一种相位式激光测距系统及测距方法与流程

本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种相位式激光测距系统及测距方法。

背景技术：

激光测距系统是一种发射激光束探测目标物体、速度等信息的系统。激光测距系统主要工作原理是利用激光发射模块朝向目标物体发射激光脉冲(激光束)，经过目标物体反射回来的激光信号(激光脉冲)被激光接收模块接收，根据接收到的回波信号探测目标物体的距离信息。激光测距系统具有探测距离远、分辨率高、受环境干扰小等特点，因而广泛应用于智能机器人、无人机、无人驾驶等众多技术领域。

在实际应用中，激光测距系统根据工作原理的不同主要分为飞行时间法(tof)、三角法和相位法。其中，基于飞行时间法的系统探测距离远，但测距精度、黑白差距大、测距温漂变化也大；而基于三角法的系统探测距离较短，只有大概几米的距离；而相位法弥补了其他两种方法的不足，基于相位法的探测系统具有探测精度高、黑白差距好的特点，探测距离可达五十米左右。

然而，相位式探测系统在应用中依然面临着许多问题，受环境影响大，在探测过程中环境温度以及环境光都会对测量的精确度造成很大影响，此外，在探测具有不同反射率的目标物体时，反射回波信号响应度不同，检测器单元很难实施调控自身的响应特性，而且，激光器在工作时会导致温度上升，造成模式不稳定、使用寿命缩减等问题。

故，针对上述现有技术存在的问题，实在有必要设计一种有效的解决方法，解决激光测距系统在应用中存在的问题，保证激光测距系统具有精度高、寿命长、结构紧凑、装配简单、成本低等特点。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种相位式激光测距系统及测距方法，以解决上述背景技术问题中的至少一种。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一种相位式激光测距系统，包括发射单元以及光检测模块；所述发射单元包括有驱动器、频率调制器、以及外光源和内光源；所述光检测模块包括有探测器、第一混频器、第二混频器、以及控制器和处理器；其中，

所述频率调制器用于生成至少一个主振信号和至少一个本振信号；其中，所述本振信号直接用于信号混频，而所述主振信号经过所述驱动器调制所述外光源与所述内光源分别发出第一调制光信号与第二调制光信号；

所述探测器用于接收所述内光源发射的调制光信号以及所述外光源发射的调制光信号经目标物体后反射的回波信号并转换为电信号；

所述第一混频器用于对所述电信号与所述本振信号进行混频得到参考信号与探测信号；

所述第二混频器用于对所述本振信号与所述外光源、内光源生成的第一、第二调制电信号进行混频，得到第一、第二混频信号；

所述控制器用于控制所述发射单元发射光信号并控制所述探测器接收所述回波信号，所述处理器用于计算处理得到所述参考信号与探测信号的相位差；以及，计算所述第一、第二混频信号的相位差，并将所述相位差作为补偿值对所述参考信号与探测信号的相位差进行补偿，进一步计算出待测目标的距离值。

在一些实施例中，所述频率调制器生成至少两种频率不同的调制信号；其中，所述频率不同的调制信号包括至少一种高频信号。

在一些实施例中，所述频率调制器还包括有处理电路，通过所述处理电路将生成的多个高频信号进行处理得到多个低频或中频信号。

在一些实施例中，所述光检测模块还包括有信号处理电路以及采样电路；所述信号处理电路用于对所述第一、第二混频器输入的信号进行放大后传输至所述采样电路，经所述采样电路输入到所述处理器中进行鉴相分析。

在一些实施例中，所述内、外光源分别为内、外激光器，所述第一调制电信号与所述第二调制电信号分别由所述外激光器与内激光器的管脚处引出。

在一些实施例中，所述光检测模块还包括有采集反馈调节单元和高压采样电路；所述高压采样电路采集所述反馈调节单元输出的实时高压信号输入至所述处理器中，所述处理器根据探测信号的大小以及所述高压采样电路输入的高压信号调节所述反馈调节单元输出适当的高压到所述探测器上。

在一些实施例中，所述反馈调节单元内设置有多路电压发射器以及高速切换开关，所述多路电压发射器同时发射多路高压信号，所述处理器调控所述高速切换开光切换不同的电压信号输出到所述探测器上。

