CN1039158C - 使用相位变异的光学测距装置及其方法 - Google Patents

使用相位变异的光学测距装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用相变异的光学测距装置及方法。本发明装置包括：光发射装置、光接收装置、信号发生/相位差检出装置和控制装置。在本发明方法中，使第一和第二为断续脉冲信号乘以基准脉冲信号，低通滤波该相乘信号，使该低通滤波信号进行相位补偿，检出在二个相位补偿信号之间的相位差并在所检出的相位差基础上计算光移动时间，在所计算光移动时间的基础上算出到目标的距离。

Description

使用相位变异的光学测距装置及其方法
本发明涉及使用光束测距的装置，特别是可不接触地用光束测量到目标的距离的、使用相位变异的光学测距装置及其方法，从而可用于各种距离的测量，其中包括汽车碰撞预防***的距离测量。
常用测距装置大多适用于：使用标准器件与相应长度相比较地测量到目标的距离。
这样的常用测距装置使用三角学的方法来测量距离。因此，常用测距装置需要同所测距离相对应长度相比较的测量器件，或者需要用许多测量器件，以便计算距离。结果，常用测距装置的结构复杂。特别是常用测距装置不能安装在汽车上来连续测量在移动中汽车的距离。
为了将其安装于所需汽车上，连续测量在移动中的在前和在后汽车的距离，从而防止汽车碰撞，曾研究和发展使用激光光束和超声波的测距装置。然而，由于超声波的天然特性，使用超声波的测距装置有缺点，即它不能完成长距离测量。使用超声波的测距装置同样不能在高速下测量距离。另一方面，使用激光光束的测距装置不可能精确地完成距离测量。
此外，前苏联文献SU-628-751于1981年8月公开了一种光学速度计，其涉及一种用于测量距离的仪器，可应用于大地测量、导航及机械工程领域。其光源由相关器导向，通过发送调制器，在此根据发生器的频率f1进行调制，从该调制器起一部分光经过反射器和光学***到达接收调制器。另一部分光通过光标到达接收调制器，由该调制器接收到的信号进一步被发生器的频率f2进行调制。两个不同频率的信号传送到光电探测器，经光电转换后，将二者的相位在相位计中进行比较。从而获得待测的距离。
本发明目的在于：提供一种使用相位变异的光学测距装置及其方法，其中，可不接触地使用光束简单地和迅速地测量到目标的距离，从而可用于各种距离的测量，其中包括在汽车碰撞预防***中的测距。
本发明目的是这样达到的：
按照本发明的一个方面，提供一种使用相位变异的光学测距装置，所述装置包括：光发射装置、光接收装置、信号发生器/相位差检出装置和控制装置，所述光发射装置用于发射作为到目标的测距介质的高功率断续脉冲光束；所述光接收装置用于接收从目标反射回来的光束；所述信号发生器/相位差检出装置用于：响应从所述光发射装置来的驱动信号和从所述光接收装置来的输出信号而分别发生第一和第二伪断续脉冲信号，检出在所发生的第一和第二伪断续脉冲信号之间的相位差，以及在所检出的相位差基础上，测量相位延迟时间；所述控制装置用于：响应从所述信号发生/相位差检出装置的输出信号而控制***的全部操作。
按照本发明另一个方面，提供一种使用相位变异的光学测距方法，所述方法包括：步骤(a)：使***启动和完成自诊断来检查***是否正常；步骤(b)：如果在步骤(a)中检查出来***不正常，则停止***的操作；步骤(c)：如果在步骤(a)中检查出来***是正常的，则发射高功率断续脉冲光束并且发出第一触发脉冲信号，以便产生第一伪断续脉冲信号和基准脉冲信号；步骤(d)：以所述基准脉冲信号乘所述第一伪断续脉冲信号，低通滤波该相乘信号以及对低通滤波信号的相位进行补偿；步骤(e)：对所述基准脉冲信号进行计数操作，直到第二触发脉冲信号发生为止，如果第二触发脉冲信号发出，则停止所述基准脉冲信号计数操作，以及发生第二伪断续脉冲信号；步骤(f)：以所述基准脉冲信号乘所述第二伪断续脉冲信号，低通滤波该相乘信号和对低通滤波信号的相位进行补偿；以及步骤(g)：检出在所述二个经相位补偿的信号之间的相位差，在所检出的相位差基础上计算光传输时间，并在所算出的光传输时间的基础上计算到目标的距离。
本发明具有良好效果。按照本发明，通过在脉冲光束的发射和接收的时间点检出在伪脉冲之间的相位差来完成测距。因此，在长距离测量***中可使用脉冲激光二极管，无接触地使用光束来测量到目标的距离。这种测距装置和方法的效果还在于能提高***的精确性。本发明装置和方法也能用于测量各种距离，其中包括汽车碰撞预防***的距离测量。
