專利名稱：一種激光測距設備及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光應用技術領域，特別涉及一種激光測距設備及方法。
背景技術：
目前，激光測距通常采用相位法。相位法測距首先對光波進行調制，通常為正弦波 調制，形成所謂的“光尺”。發(fā)出的光波到達被測目標并反射后，接收到的反射光波將與出射 光波存在一定的相位差口 ,假定激光調制頻率為f，則光波在被測距離上往返一次所需的時
間t為/ =從而被測距離"。因此，通過電路測出相位差p即可計算出所
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要測量的距離L。但是#中可能包含2Jif 的整數倍，= 齊(N = 0，1，2，3......)，
目前任何測量交變信號相位的方法都不能確定出相位的整周期數，只能測定不是2 Ji f的 尾數。由于整周期數不確定，故距離L就成為多值解而不能確定，這是相位法測距所必須解 決的問題。為了解決相位法測距中相位的整周期數的問題，可采用“多頻率尺”同時測量同 一距離的方法，即對一次測量采用多個調制頻率。比如選取兩個調制頻率且兩者每個整周 期所代表的距離分別為lm和100m，如果對50. 351m的距離進行測量，兩次測得的值分別為 0. 351m和50. 3m，其中，0. 351m不足lm的尾數，50. 3m不足100m的尾數，則把兩者的讀數組 合起來的結果就得到被測距離50. 351m?？梢?，多頻率尺方案至少需要兩套不同頻率的調制信號，增加了調制電路、濾波電 路的復雜性，也增加了系統的成本，而且，該技術方案需要測量兩次才可以得到高精度的測 量值，測量過程比較復雜，也會增加因偶然因素帶來的誤差。
發(fā)明內容
本發(fā)明實施例提供一種激光測距設備和方法，用以并減少激光測距設備的復雜 性，以及提高激光測距的效率。本發(fā)明實施例提供一種激光測距的的設備，包括發(fā)射單元，用于產生調制激光和第一參考信號，當接收到主控單元發(fā)送的發(fā)射指 令時，向被測物體發(fā)射所述調制激光，同時向參考單元發(fā)送所述第一參考信號；參考單元，用于將接收的第一參考信號與該參考單元存儲的第一背景信號進行比 較，得到含有所述第一參考信號到達所述參考單元時刻信息的第一信號，并將所述第一信 號發(fā)送給測量單元；接收單元，用于將所述被測物體反射的調制激光轉換為第一測量信號，將所述第 一測量信號與該接收單元存儲的第二背景信號進行比較，得到含有所述反射的調制激光到 達所述接收單元時刻信息的第二信號，并將所述第二信號發(fā)送給測量單元；測量單元，用于根據所述第一信號和所述第二信號獲得激光飛行時間，并將所述 激光飛行時間發(fā)送給主控單元；主控單元，用于向發(fā)射單元發(fā)送發(fā)射指令，并根據所述激光飛行時間，獲得與被測物體之間的第一距離。本發(fā)明實施例提供一種激光測距的方法，包括發(fā)射單元產生調制激光以及第一參考信號，并當接收到主控單元發(fā)送的發(fā)射指令 時，向被測物體發(fā)射所述調制激光，同時向參考單元發(fā)送所述第一參考信號；所述參考單元將所述第一參考信號與存儲的第一背景信號進行比較，得到含有所 述第一參考信號到達所述參考單元時刻信息的第一信號，并將所述第一信號發(fā)送給測量單 元；接收單元將所述被測物體反射的調制激光轉換為第一測量信號，將所述第一測量 信號與存儲的第二背景信號進行比較，得到含有所述反射的調制激光到達所述接收單元時 刻信息的第二信號，并將所述第二信號發(fā)送給測量單元；測量單元根據所述第一信號和所述第二信號獲得激光飛行時間，并將所述激光飛 行時間發(fā)送給主控單元；所述主控單元根據所述激光飛行時間，獲得與被測物體之間的第一距。本發(fā)明實施例中，激光測距設備產生調制激光并向被測物體發(fā)射所述調制激光， 以及同時產第一參考信號，這樣，第一參考信號通過參考單元后，獲得含有第一參考信號到 達所述參考單元時刻信息的第一信號，調制激光經被測物體發(fā)射后返回調制激光，并通過 接收單元后，獲得含有所述發(fā)射的調制激光到達所述接收單元時刻的第二信號信息，根據 第一信號以及第二信號，獲得激光飛行時間，并根據所述激光飛行時間，以及光速，獲得與 被測物體之間的第一距離。這樣，只需要一套頻率的激光光波，即只需要一套調制電路，濾 波電路，從而，大簡化了激光測距設備，減少了系統的成本。并且，只需要發(fā)射一次激光測量 信號，就可以獲得激光飛行時間，得到確定的結果，實現對任意長度的距離進行測量，這樣， 極大地提高激光測距的效率。
圖1為本發(fā)明實施例一中激光測距設備的結構圖；圖2為本發(fā)明實施例二中激光測距設備的結構圖；圖3為本發(fā)明實施例三中激光測距設備的結構圖；圖4為本發(fā)明實施例四中激光測距設備的結構圖；圖5為本發(fā)明實施例中激光測距方法的流程圖；圖6為本發(fā)明實施例中的波形示意圖；圖7為本發(fā)明實施例五中激光測距設備的結構圖；圖8為本發(fā)明實施例六中激光測距設備的結構圖；圖9為本發(fā)明另一實施例中激光測距方法的流程圖；圖10為本發(fā)明具體實施例中激光測距設備的結構圖。
