专利名称：一种相位测量的校准方法、装置及测距设备的制作方法
技术领域：
本发明属于光电测距领域，尤其涉及一种相位测量的校准方法、装置及测 距设备。
背景技术：
随着二十世纪八十年代以来半导体激光器和数字电路长足发展，长距离高 精度的激光测距技术越来越广泛应用于电力、水利、通讯、环境、建筑、警务、 消防、爆破、航海、铁路、军事反恐等领域，毫米级别测量精度的相位式激光
测距产品已经逐步在200米内的短程激光测距中占主导地位。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^和 ， 为 仪器内部电子路线在传送信号过程中产生的附加相移，则内、外光路测距信号 fe从和fe从在相位器中分别与参考信号e。的比相结果为<formula>formula see original document page 4</formula>
上式中，知随yf义器工作状态而变化，为随才几相移，无法通过^"确计算求解，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 ①-①外一①内=^外—^内
以上结果O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。由于采用物理机械拨动开关，机械响应时 间长(一般为毫秒级别)，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。
综上所述，以上两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，旨在解决现有技 术中电路响应时间长、容易产生机械故障、使用寿命短或者成本高、容易产生 同频干扰的问题。
本发明实施例是这样实现的， 一种相位测量的校准方法，包括步骤
第 一光波发射装置发射第 一光波至被测目标，所述第 一光波被被测目标反
射折回后被一接收装置接收，其中，所述光波作为外光路信号由第一高频振荡
信号调制生成；
第二光波发射装置发射第二光波至所述接收装置，其中，所述光波作为基底参考的内光路信号由第二高频振荡信号调制生成；
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。
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
第 一光波发射装置，用于根据接收到的第 一高频振荡信号调制生成第 一光 波，并将所述第一光波作为外光路信号发射至被测目标；
第二光波发射装置，用于根据接收到的第一高频振荡信号调制生成第二光 波，并将所述第二光波作为基底参考的内光路信号发射；
光电转换装置，用于分别接收所述第二光波和由被测目标反射折回的所述 第一光波进行光电转换，并输出；
鉴相器，用于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。
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的测 距设备。
本发明实施例提供了一种双光路发送单光路接收的校准方法，采用两个光
波发射装置分别产生内、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，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。
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2是本发明实施例提供的采用双发单收的相位测量的校准装置的结构
6图3是本发明第一实施例提供的的相位测量的校准装置的结构图； 图4是本发明第二实施例提供的的相位测量的校准装置的结构图； 图5是本发明第三实施例提供的的相位测量的校准装置的结构图； 图6是本发明第四实施例提供的的相位测量的校准装置的结构图； 图7是本发明第五实施例提供的的相位测量的校准装置的结构图； 图8是本发明第六实施例提供的的相位测量的校准装置的电路结构图。
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光路发送单光路接收的校准方法，采用两个光波发射 装置分别产生内、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，内光路与外光路的返回信号进行相位比较，从而消 除附加相移，实现相位误差的补偿和校准的目的。
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S101中，第一光波发射装置发射第一光波至被测目标，所述第一 光波被被测目标反射折回后被一接收装置接收，其中，所述光波作为外光路信 号由第一高频振荡信号调制生成；
在步骤S102中，第二光波发射装置发射第二光波至所述接收装置，其中， 所述光波作为基底参考的内光路信号由第二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^各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。
在本发明实施例中，对作为内、外光路发射的两路光波进行调制的两个高 频信号为频率相同，相位相同或具有固定相位差的高频振荡信号。
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发单收的相位测量的校准装置的结 构原理，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。
第一光波发射装置201根据接收到的第一高频振荡信号调制生成第一光 波，并将所述第一光波作为外光路信号发射至被测目标。第二光波发射装置202 根据接收到的第一高频振荡信号调制生成第二光波，并将所述第二光波作为相 位补偿的基底参考的内光路信号发射。光电转换装置203接收所述第二光波或 由被测目标反射折回的所述第 一光波分别进行光电转换并输出。最后鉴相器 204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，第一光波发射装置201和第二光波发射装置202均包 括驱动器、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)、发光二4及管(Light Emitting Diode， LED)或其他的发光器件。作为本发明的一个实施例，第一光波发射装置201 和第二光波发射装置202可以为激光波发射装置，发射激光。
