专利名称：相位激光测距仪及激光测距方法
技术领域：
本发明涉及激光测量技术领域，特别是涉及一种相位激光测距仪及相应激光测距方法。
背景技术：
在建筑施工、室内装潢、交通事故处理、危险地段测量(如核辐射，高压电等)中往 往用到距离测量。目前所用的测量方式是用米尺、卷尺进行测量，此种测量方法精度低，费 时费力，速度慢，而传统的激光测距仪器体积较大，精度较低，测量速度比较慢，诸多存在的 问题给测量人员带来了很大的不便。精度高、测程远、测速快是激光测距仪的核心和难点，而目前的传统测量方式和国 产的激光测距仪器难以同时达到上述要求。
发明内容
本发明的目的是针对以上现有测量方式和测距仪器存在的缺点，提供了一种新的 相位激光测距仪，以及相应的激光测距方法。本发明采用的技术方案是一种相位激光测距仪，包括光路部份和电路部份，光路部分采用反射镜结构或无双反射镜结构，所述双反射镜结构包括有激光发射器、挡板反射器、双反射镜、物镜、凹面反射器、 滤光片及探测器，其中挡板反射器置于激光发射器前方，双反射镜、物镜、凹面反射器及滤 光片依次置于探测器前方，凹面反射器与挡板反射器位置相应；内光路测量时，激光发射 器发出激光，照射到挡板反射器上，再反射到凹面反射器上，再经过滤光片后照射到探测 器上，形成内光路；外光路测量时，挡板反射器放下，激光发射器发出激光，发射到双反射 镜上，再照射到被测目标，经漫反射到物镜上，再经过滤光片后照射到探测器上，形成外光 路；所述无双反射镜结构包括有激光发射器、挡板反射器、物镜、凹面反射器、滤光片 及探测器，其中挡板反射器置于激光发射器前方，物镜、凹面反射器及滤光片依次置于探测 器前方，凹面反射器与挡板反射器位置相应；内光路测量时，激光发射器发出激光，照射到 挡板反射器上，再反射到凹面反射器上，再经过滤光片后照射到探测器上，形成内光路；夕卜 光路测量时，挡板反射器放下，激光发射器发出激光，照射到被测目标，经漫反射到物镜上， 再经过滤光片后照射到探测器上，形成外光路；电路部份包括控制板和接收板两部分，所述控制板以单片机为核心，设置控制键 盘、显示设备和JTAG接口 ；所述接收板包括压控振荡器、缓冲放大器、混频器和调制激光光 源，单片机控制压控振荡器产生高频信号后，经缓冲放大器后分为两路；其中一路同相正弦 信号与单片机产生的方波经过混频器后，所得混频信号加在调制激光光源上，通过激光发 射器发出激光，沿内光路或外光路发出；另一路反相正弦信号加在探测器上，与经内光路或 外光路返回探测器的激光用相干法解调，解调后所保留下携带相位信息的测量正弦信号返回到单片机进行处理。而且，所述单片机采用C8051F芯片，控制键盘采用4X4矩阵键盘控制，显示设备采用128*64液晶点阵IXD，压控振荡器采用MAX2608芯片，缓冲放大器采用MAX2470芯片，混 频器采用U2793B芯片，调制激光光源采用QL63D4SC芯片。本发明还提供了采用上述相位激光测距仪实现的激光测距方法，单片机对测量所 得携带相位信息的测量正弦信号进行处理得到被测目标的距离，包括针对整波长个数部分 的搜索处理和针对非整波长部分的相位差检测处理；(1)所述针对非整波长部分的相位差检测处理具体方式为，对内光路测量所得携 带相位信息的测量正弦信号记为M，外光路测量所得携带相位信息的测量正弦信号记为N， 首先对测量正弦信号M和N分别求取计算过零点，所述求取方式为对测量正弦信号的波形 进行采样，找出波形上实际过零点前后两个采样点，将这两个采样点间连线与波形上横轴 的交点作为计算过零点；然后根据测量正弦信号M和N的计算过零点求出测量正弦信号M 