具體實施例方式本發(fā)明實施例中，通過測量調制激光飛行時間來計算激光測距設備與被測物體之 間的距離，進一步，采用相位測量來修正上述測量結果，得到高精度的測量結果。實施例一如圖1所示，為本發(fā)明實施例中的一種激光測距設備的結構框圖，該激光測距設備包括發(fā)射單元100，參考單元200，接收單元300、測量單元400和主控單元 500。其中，發(fā)射單元100，用于產生調制激光和第一參考信號，當接收到主控單元500發(fā)送的 發(fā)射指令時，向被測物體發(fā)射調制激光，同時向參考單元200發(fā)送第一參考信號。參考單元200，用于將接收到的第一參考信號與該參考單元200存儲的第一背景 信號進行比較，得到含有接收到第一參考信號到達該參考單元時刻信息的第一信號，并將 第一信號發(fā)送給測量單元400。接收單元300，用于將被測物體反射的調制激光轉換為第一測量信號，將第一測量 信號與該接收單元300存儲的第二背景信號進行比較，得到含有反射的調制激光到達該接 收單元時刻信息的第二信號，并將第二信號發(fā)送給測量單元400。測量單元400，用于根據第一信號和第二信號獲得調制激光的飛行時間，并將該飛 行時間發(fā)送給主控單元500。主控單元500，用于向發(fā)射單元100發(fā)送發(fā)射指令，并根據激光飛行時間，獲得與 被測物體之間的第一距離。本發(fā)明實施例中，第一參考信號可以是調制激光，也可以是驅動激光器產生調制 激光的電信號。當第一參考信號為調制激光時，發(fā)射單元100向參考單元200發(fā)送第一參 考信號具體為發(fā)射單元100通過部分反射元件將設定比例的調制激光反射到參考單元 200 ；則，參考單元200，需要先將所述第一參考信號轉換為電信號，然后再和第一背景 信號進行比較。發(fā)射單元100，還用于當接收到主控單元發(fā)送的發(fā)射指令時，將設定比例的 調制激光反射到參考單元；則參考單元200，還用于將接收到的調制激光進行光電轉換，獲 得第一參考信號的電信號。當第一參考信號為電信號時，發(fā)射單元100在接收到主控單元發(fā)送的發(fā)射指令 時，將第一參考信號發(fā)送給參考單元200，則參考單元200直接將第一參考信號和第一背景 信號進行比較。當然，主控單元500，還用于向參考單元200發(fā)送第一采樣保持指令，控制參考單 元200存儲第一背景信號；以及向接收單元300發(fā)送第二采樣保持指令，控制接收單元300 存儲第二背景信號。參考單元200，還用于根據第一采樣保持指令，存儲第一背景信號。接收單元300，還用于根據第二采樣保持指令，存儲第二背景信號。實施例二為使本發(fā)明實施例中的激光測距設備功能更加完善，還可在該激光測 距設備中增加一個顯示單元，用于顯示該激光測距設備的各種參數和/或測量結果等信 息。如圖2所示，該激光測距設備和圖1所示的激光測距設備相比增加了顯示單元600，顯 示單元600與主控單元500電連接，用于顯示該激光測距設備的各種參數和/或測量結果 等{曰息。實施例三為了更清楚地說明本發(fā)明中的激光測距設備，將上述實施例中的激光 測距設備進一步細化，如圖3所示，該激光測距設備發(fā)射單元100包括主振模塊101和調 制發(fā)射模塊102。參考單元200包括第一接收模塊201，第一采樣保持模塊202和第一比 較模塊203。接收單元300包括第二接收模塊301、第二采樣保持模塊302和第二比較模塊303。其中，主振模塊101，用于產生調制信號。調制發(fā)射模塊102，與主振模塊101電連接，根據調制信號產生調制激光和第一參 考信號；調制發(fā)射模塊102還與主控單元500電連接，當接收到主控單元500發(fā)送的發(fā)射指 令時，向被測物體發(fā)射調制激光，并同時向參考單元200的第一接收模塊201發(fā)送第一參考信號。第一接收模塊201，用于接收發(fā)射單元100的調制發(fā)射模塊102發(fā)送的第一參考信號。第一采樣保持模塊202，用于在發(fā)射單元100發(fā)射調制激光之前，根據主控單元 500發(fā)送的第一采樣保持指令，存儲第一背景信號。第一比較模塊203，用于將第一參考信號與第一背景信號進行比較，得到含有接收 到第一參考信號時刻信息的第一信號，并將第一信號發(fā)送給測量單元400。第二接收模塊301，用于接收被測物體反射的調制激光，并將調制激光轉換為電信 號，即獲得第一測量信號。第二采樣保持模塊302，在發(fā)射單元100發(fā)射調制激光之前，根據主控單元500發(fā) 送的第二采樣保持指令，存儲第二背景信號。第二比較模塊303，用于將第二接收模塊301根據調制激光轉換而來的第一測量 信號與第二背景信號進行比較，得到含有被測物體反射的調制激光到達時刻信息的第二信 號，并將第二信號發(fā)送給測量單元400。測量單元400，根據第一信號和第二信號獲得調制激光的飛行時間，并將該飛行時 間發(fā)送給主控單元500。這樣，主控單元500可根據激光飛行時間，獲得與被測物體之間的
第一距離。這樣，測量單元400可以根據主控單元500下發(fā)的時間測量指令，進行對應的時間 模式設置，并根據所述時間模式，當檢測到第一信號的上升沿時，開始計時，當檢測到第二 信號的上升沿時，停止計時，確定計時得到的時間為激光飛行時間T。主控單元500則可根據L = C t /2，獲得與被測物體之間的第一距離。其中，L為 第一距離，C為光速。實施例四由于第一參考信號還可以是調制激光，發(fā)射單元100通過部分反射元 件將設定比例的調制激光反射到參考單元200，則參考單元200，還用于將發(fā)射過來的調制 激光進行光電轉換，獲得第一參考信號。因此，本發(fā)明實施例另一種具體的激光測距設備如 圖4所示，在該設備中，發(fā)射單元100不僅包括主振模塊101，調制發(fā)射模塊102，還包括部 分反射模塊103。其中，主振模塊101，用于產生調制信號。調制發(fā)射模塊102，與主振模塊101電連接，根據調制信號產生調制激光。調制發(fā) 射模塊102還與主控單元500電連接，當接收到主控單元500發(fā)送的發(fā)射指令時，向部分反 射模塊103發(fā)送調制激光。部分反射模塊103，用于將設定比例的調制激光發(fā)射到參考單元的第一接收單元 201，并同時向被測物體發(fā)射其余的調制激光。本實施例中，參考單元200仍包括第一接收模塊201，第一采樣保持模塊202和