本发明另一技术方案为：

一种光检测模块，包括接收单元以及控制和处理单元；其中，

所述接收单元包括有探测器；

所述控制和处理单元包括第一混频器、第二混频器、连接所述第一、第二混频器输出端的放大器、连接所述放大器的采样电路、连接所述采样电路输出的控制器和处理器、以及温度传感器、反馈调节单元以及高压采样电路；

所述温度传感器用于实时探测所述探测器的温度，以获得所述探测器的温度采样数据，所述控制器根据所述温度采样数据调控所述探测器的初始电压；

所述高压采样电路采集所述反馈调节单元输出的实时高压信号输入至所述处理器中，所述处理器根据探测信号的大小以及所述高压采样电路输入的高压信号调节所述反馈调节单元输出适当的高压到所述探测器上。

在一些实施例中，所述反馈调节单元内设置有多路电压发射器以及高速切换开关，所述多路电压发射器同时发射多路高压信号，所述处理器调控所述高速切换开光切换不同的电压信号输出到探测器上。

本发明又一技术方案为：

一种相位式激光测距方法，包括如下步骤：

步骤s1、发射单元通过频率调制器生成主振信号和本振信号，主振信号驱动内、外光源发射具有相应调制频率的调制光信号分别照射到探测器以及目标区域上；同时，通过所述外光源和内光源分别生成第一调制电信号和第二调制电信号；

步骤s2、接收单元通过探测器接收所述外光源发射经目标物体反射的回波信号以及所述内光源发射的调制光信号，分别生成第一、第二响应信号；

步骤s3、将所述第一、第二响应信号输入第一混频器中分别与所述本振信号进行混频，得到探测信号与参考信号；同时，将所述第一、第二调制电信号输入到第二混频器中分别与所述本振信号进行混频，得到第一、第二混频信号；

步骤s4、将所述参考信号与探测信号输入处理器，通过计算处理得到所述参考信号与探测信号的相位差；同时，将所述第一、第二混频信号输入到所述处理器中，计算得到所述第一、第二混频信号的相位差，并将所述相位差作为补偿值对所述参考信号与探测信号的相位差进行补偿，进一步计算出待测目标的距离值。

本发明技术方案的有益效果是：

本发明相位式激光测距系统通过利用光电混频和电电混频的方式，根据激光器调制电信号的相位差补偿系统测距过程中产生的温漂性能，从而有效的提升测距精度。此外，根据回波信号的幅值，采取自动高压切换的方式，可以改善测试过程中面对目标具有不同反射率的情况，从而提升测距适应能力和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一个实施例相位式激光测距系统的结构图示。

图2是根据本发明一个实施例相位式激光测距系统模块结构示意图。

图3是根据本发明一个实施例相位式激光测距系统的原理图示。

图4是根据本发明一个实施例相位式激光测距方法的流程图示。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

相位式激光测距系统根据结构不同，可分为单发单收、双发单收、双发双收三种不同的结构，本发明提出了一种基于双发单收的新型相位式激光测距系统。

参照图1所示，图1是根据本发明一实施例提出的一种相位式激光测距系统的结构示意图。所述激光测距系统包括有发射单元10和光检测模块；其中，光检测模块包括接收单元20以及控制和处理单元28；发射单元10用于朝向目标区域30发射经调制的光信号，其包括有频率调制器12、驱动器14、光源16以及光学元件18；接收单元20用于接收经目标物体反射的回波信号，其包括有检测器22、透镜单元24和过滤单元26；控制和处理单元28分别与发射单元10和接收单元20连接，以用于同步控制发射单元10发射激光信号以及接收单元20接收回波信号，并进行处理分析，计算出发射信号与回波信号的相位差为φ，进一步的，根据相位差φ，对应目标点的距离d可由下式计算得到：

φ＝2πft(2)