和N的相位差At，再根据相位差At转换得到被测目标的距离的非整波长部分Δ λ ；(2)所述针对整波长个数部分的搜索处理具体方式为，单片机控制压控振荡器产生4个高频信号，频率分别为315Μ、314Μ、305Μ、285Μ，设 相应的调制波长分别为λ 1、λ 2、λ 3、λ 4，距离测量时分别对应Ν1、Ν2、Ν3、Ν4个整数波长， 则在测量同一被测目标的距离时，4个高频信号两两组合，每组得出一个被测目标的估计距 离D，然后求各组的估计距离D的平均值作为被测目标的距离求取结果；求某组的被测目标 的估计距离D具体方式如下，任取λ 1、λ 2、λ 3、λ 4中两个调制波长λ χ、λ y，分别对应Nx、Ny个整数波长， 进行组合得到如下两式D = Nx λ χ+ Δ λ χ
D = Ny λ y+ Δ Ay两式中D、Nx、Ny为未知，首先通过上述针对非整波长部分的相位差检测处理方式 算出被测目标的距离的非整波长部分Δ λχ和Δ Xy，根据D、Nx、Ny的预设限定条件，得出 Nx、Ny，继而求出被测目标的估计距离D;所述D、Nx、Ny的预设限定条件为，被测目标的估计 距离D小于60米，Nx、Ny为整数且小于65。本发明所提供相位激光测距仪具有巧妙的光路设计，采用单片机技术自动给出测 量结果。本发明结构简单，集成度高，可以做成便于携带使用的手持式相位激光测距仪产 品，能减轻人们的劳动强度，提高工作效率，同时应用其进行测量具有非接触、精度高、测程 远、测速快的优点，较好的克服了传统测量方式和测距仪器的缺点。
图1是本发明的双反射镜结构示意图，其中图Ia为双反射镜结构的内光路测量示 意图，图Ib为双反射镜结构的外光路测量示意图；图2是本发明的无双反射镜结构示意图，其中图2a为双反射镜结构的内光路测量 示意图，图2b为双反射镜结构的外光路测量示意图；图3是本发明实施例的电路原理图；图4是本发明实施例的相位激光测距仪结构图5是本发明实施例针对非整波长部分的相位差检测处理示意图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例详细说明本发明在光路、电路、算法三个方面的设计。(一 )光路部分光路部分可以采用含有双反射镜结构或无双反射镜结构，两者差别在于前一种结构加装了双反射镜以增加测程。参见图1，双反射镜结构包括有激光发射器1、挡板反射器2、双反射镜(镜面相对 设置的反射镜8. 1和反射镜8. 2构成)、物镜4、凹面反射器5、滤光片6及探测器7，其中挡 板反射器2置于激光发射器1前方，双反射镜、物镜4、凹面反射器5及滤光片6依次置于探 测器7前方。如图la，激光发射器1、挡板反射器2、凹面反射器5、滤光片6和探测器7构 成内光路系统。内测量时，激光发射器1发出激光，照射到挡板反射器2上，再反射到凹面 反射器5上，再经过滤光片6后照射到探测器7上，形成内光路。如图lb，激光发射器1、双 反射镜、物镜4、滤光片6及探测器7构成外光路系统。外光路测量时，激光发射器1发出激 光，发射到双反射镜上，再照射到被测目标3，经漫反射到物镜4上，再经过滤光片6后照射 到探测器7上，形成外光路。参见图2，所述无双反射镜结构包括有激光发射器1、挡板反射器2、物镜4、凹面反 射器5、滤光片6及探测器7，其中挡板反射器2置于激光发射器1前方，物镜4、凹面反射器 5及滤光片6依次置于探测器7前方。激光发射器1、挡板反射器2、凹面反射器5、滤光片 6和探测器7构成内光路系统。