9第一比較模塊203。其中，第一接收模塊201，用于接收部分反射模塊103反射的調制激光，并將調制 激光轉換為電信號，即獲得第一參考信號。第一采樣保持模塊202和第一比較模塊203的功能不變，就不在累述。該實施例中，接收單元300，測量單元400和控制單元500的結構和功能都不變，也 不在累述?？梢?，本發(fā)明實施例中，該激光測距設備包括兩個通路，分別是參考信號通路和測 量信號通路。參考信號通路包括參考單元；測量信號通路包括接收單元。上述實施例一至四中任意一個激光測距設備所采用的測距方法的流程參見圖5， 包括步驟501 發(fā)射單元產生調制激光和第一參考信號。第一參考信號可以是調制激光，也可以是驅動激光器產生調制激光的電信號。這里，產生的調制激光的調制信號的頻率為主振頻率f\，第一參考信號R可以表示 為介+ + ,其中，A為幅值，％為初始相位，為主振頻率即第一頻率，為直流偏 置。當fi = 30MHz時，第一參考信號R的波形圖如圖6中所示。步驟502 發(fā)射單元接收主控單元發(fā)送的發(fā)射指令，并向被測物體發(fā)射調制激光， 以及同時向參考單元發(fā)送第一參考信號。發(fā)射單元在接收到發(fā)射指令之前會持續(xù)產生調制激光，當接收到主控單元發(fā)送的 發(fā)射指令后，向被測物體發(fā)射調制激光，同時向參考單元發(fā)送第一參考信號。步驟503:參考單元將第一參考信號與存儲的第一背景信號進行比較，獲得含有 第一參考信號到達時刻信息的第一信號。參考單元在接收第一參考信號之前，會根據主控單元的指令采集參考信號通路的 背景信號并存儲，即采集激光測距設備的參考單元的第一背景信號Rk，然后進行保存。這樣，當激光測距設備產生了第一參考信號R后，參考單元將第一參考信號R與保 存的第一背景信號Rk進行比較，得到第一信號R。。該第一信號R。一般為方波信號。即當第 一參考信號R的幅值大于第一背景信號Rk時，該時刻對應高電平，當第一參考信號R的幅 值小于或等于第一背景信號Rk時，該時刻對應低電平。或者，第一參考信號R的幅值小于 或等于第一背景信號Rk時，該時刻對應高電平，第一參考信號R的幅值大于等于第一背景 信號Rk時，該時刻對應低電平。這樣，即可獲得第一信號R。。第一參考信號尺二力時 介+外；！ + ^丨，其中，A為幅值，f\為第一頻率，％為初始相位，
第一背景信號Rk是一個直流分量，這樣，第一信號R。中攜帶了第一參考信號R到達時刻的 信息。如上例，= 30MHz，第一背景信號Rk比較小，則第一信號R。如圖6中所示。步驟504 接收單元接收被測物體反射回來的調制激光，并對該調制激光進行光 電轉換，獲得第一測量信號。第一測量信號S可表示為r) + %) + C2,其中，B為幅值，fi為第一頻率，％ 為初始相位，t為激光飛行時間，C2為直流偏置。由于第一參考信號R^AinPM/U + q， 顯然，本發(fā)明實施例中，該激光測距設備與被測物體之間的距離L可以表示為L = C t /2, 其中，C為光速，t為激光飛行時間。同樣，當& = 30MHz時，第一測量信號S如圖6中所
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步驟505 接收單元將第一測量信號與保存的第二背景信號進行比較，獲得含有 反射激光到達時刻信息的第二信號。同樣，激光測距設備的接收單元在發(fā)射單元發(fā)射調制激光之前，會采集測量接收 信號通路的背景信號，即激光測距設備的接收單元的第二背景信號Sk，然后進行保存。這 里，在進行測量之前，主控單元向接收單元發(fā)送第二采樣保持指令，這樣，接收單元根據第 二采樣保持指令，采樣該參考單元的第二背景信號并保存。這樣，當激光測距設備獲得第一測量信號S后，接收單元將第一測量信號S與保存 的第二背景信號Sk進行比較，得到第二信號S。。第二信號S。一般也為方波信號，產生的過 程與步驟502中相同，不再累述。第一測量信號S二擬時2；^( -0 +外)+ ^2，其對應的頻率為f\，第二背景信號Sk是一
個直流分量，這樣，第二信號S。中攜帶了第一測量信號S到達時刻的信息。如上例，= 30MHz，第二背景信號Sk比較小，則第二信號S。如圖6中所示。本發(fā)明實施例中，步驟503獲得第一信號的過程，與步驟504及505獲得第二信號 的過程是一個并行的過程，即激光測距設備同時產生了調制激光和第一參考信號后，該設 備立刻進行步驟503。在此過程中接到反射激光后，即可順序執(zhí)行步驟504以及505。步驟506 測量單元根據第一信號以及第二信號獲得激光飛行時間。這里，一般測量單元根據時間模式，通過檢查第二信號與第一信號之間的時間延 時，獲得激光飛行時間。因此，獲得激光飛行時間之前，還可以包括接收主控單元的時間測 量指令，并根據時間測量指令，進行對應的時間模式設置。這樣，根據所述時間模式，當檢測到所述第一信號的上升沿時，開始計時；當檢測 到所述第二信號的上升沿時，停止計時；確定計時得到的時間為激光飛行時間T。根據圖6所示，第一信號的上升沿與第二信號的上升沿之間跨越了多個完整的f\ 對應的波長，這樣，采用本實施例中所述的方法可以實現長距離的測量。步驟507 主控單元根據激光飛行時間，獲得與被測物體之間的第一距離。根據上述分析可知，該激光測距設備與被測物體之間的距離L可以表示為L = (^/2，其中，(為光速，t為激光飛行時間。當然本發(fā)明實施例中，主控單元還可以將第一距離發(fā)送給顯示單元進行顯示。在上述實施例中，激光測距設備利用上述方法可以獲得與測量物體之間的距離。 但是，由于激光測距設備檢測第二信號與第一信號之間的時間延遲的檢測精度有限，假定 時間延遲的檢測精度為Tp，則測距精度為AL = C%，一般時間延遲的檢測精度為ns級， 對應于距離精度為m級，目前最好的時間延遲的檢測精度也只能到幾十ps，對應于測距精 度為cm級，因此，獲得的與測量物體之間的距離的精度還較低，可以作為一個粗測的過程。本發(fā)明實施例中，利用上述方法首先進行粗測，解決了相位法中的多值問題，但本 發(fā)明實施例中，還可以進一步提高測量的精度。在該發(fā)明實施例中，激光測距設備的結構框 圖仍如圖1所示，包括發(fā)射單元100，參考單元200，接收單元300、測量單元400和主控單 元500。其中，發(fā)射單元100，不僅用于產生調制激光和第一參考信號，當接收到主控單元500發(fā) 送的發(fā)射指令時，向被測物體發(fā)射調制激光，同時向參考單元200發(fā)送第一參考信號；還用 于產生本振信號，并向參考單元200和接收單元300發(fā)送該本振信號。