以下结合附图对本发明进行详细说明，从下列说明将使本发明上述目的和其它目的、特性和优点更加清楚。
附图1是本发明使用相位变异的光学测距装置的方框图；
附图2A和2B操作流程图，图中示出本发明使用相位变异的光学测距方法。
参照附图1，该图示出本发明使用相位变异的光学测距装置的方框图。本发明测距装置包括：光发射电路20、光接收电路30，光发射电路20用于发射作为测距介质的、到目标10的高功率断续脉冲光束，光接收电路30用于接收从目标10反射回来的光束。
信号发生/相位差检出电路40用于分别响应从光发射电路20和从光接收电路30所发生的第一和第二伪断续脉冲信号；检出在所发生的第一和第二伪断续脉冲信号之间的相位差；和在所测相位差基础上测量相位延迟时间。
控制器50用于响应从信号发生/相位差检出电路40的输出信号而控制***的整个操作。
光发射电路20包括激光二极管21、激光二极管驱动电路22和光学器件23，其中，激光二极管作为光源用以发生高功率断续脉冲光束；激光二极管驱动电路22用于向激光二极管输出对其驱动的驱动信号；光学器件23用于对来自激光二极管21的光束聚焦和在所需角度上将被聚焦的光束发射到目标10。
光接收电路30包括光学器件31、光电二极管32和放大/波形整形电路33，该光学器件31用于按照从光发射电路20发射出来的光束而仅对从目标10反射回来那部分光束聚光，以便除去从其所来的外部光束；光电二极管32用于对光学器件31所聚光束的光电转换，以便产生电信号；所述放大/波形整形电路33用于将从光电二极管32来的电流信号转换为电压信号，对所转换的电压信号放大，使放大的电压信号波形整形和将经波形整形的电压信号转换为数字信号。
信号发生/相位差检出电路40包括：第一信号发生器41A、基准脉冲信号发生器42、第二信号发生器41B、第一乘法器43A、第二乘法器43B、第一低通滤波器44A和第二低通滤波器44B，其中，第一信号发生器41A用于响应来自光发射电路20的驱动信号而发出第一伪断续脉冲信号；基准脉冲信号发生器42用于响应来自光发射电路20的驱动信号而发生基准脉冲信号；第二信号发生器41B用于响应来自光接收电路30的输出信号而发出第二伪断续脉冲信号；第一乘法器43A用于将来自第一信号发生器41A的第一伪断续脉冲信号乘以来自基准脉冲信号发生器42的基准脉冲信号；第二乘法器43B用于将来自第二信号发生器41B的第二伪断续脉冲信号乘以来自基准脉冲信号发生器42的基准脉冲信号；第一低通滤波器44A用于仅通过来自第一乘法器43A的输出信号的低频部分，第二低通滤波器44B用于仅通过来自第二乘法器43B的输出信号的低频部分。
信号发生/相位差检出装置40也包括第一相位补偿器45A、第二相位补偿器45B、相位差检出器46和相位延迟时间测量单元47，其中，第一相位补偿器45A用于对来自第一低通滤波器44A输出信号的相位作补偿；第二相位补偿器45B用于对来自第二低通滤波器44B的输出信号的相位作补偿；相位差检出器46用于检出在来自第一和第二相位补偿器45A和45B之间的输出信号的相位差；相位延迟时间测量单元47用于按照由相位差检出器46检出的相位差和时钟CLK而测量相位延迟时间。
以下对本发明具有上述结构的测距装置的操作方法进行详细说明。
按照本发明最佳实施例，对目标的距离使用具有微小差别的二种高频率进行测量，也即，将由于光束移动所致相位差转换为低频成分，它就是在二个高频率之间的差。在此低频成分的基础上测量光传输时间。然后，在所测光传输时间来测量到目标的距离。
本发明的主要特性在于：用断续脉冲光束替代现有技术中已知的连续脉冲光束来测量相位差。特别是在使用激光的长距离测量***中，根据其安全特征，用激光二极管21发射高功率断续脉冲光束是可取的。关于这一点，本发明甚至可用于长距离测量***。
在操作中，当接收到来自控制器50的激光二极管接通信号LDON，激光二极管驱动电路22向激光二极管21输出对其驱动的驱动信号。响应来自激光二极管驱动电路2 2的驱动信号，激光二极管21发射高功率断续脉冲光束。此时，激光二极管驱动电路22的驱动信号也作为第一触发脉冲信号TRG1运用于第一信号发生器41A和基准脉冲信号发生器42。为响应来自激光二极管驱动电路22的第一触发脉冲信号TRG1，第一信号发生器41A发出第一伪断续脉冲信号和基准脉冲信号发生器发出基准脉冲信号。来自激光二极管驱动电路22的第一触发脉冲信号TRG1也用于控制器50，因此，使得控制器50对来自基准脉冲信号发生器42的基准脉冲信号计数。