如图2a，内光路测量时，激光发射器1发出激光，照射到挡 板反射器2上，再反射到凹面反射器5上，再经过滤光片6后照射到探测器7上，形成内光 路。如图2b，激光发射器1、物镜4、滤光片6及探测器7构成外光路系统。外光路测量时， 激光发射器1发出激光，照射到被测目标3，经漫反射到物镜4上，再经过滤光片6后照射到 探测器7上，形成外光路。( 二)电路部分电路部份包括控制板和接收板两部分，参见图3 :控制板是以C8051F单片机为主MCU，通过4X4矩阵键盘控制，采用128*64液晶点 阵LCD来显示距离信息，并通过JTAG接口实现程序下载。具体实施时，可以基于单片机程 序设计实现开关机、存储、报警、显示、键盘输入、几何计算等功能。例如设定基本测量流程 为由键盘控制开机后，按键盘上规定的测量键，发出激光后，对准待测目标，再按测量键，得 到距离值。采用单片机编程技术编程后经JTAG接口加载，可实现多种功能，例如勾股定理、 体积、面积、公英制转换、基准转换等。所述接收板包括压控振荡器、缓冲放大器、混频器和调制激光光源。单片机输出的 高频信号、压控振荡器、缓冲放大器依次连接；缓冲放大器的一路输出与单片机输出的方波 输出到混频器，混频器输出连接到调制激光光源；缓冲放大器的另一路输出接入到探测器， 探测器返回接入单片机。为方便说明信号关系，设高频信号的频率为300M(兆赫兹)，单片 机产生的方波的频率为3K(千赫兹)。则单片机控制压控振荡器产生高频信号后(300Μ)， 经缓冲放大器后分为两路；其中一路同相正弦信号(300Μ)与单片机产生的方波(3Κ)经过 混频器后，所得混频信号加在调制激光光源上，通过连接调制激光光源的激光发射器发射激光，沿内光路或外光路发出；另一路反相正弦信号(300M)加在探测器上，与经内光路或外光路返回并由探测器接收的激光用相干法(现有技术)解调，解调后所保留下携带相位 信息的测量正弦信号(3K)返回到单片机进行处理。具体实施时为保证效果，单片机将其产 生的方波(3K)转成正弦波，然后送入混频器，以便与同相正弦信号(300M)混频；探测器解 调后所保留下携带相位信息的测量正弦信号(3K)，经两级运放后返回到单片机。具体实施 时，建议压控振荡器采用MAX2608芯片，缓冲放大器采用MAX2470芯片，混频器采用U2793B 芯片，调制激光光源采用QL63D4SC芯片，两级运放采用AlO芯片。利用单片机可以进行更多功能设计例如通过单片机自动控制调制激光电源工作 状态，可以在从单片机与调制激光电源之间设置带关断的运放MV981，由单片机发送控制关 断信号到MV981，从而控制调制激光电源是否为激光发射器提供工作电源。例如为了获得 精确的距离，本发明实施例采用的算法需要采用不同频率的高频信号进行多次测量，这就 需要产生的高频信号比较准确。具体实施时可以选用PLL频率发生器MB15F73UL配合压控 振荡器MAX2608，利用锁相环电路就可以实现外部的输入信号与内部的振荡信号同步，即通 过单片机程序控制从外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，从而产生 不同频率的高频信号。锁相环电路属于现有技术，本发明不予赘述，本领域技术人员可参见 “远坂俊昭著，何希才(译).锁相环(PLL)电路设计与应用[J].北京科学出版社，2006: 9-30”。单片机和接收板之间存在通信，实施时可以通过24引脚插排连接控制板和接收 板。具体实施时，可以参考各芯片产品使用手册进行具体引脚连接，本发明不予赘述。