本發(fā)明涉及相位式激光測距儀技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種單個(gè)鎖相環(huán)的相位式激光測距儀。

背景技術(shù)：

激光測距儀，作為非接觸式的測量儀器，已被廣泛使用于遙控、精密測量、工程建設(shè)、安全監(jiān)測及智能控制等領(lǐng)域，相位式激光測距儀以其精度高、功率小何便捷的特點(diǎn)，適用于民用范疇，有較大的市場和應(yīng)用前景。相位法測距通過測定調(diào)制光波經(jīng)空氣傳播后所產(chǎn)生的相位移，從而求得光波所走過的路程。

傳統(tǒng)的相位式激光測距儀工作原理如圖1所示：由單片機(jī)控制主振鎖相環(huán)(以下簡稱主振)輸出高頻測距信號(hào)給激光發(fā)射器，以及由單片機(jī)控制本振鎖相環(huán)(以下簡稱本振)輸出高頻信號(hào)+低頻信號(hào)給測距信號(hào)混頻器。

激光發(fā)射器所發(fā)出的光波(紅外光或激光)被來自主振的高頻測距信號(hào)所調(diào)制，成為調(diào)幅波。這種調(diào)幅波經(jīng)外光路反射進(jìn)入激光接收裝置，會(huì)聚在光電器件上，光信號(hào)立即轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這個(gè)電信號(hào)就是調(diào)幅波往返于測線后經(jīng)過解調(diào)的高頗測距信號(hào)，它的相位已延遲了。而調(diào)幅波經(jīng)內(nèi)光路直接進(jìn)入激光接收裝置則沒有發(fā)生相位延遲。

經(jīng)解調(diào)后的相位延遲的高頻測距信號(hào)和測距參考信號(hào)與本振的高頻信號(hào)+低頻信號(hào)經(jīng)測距信號(hào)混頻器進(jìn)行光電混頻，經(jīng)過選頻放大后分別得到一個(gè)低頻測距信號(hào)和低頻測距參考信號(hào)，低頻測距信號(hào)仍保留了高頻測距信號(hào)原有的相位延遲。單片機(jī)對(duì)低頻測距信號(hào)和低頻測距參考信號(hào)分別進(jìn)行采樣，計(jì)算出往返于測線的相位延遲結(jié)果。

但在具體實(shí)踐過程中，我們發(fā)現(xiàn)，上述現(xiàn)有的相位式激光測距儀存在以下幾個(gè)問題：1、系統(tǒng)中有兩個(gè)頻率發(fā)生器，主振鎖相環(huán)和本振鎖相環(huán)，成本比較高；2、混頻后產(chǎn)生的兩個(gè)低頻信號(hào)，需要一個(gè)同步采樣失蹤信號(hào)，不然會(huì)導(dǎo)致采樣結(jié)果偏差大；3、內(nèi)外光路需要使用物理開關(guān)切換，較為繁瑣；4、頻率計(jì)算復(fù)雜，鎖相環(huán)輸出頻率需要反復(fù)驗(yàn)證；5、使用同一個(gè)ADC口分時(shí)進(jìn)行信號(hào)采樣，花費(fèi)時(shí)間長，數(shù)據(jù)不實(shí)時(shí)。因?yàn)椋瑐鹘y(tǒng)相位式激光測距儀中，外光路和內(nèi)光路的高頻信號(hào)不是同時(shí)進(jìn)入激光接收裝置的。事實(shí)上，一次激光測距中，先只讓外光路進(jìn)入接收裝置，完成ADC波形采樣后，再只讓內(nèi)光路進(jìn)入接收裝置，完成ADC波形采樣，最后計(jì)算兩者的相位差。這種操作下，可以發(fā)現(xiàn)這兩段內(nèi)外光路波形采樣數(shù)據(jù)，并不是發(fā)生在同一時(shí)間。所以如果切換時(shí)間不夠快，就會(huì)導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果偏差大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種單個(gè)鎖相環(huán)的相位式激光測距儀，以優(yōu)化現(xiàn)有相位式激光測距儀的結(jié)構(gòu)，降低成本，且提高其測距精度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案：一種單個(gè)鎖相環(huán)的相位式激光測距儀，包括鎖相環(huán)、激光發(fā)射器、單片機(jī)、第一混頻器、激光接收器和第二混頻器，所述單片機(jī)具有第一ADC引腳和第二ADC引腳，

