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單個鎖相環的相位式激光測距儀.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510340210.X

申請日:

2015.06.18

公開號:

CN106257237A

公開日:

2016.12.28

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):G01C 3/00申請日:20150618|||公開
IPC分類號: G01C3/00 主分類號: G01C3/00
申請人: 上海諾司緯光電儀器有限公司; 美國西北儀器公司
發明人: 姚璽峰; 邢星
地址: 201707 上海市青浦區新科路303號B2廠房-B
優先權:
專利代理機構: 蘇州慧通知識產權代理事務所(普通合伙) 32239 代理人: 安紀平
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510340210.X

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2018.01.30|||2016.12.28

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

本發明揭示了一種單個鎖相環的相位式激光測距儀,包括鎖相環、激光發射器、單片機、第一混頻器、激光接收器和第二混頻器,由單片機輸出的低頻信號和鎖相環輸出的高頻主振頻率混頻產生本振頻率,該本振頻率與經外光路后產生相位延遲的高頻主振頻率混頻輸出外光路低頻信號給單片機的其中一個ADC口;由單片機直接輸出低頻信號作為內光路低頻信號給另一個ADC口;單片機同時同步采樣兩個ADC口的信號,計算兩者的相位差。本發明優化了現有相位式激光測距儀的結構,降低成本,且提高其測距精度。

權利要求書

1.一種單個鎖相環的相位式激光測距儀,其特征在于:包括鎖相環、激
光發射器、單片機、第一混頻器、激光接收器和第二混頻器,所述單片機
具有第一ADC引腳和第二ADC引腳,
所述鎖相環輸出高頻主振頻率給所述激光發射器和第一混頻器;
所述激光發射器發出光波經所述高頻主振頻率調制成調幅波發送給所
述激光激光接收器;
所述單片機輸出低頻信號給所述第一混頻器及將所述低頻信號作為內
光路低頻信號直接輸出給第二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所述調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
混頻產生外光路低頻信號給所述單片機的第一ADC引腳;
所述單片機同時同步采樣所述第一ADC引腳和第二ADC引腳對應的
外、內光路的低頻信號,計算出兩者的相位差。
2.根據權利要求1所述的單個鎖相環的相位式激光測距儀,其特征在于,
還包括與所述單片機雙向通信的數據輸出及控制輸入裝置。
3.根據權利要求2所述的單個鎖相環的相位式激光測距儀,其特征在于,
所述數據輸出及控制輸入裝置至少為按鍵和段碼式液晶或藍牙手機。
4.根據權利要求1所述的單個鎖相環的相位式激光測距儀,其特征在于,
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
所述高通濾波器輸出上混頻信號給所述第二混頻器。
5.根據權利要求1所述的單個鎖相環的相位式激光測距儀,其特征在于,
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
率經所述第一低通濾波器輸出下混頻信號給所述第二混頻器。
6.根據權利要求1所述的單個鎖相環的相位式激光測距儀,其特征在于,
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
對所述第二混頻器輸出的信號進行低通率波并輸出所述外光路低頻信號給
所述單片機的第一ADC引腳。
7.根據權利要求1所述的單個鎖相環的相位式激光測距儀,其特征在于,
所述單片機第二ADC引腳的上游還設置一第三低通濾波器,所述單片機輸
出的低頻信號經所述第三低通濾波器過濾后輸出所述內光路低頻信號給第
二ADC引腳。
8.根據權利要求1所述的單個鎖相環的相位式激光測距儀,其特征在于,
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。

說明書

單個鎖相環的相位式激光測距儀

技術領域

本發明涉及相位式激光測距儀技術領域,尤其是涉及一種單個鎖相環
的相位式激光測距儀。

背景技術

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、安全監測及智能控制等領域,相位式激光測距儀以其精
度高、功率小何便捷的特點,適用于民用范疇,有較大的市場和應用前景。
相位法測距通過測定調制光波經空氣傳播后所產生的相位移,從而求得光
波所走過的路程。

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

激光發射器所發出的光波(紅外光或激光)被來自主振的高頻測距信
號所調制,成為調幅波。這種調幅波經外光路反射進入激光接收裝置,會
聚在光電器件上,光信號立即轉化為電信號。這個電信號就是調幅波往返
于測線后經過解調的高頗測距信號,它的相位已延遲了。而調幅波經內光
路直接進入激光接收裝置則沒有發生相位延遲。

經解調后的相位延遲的高頻測距信號和測距參考信號與本振的高頻信
號+低頻信號經測距信號混頻器進行光電混頻,經過選頻放大后分別得到一
個低頻測距信號和低頻測距參考信號,低頻測距信號仍保留了高頻測距信
號原有的相位延遲。單片機對低頻測距信號和低頻測距參考信號分別進行
采樣,計算出往返于測線的相位延遲結果。

但在具體實踐過程中,我們發現,上述現有的相位式激光測距儀存在
以下幾個問題:1、系統中有兩個頻率發生器,主振鎖相環和本振鎖相環,
成本比較高;2、混頻后產生的兩個低頻信號,需要一個同步采樣失蹤信號,
不然會導致采樣結果偏差大;3、內外光路需要使用物理開關切換,較為繁
瑣;4、頻率計算復雜,鎖相環輸出頻率需要反復驗證;5、使用同一個ADC
口分時進行信號采樣,花費時間長,數據不實時。因為,傳統相位式激光
測距儀中,外光路和內光路的高頻信號不是同時進入激光接收裝置的。事
實上,一次激光測距中,先只讓外光路進入接收裝置,完成ADC波形采樣
后,再只讓內光路進入接收裝置,完成ADC波形采樣,最后計算兩者的相
位差。這種操作下,可以發現這兩段內外光路波形采樣數據,并不是發生
在同一時間。所以如果切換時間不夠快,就會導致最終計算結果偏差大。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺陷,提供一種單個鎖相環的相位
式激光測距儀,以優化現有相位式激光測距儀的結構,降低成本,且提高
其測距精度。