具体实施时，为了便于作为产品运输售卖，相位激光测距仪可以设有壳体12，在壳 体12内合理设置光学部份和电路部份，利于实现光电结合，本发明建议设置方式参见附图 4:物镜4位于壳体12前端，可以接收大视场范围的反射回来的光线。为便于消除杂散光的 影响，本发明建议滤光片6设置在探测器7前方光轴处，令探测器7在滤光片6和物镜4的 焦点上。一般是先进行内光路测量后进行外光路测量。内光路测量时，凹面反射器5与挡 板反射器2转成45度位置相应，以便汇聚挡板反射器2反射的光线到探测器7。外光路在 内光路路线之外，外光路测量时需要将挡板反射器2放下以免阻挡光路。可将挡板反射器2 固定于翻板电机9上，翻板电机9通过螺栓固定在相位激光测距仪的壳体12内，通过单片 机来控制翻板电机9，拖动挡板反射器2翻转，以实现在外光路测量时放下挡板反射器2，在 内光路测量时则复位挡板反射器2以便将激光反射到凹面反射器5。当根据测程要求，光路 部分需要采用含有双反射镜结构时，双反射镜固定于壳体12前方，作用是能有效接收漫反 射回来的光线，具体来说其中一个反射镜8. 1置于激光发射器1前方，另一个反射镜8. 2置 于探测器7前方，两个反射镜的镜面相对，激光发射到第一个反射镜后，折射到第二个反射 镜，由第二个反射镜再照射到被测目标。控制板11的电路板可以固定在相位激光测距仪的 壳体12底部，实现控制功能；接收板10的电路板可以固定在控制板11上方，以便配合激光 发射器1和探测器7实现激光调制发射及接收解调功能。具体实施时，可以将激光发射器 1和探测器7焊接在电路部分的接收板10上，并且设置激光发射器1与探测器居7处于垂 直于控制板11的同一中心线上，以便探测器7接收返回的激光。(三)算法部分利用本发明所提供相位激光测距仪实现的激光测距方法，是由单片机自动对测量所得携带相位信息的测量正弦信号进行处理得到被测目标的距离，包括针对整波长个数部 分的搜索处理和针对非整波长部分的相位差检测处理。(1)参见图5，对外光路测量所得携带相位信息的测量正弦信号采样，所得波形上 过零点前后两个采样点记为A、B，A和B间连线与横轴的交点0作为计算过零点，可见计算 过零点0与波形上实际过零点0'具有一定偏差。采样点A到横轴距离标记为H，采样点B 到横轴距离标记为h。采样点A到计算过零点0的时长标记为X，则采样点B到计算过零点 0的时长则为T-x，其中T为采样周期。外光路测量所得测量正弦信号的波形，与内光路测 量所得测量正弦信号的波形之间具有一定相位差，标记为△〖。所述针对非整波长部分的相 位差检测处理具体方式为，对内光路测量所得携带相位信息的测量正弦信号记为M，外光路 测量所得携带相位信息的测量正弦信号记为N，首先对测量正弦信号M和N分别求取计算 过零点，所述求取方式为对测量正弦信号的波形进行采样，找出波形上实际过零点前后两 个采样点，将这两个采样点间连线与横轴的交点作为计算过零点；然后根据测量正弦信号 M和N分别的计算过零点求出测量正弦信号M和N的相位差At，再根据相位差At转换得 到被测目标的距离的非整波长部分Δ λ。求取计算过零点时的横轴，是测量正弦信号的波形轴线，为求准确，可以对测量正 弦信号的波形进行采样所得采样点取平均值计算得到横轴。At占一个调制信号周期的比 例即为非整波长部分△ λ占一个调制波长的部分，实施例中所取4个不同频率的高频信号 的调制波长记为λ 1、λ 2、λ 3、λ 4，对应的非整波长部分依比例求取后记为Δ λ 1、Δ λ 2、 Δ λ 3、Δ λ 4。 (2)所述针对整波长个数部分的搜索处理具体方式为，单片机控制压控振荡器产生4个不同频率的高频信号，频率分别为315Μ、314Μ、 305Μ、285Μ，设相应的调制波长分别为λ 1、λ 2、λ 3、λ 4，距离测量时分别对应Ni、Ν2、Ν3、 Ν4个整数波长，则在测量同一被测目标的距离时，4个高频信号两两组合，每组得出一个被 测目标的估计距离D，然后求各组的估计距离D的平均值作为被测目标的距离求取结果；求 某组的被测目标的估计距离D具体方式如下，任取λ 1、λ 2、λ 3、λ 4中两个调制波长λ χ、λ y，对应的非整波长部分为Δ λ χ 和Δ人7，那么1取1、2、3、4中任一，7取1、2、3、4中除1以外任一。分别对应Nx、Ny个整 数波长，进行组合得到如下两式D = Nx λ χ+ Δ λ χD = Ny λ y+ Δ λ y两式中D、Nx、Ny为未知，首先通过上述(1)中针对非整波长部分的相位差检测处 理方式算出被测目标的距离的非整波长部分Δ λ χ和Δ λ y，根据D、Nx、Ny的预设限定条 件，得出Nx、Ny，继而求出被测目标的估计距离D。实施例依据通过被测目标漫反射回来的光线能被探测器接收到的有效距离，限定被测目标的估计距离D小于60米。在60m(米)的范围内，对于最大调制频率的信号315MHz， 它在一个周期时间内传播的距离即为调制波长λ 1，是光速和调制频率信号对应的一个周 期时间的乘积，即Al=0.95m。故在60米测程范围内，整数值至多为63。为了减少实际 算法执行时间，提高测距的速度，实施例在算法中将此整数搜索的Ni、Ν2、Ν3、Ν4最大值统 一设为65。具体实施时，本领域技术人员可以根据情况自行预设限定条件。
实施例中，针对4个不同的高频信号分别执行各内光路检测和外光路检测后由单 片机进行处理，4个高频信号两两组合可以得到6个组，得到6个被测目标的估计距离D值， 相加后除6即得到平均值，作为被测目标的距离求取结果。具体实施时可以根据需要采用 其他数目，的高频信号，例如在精度要求较低情况下，只针对3个不同的高频信号，组成3个 组求取估计距离的平均值，作为被测目标的距离求取结果。实验证明，本实用新型实施例的适用温度为-20°C +45°C，可以采用两节5号电池供电，达到了测程为0 60m，在测程范围内精度为士 2mm (毫米)，分辨率为3mm、单次典 型测量时间为IS(秒)的标准。
权利要求
一种相位激光测距仪，其特征在于包括光路部份和电路部份，光路部分采用双反射镜结构或无双反射镜结构，所述双反射镜结构包括有激光发射器、挡板反射器、双反射镜、物镜、凹面反射器、滤光片及探测器，其中挡板反射器置于激光发射器前方，双反射镜、物镜、凹面反射器及滤光片依次置于探测器前方，凹面反射器与挡板反射器位置相应；内光路测量时，激光发射器发出激光，照射到挡板反射器上，再反射到凹面反射器上，再经过滤光片后照射到探测器上，形成内光路；外光路测量时，挡板反射器放下，激光发射器发出激光，发射到双反射镜上，再照射到被测目标，经漫反射到物镜上，再经过滤光片后照射到探测器上，形成外光路；所述无双反射镜结构包括有激光发射器、挡板反射器、物镜、凹面反射器、滤光片及探测器，其中挡板反射器置于激光发射器前方，物镜、凹面反射器及滤光片依次置于探测器前方，凹面反射器与挡板反射器位置相应；内光路测量时，激光发射器发出激光，照射到挡板反射器上，再反射到凹面反射器上，再经过滤光片后照射到探测器上，形成内光路；外光路测量时，挡板反射器放下，激光发射器发出激光，照射到被测目标，经漫反射到物镜上，再经过滤光片后照射到探测器上，形成外光路；电路部份包括控制板和接收板两部分，所述