一种基于APD的光功率自补偿的激光测距系统和方法与流程

本发明属于距离测量技术领域，尤其涉及一种基于APD的光功率自补偿的激光测距方法和系统。

背景技术：

雪崩二极管(Avalanche Photo Diode，APD)相对于二极管(Positive Input Negative，PIN)作为光电转换器件具有很大的内增益，提高了激光测距系统的信噪比和灵敏度，适合高精度场合。但是，APD是一个非线性的器件，对于入射其上的光信号产生非线性响应，响应时间随温度、APD偏置电压以及光功率等变化，同时在相位法激光测距系统中，回光信号随距离增加成二次方的减小，当回光信号光功率小于某个值时，则会由于APD的非线性导致相位误差，进而导致测量得到的距离存在误差。

目前，对于APD产生的相位误差的补偿是通过标定的方法进行修正。然而，现有的标定修正方法存在诸多问题：1、一般只考虑到温度、APD偏置电压以及光功率等外界因素中的其中一个，当其他外界因素发生变化时，难以实现补偿；2、元器件的老化等将导致各参数与相位的关系发生改变，原有标定曲线将无法实现对相位误差的准确补偿。可见，现有的相位误差补偿方案受外界条件影响较大，存在补偿误差较大、难以达到高精度的测距性能要求的问题。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于APD的光功率自补偿的激光测距系统和方法，旨在消除APD的相位误差，达到高精度的测距性能。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于APD的光功率自补偿的激光测距系统，包括：发射系统、光功率调节系统和接收系统；

发射系统，用于向待测目标物发射频率为f的测量光信号、向反光镜发射频率为0的补偿光信号；

以及，在接收系统确定接收到的测量光信号对应的反射光信号与补偿光信号对应的反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时，停止向待测目标物发射测量光信号，并，向反光镜发射功率为P0、频率为f的补偿光信号；

光功率调节系统，用于调节发射系统中补偿光信号的发射功率，以使接收系统接收到的测量光信号对应的反射光信号与补偿光信号对应的反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致；

接收系统，用于接收频率为f的测量光信号经待测目标物反射后返回的反射光信号，和，接收频率为0的补偿光信号经反光镜反射后返回的反射光信号；

以及，判断接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P是否一致；当接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时，确定当前时刻下的测量光信号对应的反射光信号的第一相位值和当前时刻下的补偿光信号的功率P0；当接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P不一致时，控制所述光功率调节系统对发射系统中补偿光信号的发射功率进行调节；

以及，接收功率为P0、频率为f的补偿光信号对应的反射光信号，确定所述功率为P0、频率为f的补偿光信号对应的反射光信号的第二相位值；

以及，根据所述第一相位值与第二相位值的差值，确定所述待测目标物的距离。

在上述基于APD的光功率自补偿的激光测距系统中，发射系统包括：测距激光发生器、补偿激光发生器和开关切换单元；接收系统包括：APD、相位提取单元和处理器；

测距激光发生器，用于向待测目标物发射频率为f、功率为P1的测量光信号；

补偿激光发生器，用于向反光镜发射频率为0、功率为P2的补偿光信号；

APD，用于接收频率为f、功率为P1的测量光信号经待测目标物反射后返回的反射光信号以及接收频率为0、功率为P2的补偿光信号经反光镜反射后返回的反射光信号；判断接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P是否一致；当接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时。控制相位提取单元的执行；当接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P不一致时，根据接收到的各反射光信号的光功率之和，计算得到电流I1；

光功率调节系统，用于根据电流I1得到调节电流I2，将调节电流I2输入至补偿激光发生器，以使补偿激光发生器根据所述调节电流I2向反光镜发射频率为0、功率为P3的补偿光信号；其中，所述光功率调节系统基于所述接收系统、光功率调节系统和发射系统构成的闭环系统对补偿激光发生器的发射功率进行循环调节，直至APD接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致；

相位提取单元，用于在APD确定接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时，确定当前时刻下的测量光信号对应的反射光信号的第一相位值；

处理器，用于在APD确定接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时，确定当前时刻下的补偿光信号的功率P0，并将功率P0发送至补偿激光发生器；

开关切换单元，用于在APD确定接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时，关闭测距激光发生器，停止向待测目标物发射测量光信号；

补偿激光发生器，还用于在APD确定接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时，向反光镜发射功率为P0、频率为f的补偿光信号；

