高速激光测距方法及高速激光测距系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种高速激光测距系统，其包括发射模块、接收模块、混频电路等单元，该激光测距方法及系统采用单一测量频率，将相位的测量换算成单一周期内时间的测量，用简单、通用的时间测量集成电路(如CPLD)，测量出频率适中（比如几十Khz)的下变频信号的一周期内的时间差，即可测出直线距离。由于使用单一测量频率信号，且下变频的信号频率适中，而且只需测量时间差，所以可以在测量速度和测量分辨率上做折衷，设计出既满足测量速度有满足测量分辨率要求的应用实例，且成本较低，能广泛使用于各种机器人上的测距模块方案，还能广泛使用在工业自动化领域，汽车防撞系统等。
【专利说明】高速激光测距方法及高速激光测距系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光测距【技术领域】，特别一种能实现高速、高精度、短距离激光测距的方法及实现该测距方法的激光测距系统。
【背景技术】
[0002]激光相位测距方法是通过激光作为光源对目标距离进行精确测定的一种方法，目前激光测距主要通过干涉法、相位法、脉冲法三种方式实现。其中干涉法激光测距对震动很敏感，只适于测量相对位移量，在无震动、测程很短的精密测量中能适用，因此这种激光测距方法应用范围较窄，不能得到较为广泛的应用。脉冲法激光测距是通过将激光脉冲飞行时间换算成测程的方式进行测距，由于激光发射器能在瞬间输出超强功率的红外波段的激光脉冲，且单次脉冲持续的时间很短，因此该测距方法的优点是:超远程、对人体无伤害、抗干扰能力较强等；缺点是，测量分辨率低。相位式激光测距方式是通过计算二个频率较高的测量信号的相位差来计算测程，激光发射器发射的是经调制的可见光，所以该测距方法的优点是:测量分辨率高，应用灵活；缺点是:测程短，单次测量速度较慢，由于使用的是可见光，抗可见光干扰的能力差。
[0003]其中相位法最常用的是双频率信号测量法，其原理是，用Fl和F2 二个测尺频率分别调制光波去测量同一距离时，而光波的相位移分别为:Φ1=2ΠΡΚ=2Π (Ν1+ΔΝ1),Φ2=2ΠΡ2?=2Π (Ν2+ΛΝ2)，相位差为 Λφ = φ1-φ2=2Π[ (Ν1-Ν2)+ ( ΔΝ1-ΔΝ2) ]=2Π(Ν+ΛΝ)，其中 Ν=Ν1_Ν2，ΔΝ=ΔΝ1-ΔΝ20
[0004]若用差频F1-F2作为光波的调制频率来测量这一距离时，其相位为，Φ=2Π (Fl-F2)t=2n [ (N1-N2)+ ( ΔΝ1-ΔΝ2) ]=2Π (Ν+ΛΝ)，可见，对同一距离做相位法测量时，二个测尺频率分别测距的相位移之差，等于以二个测尺频率的差频作为测尺频率来测距时的相位移。在实`际应用中，将Fl或F2其中的一个作为精尺，因为Fl或F2对应的波长较短，用它的相位进行细分，可得出较高距离分辨率的结果，F1-F2作为粗尺，因为F1-F2对应的波长较长，用它的相位检测的距离较长，可提高测程。测距时，用Fl和F2 二个测尺频率分别调制光波去测量同一距离时，检测出二个相位值，用其中的一个相位值用前面讲述的方法换算成较精确的距离值LI，再用二个相位的差值去换算成精确度较低的距离值L2，假设用Fl作为精尺频率，Fl对应的波长是X1，F1-F2粗尺频率对应波长是λ，设Fl=m*(Fl-F2),则 λ =m* λ I,则总的测距系统与目标物的距离L= (L2-λ 1/2)+LI。由上述方法不难看出，要测量一次距离，需要用二个测尺频率Fl和F2做二次测量、处理和计算，而且每次测量时相位的计算较为复杂，这是因为Fl和F2的频率较高的缘故，所以这种方法比较耗时，不能作为高速测量使用。
【发明内容】
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种既满足高速测量、又满足较高分辨率要求，且成本较低的激光测距方法，以及实现该激光测距方法的一种激光测距系统。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高速激光测距方法，其包括如下步骤:将正弦信号通过激光驱动电路驱动激光二极管工作，使激光二极管发射平行光对目标物进行照射；使用APD雪崩光电二极管接收目标物的反射光并转化为回波信号；取激光驱动电路驱动激光二极管的发射信号，用同一路本振信号对发射信号和回波信号进行混频、下变频，得到两路中频信号，测量两路中频信号的相位差，二路中频信号的相位差即为回波信号和发射信号的相位差，该相位差与测量距离成正比例的关系，这样根据相位差就可测量出激光二极管距目标物的距离。