控制器50连续进行计数，直到它输入第二触发脉冲信号TRG2。
通过第一乘法器43A使来自第一信号发生器41A的第一伪连续脉冲信号乘以来自基准脉冲信号发生器42的基准脉冲信号。这里，应该注意：来自第一信号发生器41A的输出信号频率比来自基准脉冲信号发生器42的输出信号的频率低些。结果，第一乘法器43A提供的信号是高、低频成分混合起来的信号。也即，
Fo＝sinω0t
Fs＝sinω1t
ω＝2πf
其中，Fo是来自基准脉冲信号发生器42的输出信号，而Fs是来自第一信号发生器41A的输出信号。
将上述二个信号相乘起来，得到：
FM1＝Fo×Fs＝sinω0t×sinω1t
   ＝-{cos(ω0t+ω1t)-cos(ω0t-ω1t)}/2
其中，FM1是来自第一乘法器的输出信号。
从上述方程式可知：高、低频率成分存在于来自第一乘法器43A的输出信号中、来自第一乘法器43A的输出信号的高频成分大约是来自基准脉冲信号发生器42的输出信号的低频成分的二倍，并且输出信号的低频成分是在来自基准脉冲信号发生器42的和来自第一信号发生器41A的输出信号频率之间的差。
第一低通滤波器44A仅通过来自第一乘法器43A的输出信号的低频成分。通过第一低通滤波器44A的信号FM1可以下式表示：
FM1＝cos(ω0t-ω1t)/2
另一方面，在光接收电路30中，电光二极管31仅对从目标10反射来的那部分光束聚光，该部分光束对应于从光发射电路20发射的光束。通过光学器件31，光电二极管将被聚光的光束转换为电流信号。放大/波形整形电路33将来自光电二极管32的电流信号转换为电压信号，将转换的电压信号放大，对放大的电压信号进行波形整形，并将波形整形的电压信号转换为数字信号。
来自放大/波形整形电路33的数字信号作为第二触发脉冲信号TRG2运用于控制器50，因此，使控制器50停止计数操作。来自放大/波形整形电路33的第二触发脉冲信号TRG2也运用于第二信号发生器41B。响应来自放大/波形整形电路33的第二触发脉冲信号TRG2，第二信号发生器41B发出第二伪断续脉冲信号。
通过第二乘法器43B，将来自第二信号发生器41B的第二伪断续脉冲信号乘以来自基准脉冲信号发生器42的基准脉冲信号，使其输出信号通过第二低通滤波器44B，以便除去其高频成分。也即，第二乘法器43B和第二低通滤波器44B所完成的操作与第一乘法器43A和第一低通滤波器44A一样。
此时，来自基准脉冲信号发生器42的输出信号具有涉及光传输距离的相位差。来自第二信号发生器41B的输出信号和来自基准脉冲信号发生器42的输出信号可用下式表之：
Fo’＝sin(ω0t+)
FR＝sinω1t
ω＝2πf其中，Fo’是来自基准脉冲信号发生器42的输出信号；而FR是来自第二信号发生器41B的输出信号。
将上述二个信号相乘，得到：
FM2＝Fo’×FR＝sin(ω0t+)×sinω1t
＝-{cos[(ω0t+)+ω1t)-cos[(ω0t+)-ω1t]}/2其中，FM2是来自第二乘法器4 3B的输出信号。
从以上方程式可知，高频和低频成分存在于来自第二乘法器43B的输出信号中。来自第二乘法器43B的高频成分大约是来自基准脉冲信号发生器42者的二倍，并且它的低频成分是来自基准脉冲信号发生器42和第二信号发生器41B的输出信号频率之间的差。
第二低通滤波器44B只通过来自第二乘法器43B的输出的低频成分。通过第二低通滤波器44B的信号FM2可用下式表之：
FM2＝cos{(ω0t+)-ω1t}/2
相位差检出器46检出在二个分别具有不同相位的低频信号FM1和FM2之间的相位差，相位延迟时间测量单元47则使用对应于所需分辨力的时钟CLK，读出来自相位差检出器46的被检出相位差的时间，在对第一和第二触发脉冲信号TRG1和TRG2之间的间隔所计的基准脉冲数的基础上，控制器50计算光传输时间以及检出的相位差。也即：光传输时间＝(CNT1×一个基准脉冲发生时间间隔)+(CNT2×一个CLK时间间隔)。这里CNT1是在第一和第二触发脉冲信号TRG1和TRG2之间计数的基准脉冲数；并且CNT2是检测出的相位差时间。然后，在光传输时间和光速的基础上，可得到目标的距离。也即：
到目标的距离＝(光传输时间×光速)/2
