CN104865577A - 一种激光测距*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光测距***，其包括激光发射装置，用于发射同步多频激光，其包括多频合成器；激光接收装置，用于接收激光发射装置发出的同步多频激光，其包括用于对激光接收装置输出的同步多频激光中的弱光信号进行提取的弱光信号提取装置；鉴相器，用于鉴别出激光发射装置和激光接收装置之间信号的相位差，鉴相器的输入端分别连接到激光发射装置和弱光信号提取装置；补偿控制装置，其用于对鉴相器输出的相位差进行温度补偿，补偿控制装置输入端连接到鉴相器的输出端、输出端输出距离信息。本发明提供的激光测距***设有多频同步发送、温度补偿、弱光信号提取等功能，从而具有测距精度高、测距速度快的优点。

Description

一种激光测距***
技术领域
本发明涉及激光测量领域，特别是一种激光测距***。
背景技术
大尺寸测量大型精密机械、航空航天、微电子装备等领域应用越来越广泛。不同的测量光尺具有不同的优点：最短的光尺用于保证必要的测距准确度，最长的光尺用于保证测距的量程。为了能实现长距离高准确度测量，可以使用不同光尺测量的方案，解决了测量范围和测量精度之间的矛盾，能在数百米超长作用距离内达到毫米至亚毫米级的静态测量精度。但是，不同尺寸的光尺不能同时产生，产生不同测量光尺的时间过长、测量的实时性无法保证的问题。
目前，一般激光测距装置均采用半导体器件和光敏元件组成的发射和接收***，半导体器件自身的发热以及环境温度的变化直接影响了测距的精确度。此外，由于漫反射光源发出的光线形成的弱光信号幅度较小，且极易受到外界干扰，降低测距精确度。
发明内容
针对上述技术问题，本发明公开的一种激光测距***，设有多频同步发送、温度补偿、弱光信号提取等功能，从而具有测距精度高、测距速度快的优点。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
本发明所述的一种激光测距***，其包括：激光发射装置，其包括多频合成器，用于发射同步多频激光；激光接收装置，其包括用于对所述激光接收装置输出的同步多频激光中的弱光信号进行提取的弱光信号提取装置，用于接收所述激光发射装置发出的同步多频激光；鉴相器，用于鉴别出所述激光发射装置和所述激光接收装置之间信号的相位差，所述鉴相器的输入端分别连接到所述激光发射装置和所述弱光信号提取装置；补偿控制装置，其用于对所述鉴相器输出的相位差进行温度补偿，所述补偿控制装置输入端连接到所述鉴相器的输出端、输出端输出距离信息。
优选的，所述激光发射装置还包括D/A转换器、激光驱动器、激光二极管；所述多频合成器加权合成数字式的同步多频信号依次通过所述D/A转换器转换、所述激光驱动器驱动所述激光二极管发出同步多频激光，所述多频合成器还连接到所述鉴相器。
优选的，所述弱光信号提取装置包括第一有源带通滤波器和放大器。
优选的，所述激光接收装置还包括光学挡板、雪崩光电二极管、A/D转换器；所述光学挡板接收所述同步多频激光并将其反射发送给所述雪崩光电二极管接收；所述雪崩光电二极管接收所述同步多频激光并依次通过所述弱光信号提取装置和所述A/D转换器发送到所述鉴相器的输入端。
优选的，所述鉴相器与所述多频合成器之间还设有第二有源带通滤波器。
优选的，所述多频合成器是FPGA。
优选的，所述同步多频激光是同步双频激光。
本发明相较于现有技术的有益效果是：
(1)本发明提供一种激光测距***，该激光测距***的激光发射装置设有多频合成器，同时产生多种不同频率的测量光尺，并且将不同频率的测量光尺合成为一束激光同步发出，节约了不同频率的测量光尺的产生时间，保证测量精度的同时，大大地提高了激光测距***的测距速度；用于产生不同频率测量光尺的多频合成器采用FPGA，FPGA可以实现不同的直接数字频率合成，产生的频率信号准确、稳定，频率转换快，频率的分辨率高，容易控制；
(2)本发明提供一种激光测距***，该激光测距***设有弱光信号提取装置，用于对漫反射光源发出的光线形成的弱光信号进行有源带通滤波和放大，滤除噪声干扰、放大弱光信号便于提取，从而提高激光测距***的测距精确性；
(3)本发明提供一种激光测距***，该激光测距***的激发发射***设有补偿控制装置，补偿控制装置用于对相位差进行温度补偿，降低了激光测距***自身发热器件以及环境变化对激光测距的影响，提高了测量的精度。
附图说明
图1是本发明一种实施例提供的激光测距***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
由图1可知，本实施例公开一种激光测距***，其包括用于发射同步多频激光的激光发射装置100、用于接收激光发射装置100发出的同步多频激光的激光接收装置200、用于鉴别出所述激光发射装置和所述激光接收装置之间信号的相位差的鉴相器300、用于进行温度补偿的补偿控制器400。
