器15；混频器16中的参考相位信号与放大后的两路光波进行相位比较，计算出距离相位并输出消除基底的信号。

相较于现有技术，本发明提供的基于单波长双激光管相位测量的校准装置，通过频率合成器10和高频处理控制器11配合产生高频调制信号，该信号经过激光自动功率控制电路切换后得到外光路和内光路，再通过光电接收分别接收收外光路信号的返回信号和内光路信号，并将外光路信号的返回信号和内光路信号与参考相位信号进行相位比较，从而在消除附加相移，实现相位误差的补偿和校准的目的；同时采用了激光自动功率控制电路控制内、外光路切换，从而更加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

在本实施例中，输出消除基底的信号通过语音播放电路17发送至喇叭18以真人的声音报出；且输出消除基底的信号通过蓝牙发射电路19发送至智能终端设备，并实时无线传输测量的距离数据发送至智能终端设备。本发明还有一个亮点就是测量得出的结果和操作的各个菜单分别由主控器控制语音播放电路再通过喇叭以真人的声音报出读数和功能菜单，这样大大的提高了工作的效率，方便快捷。蓝牙功能：主控器控制蓝牙发射电路，可以实时无线传输测量的距离数据给PC、手机、ipad等智能终端设备。同时拿到本发明的蓝牙协议，第三方可开发出不同领域的APP系统,更智能化。

请进一步参阅3，激光自动功率控制电路12包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一激光二极管LD1、第二激光二极管LD2、第一采样二极管PD1和第二采样二极管PD2；工作电压VDD接入第一激光二极管LD1与第一采样二极管PD1的公共端，工作电压VDD也接入第二激光二极管LD2与第二采样二极管PD2的公共端，且第一采样二极管PD1与第二采样二极管PD2连接后形成公共端接入第二三极管Q2的基极；第一激光二极管LD1与高频处理控制器12连接且接收高频处理控制器12产生的高频调制信号，第二激光二极管LD2和第一三极管Q1的集电极均连接至第一激光二极管LD1与高频处理控制器12之间；工作电压VDD通过第一电阻R1连接至第一三极管Q1的基极；第二三极管Q2的发射极接地，且第二三极管Q2的集电极接入第一电阻R1与第一三极管Q1的基极之间；当环境温度升高时第一激光二极管LD1和第二激光二极管LD2的电流增大，第一采样二极管PD1和第二采样二极管PD2采样到的电压变小，给第二三极管Q2的IB偏置电流也变小，第二三极管Q2的IC电流放大相对的变小，第一三极管Q1的IB偏置电流增大，第一三极管Q1的IC电流放大加深，由此激光的发光功率保持不变；当环境温度降低时第一激光二极管LD1和第二激光二极管LD2的电流减少，第一采样二极管PD1和第二采样二极管PD2采样到的电压变大，给第二三极管Q2的IB偏置电流也变大，第二三极管Q2的IC电流放大相对的变大，那么第一三极管Q1的IB偏置电流减少，第一三极管Q1的IC电流放大减少，由此激光的发光功率也保持不变。第一三极管Q1的发射极通过第二电阻R2接地，且第一电阻R1与第一三极管Q1的基极之间连接有电容C；第二三极管Q2的基极通过第三电阻R3接地。光电接收电路13可以为光电二极管、光电三极管、雪崩二极管或光电倍增管中的一种。光电接收电路还可以是具有光电转换功能的其他装置。

对比于现有技术，在本发明可以采取激光自动功率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，接收内外光信号的间隔时间小，切换间隔时间为毫秒级别，可认为电路切换器件的周围环境不变，电路未受影响，不影响测量精度相对比上述双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，达到较双APD与双LD方案更高的精度。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。