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參考單元200，不僅用于將接收到的第一參考信號與該參考單元存儲的第一背景 信號進行比較，得到含有接收到第一參考信號時刻信息的第一信號，并將第一信號發(fā)送給 測量單元400;還用于將第一參考信號和接收到的本振信號進行混頻，獲得混頻后的第二 參考信號，并將第二參考信號發(fā)送給測量單元400。接收單元300，不僅用于將被測物體反射的調制激光轉換為第一測量信號，將第一 測量信號與該接收單元存儲的第二背景信號進行比較，得到含有反射的調制激光到達時刻 信息的第二信號，并將第二信號發(fā)送給測量單元400 ；還用于將第一測量信號與接收的本 振信號進行混頻，獲得混頻后的第二測量信號，并將第二測量信號發(fā)送給測量單元400。這樣，測量單元400，不僅用于根據所述第一信號和第二信號獲得激光飛行時間， 并將所述激光飛行時間發(fā)送給主控單元500，還用于測量第二測量信號與第二參考信號之 間的相位差，根據所述相位差，獲得與被測物體之間的第二距離，并將所述第二距離發(fā)送給 主控單元。主控單元500，不僅用于根據所述激光飛行時間，獲得與被測物體之間的第一距 離，還用于根據所述第一距離和第二距離，獲得與被測物體之間的精確距離?？梢?，該實施例中，通過產生的本振信號分別與第一測量信號以及第一參考信號 進行混頻，獲得對應的第二測量信號以及第二參考信號，這樣，不僅降低了測量信號與參考 信號的頻率，并且通過測量第二測量信號與第二參考信號之間的相位差，以及根據所述相 位差，獲得與被測物體之間的第二距離，從而，根據第一距離和第二距離，獲得與被測物體 之間的精確距離。當然，在如圖2所示的激光測距設備中，參考單元200，接收單元300、測量單元400 和主控單元500也可具體有上述功能。此時，顯示單元600，不僅用于主控單元500獲得的 第一距離，還用于顯示主控單元獲得的精確距離。實施例五由于在精確距離的測量過程中，激光測距設備的各個單元都增加了新 的功能，因此，可將上述實施例中的激光測距設備進行進一步細化，如圖7所示，該激光測 距設備發(fā)射單元100包括主振模塊101，調制發(fā)射模塊102和本振模塊104。其中，主振模塊101，用于產生調制信號。調制發(fā)射模塊102，與主振模塊101電連接，根據調制信號產生調制激光和第一參 考信號，這里，調制發(fā)射模塊102還與主控單元500電連接，當接收到主控單元500發(fā)送的 發(fā)射指令時，向被測物體發(fā)射調制激光，并同時向參考單元200的接收模塊201發(fā)送第一參
考信號。本振模塊104，用于產生本振信號，并向參考單元200的第一混頻模塊204以及接 收單元300的第二混頻模塊304發(fā)送本振信號。參考單元200包括第一接收模塊201，第一采樣保持模塊202、第一比較模塊203 和第一混頻模塊204。第一接收模塊201，用于接收調制發(fā)射模塊102發(fā)送的第一參考信號。第一采樣保持模塊202，用于在發(fā)射單元100發(fā)射調制激光之前，根據主控單元 500發(fā)送的第一采樣保持指令，存儲第一背景信號。第一比較模塊203，用于將第一參考信號與第一背景信號進行比較，得到含有接收 到第一參考信號時刻信息的第一信號，并將第一信號發(fā)送給測量單元400。
第一混頻模塊204，用于將第一參考信號與接收的本振信號進行混頻，得到混頻后 的的第二參考信號，并將第二參考信號發(fā)送給測量單元400。接收單元300包括第二接收模塊301、第二采樣保持模塊320、第二比較模塊303 和第二混頻模塊304。第二接收模塊301，用于接收調制發(fā)射模塊102發(fā)送的調制激光，并將調制激光轉 換為電信號，即獲得第一測量信號。第二采樣保持模塊302，在發(fā)射單元100發(fā)射調制激光之前，根據主控單元500發(fā) 送的第二采樣保持指令，存儲第二背景信號。第二比較模塊303，用于將第二接收模塊301根據調制激光轉換而來的第一測量 信號與第二背景信號進行比較，得到含有反射的調制激光到達時刻信息的第二信號，并將 第二信號發(fā)送給測量單元400。第二混頻模塊304，用于將第一測量信號與本振信號進行混頻，得到混頻后的第二 測量信號，并將第二測量信號發(fā)送給測量單元400。測量單元400，用于根據第一信號和第二信號獲得調制激光的飛行時間，并將該飛 行時間發(fā)送給主控單元500，并接收的相位測量指令后，測量所述第二測量信號與所述第二 參考信號之間的相位差，根據所述相位差，獲得與被測物體之間的第二距離，并將所述第二 距離發(fā)送給主控單元當然，主控單元500，還用于向所述測量單元發(fā)送相位測量指令，則測量單元400， 還用于根據所述相位測量指令，進行對應的相位模式設置。主控單元500，還用于將所述第一距離中整數個波長對應的距離與第二距離之間 的和確定為與被測物體之間的精確距離，該波長為主振模塊產生的主振信號的頻率對應的 波長。當然，主控單元500，還可以根據其他的設定規(guī)則，根據第一距離和第二距離，獲得 與被測物體之間的精確距離。例如，第一距離和第二距離采用同樣的量度值表示，這樣，提 取第一距離小數點前的有效數字，提取第二距離的小數點后的有效數字，即可得出被測物 體之間的精確距離。當然，該激光測距設備還可以含有顯示單元，用于顯示主控單元獲得的精確距離。