本實用新型涉及距離測量技術領域，具體涉及一種基于數(shù)字信號的相位檢測裝置。

背景技術：

通過檢測發(fā)射波束和接收波束之間的相位差，除以2Π乘以波長就可以得到目標物的距離，相比通過測試脈沖的時間延遲，乘以波傳播速度來得到目標物距離的方法，相位檢測容易做到更高的精度，考慮到相位模糊的不利因素，相位測距法在，測程適中，室內環(huán)境下，精度更高，成本也相對較低。目前在激光雷達，超聲雷達，微波雷達等領域都得到了廣泛的使用。

以激光雷達為例，建筑行業(yè)室內測繪用到的手持式測距儀絕大部分都是用相位法實現(xiàn)的，測程一般在100米左右，精度很容易達到1mm，在高精度地圖測繪等方面，也有很多是用相位法，為提高測程，配合使用了角反射鏡，從而可以測量1km以上的測量距離，測距精度優(yōu)于1cm。這個測量精度是脈沖法難以達到的。

現(xiàn)有技術中的測相技術大體可以分為模擬測相和數(shù)字測相兩種方式。

模擬測相技術使用基于非線性電子器件的鑒相器進行相位檢測，可以達到比較高的精度；數(shù)字測相技術則一般用ADC采集混頻后的波形，通過傅立葉變換等算法來實現(xiàn)鑒相，受環(huán)境影響比較小，可以通過累加等算法實現(xiàn)更高的信噪比，從而提高精度和測程。高速的鑒相器，還有高速的ADC都比較貴，為降低成本，商用的產品一般都采用了差頻測量技術，用一個和發(fā)射頻率略有差別的頻率，一路和本振差頻，一路和接收到的信號差頻，通過差頻將相位信號轉移到低頻段進行測量。理論可以證明，高頻的相位差可以通過差頻技術轉移到低頻的相位差。

鑒于此，克服以上現(xiàn)有技術中的缺陷，提供一種新的相位檢測裝置成為本領域亟待解決的技術問題。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術的上述缺陷，提供一種基于數(shù)字信號的相位檢測裝置。

本實用新型的目的可通過以下的技術措施來實現(xiàn)：

本實用新型提供了一種相位檢測裝置，用于對待測目標進行距離測量，該裝置包括：

信號發(fā)生電路，用于產生同步的發(fā)射編碼信號和參考編碼信號；

與信號發(fā)生電路連接的信號發(fā)射元件，根據發(fā)射編碼信號生成經過編碼的發(fā)射信號；

信號接收元件，用于接收所述經過編碼的發(fā)射信號從所述待測目標反射的反射信號，并將所述反射信號進行信號處理形成反射編碼信號；

與信號發(fā)生電路與信號接收元件均連接的邏輯運算電路，用于將反射編碼信號和參考編碼信號進行邏輯運算得到相位延遲；以及

主控電路，用于根據所述相位延遲確定待測目標的距離。

優(yōu)選地，所述信號發(fā)生電路為DDS芯片、CPLD芯片或FPGA芯片。

優(yōu)選地，所述信號發(fā)射元件為激光器、超聲波發(fā)射器或微波發(fā)射器。

優(yōu)選地，所述主控電路為CPLD芯片、FPGA芯片、DSP芯片、ASIC芯片或單片機。

優(yōu)選地，信號接收元件包括：

接收單元，用于接收所述經過編碼的發(fā)射信號從所述待測目標反射的反射信號；

轉換單元，用于將反射信號轉換為電信號；和

整形單元，用于將所得電信號轉換為反射編碼信號。

優(yōu)選地，所述發(fā)射編碼信號和所述參考編碼信號具有頻率差。

優(yōu)選地，所述發(fā)射編碼信號和所述參考編碼信號均為步進碼信號、BCD碼信號、格雷碼信號或循環(huán)碼信號。

本實用新型的相位檢測裝置通過對發(fā)射信號進行編碼的方式，編碼基礎為方波波形，實現(xiàn)全數(shù)字測相，有利于降低成本、減小電路體積和功耗，同時避免測相使用正弦波形時由于信號強度不同而比較閾值相同產生的附加相移。

附圖說明

圖1是本實用新型的相位檢測裝置的結構框圖。

圖2是本實用新型的應用例1的相位檢測方法的編碼波形圖。

圖3是本實用新型的應用例1的相位檢測方法中邏輯運算的波形圖。

圖4是本實用新型的應用例2的相位檢測方法的編碼波形圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

如本文所用的詞語“示例性”或“說明性”表示用作示例、例子或說明。在本文中描述為“示例性”或“說明性”的任何實施方式未必理解為相對于其它實施方式是優(yōu)選的或有利的。下文所描述的所有實施方式是示例性實施方式，提供這些示例性實施方式是為了使得本領域技術人員做出和使用本公開的實施例并且預期并不限制本公開的范圍，本公開的范圍由權利要求限定。在其它實施方式中，詳細地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本實用新型。