相位提取单元，还用于确定功率为P0、频率为f的补偿光信号对应的反射光信号的第二相位值；

处理器，还用于根据所述第一相位值与第二相位值的差值，确定所述待测目标物的距离。

在上述基于APD的光功率自补偿的激光测距系统中，所述处理器，还用于预先设置APD的接收功率为所述预设参考功率P，并将所述预设参考功率P配置至光功率调节系统。

在上述基于APD的光功率自补偿的激光测距系统中，所述光功率调节系统，包括：误差比较单元和模拟控制器；

误差比较单元，用于计算得到所述预设参考功率P对应的电流I，得到所述电流I与电流I1的差值e；

模拟控制器，用于根据所述差值e解算得到调节电流I2，将所述调节电流I2输入至补偿激光发生器，以使补偿激光发生器根据所述调节电流I2向反光镜发射频率为0、功率为P3的补偿光信号。

在上述基于APD的光功率自补偿的激光测距系统中，功率P0、P1、P2和P3均小于所述预设参考功率P。

相应的，本发明还公开了一种基于APD的光功率自补偿的激光测距方法，包括：

通过发射系统向待测目标物发射频率为f的测量光信号、向反光镜发射频率为0的补偿光信号；

通过接收系统接收频率为f的测量光信号经待测目标物反射后返回的反射光信号，和，接收频率为0的补偿光信号经反光镜反射后返回的反射光信号；判断接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P是否一致；

当确定接收系统接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P不一致时，通过光功率调节系统调节发射系统中补偿光信号的发射功率，以使接收系统接收到的测量光信号对应的反射光信号与补偿光信号对应的反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致；

当接收系统接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时，确定当前时刻下的测量光信号对应的反射光信号的第一相位值和当前时刻下的补偿光信号的功率P0；

以及，控制发射系统停止向待测目标物发射测量光信号，且，向反光镜发射功率为P0、频率为f的补偿光信号；确定当前时刻下，所述功率为P0、频率为f的补偿光信号对应的反射光信号的第二相位值；

根据所述第一相位值与第二相位值的差值，确定所述待测目标物的距离。

本发明具有以下优点：

本发明公开的方案，可以通过光功率调节系统保持APD接收到的光功率始终恒定为预设参考功率P，进而消除由距离导致的光功率的变化，也即，由光功率导致的相位差保持恒定。其次，在测量光信号和补偿光信号同时发射时，发射的测量光信号的频率为f，发射的补偿光信号的频率为0；在停止测量光信号的发射、单独发射补偿光信号时，发射的补偿光信号的频率由0调整为f；因此，可以认为在关闭测量光信号发射前后，系统的温度和APD接收到的反射光信号的频率都是一定的。再次，本发明所述的方案是基于对光频率实现光功率调节的，不需要对APD的偏置电压进行调节，也即，APD的偏置电压是保持恒定的。综上，在发明公开的方案中，光功率、调制频率以及温度等各种影响APD特性的因素都是恒定的，所以无论测量距离怎么变化，APD的相位误差是恒定的，自补偿方案不受外界条件影响，实现了对相位误差的准确补偿，因此，第一相位值与第二相位值的差值也即只包含距离信息的相位，根据所述差值可以准确确定待测目标物的距离，保证了高精度的测距性能要求。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于APD的光功率自补偿的激光测距系统的结构框图；

图2是本发明实施例中又一种基于APD的光功率自补偿的激光测距系统的结构框图；

图3是本发明实施例中一种基于APD的光功率自补偿的激光测距方法的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

参照图1，示出了本发明实施例中一种基于APD的光功率自补偿的激光测距系统的结构框图。在本实施例中，所述系统包括：发射系统1、光功率调节系统2和接收系统3。其中：

发射系统1，用于：

向待测目标物发射频率为f的测量光信号、向反光镜发射频率为0的补偿光信号；

以及，在接收系统确定接收到的测量光信号对应的反射光信号与补偿光信号对应的反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时，停止向待测目标物发射测量光信号，并，向反光镜发射功率为P0、频率为f的补偿光信号。

光功率调节系统2，用于调节发射系统中补偿光信号的发射功率，以使接收系统接收到的测量光信号对应的反射光信号与补偿光信号对应的反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致。