為實現上述目的,本發明提出如下技術方案:一種單個鎖相環的相位
式激光測距儀,包括鎖相環、激光發射器、單片機、第一混頻器、激光接
收器和第二混頻器,所述單片機具有第一ADC引腳和第二ADC引腳,

所述鎖相環輸出高頻主振頻率給所述激光發射器和第一混頻器;

所述激光發射器發出光波經所述高頻主振頻率調制成調幅波發送給所
述激光激光接收器;

所述單片機輸出低頻信號給所述第一混頻器及將所述低頻信號作為內
光路低頻信號直接輸出給第二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所述調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
混頻產生外光路低頻信號給所述單片機的第一ADC引腳;

所述單片機同時同步采樣所述第一ADC引腳和第二ADC引腳對應的
外、內光路的低頻信號,計算出兩者的相位差。

優選地,還包括與所述單片機雙向通信的數據輸出及控制輸入裝置。

優選地,所述數據輸出及控制輸入裝置至少為按鍵和段碼式液晶或藍
牙手機。

優選地,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
述本振頻率經所述高通濾波器輸出上混頻信號給所述第二混頻器。

優選地,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,
所述本振頻率經所述第一低通濾波器輸出下混頻信號給所述第二混頻器。

優選地,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,用于對所述第二混頻器輸出的信號進行低通率波并輸出所述外光
路低頻信號給所述單片機的第一ADC引腳。

優選地,所述單片機第二ADC引腳的上游還設置一第三低通濾波器,
所述單片機輸出的低頻信號經所述第三低通濾波器過濾后輸出所述內光路
低頻信號給第二ADC引腳。

優選地,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,
即可將兩者替換為一雪崩光電二極管(APD)。

本發明的有益效果是:

1、只使用一個鎖相環,產生主振信號,降低成本。

2、使用2個ADC引腳,同時同步進行ADC信號采樣,保證內外光路
信號同步,省去了ADC采樣同步時鐘,也不需要內外光路切換開關,簡化
了結構設計,同時也增加了采樣速度和計算結果的可靠性。

3、使用混頻器產生本振信號,頻率不需要計算,所以不用去考慮本振
信號是否能夠鎖定。

附圖說明

圖1是現有相位式激光測距儀的原理示意圖;

圖2是本發明實施例單個鎖相環的相位式激光測距儀的原理示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明的附圖,對本發明實施例的技術方案進行清楚、完
整的描述。

如圖2所示,本發明實施例所揭示的一種單個鎖相環的相位式激光測
距儀,包括數據輸出及控制輸入裝置、單片機、鎖相環、激光發射器、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,單片機具有第一ADC引腳和第二ADC引腳兩個采樣口。

數據輸出及控制輸入裝置與單片機雙向通信,用于進行控制數據的輸
入以及測量數據的輸出,數據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牙手機通信,當然其他能夠實現數據輸入
和輸出的設備也同樣適用。

單片機控制鎖相環輸出一高頻主振頻率給激光發射器和第一混頻器,
同時直接輸出一低頻信號。單片機可采用STM32系列單片機。

激光發射器用于發出光波,該光波經鎖相環輸出的高頻主振頻率調制
后輸出調幅波發送給激光激光接收器;激光接收器解調該調幅波后輸出經
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的高頻主振頻率和單片機的低頻信號,并將兩
者混頻產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,當選用高通濾波器時,經濾波后輸出上混頻信號給第二混頻
器;當選用第一低通濾波器時,經濾波后輸出下混頻信號給第二混頻器。
本發明中的本振頻率是由單片機自己產生的,與現有技術相比,在結構上
省去了一個鎖相環,且本振頻率不需要計算,如果采樣的定時器時鐘有一
定偏差,那么同樣低頻也會有相同的偏差,最終的采樣還是可以滿足一周
期固定的采樣次數。

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

另外,單片機輸出的低頻信號經第三低通濾波器過濾后,輸出內光路
低頻信號給單片機的第二ADC引腳。

單片機同時同步采樣第一ADC引腳和第二ADC引腳處對應的外、內
光路的低頻信號,計算出兩者的相位差。本發明采用單片機的兩個ADC引
腳同時同步進行ADC信號采樣,省去了ADC采樣同步時鐘,也不需要內
外光路切換開關,簡化了結構設計,同時也增加了采樣速度和計算結果的
可靠性。單片機計算相位差的原理為公知技術,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,即可將兩者替換為一雪崩光電二極管(APD),由APD實現激光
接收和混頻。

本發明的技術內容及技術特征已揭示如上,然而熟悉本領域的技術人
員仍可能基于本發明的教示及揭示而作種種不背離本發明精神的替換及修
飾,因此,本發明保護范圍應不限于實施例所揭示的內容,而應包括各種
不背離本發明的替換及修飾,并為本專利申請權利要求所涵蓋。

關 鍵 詞:
單個 鎖相環 相位 激光 測距儀
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