相應地，本實用新型實施例提供了一種相位檢測裝置，請參閱圖1所示，該裝置包括：信號發(fā)生電路201、信號發(fā)射元件202、信號接收元件203、邏輯運算電路204和主控電路205。其中，信號發(fā)生電路201用于產生同步的發(fā)射編碼信號和參考編碼信號；信號發(fā)射元件202與信號發(fā)生電路201連接，根據發(fā)射編碼信號生成經過編碼的發(fā)射信號；信號接收元件203用于接收所述經過編碼的發(fā)射信號從所述待測目標反射的反射信號，并將所述反射信號進行信號處理形成反射編碼信號；邏輯運算電路204與信號發(fā)生電路201與信號接收元件203均連接，用于將反射編碼信號和參考編碼信號進行邏輯運算得到相位延遲；主控電路205用于根據所述相位延遲確定待測目標的距離。

在一個優(yōu)選實施方式中，信號發(fā)生電路201產生的發(fā)射編碼信號和參考編碼信號均為步進碼信號、BCD碼信號、格雷碼信號或循環(huán)碼信號。發(fā)射編碼信號和參考編碼信號可以頻率相同，發(fā)射編碼信號和參考編碼信號也可以具有頻率差。所述信號發(fā)生電路201為DDS芯片、CPLD芯片或FPGA芯片。所述信號發(fā)射元件202為激光器、超聲波發(fā)射器或微波發(fā)射器。所述主控電路205為CPLD芯片、FPGA芯片、DSP芯片、ASIC芯片或單片機。信號接收元件203進一步包括依次連接的接收單元2031、轉換單元2032和整形單元2033，其中，接收單元2031用于接收所述經過編碼的發(fā)射信號從所述待測目標反射的反射信號；轉換單元2032用于將反射信號轉換為電信號；整形單元2033用于將所得電信號轉換為反射編碼信號。邏輯運算電路204對反射編碼信號和參考編碼信號進行邏輯運算，得到一個預處理的信號，即為反射編碼信號。

信號發(fā)生電路201生成同步的兩路信號，第一路為發(fā)射的編碼，第二路為參考的編碼；發(fā)射編碼控制信號發(fā)射元件202，可能是激光器或者超聲波發(fā)射器、微波發(fā)射器等發(fā)射裝置，形成編碼的發(fā)射信號；編碼的發(fā)射信號遇到目標之后反射，經接信號接收元件203接收、信號整形還原為編碼波形（反射編碼信號）；整形后的波形（反射編碼信號）與參考編碼波形（參考編碼信號）進行邏輯運算，生成的信號經FPGA，ARM或者DSP采集，計算出距離信號并輸出。

應用上述相位檢測裝置對待測目標進行距離測量的方法包括如下步驟：

步驟S101：產生同步的發(fā)射編碼信號和參考編碼信號；

步驟S102：根據發(fā)射編碼信號生成經過編碼的發(fā)射信號，所述發(fā)射信號為光信號、超聲波信號或微波信號；

步驟S103：將所述經過編碼的發(fā)射信號導向所述待測目標，并且接收從所述待測目標反射的反射信號；

步驟S104：將所述反射信號進行信號處理形成反射編碼信號；

步驟S105：將反射編碼信號和參考編碼信號進行邏輯運算得到相位延遲；以及

步驟S106：根據所述相位延遲確定待測目標的距離。

在步驟S101中，發(fā)射編碼信號和所述參考編碼信號均為步進碼信號、BCD碼信號、格雷碼信號或循環(huán)碼信號。發(fā)射編碼信號和參考編碼信號之間可以同頻，也可以存在頻率差，使用差頻信號會降低測量速度，但是可以提高分辨率。

在步驟S104中，首先將反射信號轉換為電信號，再將所得電信號轉換為反射編碼信號。信號接收部分接收到反射的同樣帶有編碼的激光信號、超聲波信號或者微波信號，轉換成電信號，考慮到信號幅度大小會隨著待測目標反射率以及距離等因素有較大變化，這里需要用到增益控制，使輸出信號在一定的范圍內；信號整形部分將該電信號通過閾值比較或其它方式轉換為規(guī)整的編碼信號，即為反射編碼信號。

上述的相位檢測方法是一種基于數(shù)字化編碼技術的測相方法，可以不用鑒相器，以及高速ADC，直接用CPLD，F(xiàn)PGA，DSP，ASIC芯片，甚至單片機的數(shù)字端口接收信號，實現(xiàn)低成本高速測相，可以應用在激光測距，超聲測距，微波測距等方面。