接收系统3，用于：

接收频率为f的测量光信号经待测目标物反射后返回的反射光信号，和，接收频率为0的补偿光信号经反光镜反射后返回的反射光信号；

以及，判断接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P是否一致；当接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时，确定当前时刻下的测量光信号对应的反射光信号的第一相位值和当前时刻下的补偿光信号的功率P0；当接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P不一致时，控制所述光功率调节系统对发射系统中补偿光信号的发射功率进行调节；

以及，接收功率为P0、频率为f的补偿光信号对应的反射光信号，确定所述功率为P0、频率为f的补偿光信号对应的反射光信号的第二相位值；

以及，根据所述第一相位值与第二相位值的差值，确定所述待测目标物的距离。

综上所述，本发明实施例所述的基于APD的光功率自补偿的激光测距系统，可以通过光功率调节系统保持APD接收到的光功率始终恒定为预设参考功率P，进而消除由距离导致的光功率的变化，也即，由光功率导致的相位差保持恒定。其次，在测量光信号和补偿光信号同时发射时，发射的测量光信号的频率为f，发射的补偿光信号的频率为0；在停止测量光信号的发射、单独发射补偿光信号时，发射的补偿光信号的频率由0调整为f；因此，可以认为在关闭测量光信号发射前后，系统的温度和APD接收到的反射光信号的频率都是一定的。再次，本发明所述的方案是基于对光频率实现光功率调节的，不需要对APD的偏置电压进行调节，也即，APD的偏置电压是保持恒定的。综上，在发明实施例中，光功率、调制频率以及温度等各种影响APD特性的因素都是恒定的，所以无论测量距离怎么变化，APD的相位误差是恒定的，自补偿方案不受外界条件影响，实现了对相位误差的准确补偿，因此，第一相位值与第二相位值的差值也即只包含距离信息的相位，根据所述差值可以准确确定待测目标物的距离，保证了高精度的测距性能要求。

在上述实施例基础上，下面对基于APD的光功率自补偿的激光测距系统的具体结构进行进一步的详细说明。参照图2，示出了本发明实施例中又一种基于APD的光功率自补偿的激光测距系统的结构框图。

在本实施例中，所述发射系统1具体可以包括：测距激光发生器101、补偿激光发生器102和开关切换单元103；接收系统3具体可以包括：APD301、相位提取单元302和处理器303。其中：

测距激光发生器101，用于向待测目标物发射频率为f、功率为P1的测量光信号。

补偿激光发生器102，用于向反光镜发射频率为0、功率为P2的补偿光信号。

APD301，用于接收频率为f、功率为P1的测量光信号经待测目标物反射后返回的反射光信号以及接收频率为0、功率为P2的补偿光信号经反光镜反射后返回的反射光信号；判断接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P是否一致；当接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时,控制相位提取单元302的执行；当接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P不一致时，根据接收到的各反射光信号的光功率之和，计算得到电流I1。

光功率调节系统2，用于根据电流I1得到调节电流I2，将调节电流I2输入至补偿激光发生器，以使补偿激光发生器102根据所述调节电流I2向反光镜发射频率为0、功率为P3的补偿光信号。

在本发明实施例中，所述光功率调节系统2可以基于所述接收系统1、光功率调节系统2和发射系统3构成的闭环系统对补偿激光发生器102的发射功率进行循环调节，直至APD301接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致。

相位提取单元302，用于在APD301确定接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时，确定当前时刻下的测量光信号对应的反射光信号的第一相位值。

处理器303，用于在APD301确定接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时，确定当前时刻下的补偿光信号的功率P0，并将功率P0发送至补偿激光发生器102。

开关切换单元103，用于在APD301确定接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时，关闭测距激光发生器101，停止向待测目标物发射测量光信号。

补偿激光发生器102，还用于在APD301确定接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时，向反光镜发射功率为P0、频率为f的补偿光信号。

相位提取单元302，还用于确定功率为P0、频率为f的补偿光信号对应的反射光信号的第二相位值。

处理器303，还用于根据所述第一相位值与第二相位值的差值，确定所述待测目标物的距离。

在上述基于APD的光功率自补偿的激光测距系统的基础上，所述处理器303，还用于预先设置APD301的接收功率为所述预设参考功率P，并将所述预设参考功率P配置至光功率调节系统2。