在本发明实施例中，第二光波发射装置202可以与光电转换装置203对准， 使光波直接入射到光电转换装置203中；也可以在第二光波发射装置202与光 电转换装置203之间设有透镜以改变光路，便于光电转换装置203接收；还可 以在第二光波发射装置202与光电转换装置203之间连接有传输线，该传输线可以为光纤。
在本发明实施例中，光电转换装置203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203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。
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結构，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，本校准装置包括第 一光波发射装置302、第二光波发射装置303、光电转换装置304、鉴相器307， 以及振荡器301、放大装置305、混频器306,用于产生并输出高频振荡信号和 混频信号。
由振荡器301产生同频率同相位的第一高频振荡信号和第一高频振荡信 号，第一光波发射装置302接收来自振荡器301的第一高频振荡信号，根据第 一高频振荡信号调制光波，并发射作为外光路信号的光波至被测目标，被被测 目标反射后折回，光电转换装置304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放大装置305进行放大并输出， 混频器306接收来自放大装置305的信号与振荡器301输出的混频信号进行混 频，输出混频后的信号，第二光波发射装置303接收来自振荡器301的第二高 频振荡信号，根据第二高频振荡信号调制光波，并发射作为内光路信号的光波， 光电转换装置304接收内光路信号，并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放大装置305进行放大并输出，混频器306接收来自 放大装置305的信号并将该信号与上述振荡器301输出的混频信号进行混频， 最后输出两个混频后的信号，两个混频后的信号为低频的电信号，再进入一个 放大装置308进行放大并输出，输出结果被鉴相器308接收并进行相位比较， 最后输出相位差信号。
在本发明实施例中，混频器306可以为光电二才及管、光电三极管、APD、 光电倍增管等具有混频功能的装置。在本发明实施例中，光电转换装置304和混频器306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304和混频器306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、光电倍 增管等具有光电转换功能的装置。
在本发明实施例中，放大装置305将接收的高频电信号进行放大，价格昂 贵，放大装置307将接收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，放大装置305和放大装置307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304和混频器306,那么放大装置305 可以省略，然后可以在接收装置之后连接一对低频电信号进行放大的放大装置 307,成本较4氐。
图4是本发明第二实施例提供的相位测量的校准装置的结构，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、第一光波发射装置402、第二光波发射装置403、放大装置405、鉴相器 杨，以及
接收装置404,用于分别接收所述第二光波和由被测目标反射折回的所述 第一光波进行光电转换，并分别与混频信号进行混频，并输出两路混频后的信 号。
在本发明实施例中，接收装置404替代图3中的光电转换装置304和混频 器306。
图5示出了本发明第三实施例提供的相位测量的校准装置的结构图，与图 3比较，本装置包括第一光波发射装置502、第二光波发射装置503、光电转换 装置504、混频器505、鉴相器506,并釆用釆用锁相环(Phase Locked Loop, PLL)电路501作为图3的振荡器301,并省去放大装置305。
图6示出了本发明第四实施例提供的相位测量的校准装置的结构图，与图 3比较，本装置包括第一光波发射装置602、第二光波发射装置603、光电转换 装置604、放大装置706、混频器606、鉴相器607，并且采用直接数字频率合, DDS )电i 各601作为图3的振荡器 301，并省略放大装置307。
图7示出了本发明第五实施例提供的相位测量的校准装置的结构图，与图 4比较，该装置包括振荡器701、第一光波发射装置703、第二光波发射装置704、 接收装置705、放大装置706、鉴相器707，还包括控制电路702,用于控制所 述第 一光波和所述第二光波的发射顺序。
在本发明实施例中，可以采用控制电路702控制内外光路的开关或切换， 以控制第一光波和第二光波的发射顺序，确保接收装置705分别接收内、外光 路信号。作为本发明的一个实施例，控制电路702采用激光二极管，切换的时 间间隔可以达到纳秒级别。作为本发明的一个实施例，控制电路702可以为模 拟开关、金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOS FET )或继电器等。
图8示出了本发明第六实施例提供的相位测量的校准装置的电路结构图， 驱动器801和驱动器802根据高频振荡信号分别驱动第一光波发射装置803、 第二光波发射装置805发射光波，所发射的两路光波分别穿过透镜804和透镜 806发射至外、内光路，第一光波发射装置803发射的光波作为外光路信号， 第二光波发射装置805发射的光波作为内光路信号，内光路信号由反射镜807 和反射镜808反射或漫反射至接收装置809，接收装置809再将内光路信号和 混频信号进行光电转换、混频并输出到鉴相器810，返回的外光路信号通过透 镜811会聚到接收装置809，接收装置809再将返回的外光路信号和混频信号 进行光电转换、混频并输出到鉴相器810,鉴相器810将两次接收到的信号进 行相位比较最后输出，其中采用 一个偏置电路812与接收装置809的负极连接， 用于为接收装置809提供基极电流。