應用例1

本應用例提供了利用上述的相位檢測裝置進行相位檢測的方法，用于對待測目標進行距離測量，該方法包括如下步驟：

步驟1：產生同步的發(fā)射編碼信號和參考編碼信號；

步驟2：根據發(fā)射編碼信號生成經過編碼的發(fā)射信號，所述發(fā)射信號為光信號、超聲波信號或微波信號；

步驟3：將所述經過編碼的發(fā)射信號導向所述待測目標，并且接收從所述待測目標反射的反射信號；

步驟4：將所述反射信號進行信號處理形成反射編碼信號；

步驟5：將反射編碼信號和參考編碼信號進行邏輯運算得到相位延遲；以及

步驟6：根據所述相位延遲確定待測目標的距離。

在本應用例中，發(fā)射編碼信號和參考編碼信號均為步進碼，且頻率相同，假設占空比為1/5，發(fā)射編碼信號和參考編碼信號同周期。

經過編碼的發(fā)射信號為占空比1/5的方波，信號發(fā)射后經過傳輸，遇到目標之后反射，再傳輸回來被接收，信號發(fā)生了延遲，接收到的信號經過放大，整形之后還原成延遲后的編碼波形（反射編碼信號），請參閱圖2所示，送入邏輯運算電路。

參考編碼信號的波形對應的在1/5周期內重復1111，也送入邏輯運算電路；邏輯運算電路采用邏輯與運算，當參考編碼波形和接收到的反射編碼波形都為1的時候輸出為1，任何一路為0的時候輸出為0；當接收的反射編碼波形（反射編碼信號）和參考編碼波形延遲逐漸加大的時候，形成了0000，0001，0011，0111，1111，1110，1100，1000，0000的8種編碼，這是一種步進碼，如圖3所示。如果接收到的編碼為0001的時候說明相位延遲了1/4*1/5=1/20個整相位，同理，如果接收到的編碼為0011的時候，說明相位延遲了1/2*1/5=1/10個整相位。

這種方式的相位測量精度為1/20整周期，精度不夠好；同時在當延遲超過1/5周期的時候，兩路信號都為全0，無法實現(xiàn)測相，會出現(xiàn)信號丟失。

進一步地，可以加大發(fā)射波形的占空比到1/2，編碼波形為10個1時，可以減少信號丟失的情況，但在過渡區(qū)仍會出現(xiàn)兩個周期信號無法分開的情況，出現(xiàn)類似相位測距的相位模糊的情況。

應用例2

本應用例提供了利用上述的相位檢測裝置進行相位檢測的方法，用于對待測目標進行距離測量，該方法包括如下步驟：

步驟1：產生同步的發(fā)射編碼信號和參考編碼信號；

步驟2：根據發(fā)射編碼信號生成經過編碼的發(fā)射信號，所述發(fā)射信號為光信號、超聲波信號或微波信號；

步驟3：將所述經過編碼的發(fā)射信號導向所述待測目標，并且接收從所述待測目標反射的反射信號；

步驟4：將所述反射信號進行信號處理形成反射編碼信號；

步驟5：將反射編碼信號和參考編碼信號進行邏輯運算得到相位延遲；以及

步驟6：根據所述相位延遲確定待測目標的距離。

在本應用例中，發(fā)射編碼信號和參考編碼信號頻率相差10%，且兩者均使用步進碼。為避免上面范例中丟失信號或者相位模糊的情況，同時提高相位的分辨率，為此考慮兩個編碼信號之間產生頻率差，利用拍頻的原理測相，可以擴大測距范圍，同時提高相位精度。

具體地，發(fā)射編碼和參考編碼仍然占空比為1/5，參考編碼在1/5占空比內編碼為1111，只是兩者頻率差10%，如圖4所示，圓框中的重疊部分會產生非0的編碼；邏輯運算步驟中采用邏輯與運算，當編碼波形和接收波形都為1的時候輸出為1，任何一路為0的時候輸出為0；由于頻差的作用，有些組會完全錯開，有些部分對上，會形成部分對上的編碼，也有一些會完全對上，形成1111編碼。每一個子組隨相位的變化表現(xiàn)出來依然為一種步進碼。

通過分析接收到的編碼，可以分析出編碼對應的相位，10%的頻差相當于把相位放大了10倍，測相精度由實施例1的1/20提高到了1/200。

由于有部分對準的情況，同時會有3～4組編碼會出現(xiàn)，考慮到多組編碼之間是有固定關系的，通過對多組編碼進行相關運算，可以更精確的檢出相位，一方面可以提高信噪比，一方面還可以額外提高相位的分辨率，使相位測量精度優(yōu)于1/200。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。