本發(fā)明實施例中，主振模塊101產生的調制信號與本振模塊104產生的本振信號 一般都為高頻信號，兩者之間相差一個中頻信號，這樣，當進行混頻后的，獲得的第二參考 信號以及第二測量信號都是中頻信號，從而，可以比較精確地測量這兩個中頻信號之間的 相位差。實施例六本發(fā)明實施例還包括另一種具體的激光測距設備如圖8所示，與圖7 所示激光測距設備相比，只是在發(fā)射單元100中增加了部分反射模塊103。該實施例中，主 振模塊101，調整發(fā)射模塊102、部分反射模塊103，以及第一接收模塊201的功能分別與如 圖4所示的設備中的主振模塊101，調整發(fā)射模塊102、部分反射模塊103，以及第一接收模 塊201的功能一致，其他模塊的功能與圖7所示的設備中的對應的模塊一致，具體就不再累 述。該激光測距設備同樣包括兩個通路，分別是參考信號通路和測量信號通路。上述實施例五或六中激光測距設備進行激光測距所采用的激光測距方法的流程，參見圖9，包括步驟901 發(fā)射單元產生調制激光和第一參考信號，以及本振信號。激光測距設備的發(fā)射單元產生調制激光以及第一參考信號R=/Jsin(2^/;/ + %) + Cl，而本振模塊產生本振信號 Csin(2 Ji f2t)。這里，為主振頻率即第一頻率，f2為本振頻率即第二頻率，f\、f2 —般為高頻，兩 者之間相差一個設定頻率fm，一般為中頻。當= 30MHz, f2 = 30. 01MHz時，其第一參考信 號，以及本振信號的波形示意圖如圖6中所示。步驟902 發(fā)射單元接收主控單元發(fā)送的發(fā)射指令，向被測物體發(fā)射該調制激光， 同時向參考單元發(fā)送第一參考信號，以及發(fā)射單元向參考單元和接收單元發(fā)送本振信號。步驟903:參考單元將第一參考信號與保存的第一背景信號進行比較，獲得含有 第一參考信號到達時刻信息的第一信號，將第一參考信號與本振信號進行混頻，獲得混頻 后的第二參考信號。將第一參考信號+ 6與保存的第一背景信號為Rk進行比較，獲得 第一信號R。。本發(fā)明實施例中，獲取第一信號R。的過程與上述步驟503相同，不再重復描 述了。當然，還可以采用其他類似的方法獲得第一信號R。。為第一頻率，f2為第二頻率，fm為混頻后的頻率，則第二參考信號 Rm = Ds'm(27tfj + (p0)^ = 30MHz, f2 = 30. 01MHz 時，混頻后的頻率為 fm = lOKHz， 則第二參考信號的波形示意圖如圖6中所示。步驟904 接收單元接收被測物體反射回來的調制激光，并對該調制激光進行光 電轉換，獲得第一測量信號。這里，采用如上述步驟504相同方法獲得第一測量信號S，當然，還可以采用其他 類似的方法獲得第一測量信號S。步驟905:接收單元將第一測量信號與保存的第二背景信號進行比較，獲得含有 反射激光到達時刻信息的第二信號，將第一測量信號與本振信號進行混頻和濾波，獲得混 頻后的第二測量信號。這里，采用如上述步驟505相同方法獲得第二信號S。，當然，還可以采用其他類似 的方法獲得第二信號S。。第一測量信號信號S相對于第一參考信號R具有識的相位差，P = 2;ry;r，其中，T為 激光飛行時間，同時^可以表示為若干個整波和剩余相位的和，即P = +代，因此s信號
簡化為如啦妳婦。-⑴,這樣，隊所表示的距離為1 =當第一測量信號S與本振信號Csin(2 Ji f2t)進行混頻并濾波后，得到第二測量信 號Sm，其中，& =五sinQTr// —代+外)。當fi = 30MHz, f2 = 30. 01MHz時，混頻后的頻率 為fm = lOKHz，則第二測量信號的波形示意圖如圖6中所示。同樣，本發(fā)明實施例中，步驟903獲得第二參考信號的過程，與步驟904及905獲 得第二測量信號的過程是一個并行的過程。步驟906 測量單元根據第一信號以及第二信號獲得激光飛行時間，并測量第二 測量信號與第二參考信號之間的相位差。這里，采用如上述步驟505相同方法獲得激光飛行時間t。當然，還可以采用其他
14類似的方法獲得激光飛行時間t。第二測量信號
)，第二參考信號
因此，兩者之間的相位差為&，這里，測量單元測量完第二信號與
第一信號之間的時間延遲后，測量單元接收主控單元發(fā)送相位測量指令，并根據所述相位 測量指令，進行對應的相位模式設置，然后根據相位模式測量第二測量信號與第二參考信 號之間的相位差。本發(fā)明實施例中，可以將相位差的測量轉換為時間的測量，分別將第二測量信號 與第二參考信號輸入過零比較器，這樣，可以獲得第二測量信號對應的測量方波信號，以及 第二參考信號對應的參考方波信號。然后，重置計時器，當檢測到參考方波信號的上升沿時，重新開始計時；當檢測到 測量方波信號的上升沿時，停止計時，確定計時得到的時間為相位差對應的延遲時間。從 而，根據公式代獲得相位差％。同樣，當第二測量信號與第二參考信號的波形示意圖如圖6所示時，其對應的參 考方波信號以及測量方波信號的波形示意圖也如圖6所示。其參考方波信號的上升沿與測 量方波信號的上升沿之間并不包括整數個波長。但由于混頻后，fm= lOKHz，參考方波信號 的上升沿與測量方波信號的上升沿之間時間差相對于第一信號的上升沿與第二信號的上 升沿之間時間差長一些。當然，還可以根據現有技術獲得第二測量信號與第二參考信號之間的相位差。步驟907 主控單元根據激光飛行時間，獲得與被測物體之間的第一距離，根據相 位差，獲得與被測物體之間的第二距離。根據公式k = C t /2獲得第一距離Llt)根據公式厶= 獲得 第二距離L2。步驟908 主控單元根據第一距離和第二距離，獲得與被測物體之間的精確距離。這里，可以根據設定的規(guī)則，從第一距離中提取一些有效數字，以及從第二距離中 提取一些有效數字，將這些有效數字組合，即可獲得與被測物體之間的精確距離。例如確定第一頻率對應的波長，將上述第一距離U中整數個波長對應的距離 與第二距離L2之間的和確定為與被測物體之間的精確距離?；蛘?，第一距離和第二距離采 用同樣的量度值表示，這樣，提取第一距離小數點前的有效數字，提取第二距離的小數點后 的有效數字，即可得出被測物體之間的精確距離。本實施例中，假定時間延時的檢測精度為t p，相位差測量精度為