在本发明实施例中，第二光波发射装置805与接收装置809之间可以设有 透镜以改变光路，便于接收装置809接收；第二光波发射装置805也可以与接 收装置809对准，使光波直接入射到接收装置809中；还可以在第二光波发射装置805与接收装置809之间连接有传输线，该传输线可以为光纤。
在本发明实施例中，驱动器801和驱动器802可包含如图7示出的控制电 路702。
本发明实施例中，采用双发单收的校准装置可以应用于测距装置的校准， 包括连续式相位激光测距装置、脉沖式相位激光测距装置的校准，与已知的测 距装置组合且连接在一起，用于补偿相位误差等环境因素导致测距装置电路产 生的误差。
作为本发明的一个实施例，双发单收的校准装置可以应用于采用PLL电路 的测距装置中，还可以应用于采用双晶振双混频的测距装置中，也可以应用于 采用DDS电路的测距装置中。
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，且釆用控制电路控制 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、且成本较高。对比于现有技术，在本发明实施例中，采用两个 光波发射装置产生两路光波， 一个接收装置分时接收内外光路光波，节约了成 本和电3各空间。
综上所述，本发明实施例提供了一种双光路发送单光路接收的校准方法， 采用两个光波发射装置分别产生内、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，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
12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(目前，单激光管成本在0.4美金以下)，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、一种相位测量的校准方法，其特征在于，所述方法包括步骤第一光波发射装置发射第一光波至被测目标，所述第一光波被被测目标反射折回后被一接收装置接收，其中，所述光波作为外光路信号由第一高频振荡信号调制生成；第二光波发射装置发射第二光波至所述接收装置，其中，所述光波作为基底参考的内光路信号由第二高频振荡信号调制生成；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。
2、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，第一高频振荡信号和第二高频 振荡信号为频率相同，且相位相同或具有固定相位差的高频振荡信号。
3、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，在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的步骤之前，所述方法进 一步包括下述步骤所述接收装置将先后接收到的两路所述光波分别与 一混频信号进行混频。
4、 如权利要求l、 2或3所述的方法，其特征在于，两路所述光波均为激光。
5、 一种相位测量的校准装置，其特征在于，所述装置包括第 一光波发射装置，用于根据接收到的第 一高频振荡信号调制生成第 一光 波，并将所述第一光波作为外光路信号发射至被测目标；第二光波发射装置，用于根据接收到的第二高频振荡信号调制生成第二光 波，并将所述第二光波作为基底参考的内光路信号发射；光电转换装置，用于分别接收所述第二光波和由被测目标反射折回的所述 第一光波进行光电转换并分别输出；以及鉴相器，用于分别接收所述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。
6、 如权利要求5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两路信号分别与混频信号进行混频并分别输出至所述鉴相器。
7、 如权利要求6所述的装置，其特征在于，与所述光电转换装置输出的两 路信号分别进行混频的混频信号为频率相同，且相位相同或具有固定相位差的 高频振荡信号。
8、 如权利要求6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，所述光电转换装置或所述混频 器为光电二极管、光电三极管、雪崩二极管或光电倍增管。
10、 如权利要求5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；和/或 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。
11、 如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括控制电路，用于控制所述第一光波发射装置和所述第二光波发射装置的发 射顺序。
12、 一种包含如权利要求5至11任一项所述的装置的测距设备。
全文摘要
本发明适用于光电测距领域，提供了一种相位测量的校准方法、装置及测距设备，所述方法包括第一光波发射装置发射第一光波至被测目标，所述第一光波被被测目标反射折回后被一接收装置接收，其中，所述光波作为外光路信号由第一高频振荡信号调制生成；第二光波发射装置发射第二光波至所述接收装置，其中，所述光波作为基底参考的内光路信号由第二高频振荡信号调制生成；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。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，减低了系统的成本，加强了激光测距在各行业的应用。
文档编号G01S7/497GK101581783SQ200810067250
公开日2009年11月18日 申请日期2008年5月16日 优先权日2008年5月16日
发明者昕 伍, 智 侴, 鑫 杜 申请人:张俊忠