所述鎖相環(huán)輸出高頻主振頻率給所述激光發(fā)射器和第一混頻器；

所述激光發(fā)射器發(fā)出光波經(jīng)所述高頻主振頻率調(diào)制成調(diào)幅波發(fā)送給所述激光激光接收器；

所述單片機(jī)輸出低頻信號(hào)給所述第一混頻器及將所述低頻信號(hào)作為內(nèi)光路低頻信號(hào)直接輸出給第二ADC引腳；

所述第一混頻器將接收的所述高頻主振頻率和所述低頻信號(hào)混頻輸出本振頻率給所述第二混頻器；

所述激光接收器解調(diào)所述調(diào)幅波并輸出相位延遲后的高頻主振頻率給 所述第二混頻器；

所述第二混頻器將接收的所述本振頻率和相位延遲后的高頻主振頻率混頻產(chǎn)生外光路低頻信號(hào)給所述單片機(jī)的第一ADC引腳；

所述單片機(jī)同時(shí)同步采樣所述第一ADC引腳和第二ADC引腳對(duì)應(yīng)的外、內(nèi)光路的低頻信號(hào)，計(jì)算出兩者的相位差。

優(yōu)選地，還包括與所述單片機(jī)雙向通信的數(shù)據(jù)輸出及控制輸入裝置。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)輸出及控制輸入裝置至少為按鍵和段碼式液晶或藍(lán)牙手機(jī)。

優(yōu)選地，所述第一混頻器和第二混頻器之間還連接一高通濾波器，所述本振頻率經(jīng)所述高通濾波器輸出上混頻信號(hào)給所述第二混頻器。

優(yōu)選地，所述第一混頻器和第二混頻器之間還連接一第一低通濾波器，所述本振頻率經(jīng)所述第一低通濾波器輸出下混頻信號(hào)給所述第二混頻器。

優(yōu)選地，所述第二混頻器和所述第一ADC引腳之間還連接一第二低通濾波器，用于對(duì)所述第二混頻器輸出的信號(hào)進(jìn)行低通率波并輸出所述外光路低頻信號(hào)給所述單片機(jī)的第一ADC引腳。

優(yōu)選地，所述單片機(jī)第二ADC引腳的上游還設(shè)置一第三低通濾波器，所述單片機(jī)輸出的低頻信號(hào)經(jīng)所述第三低通濾波器過濾后輸出所述內(nèi)光路低頻信號(hào)給第二ADC引腳。

優(yōu)選地，所述第二混頻器和激光接收器集成于一雪崩光電二極管內(nèi)，即可將兩者替換為一雪崩光電二極管(APD)。

本發(fā)明的有益效果是：

1、只使用一個(gè)鎖相環(huán)，產(chǎn)生主振信號(hào)，降低成本。

2、使用2個(gè)ADC引腳，同時(shí)同步進(jìn)行ADC信號(hào)采樣，保證內(nèi)外光路信號(hào)同步，省去了ADC采樣同步時(shí)鐘，也不需要內(nèi)外光路切換開關(guān)，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)也增加了采樣速度和計(jì)算結(jié)果的可靠性。

3、使用混頻器產(chǎn)生本振信號(hào)，頻率不需要計(jì)算，所以不用去考慮本振 信號(hào)是否能夠鎖定。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有相位式激光測距儀的原理示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例單個(gè)鎖相環(huán)的相位式激光測距儀的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。