，因 此測量距離的精度為
、，可見，對比不采用混頻的粗測精度提高了 j倍，通常主
振頻率為MHz級，中頻頻率為fm為KHz級，這樣，精度可以提高3個量級，因此，可以很容 易實現高精度的測量，同時結合上述粗測可以對任意長度的距離進行測量。下面結合說明書附圖對本發(fā)明實施例作進一步詳細描述。本實施例中，如圖10所示，發(fā)射單元中的主振模塊采用鎖相環(huán)電路，包括鑒相鑒 頻器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩源，主振頻率選擇30MHz，即= 30MHz ；本振模塊同樣采用鎖 相環(huán)電路，產生30. 01MHz頻率的本振信號，即f2 = 30. 01MHz，這樣，混頻后的中頻頻率乙為lOKHz。本實施例中選擇的具體的主振頻率和本振頻率只是為了方便說明，并不是對本發(fā)明 保護范圍的限制。主振模塊將主振頻率30MHz的主振信號發(fā)送給調制發(fā)射模塊中的調制電路，調制 電路連接激光驅動電路，驅動激光器發(fā)出調制激光。調制出的調制激光采用部分反射鏡將 10%的激光反射給參考單元，其余部分向被測物體發(fā)射。反射部分的激光被參考信號通路接收，即參考單元接收。該參考單元中的第一接 收單元由光電二極管(Avalanche Photo Diode, PIN)和放大電路組成，將反射激光轉化為 電壓信號并放大，獲得第一參考信號。第一采樣保持模塊和第一比較模塊分別由采樣/保 持器和比較器構成，首先，采樣/保持器在激光發(fā)射之前，根據主控單元的指令采集的該參 考單元的第一背景信號并保持，然后比較器將獲得的第一參考信號與第一背景信號進行比 較，產生第一信號R。。第一混頻模塊由混頻芯片和濾波電路組成，用于將參考單元中的第一接收模塊獲 得第一參考信號與本振模塊產生的本振信號進行混頻，并濾出其中的中頻lOKhz的分量， 得到第二參考信號Rm。被測物體接收到調制激光后，反射回來激光，該反射回來的調制激光被接收 信號通路接收，即接收單元接收，這樣，該接收單元的第一接收模塊由雪崩光電二極管 (Avalanche Photo Diode, APD)和放大電路組成，將反射回來的調制激光轉化為電壓信號 并放大，獲得第一測量信號。第二采樣保持模塊和第二比較模塊也分別由采樣/保持器和 比較器構成，同樣，采樣/保持器在激光發(fā)射之前，根據主控單元的指令采集的該接收單元 的第二背景信號并保持，然后比較器將獲得的第一測量信號與第二背景信號進行比較，產 生第二信號S。。第二混頻模塊也由混頻芯片和濾波電路組成，用于將接收單元中的第二接收模塊 獲得第一測量信號與本振模塊產生的本振信號進行混頻，并濾出其中的中頻lOKHz的分 量，得到第二測量信號Sm。測量單元包括兩個雙路開關，以及時間檢查芯片，第一比較模塊輸出的第一信號 Rc和第一混頻模塊輸出第二參考信號Rm接入其中一個雙路開關的兩個輸入端，并將開關的 信號輸出端連接到時間檢測芯片的START端口 ；而第二比較模塊輸出的第二信號S。和第二 混頻模塊輸出第二測量信號Sm接入另一雙路開關的兩個輸入端，該開關的信號輸出端連接 時間檢測芯片的STOP端口，雙路開關通過主控單元控制選擇。主控單元可以為單片機但不限定于單片機，例如其他的一些智能處理芯片。本發(fā) 明實施例中各種波形示意圖如圖6所示。這樣，該實施例的工作流程如下開機后，主振模塊和本振模塊開始工作并產生兩 個頻率30MHz和30. 01MHz，第一接收模塊和第二接收模塊處于預備狀態(tài)等待激光的到來， 主控單元設置雙路開關，將其設置為選擇第一信號信號R。和第二信號S。，時間檢測芯片處 于預備狀態(tài)等待信號的到來。首先，主控單元分別控制第一采樣保持模塊和第二采樣保持模塊，使第一采樣保 持模塊和第二采樣保持模塊分別獲取背景水平信號Sk和Rk并保持，然后，主控單元控制調 制發(fā)射模塊，發(fā)出調制激光，其中，部分調制激光經發(fā)射后發(fā)送給參考模塊。參考模塊獲得反射的部分激光，并轉換為第一參考信號R，將轉換后的第一參考信號R傳送給第一比較模塊和第一混頻模塊；第一比較模塊中的比較器通過比較第一參考信 號R和背景水平信號Rk，而獲得帶有發(fā)射激光到達時刻信息的方波信號R。。時間檢測芯片接收該方波信號R。的上升沿后開始計時，并等待測量信號通路的第 二信號S。；其中，測量信號通路上的調制激光反射回來到達第二接收模塊后，將該調制激光 轉換為第一測量信號S，并傳輸給第二比較模塊和第二混頻模塊，通過與參考信號通路同樣 的方式獲得S。。這樣，時間檢測芯片接收到S。的上升沿后停止計時，記下測量時間、，該測量時間 即為第一測量信號與第一參考信號之間的延時，也就是激光飛行時間。然后，主控單元對雙路開關進行重置，將雙路開關選擇混頻單元輸出的信號Rm和 Sm，同時主控單元對時間檢測芯片進行重置，重置后的時間檢測芯片將在START端口檢測到 參考信號通路中第一混頻模塊輸出信號Rm對應的參考方波的的上升沿作為計時開始，然后 在STOP端口檢測到測量信號通路第二混頻模塊輸出信號Sm對應的測量方波的的上升沿作 為計時結束，并記下測量時間t2。這樣，根據時間、獲得與測量物理之間的第一距離，根據時間t2獲得與測量物理
1 1 f
之間的第二距離，其中，第一距離Li為A 二力第二距離L2為乙-2 J C{2，然后，將Li中
含有的整數個波長的距離加上L2即可得出最終測量距離。例如在本實施例中，由于= 30MHz，f2 = 30. 01MHz則假定粗測時間為320ns，精測時間t2為60303ns，則可以根據
A 計算出第一距離為48m，由于30MHz的整波長周期對應的距離為5m，48米中含有9
個5m，則整數個波長對應的距離為45m，根據4計算出第二距離為3. 01515m,因此，