[0007]优选地，两路中频信号通过带有计时功能的CPLD进行测量。
[0008]优选地，激光二极管发射的平行光为635nm的红光。
[0009]本发明还公开了一种实现上述高速激光测距方法的激光测距系统，其包括:发射模块，所述发射光学系统包括正弦波发射信号形成电路、激光二极管驱动电路、激光二极管和发射透镜，正弦波发射信号形成电路给激光二极管驱动电路发送正弦信号使激光二极管发光，激光二极管发出光经发射透镜变为平行光；接收模块，所述接受模块包括接收透镜、Aro雪崩光电二极管、Aro偏压自混频运放电路、本振耦合Aro偏压电路、所述收透镜用于接收反射光并照射在APD雪崩光电二极管上，APD雪崩光电二极管上与APD偏压自混频运放电路连接，APD偏压自混频运放电路与本振耦合APD偏压电路连接；混频电路，所述混频电路的信号输入端与激光二极管驱动电路的信号输出端连接，混频电路的本振频率输入端与正弦波本振形成电路连接,所述正弦波本振形成电路还与本振耦合Aro偏压电路的本振频率输入端连接；所述混频电路的输出端通过运放整形电路与计时电路连接，所述Aro偏压自混频运放电路通过运放整形电路与所述计时电路连接。
[0010]优选地，所述相位比较电路采用计时电路CPLD。
[0011 ] 优选地，所述本振耦合APD偏压电路为倍压升压及本振耦合APD偏压电路，所述倍压升压及本振耦合APD偏压电路与PWM缓冲驱动电路连接，所述倍压升压及本振耦合APD偏压电路通过PWM信号的占空比控制升压值，所述倍压升压及本振耦合APD偏压电路还与一 APD偏压取样电路连接，所述APD偏压取样电路与一单片机微控制器电路连接，所述单片机微控制器电路与所述计时电路CPLD连接，所述计时电路CPLD与所述PWM缓冲驱动电路连接；单片机微控制器电路通过APD偏压取样电路反馈信号大小通过计时电路CPLD控制PWM缓冲驱动电路的信号输出。
[0012]优选地，所述单片机微控制器电路上设有外部复位、RS232接口及ISP接口。
[0013]优选地，所述激光二极管驱动电路为激光APC驱动电路，所述激光APC驱动电路还与一开关控制电路连接，所述开关控制电路控制所述激光APC驱动电路工作或停止。
[0014]优选地，所述正弦波本振形成电路为缓冲正弦波本振形成电路，该缓冲正弦波本振形成电路的信号输入端与所述计时电路CPLD连接，所述计时电路CPLD输出本振方波信号给所述缓冲正弦波本振形成电路。
[0015]优选地，所述APD偏压自混频运放电路为APD偏压自混频及高精密运放电路。
[0016]如上所述，本发明的高速激光测距方法及高速激光测距系统具有以下有益效果:该激光测距方法及系统采用单一测量频率，将相位的测量换算成单一周期内时间的测量，用简单、通用的时间测量集成电路(如CPLD)，测量出频率适中(比如几十Khz)的下变频信号的一周期内的时间差，即可测出直线距离。由于使用单一测量频率信号，且下变频的信号频率适中，而且只需测量时间差，所以可以在测量速度和测量分辨率上做折衷，设计出既满足测量速度有满足测量分辨率要求的应用实例，且成本较低，能广泛使用于各种机器人上的测距模块方案，还能广泛使用在工业自动化领域，汽车防撞系统等。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明实施例的整体模块示意图。
[0018]图2是本发明实施例发射、接收模块示意图。
[0019]图3是本发明实施例的整机装配示意图。
[0020]图4是本发明实施例发射模块的发光示意图。
[0021]图5是本发明实施例接收模块接收反射光的示意图。
[0022]图6是本发明实施例的工作原理示意图。
【具体实施方式】
[0023]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0024]请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0025]如图1、2所示，该激光测距系统包括发射模块、接收模块和主板模块几部分，其中发射模块和接收模块实现激光发射和接收的功能和部分发射和接收信号的处理功能，主板模块实现发射和接收信号的部分处理功能和整形功能，还实现数字信号的处理功能和系统所需要的控制功能及通信功能、对外的接口功能。