控制板以单片机为核心，设置控制键盘、显示设备和JTAG接口；所述接收板包括压控振荡器、缓冲放大器、混频器和调制激光光源，单片机控制压控振荡器产生高频信号后，经缓冲放大器后分为两路；其中一路同相正弦信号与单片机产生的方波经过混频器后，所得混频信号加在调制激光光源上，通过激光发射器发出激光，沿内光路或外光路发出；另一路反相正弦信号加在探测器上，与经内光路或外光路返回探测器的激光用相干法解调，解调后所保留下携带相位信息的测量正弦信号返回到单片机进行处理。
2.根据权利要求1所述的相位激光测距仪，其特征在于所述单片机采用C8051F芯 片，控制键盘采用4X4矩阵键盘控制，显示设备采用128*64液晶点阵LCD，压控振荡器采用 MAX2608芯片，缓冲放大器采用MAX2470芯片，混频器采用U2793B芯片，调制激光光源采用 QL63D4SC 芯片。
3.采用权利要求1或2所述相位激光测距仪实现的激光测距方法，其特征在于单片 机对测量所得携带相位信息的测量正弦信号进行处理得到被测目标的距离，包括针对整波 长个数部分的搜索处理和针对非整波长部分的相位差检测处理；(1)所述针对非整波长部分的相位差检测处理具体方式为，对内光路测量所得携带相 位信息的测量正弦信号记为M，外光路测量所得携带相位信息的测量正弦信号记为N，首先 对测量正弦信号M和N分别求取计算过零点，所述求取方式为对测量正弦信号的波形进行 采样，找出波形上实际过零点前后两个采样点，将这两个采样点间连线与波形上横轴的交 点作为计算过零点；然后根据测量正弦信号M和N的计算过零点求出测量正弦信号M和N 的相位差At，再根据相位差At转换得到被测目标的距离的非整波长部分Δ λ ；(2)所述针对整波长个数部分的搜索处理具体方式为，单片机控制压控振荡器产生4个高频信号，频率分别为315Μ、314Μ、305Μ、285Μ，设相应 的调制波长分别为λ U入2、λ 3、λ4，距离测量时分别对应Ν1、Ν2、Ν3、Ν4个整数波长，则 在测量同一被测目标的距离时，4个高频信号两两组合，每组得出一个被测目标的估计距离 D，然后求各组的估计距离D的平均值作为被测目标的距离求取结果；求某组的被测目标的估计距离D具体方式如下，任取λ 、λ2、λ3、λ 4中两个调制波长λχ、λ y，分别对应Nx、Ny个整数波长，进行 组合得到如下两式<formula>formula see original document page 3</formula>两式中D、Nx、Ny为未知，首先通过上述针对非整波长部分的相位差检测处理方式算出 被测目标的距离的非整波长部分Δ λχ和Δ Xy，根据D、Nx、Ny的预设限定条件，得出Nx、 Ny，继而求出被测目标的估计距离D ；所述D、Nx、Ny的预设限定条件为，被测目标的估计距 离D小于60米，Nx、Ny为整数且小于65。
全文摘要
本发明所提供相位激光测距仪的光路部分可以采用含有双反射镜结构或无双反射镜结构，采用单片机技术自动给出测量结果，包括针对整波长个数部分的搜索处理和针对非整波长部分的相位差检测处理。本发明结构简单，集成度高，可以做成便于携带使用的手持式相位激光测距仪产品，能减轻人们的劳动强度，提高工作效率，同时应用其进行测量具有非接触、精度高、测程远、测速快的优点。
文档编号G01S17/08GK101813472SQ20091027294
公开日2010年8月25日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者于涛, 许贤泽 申请人:武汉大学