激光发射装置100包括多频合成器101、D/A转换器102、激光驱动器103、激光二极管104。多频合成器101将不同的激励源加权合成数字式的同步多频信号，然后依次通过D/A转换器102、激光驱动器103、激光二极管104，同步多频信号由数字信号变成模拟信号后通过激光驱动器驱动激光二极管，产生多种不同频率的测量光尺的同时，将不同频率的测量光尺通过一束激光同步发出。多频合成器101解决了测量范围和测量精度之间的矛盾，能实现长距离高准确度测量的同时，大大地节约了测量时间，使得本实施例的激光测距***具有高速、长距离测距的功能与优点。多频合成器101还可以根据不同的距离信息对不同频率的测量光尺进行选择性合成，为了在保证测量精度的同时结构简单，本实施例的同步多频激光是同步双频激光，具有一个长测尺和一个段测尺。作为本实施例的优选方式，多频合成器是FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)，FPGA可以实现不同的直接数字频率合成，产生的频率信号准确、稳定，频率转换快，频率的分辨率高，容易控制。
激光接收装置200包括光学挡板201、雪崩光电二极管202、弱光信号提取装置203、A/D转换器204；光学挡板201接收同步多频激光并将其反射发送给雪崩光电二极管202接收；雪崩光电二极管202接收的同步多频激光依次通过弱光信号提取装置203、A/D转换器204转换后发送到所述鉴相器300的输入端。其中，弱光信号提取装置203包括第一有源带通滤波器和放大器，用于对光学挡板201的漫反射发出的光线形成的弱光信号进行有源带通滤波和放大，滤除噪声干扰、放大弱光信号便于所述鉴相器300提取，从而提高激光测距***的测距精确性。
本实施例采用的是相位法激光测距，通过间接测定激光调制信号在被测量距离上往返所需的时间t2D来计算距离D，则有：
D＝(c/2)t2D＝(c/2)(Φ/2πf)
式中，c是光波在空气中传播的速度，Φ为激光调制信号经过被测距离D而产生的相位移，f为激光调制信号的频率，如果激光调制信号光波长较短时，相位移为：
Φ＝N1λ1+Δφ1
式中：N1表示相位移Φ中包含的2π的整数倍；Δφ1表示不是整周期2π的相位尾数，由上面两个公式可以得出：
D = c 2 · 2 π ( N 1 + Δ N 1 ) 2 π f 1 = N 1 · c 2 f 1 + Δ N 1 · c 2 f 1 = ( N 1 + Δ N 1 ) c 2 f 1 = ( N 1 + Δ N 1 ) λ 1 / 2 = ( N 1 + Δ N 1 ) L Δ 1
式中，ΔN1＝Δφ1/(2π)为小数；LΔ1＝λ1/2是测尺长度。
实际应用中，由于无法确定N1而采用增大调制光波长的办法，如果采用的调制光波长λ大于被测距离D的2倍，N1将等于0，那么：
D＝LΔΔN＝LΔΔφ/(2π)
选定信号频率，则测尺长度LΔ为已知，只要测出光信号经过2D距离后的相位移Δφ，即可测得距离D的值。
为了测出相位移Δφ，本实施例所述的激光测距***包括鉴相器300，鉴相器300的输入端分别连接到激光发射装置100的多频合成器101和激光接收装置200，用于鉴别出激光发射装置100和激光接收装置200之间信号的相位差。
鉴相器300与多频合成器101之间还设有第二有源带通滤波器，用于滤除多频合成器101加权合成后的多频信号的噪声，提高鉴相器的相位鉴别精度、提高激光测距***的测距精确性。
补偿控制装置400输入端连接鉴相器300的输出端、输出端输出距离信息，其包括补偿控制器401和温度传感器402。温度传感器401用于检测激光二极管104、雪崩光电二极管202等半导体器件自身的发热以及环境中的温度并输送给补偿控制器401，本实施例中，补偿控制器401优选单片机。补偿控制装置400对相位差进行温度补偿，降低了激光测距***自身发热器件以及环境变化对激光测距的影响，提高了测量的精度。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种激光测距***，其特征在于，包括：
激光发射装置，其包括多频合成器，用于发射同步多频激光；
激光接收装置，其包括用于对所述激光接收装置输出的同步多频激光中的弱光信号进行提取的弱光信号提取装置，用于接收所述激光发射装置发出的同步多频激光；
鉴相器，用于鉴别出所述激光发射装置和所述激光接收装置之间信号的相位差，所述鉴相器的输入端分别连接到所述激光发射装置和所述弱光信号提取装置；
补偿控制装置，其用于对所述鉴相器输出的相位差进行温度补偿，所述补偿控制装置输入端连接到所述鉴相器的输出端、输出端输出距离信息。
2.如权利要求1所述的激光测距***，其特征在于，所述激光发射装置还包括D/A转换器、激光驱动器、激光二极管；所述多频合成器加权合成数字式的同步多频信号依次通过所述D/A转换器转换、所述激光驱动器驱动所述激光二极管发出同步多频激光，所述多频合成器还连接到所述鉴相器。
3.如权利要求2所述的激光测距***，其特征在于，所述弱光信号提取装置包括第一有源带通滤波器和放大器。
4.如权利要求3所述的激光测距***，其特征在于，所述激光接收装置还包括光学挡板、雪崩光电二极管、A/D转换器；所述光学挡板接收所述同步多频激光并将其反射发送给所述雪崩光电二极管接收；所述雪崩光电二极管接收所述同步多频激光并依次通过所述弱光信号提取装置和所述A/D转换器发送到所述鉴相器的输入端。
5.如权利要求4所述的激光测距***，其特征在于，所述鉴相器与所述多频合成器之间还设有第二有源带通滤波器。
6.如权利要求5中任一项所述的激光测距***，其特征在于，多频合成器是FPGA。
7.如权利要求6所述的一种激光测距***，其特征在于，所述同步多频激光是同步双频激光。
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