[0026]发射模块包括高精度有源晶振17、缓冲及正弦波发射信号形成电路16、激光APC驱动电路4 (即恒功率激光二极管驱动电路)、发射管21、发射透镜22，发射管21采用激光二极管。高精度有源晶振17产生误差小于5ppm的较高稳定度的高频方波信号，该信号输出到缓冲及正弦波发射信号形成电路16，由缓冲及正玄波发射信号形成电路16将方波信号经反相器缓冲后，由LC滤波器滤掉高次谐波分量，使其成为一个标准的正弦波信号，该正弦波信号输出到激光APC驱动电路4，形成发射信号。激光APC驱动电路4是恒功率激光驱动电路(APC)，激光APC驱动电路4产生的发射信号采用振幅调制方式驱动发射管21工作。发射管21工作时发出635nm的红光，通过发射透镜22变成小束平行激光发射出去，发射管21输出的光功率大约5mw左右，因为光功率很小，所以对人体是安全的。
[0027]接收模块包括接收透镜24、接收管23、APD偏压自混频及高精密运放电路9、倍压升压及本振耦合APD偏压电路8。接收透镜24用于接收反射光并照射在接收管23上，接收管23采用APD雪崩光电二极管，接收管23与倍压升压及本振耦合APD偏压电路8，倍压升压及本振耦合APD偏压电路8用于向接收管23提供APD偏压，倍压升压及本振耦合APD偏压电路8还与APD偏压自混频及高精密运放电路9连接。APD偏压自混频及高精密运放电路9对接收管23形成的和发射信号同频率的电流信号进行混频下变频并变成电压信号IF2中频信号，并进行高精密的放大，该电路的APD反相偏压来自倍压升压及本振耦合APD偏压电路8，倍压升压及本振耦合APD偏压电路8采用倍压升压电路，通过调节PWM的占空比可改变升压值，其中PWM信号来自PWM缓冲驱动电路7，该倍压升压及本振耦合APD偏压电路8还将来自缓冲及正弦波本振形成电路15 (位于主板模块上)的本振信号耦合到APD偏压上，这样APD偏压自混频及高精密运放电路9就实现了混频下变频的功能。
[0028]如附图1中所示，虚线框中的发射模块和接收模块结合成一整体的发射接收模块，实现了光学结构和发射管、接收管及小信号高频电路的紧密结合，使得高频小信号的失真度能有效的减小，保证测量的精度。如图3所示，发射接收模块位于发射接收电路板上31，主板模块位于主板30，发射接收电路板上31与主板30通过连接器连接。
[0029]在发射接收模块上设有一 IFl混频电路13，IFl混频电路13的信号输入端与激光APC驱动电路4的信号输出端连接，混频电路的本振频率输入端与正弦波本振形成电路连接，所述正弦波本振形成电路还与本振耦合APD偏压电路的本振频率输入端连接；所述混频电路的输出端通过运放整形电路与计时电路连接，所述Aro偏压自混频运放电路通过运放整形电路与所述计时电路连接。从激光APC驱动电路4取出一路发射信号去IFl混频电路13进行下变频得到发射中频信号IFl，IFl混频电路13的本振频率来自缓冲及正弦波本振形成电路15。
[0030]主板模块上设有IF2过零比较器整形电路IUIFl过零比较器整形电路6、计时电路CPLD2等单元。IFl混频电路13输出的IFl中频信号至IFl运放5，IFl中频信号经放大到理想幅值后输出至IFl过零比较器整形电路6，IFl中频信号经IFl过零比较器整形电路6整形后输出IFl方波信号至计时电路CPLD2。IF2运放10对来自ATO偏压自混频及高精密运放电路9的IF2中频信号进行第二次放大，这样IF2信号就能达到较大的幅值，以供后续处理使用。由APD偏压自混频及高精密运放电路9输出的信号经IF2运放10变为理想幅度的正弦波IF2信号，然后再经IF2过零比较器整形电路11，输出IF2方波信号至计时电路CPLD2。计时电路CPLD2为具有计时功能的可编辑逻辑集成电路，在此处该计时电路CPLD2可作为相位比较电路来比较IFl方波信号与IF2方波信号的相位差，IFl方波信号的相位减去IF2方波信号的相位就是发射信号和接收信号的相位差，该相位差和测量距离成正比。
[0031]主板模块上还设有一 APD偏压取样电路12，APD偏压取样电路12实现对来自倍压升压及本振耦合APD偏压电路8的APD偏压信号进行取样并送往单片机微控制器电路I的ADC端口，这样单片机能得到APD偏压的真实大小，然后通过计时电路CPLD2输出PWM控制信号至PWM缓冲驱动电路7，由PWM缓冲驱动电路7输出的PWM控制信号来调节倍压升压及本振耦合APD偏压电路8输出的APD偏压的大小。单片机微控制器电路I和计时电路CPLD2通过数据、地址、控制信号来进行通信。