如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例所揭示的一種單個(gè)鎖相環(huán)的相位式激光測距儀，包括數(shù)據(jù)輸出及控制輸入裝置、單片機(jī)、鎖相環(huán)、激光發(fā)射器、第一混頻器、激光接收器、濾波器、第一低通濾波器、第二低通濾波器和第二混頻器，單片機(jī)具有第一ADC引腳和第二ADC引腳兩個(gè)采樣口。

數(shù)據(jù)輸出及控制輸入裝置與單片機(jī)雙向通信，用于進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的輸入以及測量數(shù)據(jù)的輸出，數(shù)據(jù)輸出及控制輸入裝置一般可使用按鍵和段碼式液晶，部分激光測距儀使用藍(lán)牙手機(jī)通信，當(dāng)然其他能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)輸入和輸出的設(shè)備也同樣適用。

單片機(jī)控制鎖相環(huán)輸出一高頻主振頻率給激光發(fā)射器和第一混頻器，同時(shí)直接輸出一低頻信號(hào)。單片機(jī)可采用STM32系列單片機(jī)。

激光發(fā)射器用于發(fā)出光波，該光波經(jīng)鎖相環(huán)輸出的高頻主振頻率調(diào)制后輸出調(diào)幅波發(fā)送給激光激光接收器；激光接收器解調(diào)該調(diào)幅波后輸出經(jīng)相位延遲后的高頻主振頻率給第二混頻器。

第一混頻器接收鎖相環(huán)的高頻主振頻率和單片機(jī)的低頻信號(hào)，并將兩者混頻產(chǎn)生本振頻率輸出給濾波器濾波。這里的濾波器可采用高通或第一低通濾波器，當(dāng)選用高通濾波器時(shí)，經(jīng)濾波后輸出上混頻信號(hào)給第二混頻器；當(dāng)選用第一低通濾波器時(shí)，經(jīng)濾波后輸出下混頻信號(hào)給第二混頻器。本發(fā)明中的本振頻率是由單片機(jī)自己產(chǎn)生的，與現(xiàn)有技術(shù)相比，在結(jié)構(gòu)上 省去了一個(gè)鎖相環(huán)，且本振頻率不需要計(jì)算，如果采樣的定時(shí)器時(shí)鐘有一定偏差，那么同樣低頻也會(huì)有相同的偏差，最終的采樣還是可以滿足一周期固定的采樣次數(shù)。

第二混頻器接收激光接收器的高頻主振頻率和經(jīng)濾波器過濾后的上/下混頻信號(hào)，并將兩者進(jìn)行混頻，混頻產(chǎn)生的信號(hào)輸出給第二低通濾波器進(jìn)行過濾，過濾后輸出外光路低頻信號(hào)給單片機(jī)的第一ADC引腳。

另外，單片機(jī)輸出的低頻信號(hào)經(jīng)第三低通濾波器過濾后，輸出內(nèi)光路低頻信號(hào)給單片機(jī)的第二ADC引腳。

單片機(jī)同時(shí)同步采樣第一ADC引腳和第二ADC引腳處對(duì)應(yīng)的外、內(nèi)光路的低頻信號(hào)，計(jì)算出兩者的相位差。本發(fā)明采用單片機(jī)的兩個(gè)ADC引腳同時(shí)同步進(jìn)行ADC信號(hào)采樣，省去了ADC采樣同步時(shí)鐘，也不需要內(nèi)外光路切換開關(guān)，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)也增加了采樣速度和計(jì)算結(jié)果的可靠性。單片機(jī)計(jì)算相位差的原理為公知技術(shù)，這里便不再贅述。

作為可替換的，可將上述方案中的第二混頻器和激光接收器集成于一APD內(nèi)，即可將兩者替換為一雪崩光電二極管(APD)，由APD實(shí)現(xiàn)激光接收和混頻。

本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特征已揭示如上，然而熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可能基于本發(fā)明的教示及揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾，因此，本發(fā)明保護(hù)范圍應(yīng)不限于實(shí)施例所揭示的內(nèi)容，而應(yīng)包括各種不背離本發(fā)明的替換及修飾，并為本專利申請(qǐng)權(quán)利要求所涵蓋。