最終的測量距離為48. 01515m。當然，本發(fā)明實施例中，還可以包括顯示單元，用于顯示最終的測量距離。該顯示 單元可以是LED顯示屏，或者是數碼顯示，當然其他的一些顯示裝置也可以。本發(fā)明實施例中，激光測距設備產生調制激光以及第一參考信號，并向被測物體 發(fā)射所述調制激光，以及同時向參考單元發(fā)送所述第一參考信號，這樣，第一參考信號通過 該設備的參考單元后，獲得含有第一參考信號到達時刻信息的第一信號，調制激光經被測 物體發(fā)射后返回調制激光，并通過該設備的接收單元后，獲得含有所述調制激光到達時刻 信息的第二信號，根據第一信號以及第二信號獲得激光飛行時間，并根據所述激光飛行時 間，獲得與被測物體之間的第一距離。這樣，只需要一套頻率的激光光波，從而只需要一套 調制電路，濾波電路，從而，大簡化了激光測距設備，減少了系統的成本。并且，只需要發(fā)射 一次激光測量信號，就可以獲得激光飛行時間，得到確定的結果，實現對任意長度的距離進 行測量，這樣，極大地提高激光測距的效率。另外，在采用相位激光測距的過程中，通過信號混頻電路，將測量信號和參考信號 間的相位差信息搬移到中頻段，極大提高了相位差測量精度，亦即極大提高了距離測量精 度。從而，本發(fā)明實施例中通過調制激光飛行時間來獲取激光測距設備與被測物體之間的 距離，進一步，采用相位測量來修正獲取的距離，得到高精度的距離，實現任意距離的高精 度測量。顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精
17神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍 之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
一種激光測距設備，其特征在于，包括發(fā)射單元，用于產生調制激光和第一參考信號，當接收到主控單元發(fā)送的發(fā)射指令時，向被測物體發(fā)射所述調制激光，同時向參考單元發(fā)送所述第一參考信號；參考單元，用于將接收的第一參考信號與該參考單元存儲的第一背景信號進行比較，得到含有所述第一參考信號到達所述參考單元時刻信息的第一信號，并將所述第一信號發(fā)送給測量單元；接收單元，用于將所述被測物體反射的調制激光轉換為第一測量信號，將所述第一測量信號與該接收單元存儲的第二背景信號進行比較，得到含有所述反射的調制激光到達所述接收單元時刻信息的第二信號，并將所述第二信號發(fā)送給測量單元；測量單元，用于根據所述第一信號和所述第二信號獲得激光飛行時間，并將所述激光飛行時間發(fā)送給主控單元；主控單元，用于向發(fā)射單元發(fā)送發(fā)射指令，并根據所述激光飛行時間，獲得與被測物體之間的第一距離。
2.如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述發(fā)射單元包括 主振模塊，用于產生調制信號；調制發(fā)射模塊，與所述主振模塊以及主控單元連接，用于根據所述調制信號產生調制 激光和第一參考信號，并當接收到所述主控單元發(fā)送的發(fā)射指令時，向被測物體發(fā)射所述 調制激光，并同時向參考單發(fā)送所述第一參考信號。
3.如權利要求2所述的設備，其特征在于，所述發(fā)射單元還包括部分反射模塊，則， 所述調制發(fā)射模塊，用于根據所述主振模塊產生的調制信號產生調制激光，當接收到所述主控單元發(fā)送的發(fā)射指令時，向所述部分反射模塊發(fā)送所述調制激光；所述部分反射模塊，用于將設定比例的調制激光發(fā)射到參考單元，并同時向被測物體 發(fā)射其余的調制激光。
4.如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述參考單元包括 第一接收模塊，用于接收所述發(fā)射單元發(fā)送的第一參考信號；第一采樣保持模塊，用于在所述發(fā)射單元發(fā)射調制激光之前，根據所述主控單元發(fā)送 的第一采樣保持指令，存儲第一背景信號；第一比較模塊，用于將所述第一參考信號與第一背景信號進行比較，得到含有接收到 第一參考信號時刻信息的第一信號，并將第一信號發(fā)送給測量單元。
5.如權利要求4所述的設備，其特征在于，所述第一接收模塊，還用于接收所述發(fā)射單元反射的調制激光，并將調制激光轉換為第一參考信號。
6.如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述接收單元包括第二接收模塊，用于接收被測物體反射的調制激光，并將該調制激光轉換為第一測量 信號；第二采樣保持模塊，用于在所述發(fā)射單元發(fā)射調制激光之前，根據主控單元發(fā)送的第 二采樣保持指令，存儲第二背景信號；第二比較模塊，用于將所述第一測量信號與第二背景信號進行比較，得到含有反射的 調制激光到達時刻信息的第二信號，并將第二信號發(fā)送給測量單元。
7.如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述主控單元，還用于向所述測量單元發(fā)送時間測量指令；所述測量單元，還用于根據時間測量指令，進行對應的時間模式設置，并根據所述時間 模式，當檢測到所述第一信號的上升沿時，開始計時，當檢測所述第二信號的上升沿時，停 止計時，確定計時得到的時間為激光飛行時間。
8.如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述發(fā)射單元還包括本振模塊，用于產生本振信號；所述參考單元還包括第一混頻模塊，用于將所述參考單元獲得的第一參考信號，與所 述本振信號進行混頻，獲得混頻后的第二參考信號，并將所述第二參考信號發(fā)送給測量單 元；所述接收單元還包括第二混頻模塊，用于將所述接收單元獲得的第一測量信號，與所 述本振信號進行混頻，獲得混頻后的第二測量信號，并將所述第二測量信號發(fā)送給測量單 元；貝U，所述測量單元，還用于測量所述第二測量信號與所述第二參考信號之間的相位差， 根據所述相位差，獲得與被測物體之間的第二距離，并將所述第二距離發(fā)送給主控單元；所述主控單元，還用于根據所述第一距離和第二距離，獲得與被測物體之間的精確距罔。