在上述基于APD的光功率自补偿的激光测距系统的基础上，所述光功率调节系统2具体可以包括：误差比较单元201和模拟控制器202。

误差比较单元201，用于计算得到所述预设参考功率P对应的电流I，得到所述电流I与电流I1的差值e。

模拟控制器202，用于据所述差值e解算得到调节电流I2，将所述调节电流I2输入至补偿激光发生器，以使补偿激光发生器根据所述调节电流I2向反光镜发射频率为0、功率为P3的补偿光信号。

其中，需要说明的是，功率P0、P1、P2和P3均小于所述预设参考功率P，在本发明实施例中，可以通过对补偿激光发生器102的发射功率的不断调节，使APD301接收到的各反射光信号的光功率之和稳定在预设参考功率P。

综上所述，本实施例所述的基于APD的光功率自补偿的激光测距系统，在开关切换单元切换前，补偿激光发生器输出的补偿光信号不包含频率信息，只是直流调制，作为光功率补偿；当测量距离发生变化时，由测距激光发生器发射的测量光信号经待测目标物返回的光信号的功率发生变化，此时可以通过光功率调节系统调节补偿发生器发射的补偿光信号的功率，基于接收系统、光功率调节系统和发射系统构成的闭环系统，保证了APD入射功率的稳定，因此APD有光功率因素影响的相位是固定的。进一步的，开关单元切换后，补偿激光发生器引入测量光信号的调制频率，同时关闭测距激光发生器；此时，由APD、光功率调节系统以及补偿激光发生器构成的闭环控制系统依然工作，APD的接收功率始终为预设参考功率P，故，此时APD的入射功率依然保持为P。可见，在开关切换单元切换前后，APD的入射信号频率、光功率以及温度等因素都是不变的，根据前后接收的光信号的相位差值，就可以消除APD信号的误差，达到对距离测量的高精度的要求。

在上述装置实施例的基础上，参照图3，示出了本发明实施例中一种基于APD的光功率自补偿的激光测距方法的步骤流程图。在本实施例中，所述方法包括：

步骤301，向待测目标物发射频率为f的测量光信号、向反光镜发射频率为0的补偿光信号。

步骤302，接收频率为f的测量光信号经待测目标物反射后返回的反射光信号，和，接收频率为0的补偿光信号经反光镜反射后返回的反射光信号。

步骤303，判断接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P是否一致。

在本发明实施例中，当确定接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P不一致时，可以执行下述步骤304；当确定接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时，可以执行下述步骤305和306。

步骤304，调节发射系统中补偿光信号的发射功率，以使接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致。

其中，需要说明的是，通过一次调节可能无法实现接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致，在实际应用中，可以通过步骤301-304的多次循环执行，最终确保接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致。

步骤305，确定当前时刻下的测量光信号对应的反射光信号的第一相位值和当前时刻下的补偿光信号的功率P0。

其中，在步骤305中的当前时刻是指：接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致这一时刻。

步骤306，停止向待测目标物发射测量光信号，且，向反光镜发射功率为P0、频率为f的补偿光信号；并，确定当前时刻下，所述功率为P0、频率为f的补偿光信号对应的反射光信号的第二相位值。

其中，步骤306中的当前时刻是指：无测量光信号的发射、且发射的补偿光信号的功率为P0、频率为f，这一时刻。

需要说明的是，上述步骤305和306在具体执行时没有必然的先后顺序，均在当确定接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致时执行，可以同时执行。

步骤307，根据所述第一相位值与第二相位值的差值，确定所述待测目标物的距离。

综上所述，本发明实施例所述的基于APD的光功率自补偿的激光测距方法，可以通过光功率调节系统保持APD接收到的光功率始终恒定为预设参考功率P，进而消除由距离导致的光功率的变化，也即，由光功率导致的相位差保持恒定。其次，在测量光信号和补偿光信号同时发射时，发射的测量光信号的频率为f，发射的补偿光信号的频率为0；在停止测量光信号的发射、单独发射补偿光信号时，发射的补偿光信号的频率由0调整为f；因此，可以认为在关闭测量光信号发射前后，系统的温度和APD接收到的反射光信号的频率都是一定的。再次，本发明所述的方案是基于对光补偿实现光功率调节的，不需要对APD的偏置电压进行调节，也即，APD的偏置电压是保持恒定的。综上，在发明实施例中，光功率、调制频率以及温度等各种影响APD特性的因素都是恒定的，所以无论测量距离怎么变化，APD的相位误差是恒定的，自补偿方案不受外界条件影响，实现了对相位误差的准确补偿，因此，第一相位值与第二相位值的差值也即只包含距离信息的相位，根据所述差值可以准确确定待测目标物的距离，保证了高精度的测距性能要求。