[0032]激光APC驱动电路4还与一开关控制电路连接，开关控制电路为图中所示APC开关SW驱动电路3，计时电路CPLD2同时输出APC开关SW控制信号至APC开关SW驱动电路3，Sff信号经驱动后作为开关信号去控制激光APC驱动电路4，Sff能控制激光APC驱动电路4是处于工作还是停止状态。[0033]单片机微控制器电路I上设有外部复位、RS232接口及ISP接口。单片机微控制器电路I还可以通过外部复位25进行强制复位。RS232外部接口 26负责单片机微控制器电路I和外部进行通信，比如测量距离数据的传输等。单片机微控制器电路I通过ISP接口 27进行实施程序下载、烧录以及和外部的通信等功能。计时电路CPLD2通过程序下载JTAG28进行程序下载和烧录等。计时电路CPLD2通过外部控制TG1，229对外实施双向控制功能。该系统的外部电源接口采用外接12V直流电源的方式通过12V电源输入接口 18接入12V直流电源。12V直流电经5V稳压电路19输出纹波小的5V直流电供整个系统使用，主要是模拟电路部分使用。5V直流电再经过3.3V稳压电路20输出3.3V纹波小的直流电供系统的数字电路部分使用。总之，计时电路CPLD2负责实施IFl、IF2方波信号相位差的检测和发射、接收的控制功能。单片机微控制器电路I负责实施反馈采样信号的AD转换和相位/距离转换计算功能以及外部通信的功能，另外，外部接口功能也由单片机微控制器电路I负责实施。
[0034]激光相位测距的基本工作原理为:发射信号是正弦波信号，发射信号的频率和测距量程有关，具体为:设测距量程为D，目标物与测距系统的直线距离为L，发射信号的频率为F，发射信号的波长为λ，发射信号的相位为，接收信号的相位为Φr，光速C=3xl0 Λ SM,由于接收信号是发射信号的反射信号，所以接收信号的频率和波长和发射信号的频率和波长相同。再设 F=12.5Mhz，则 λ =C/F= (3*10 Λ 8)/ (12.5*10 Λ 6)=24Μ,由于单波长内的信号相位差能够加以分辨，所以2D=A，D=X /2=12M。以上计算了发射信号频率是12.5Mhz时的测距量程的大小。2?=(Φι-φ8)/2Πχλ，?=(φι-φ8)*λ/4π。由于发射信号的频率固定，则λ/4Π为一常数，L与接收与发射信号的相位差成正比，只要检测出接收与发射信号的相位差，则可得出距离的数值。
[0035]本发明采用的是单频率相位测距的原理，由于只需要测量一个频率较低的中频IF的相位差，比如该中频为20Khz，而且不用做正弦函数的计算，只用计时器件如CPLD计时即可得出相位差，也能做到较高的测距分辨率，由于只需一次测量且不用做正弦函数得计算，所以能适用于高速测距的场合。
[0036]下面结合图6，对该单频率相位测距的原理进行介绍。将正弦信号通过驱动电路驱动发射管21工作，使发射管21发射出平行光对目标物进行照射；使用接收管23接收目标物的反射光并转化为回波信号；取激光驱动电路驱动发射管的发射信号，用同一路本振信号对发射信号和回波信号进行混频、下变频，得到两路中频信号，两路中频信号经放大整形后进入相位比较电路，测量两路中频信号的相位差，二路中频信号的相位差即为回波信号和发射信号的相位差，该相位差与测量距离成正比例的关系，这样根据相位差就可测量出激光二极管距目标物的距离。用频率为F的正弦波信号调制光波去测量距离，则发射和反射回波正弦波信号的相位分别为Φ1，Φ2，相位差为ΛΦ = Φ1-Φ2。将频率为F的发射和反射回波正弦波信号用同一个本振频率正弦波信号进行混频下变频，得到中频信号IFl和IF2，设本振信号频率为Fo，则本振信号的相位为Φο, IFl和IF2的相位分别为，Φ3=Φ1_Φο, Φ4= Φ 2-Φo, IFl和IF2的相位差为Λ Φ1=Φ3-Φ4=(Φ1-Φο)-(Φ2-Φο) = Φ1-Φ2。贝丨J IFl和IF2的相位差等于发射和反射回波正弦波信号的相位差，又发射和反射回波正弦波信号的相位差和测量距离成正比，所以测算出IFl和IF2的相位差即可以得出测量距离。