9.如權利要求8所述的設備，其特征在于，所述主控單元，還用于向所述測量單元發(fā)送相位測量指令；所述測量單元，還用于根據所述相位測量指令，進行對應的相位模式設置。
10.如權利要求8所述的設備，其特征在于，所述主控單元，還用于將所述第一距離中整數個波長對應的距離與第二距離之間的和 確定為與被測物體之間的精確距離。
11.如權利要求1-10所述的任一設備，其特征在于，還包括顯示單元，用于獲取并顯示所述主控單元獲得的第一距離和/或精確距離。
12.一種激光測距的方法，其特征在于，包括發(fā)射單元產生調制激光以及第一參考信號，并當接收到主控單元發(fā)送的發(fā)射指令時， 向被測物體發(fā)射所述調制激光，同時向參考單元發(fā)送所述第一參考信號；所述參考單元將所述第一參考信號與存儲的第一背景信號進行比較，得到含有所述第 一參考信號到達所述參考單元時刻信息的第一信號，并將所述第一信號發(fā)送給測量單元；接收單元將所述被測物體反射的調制激光轉換為第一測量信號，將所述第一測量信號 與存儲的第二背景信號進行比較，得到含有所述反射的調制激光到達所述接收單元時刻信 息的第二信號，并將所述第二信號發(fā)送給測量單元；測量單元根據所述第一信號和所述第二信號獲得激光飛行時間，并將所述激光飛行時 間發(fā)送給主控單元；所述主控單元根據所述激光飛行時間，獲得與被測物體之間的第一距離。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射單元向參考單元發(fā)送所述第一 參考信號包括所述發(fā)射單元將設定比例的調制激光發(fā)射到參考單元；所述參考單元將所述調制激光轉換為第一參考信號。
14.如權利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述參考單元存儲第一背景信號包括在所述發(fā)射單元發(fā)射調制激光之前，所述參考單元接收所述主控單元發(fā)送的第一采樣 保持指令，并根據所述第一采樣保持指令，采樣并保存該參考單元的第一背景信號。
15.如權利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述接收單元存儲第二背景信號包括在所述發(fā)射單元發(fā)射調制激光之前，所述接收單元接收所述主控單元發(fā)送的第二采樣 保持指令，并根據所述第二采樣保持指令，采樣并保存該接收單元的第二背景信號。
16.如權利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述獲得激光飛行時間之前，還包括接收所述主控單元的時間測量指令，并根據時間測量指令，進行對應的時間模式設置；則所述獲得激光飛行時間包括根據所述時間模式，當檢測到所述第一信號的上升沿時，開始計時； 當檢測所述第二信號的上升沿時，停止計時； 確定計時得到的時間為激光飛行時間。
17.如權利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述獲得與被測物體之間的第一距 離之后，還包括顯示單元顯示所述主控單元獲得的第一距離。
18.如權利要求12或13所述的方法，其特征在于，還包括 本振模塊產生本振信號；第一混頻模塊將所述第一參考信號，與所述本振信號進行混頻，獲得混頻后的第二參 考信號，并將所述第二參考信號發(fā)送給測量單元；第二混頻模塊將第一測量信號，與所述本振信號進行混頻，獲得混頻后的第二測量信 號，并將所述第二測量信號發(fā)送給測量單元；所述測量單元測量所述第二測量信號與所述第二參考信號之間的相位差，根據所述相 位差，獲得與被測物體之間的第二距離，并將所述第二距離發(fā)送給主控單元；所述主控單元根據所述第一距離和第二距離，獲得與被測物體之間的精確距離。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述測量單元測量所述第二測量信號與 所述第二參考信號之間的相位差之前，還包括接收所述主控單元發(fā)送的相位測量指令，并根據所述相位測量指令，進行對應的相位 模式設置。
20.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述主控單元獲得與被測物體之間的精 確距離包括將所述第一距離中整數個波長對應的距離與第二距離之間的和確定為與被測物體之 間的精確距離。
21.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述主控單元獲得與被測物體之間的精 確距離之后，還包括顯示單元顯示所述主控單元獲得的精確距離。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光測距設備及方法，用以減少激光測距設備的復雜性，以及提高激光測距的效率。該激光測距設備產生調制激光以及第一參考信號，并向被測物體發(fā)射所述調制激光，同時向參考單元發(fā)送所述第一參考信號，這樣，第一參考信號通過該設備的參考單元后，獲得含有第一參考信號到達該參考單元時刻信息的第一信號，調制激光經被測物體反射，并通過該設備的接收單元后，獲得含有所述反射的調制激光到達該接收單元時刻的第二信號，根據第一信號以及第二信號，獲得激光飛行時間，并根據所述激光飛行時間，獲得與被測物體之間的第一距離。
文檔編號G01S7/483GK101865997SQ201010191960
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權日2010年5月26日
發(fā)明者嚴光文, 徐蕾, 李成, 陳金林, 黃夢園 申請人:北京握奇數據系統有限公司