其中，c为光速，f为光信号的调制频率，t为激光信号发出到被接收所经过的时间。

频率调制器12可生成多种不同频率的调制信号，包括高频信号、低频信号或中频信号，优选地，频率调制器生成至少一种高频信号、至少一种中频信号和至少一种低频信号。生成的调制信号经过驱动电路14对光源16进行调制，使光源16发出多个频率不同的发射信号作为探测信号照射到目标物体上，每一种频率的发射信号对应一把测尺；其中，高频发射信号对应精测尺，低频发射信号对应粗测尺，中频发射信号对应中测尺。在测距系统中，较高的调制频率用于保证系统的测量精度，而较低的调制频率用于保证系统的测距范围，通过不同频率的调制信号结合的方式进行设计，从而实现较大量程测距的同时可得到较高的测距精度，保证测距系统具有稳定性高、探测距离远、探测精度高的特点。

在一个实施例中，频率调制器12还包括有处理电路，通过处理电路可以将生成的多个高频信号进行处理得到多个低频或中频信号，保证只调制一种频率的信号即可得到多种不同频率的信号，加快调制信号的生成时间。例如在一个实施例中，频率调制器生成4个高频信号，频率分别为210mhz、206mhz、200mhz、180mhz，经过处理电路相减可以得到多个低频信号和中频信号。多个不同频率的调制信号驱动光源发出多个频率不同的发射信号对应得到多把测尺；优选地，可得到一把粗测尺为4mhz，对应的测距范围是37.5米；一把中尺为20-30mhz，测距范围是7.5-5米；另一把中尺为6-10mhz，测距范围是25-15米；选取精测尺为210-200mhz，对应的测距范围是0.7143-0.75米，然后结合相应的处理算法，计算目标的距离信息，从而有效地解决跳尺和跳周的问题。光源16可以是半导体激光器、光纤激光器、气体激光器、固体激光器等光源，还可以是以多个光源组成的光源阵列；优选地，光源是半导体激光器阵列，发出的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。

光学元件18接收来自光源的激光束，并将激光束进行光学调制，比如衍射、折射、反射等调制，随后向空间中发射被调制后的光束，比如聚焦光束、泛光光束、结构光光束等。光学元件可以是透镜、衍射光学元件、超表面(metasurface)光学元件、掩膜板、反射镜、mems振镜等形式中的一种或多种组合。

接收单元20包括有检测器22、透镜单元24和过滤单元26；透镜单元24接收由目标反射回的至少部分调制光束并导入到检测器上，过滤单元26通常用于滤除特定波长的背景光，可根据实际测量具体设定，能够有效提高检测精度。检测器22可以是雪崩光电二极管(apd)、pin光电二极管，还可以是以多个检测器组成的检测器阵列；优选地，可以设置检测器为四象限雪崩光电二极管。

控制和处理单元28包括第一混频器280、第二混频器281、信号处理电路282、采样电路283、控制器285、以及处理器286。其中，混频器用于将输入的本振信号与经过传输后的主振信号进行差频处理得到混频信号；信号处理电路282用于将输入的信号进行放大后经采样电路283输入到处理器286中进行鉴相分析。在一些实施例中，采样电路283可以是模拟数字转换器。

图2是本发明一个实施例的相位式激光测距系统的结构示意图。频率调制器12可生成多种频率不同的调制信号，优选地，包括至少一种高频信号、至少一种低频信号、至少一种中频信号，即发出至少两种频率不同的调制信号作为探测信号。每一种探测信号可设置为一个主振信号和一个本振信号，在一些实施例中，主振信号和本振信号可以都是高频信号，但频率不同，优选地，可以设置两者频率相差1mhz。其中，主振信号经驱动电路14驱动光源16发射具有相应调制频率的光信号到目标区域。光源16包括内光源161和外光源160，内光源161发射激光信号直接照射到探测器22上生成第二响应的信号；外光源160朝向待测目标区域30发射光信号，经过目标区域反射后射入探测器22中生成第一响应信号。

第一响应信号和第二响应信号输入第一混频器280后与本振信号进行差频处理得到探测信号和参考信号，信号处理电路282将输入的探测信号和参考信号进行放大后经采样电路283输入到处理器286中进行鉴相分析，得到参考信号和探测信号的相位差并计算待测目标区域的距离信息。在一些实施例中，采样电路283可以是模拟数字转换器。