附图2A和2B是示出本发明使用相位变异光学测距离方法的操作图。在步骤S1，***启动，完成自诊断操作，以便检验***是否正常。如果在步骤S1检测到***不正常，则***的操作在步骤S2停止。如果在步骤S1检测到***是正常的，则在步骤S3发射高功率断续脉冲发束，并发出第一触发脉冲信号TRG1，以便驱动第一信号发生器41A和基准脉冲信号发生器42。在步骤S4，使来自第一信号发生器41A的输出信号乘以来自基准脉冲信号发生器42的基准脉冲信号，经相乘的信号通过第一低通滤波器44A，并且合成的信号被相位补偿。
在步骤S5，基准脉冲信号计数操作开始并进行到第二触发脉冲信号TRG2发生为止。在第二触发脉冲信号发生时，基准脉冲信号计数操作停止，驱动第二信号发生器41B。在步骤S6，使来自第二信号发生器41B的输出信号乘以来自基准脉冲信号发生器42的基准脉冲信号，使经相乘的信号通过第二低通滤波器44B，并且合成的信号被补偿。然后，在步骤S7，检出在二个相位被补偿的信号之间的相位差，在所测相位差的基础上计算光传输时间，在所计算的光传输时间基础上计算到目标的距离。
尽管本发明最佳实施例为阐述目的而公开，但本行业技术人员应懂得在不离开本发明如在权利要求书中所公开的范围和精神下，各种变更，附加和替代都是可能的。

Claims (3)

1.使用相位变异的光学测距装置，其包括：
—光发射装置，用于发射作为到目标的测距介质的高功率断续脉冲光束；
—光接收装置，用于接收从目标反射回来的光束；
其特征在于还包括：
—信号发生器和相位差检出装置，用于响应从所述光发射装置来的驱动信号和从所述光接收装置来的输出信号而发生第一和第二伪断续脉冲信号，检出在所发生的第一和第二伪断续脉冲信号之间的相位差，以及在所检测的相位差基础上，测量相位延迟时间；以及
—控制装置，用于响应从所述信号发生器和相位差检测装置的输出信号而控制***的全部操作。
2.按照权利要求1所述使用相位变异的光学测距装置，其特征在于：所述信号发生和相位差检出装置包括：第一信号发生器、基准脉冲信号发生器、第二信号发生器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器和第二低通滤波器，第一相位补偿器、第二相位补偿器、相位差检出器和相位延迟时间测量单元，其中，第一信号发生器用于响应来自光发射装置的驱动信号而发出第一伪断续脉冲信号；基准脉冲信号发生器用于响应来自光发射装置的驱动信号而发生基准脉冲信号；第二信号发生器用于响应来自光接收装置的输出信号而发出第二伪断续脉冲信号；第一乘法器用于将来自第一信号发生器的第一伪断续脉冲信号乘以来自基准脉冲信号发生器的基准脉冲信号；第二乘法器用于将来自第二信号发生器的第二伪断续脉冲信号乘以来自基准脉冲信号发生器的基准脉冲信号；第一低通滤波器用于仅通过来自第一乘法器的输出信号的低频部分，第二低通滤波器用于仅通过来自第二乘法器的输出信号的低频部分，第一相位补偿器用于对来自第一低通滤波器输出信号的相位作补偿；第二相位补偿器用于对来自第二低通滤波器的输出信号的相位作补偿；相位差检出器用于检出在来自第一和第二相位补偿器之间的输出信号的相位差，相位延迟时间测量单元用于按照由相位差检出器检出的相位差和时钟CLK而测量相位延迟时间。
3.使用如权利要求1所述的使用相位变异的光学测距装置的方法，其特征在于包括：步骤(a)：使***启动和完成自诊断来检查***是否正常；步骤(b)：如果在步骤(a)中检查出来***不正常，则停止***的操作；步骤(c)：如果在步骤(a)中检查出来***是正常的，则发射高功率断续脉冲光束并且发出第一触发脉冲信号，以便产生第一伪断续脉冲信号和基准脉冲信号；步骤(d)：以所述基准脉冲信号乘所述第一伪断续脉冲信号，低通滤波该相乘信号以及对低通滤波信号的相位进行补偿；步骤(e)：对所述基准脉冲信号进行计数操作，直到第二触发脉冲信号发生为止，如果第二触发脉冲信号发出，则停止所述基准脉冲信号计数操作，以及发生第二伪断续脉冲信号；步骤(f)：以所述基准脉冲信号乘所述第二伪断续脉冲信号，低通滤波该相乘信号和对低通滤波信号的相位进行补偿；以及步骤(g)：检出在所述二个经相位补偿的信号之间的相位差，在所检出的相位差基础上计算光传输时间，并在所算出的光传输时间的基础上计算到目标的距离。
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