为了便于理解，在上述实施例的基础上，下面通过一个具体的工作流程对本发明实施例所述的方案进详细说明。结合图2，在本发明实施例中，基于APD的光功率自补偿的激光测距系统的工作流程具体可以如下：

步骤S1、设置接收系统3中APD301的接收功率的参考值P(即，预设参考功率P)，并将预设参考功率P输入至光功率调节系统2。

步骤S2、同时打开发射系统1中的测距激光发生器101和补偿激光发生器102。

在初始时刻，可以假设测距激光发生器101发射频率为f、功率为P1的测量光信号；补偿激光发生器102发射频率为0、功率为P2的补偿光信号。其中，f、P1和P2可以取任意适当的值。

步骤S3、接收系统3中的APD301分别接收步骤S2中的测量光信号和补偿光信号各自对应返回的反射光信号；确定接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P是否一致。

在本实施例中，若接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P不一致，则执行步骤S4；若接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致，则执行步骤S7。

步骤S4、根据接收到的各反射光信号的光功率之和计算得到电流I1。

其中，该光功率之和与电流和电压的乘积成正比关系。

步骤S5、将步骤S4中的电流I1输入至光功率调节系统2，经调节后输出调节电流I2。

具体的，调节电流I2可以通过如下流程得到：首先，确定预设参考功率P对应的电流I，然后，将电流I与电流I1做差，得到电流差值e＝(I-I1)，最后，根据电流差值e，解算得到调节电流I2。优选的，模拟控制器可以采用PID控制器(proportion-integral-derivative，比例-积分-微分控制器)，I2的解算方式如下：

其中，Kp是比例系数、Ki是积分参数、Kd是微分参数。

步骤S6、将调节电流I2输入至补偿激光发生器102，根据调节电流I2调节补偿激光发生器102的输出功率，以实现光功率的自补偿(补偿测量光信号在传输过程中减少的功率)。

在本实施例中，可以重复步骤S4、S5和S6，构成对光功率进行调节的闭环流程，以是APD301接收到的各反射光的光功率之和最终稳定在参考功率P。

步骤S7，确定当前时刻下的测量光信号对应的反射光信号的第一相位值和当前时刻下的补偿光信号的功率P0。

其中，步骤S7中的当前时刻是指：接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致这一时刻。

步骤S8，在确定接收到的各反射光信号的光功率之和与预设参考功率P一致之后，通过开关切换单元103关闭测距激光发生器101，并通过补偿激光发生器102向反光镜发射频率为f、功率P0的补偿光信号。

步骤S9，确定当前时刻下的补偿光信号对应的反射光信号的第二相位值。

其中，步骤S9中的当前时刻是指：测距激光发生器101关闭、且补偿激光发生器102向反光镜发射频率为f、功率P0的补偿光信号这一时刻。

步骤S10，求解第一相位值与第二相位值的差值，得到只包含测量距离的相位值；根据得到的只包含测量距离的相位值确定待测目标物的距离。

在本实施例中，所述待测目标物的距离与相位值和光速的乘积成正比关系。

综上所述，本发明实施例所述的方案，可以通过光功率调节系统保持APD接收到的光功率始终恒定为预设参考功率P，进而消除由距离导致的光功率的变化，也即，由光功率导致的相位差保持恒定。其次，在测量光信号和补偿光信号同时发射时，发射的测量光信号的频率为f，发射的补偿光信号的频率为0；在停止测量光信号的发射、单独发射补偿光信号时，发射的补偿光信号的频率由0调整为f；因此，可以认为在关闭测量光信号发射前后，系统的温度和APD接收到的反射光信号的频率都是一定的。再次，本发明实施例所述的方案是基于对光频率实现光功率调节的，不需要对APD的偏置电压进行调节，也即，APD的偏置电压是保持恒定的。综上，在发明公开的方案中，光功率、调制频率以及温度等各种影响APD特性的因素都是恒定的，所以无论测量距离怎么变化，APD的相位误差是恒定的，自补偿方案不受外界条件影响，实现了对相位误差的准确补偿，因此，第一相位值与第二相位值的差值也即只包含距离信息的相位，根据所述差值可以准确确定待测目标物的距离，保证了高精度的测距性能要求。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。