[0037]该激光测距方法及系统采用单一测量频率，将相位的测量换算成单一周期内时间的测量，用简单、通用的时间测量集成电路(如CPLD)，测量出频率适中(比如几十Khz)的下变频信号的一周期内的时间差，即可测出直线距离。由于使用单一测量频率信号，且下变频的信号频率适中，而且只需测量时间差，所以可以在测量速度和测量分辨率上做折衷，设计出既满足测量速度有满足测量分辨率要求的应用实例，且成本较低，能广泛使用于各种机器人上的测距模块方案，还能广泛使用在工业自动化领域，汽车防撞系统等。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0038]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种高速激光测距方法，其特征在于，其包括如下步骤:将正弦信号通过激光驱动电路驱动激光二极管工作，使激光二极管发射平行光对目标物进行照射；使用APD雪崩光电二极管接收目标物的反射光并转化为回波信号；取激光驱动电路驱动激光二极管的发射信号，用同一路本振信号对发射信号和回波信号进行混频、下变频，得到两路中频信号，测量两路中频信号的相位差，两路中频信号的相位差即为回波信号和发射信号的相位差，该相位差与测量距离成正比例的关系，这样根据相位差就可测量出激光二极管距目标物的距离。
2.根据权利要求1所述的高速激光测距方法，其特征在于:两路中频信号通过带有计时功能的CPLD进行测量。
3.根据权利要求1所述的高速激光测距方法，其特征在于:激光二极管发射的平行光为635nm的红光。
4.一种高速激光测距系统，其特征在于，其包括: 发射模块，所述发射光学系统包括正弦波发射信号形成电路、激光二极管驱动电路、激光二极管和发射透镜，正弦波发射信号形成电路给激光二极管驱动电路发送正弦信号使激光二极管发光，激光二极管发出光经发射透镜变为平行光； 接收模块，所述接受模块包括接收透镜、APD雪崩光电二极管、AH)偏压自混频运放电路、本振耦合APD偏压电路、所述收透镜用于接收反射光并照射在APD雪崩光电二极管上，APD雪崩光电二极管上与APD偏压自混频运放电路连接，APD偏压自混频运放电路与本振耦合AH)偏压电路连接； 混频电路，所述混频电路的信号输入端与激光二极管驱动电路的信号输出端连接，混频电路的本振频率输入端与正弦波本振形成电路连接，所述正弦波本振形成电路还与本振耦合APD偏压电路的本振频率输入端连接； 所述混频电路的输出端通过运放整形电路与相位比较电路连接，所述APD偏压自混频运放电路通过运放整形电路与所述相位比较电路连接。
5.根据权利要求4所述的高速激光测距系统，其特征在于:所述相位比较电路采用计时电路CPLD。
6.根据权利要求5所述的高速激光测距系统，其特征在于:所述本振耦合Aro偏压电路为倍压升压及本振耦合APD偏压电路，所述倍压升压及本振耦合APD偏压电路与PWM缓冲驱动电路连接，所述倍压升压及本振耦合APD偏压电路通过PWM信号的占空比控制升压值，所述倍压升压及本振耦合APD偏压电路还与一 APD偏压取样电路连接，所述APD偏压取样电路与一单片机微控制器电路连接，所述单片机微控制器电路与所述计时电路CPLD连接，所述计时电路CPLD与所述PWM缓冲驱动电路连接；单片机微控制器电路通过APD偏压取样电路反馈信号大小通过计时电路CPLD控制PWM缓冲驱动电路的信号输出。
7.根据权利要求6所述的高速激光测距系统，其特征在于:所述单片机微控制器电路上设有外部复位、RS232接口及ISP接口。
8.根据权利要求4所述的高速激光测距系统，其特征在于:所述激光二极管驱动电路为激光APC驱动电路，所述激光APC驱动电路还与一开关控制电路连接，所述开关控制电路控制所述激光APC驱动电路工作或停止。
9.根据权利要求5所述的高速激光测距系统，其特征在于:所述正弦波本振形成电路为缓冲正弦波本振形成电路，该缓冲正弦波本振形成电路的信号输入端与所述计时电路CPLD连接，所述计时电路CPLD输出本振方波信号给所述缓冲正弦波本振形成电路。
10.根据权利要求4所述的高速激光测距系统，其特征在于:所述AH)偏压自混频运放电路为APD偏压自混 频及闻精密运放电路。
【文档编号】G01S17/08GK103809185SQ201310714628
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】孙丛林 申请人:深圳市威睿晶科电子有限公司