图3是本发明一个实施例的相位式激光测距的原理示意图。频率调制器12发出主振信号和本振信号，假设二者皆是高频信号，但相位不同、频率也不相同，本振信号不经过驱动器，直接用于信号混频，而主振信号经过驱动器14用于调制激光器发出调制信号。例如，在一个实施例中，频率调制器生成主振信号(ω1t+φ1)和本振信号(ω0t+φ0)，其中，主振信号(ω1t+φ1)用于调制外激光器160和内激光器161分别发出第一调制光信号(ω1t+φ1)和第二调制光信号(ω1t+φ1)。第一调制光信号(ω1t+φ1)照射到目标物体反射后形成回波信号(ω1t+φ1-2ω1td)，探测器22将接收到回波信号转换为第一响应信号输入第一混频器280中，在第一混频器中第一响应信号与本振信号进行混频，得到探测信号((ω1-ω0)t+φ1-φ0-2ω1td)。第二调制光信号(ω1t+φ1)直接射入探测器22，探测器22将接收到的第二调制光信号信号转换为第二响应信号输入第一混频器280中，在第一混频器中第二调制光信号与本振信号进行混频，得到参考信号((ω1-ω0)t+φ1-φ0)。在一些实施例中，常用的混频处理方法是差频处理方法，即将高频信号变为携带相同相位信息的低频信号，然后再对低频信号进行测相。利用这种方法将频率降低再进行测相处理，可以大大提高测相的分辨率，从而提高测相的精度。

参考信号与探测信号经过信号处理电路282和采样电路283输入处理器286，处理器286根据鉴相方法得到参考信号与探测信号的相位差，进一步计算出待测目标的距离值。在一些实施例中，鉴相方法包括自动数字鉴相法、相关函数法、数字同步解调法、谱分析法，优选地，可选择基于快速傅里叶变换的谱分析法进行相位差计算。

在一些实施例中，主振信号和本振信号还可以是相位不同、频率也不相同的低频信号或中频信号，根据实际情况具体设置，在此不做限制。

另一方面，在外激光器160和内激光器161的管脚处引出第一调制电信号和第二调制电信号输入第二混频器与本振信号进行混频用于温漂补偿。在实际应用中，内外激光管的各项参数很难完全一致，调制信号经内外激光管后发出的调制光束并不完全相同，而且在探测过程中，温度的变化外界光照的影响都会导致系统在测试过程中存在温漂现象，因此，本发明提出了一种用于温度补偿的方案，后面将会对温度补偿进行详细说明。

具体的，频率调制器12生成本振信号和主振信号，主振信号经过驱动器14调制外激光器160和内激光器161，在外激光器160和内激光器161的管脚处引出第一调制电信号和第二调制电信号，第一调制电信号和第二调制电信号输入到第二混频器中。本振信号与第一调制电信号进行混频处理得到第一混频信号，本振信号与第二调制电信号进行混频处理得到第二混频信号，第一混频信号与第二混频信号输入到处理器286中。进一步的，利用鉴相技术得到两个信号的相位差，若相位差为零，则说明测试准确，此时不存在测试误差；若相位差不为零，则说明测试中存在相位漂移，则将该差值用于温度引起偏差的补偿，采用该差值对参考信号与探测信号的相位差进行补偿。

结合图2所示，作为本发明另一实施例，还提供一种光检测模块。所述光检测模块包括有接收单元和控制和处理单元28。其中，所述接收单元包括有探测器22；所述控制和处理单元28包括第一混频器280、第二混频器281、连接第一、第二混频器输出端的信号处理电路282、连接信号处理电路282的采样电路283、连接采样电路283输出的控制器285和处理器286、以及温度传感器289、反馈调节单元287以及高压采样电路288。

具体的，温度传感器289用于实时探测探测器22的温度，以获得探测器22的温度采样数据。在实际应用中，探测器22的工作增益随着工作电压升高而上升，而探测器22的增益对温度十分灵敏，所以探测器22的温度与探测器工作电压之间存在有一定的关系，根据这一关系，控制器285可以根据温度传感器289探测获得的温度采样数据调控探测器22的初始电压。例如，在一个实施例中，控制器285可设定探测器初始电压为一个高电压，保证探测的目标具有较强反射率时，使探测器22接收的回波信号能够保持在合适的范围而不产生过饱和现象。探测器22接收经目标物体反射的回波信号并将回波信号转换为电信号，经过第一混频器后与本振信号进行混频得到混频探测信号，混频探测信号经过信号处理电路282和采样电路283输入到处理器226。

处理器226对探测信号的幅值进行判断分析待测目标的反射率，若此时待测目标的反射率较低时，回波信号的强度相应的会降低，导致探测器接收回波信号后输出的探测信号存在误差，为保证探测器的工作效率，需要提高工作电压保证探测器具有合适的工作增益。

高压采样电路288采集反馈调节单元287输出的实时高压信号输入处理器286中，处理器286根据探测信号的大小以及高压采样电路输入的高压信号调节反馈调节单元287输出恰当的高压到探测器上。优选地，反馈调节单元287内可设置多路电压发射器以及高速切换开关，多路电压发射器同时发射多路高压信号，处理器调控高速切换开光切换不同的电压信号输出到探测器28上。其中，探测器的工作电压值与探测信号的大小具有预定义的对应关系。

本发明通过利用光电混频和电电混频的方式，根据激光器调制电信号的相位差补偿系统测距过程中产生的温漂性能，从而有效的提升测距精度。此外，根据回波信号的幅值，采取自动高压切换的方式，可以改善测试过程中面对目标具有不同反射率的情况，从而提升测距适应能力和可靠性。

参照图4所示，作为本发明另一实施例，还提供一种相位式激光测距方法，包括如下步骤：

步骤s1、发射单元通过频率调制器生成主振信号和本振信号，主振信号驱动内、外光源发射具有相应调制频率的调制光信号分别照射到探测器以及目标区域上；同时，通过外光源和内光源分别生成第一调制电信号和第二调制电信号；

步骤s2、接收单元通过探测器接收外光源发射经目标物体反射的回波信号以及内光源发射的调制光信号，分别生成第一、第二响应信号；

步骤s3、将第一、第二响应信号输入第一混频器中分别与本振信号进行混频，得到探测信号与参考信号；同时，将第一、第二调制电信号输入到第二混频器中分别与本振信号进行混频，得到第一、第二混频信号；

步骤s4、将参考信号与探测信号输入处理器，通过计算处理得到参考信号与探测信号的相位差；同时，将第一、第二混频信号输入到处理器中，计算得到第一、第二混频信号的相位差，并将该差值作为补偿值对参考信号与探测信号的相位差进行补偿，进一步计算出待测目标的距离值。

在本发明实施例中，采用激光器作为光源，所述内、外光源分别为内、外激光器。可以理解的是，所述光源并不限于激光器，在不脱离本发明构思的情况下，采用其他形式的光源也应属于本发明的公开范围。

具体地，通过频率调制器生成主振信号和本振信号，其中本振信号不经过驱动器，直接用于信号混频，而主振信号经过驱动器调制外激光器和内激光器分别发出第一调制光信号和第二调制光信号。第一调制光信号照射到目标物体反射后形成回波信号，探测器接收到回波信号后将其转换为第一响应信号输入第一混频器中，在第一混频器中第一响应信号与本振信号进行混频，得到探测信号；而第二调制光信号直接射入探测器，探测器接收第二调制光信号将其转换为第二响应信号输入第一混频器中，在第一混频器中第二调制电信号与本振信号进行混频，得到参考信号。参考信号与探测信号经过放大器和采样电路输入处理器，处理器根据鉴相方法得到参考信号与探测信号的相位差，进一步计算出待测目标的距离值。

另一方面，在外激光器和内激光器的管脚处引出第一调制电信号和第二调制电信号输入第二混频器与本振信号进行混频用于温漂补偿。具体的，在外激光器和内激光器的管脚处引出第一调制电信号和第二调制电信号，第一调制电信号和第二调制电信号输入到第二混频器中；本振信号与第一调制电信号进行混频处理得到第一混频信号，本振信号与第二调制电信号进行混频处理得到第二混频信号，将第一混频信号与第二混频信号输入到处理器中，利用鉴相技术得到两个信号的相位差，若相位差为零，则说明测试准确，此时不存在测试误差；若相位差不为零，则说明测试中存在相位漂移，则将该差值用于温度引起偏差的补偿，采用该差值对参考信号与探测信号的相位差进行补偿。

可以理解的是，以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

此外，本发明的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。