基於雙波長雷射管相位測量的校準方法及其測距裝置的製作方法

2023-10-11 05:54:04 1

專利名稱：基於雙波長雷射管相位測量的校準方法及其測距裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光電測距領域，尤其涉及基於雙波長雷射管相位測量的校準方法及其測距裝置。
背景技術：
雷射一直是人類引以驕傲的發明，它具有精確、快捷、使用方便、抗幹擾性強等特點，由此發展的雷射技術更是解決了許多傳統技術無法解決的技術障礙，而利用雷射技術和電子技術集合而成的雷射測距儀，在長度、高度、距離、速度、外形等領域愈發受到民用、 軍用和工業等行業的重視，在國外已經被廣泛應用於以下領域各大工礦企業，電力石化， 水利，通訊，環境，建築，地質，警務，消防，爆破，航海，鐵路，反恐/軍事，科研機構，農業，林業，房地產，休閒/戶外運動.......基於測相位差原理的雷射測距裝置是用調製的雷射光束照射被測目標，光束經被測目標反射後折回，將光束往返過程產生的相位變化，換算成被測目標的距離，應用於短距離高精度的距離測量，其測量的準確性和精度受裝置內部零部件特性的影響。雷射測距儀器的精度要求越高，其電路的複雜度與精密器件的需求量就大大提高。因此環境因素，例如溫度以及器件使用壽命對器件性能的影響，導致器件產生的相位漂移不可忽視。現有技術多利用內外光路的相位差補償原理消除電路系統的附加相移，確保測量數據不受外界環境因素的影響。消除附加相移的相位差補償原理，簡述如下設測距信號先後經內光路和外光路行程所遲後的相位差各為Ψ #和Ψ外，Δ Ψ為儀器內部信號發生器件產生的電子信號在電路傳送和光電轉換過程中所產生的附加相移， 則內、外光路測距信號e #和e,在鑑相器中對比相結果為Φ 內=Ψ 內+ ΔΨΦ 外=Ψ 外 + Δ Ψ上式中，Δ Ψ隨儀器在不同環境而而產生工作狀態的變化，為隨機相移，無法通過精確計算求解，所以在測距時，交替使用內、外光路進行測相，在交替過程的短時間內，可以認為附加相移沒有變化，於是取內、外光路比相結果的差值作為測量結果，即φ = φ 外-φ 內=Ψ 外-Ψ 內以上結果Φ已經消除了附加相移不穩定的影響，從而保證了測距的精度。現有技術採用如下的校準方法(1)單發單收系統，即單路發送光束單路接收光路信號，通過一個可控制的機械裝置實現內外光路的切換，通過計算切換前後內外光路的相位值進行相位校正，消除環境不確定相位幹擾。由於採用物理機械開關，機械響應時間長(一般為數百毫秒級別)，不可實時校準，且結構相對複雜，容易產生機械磨損和故障，使用壽命短，不適合作為工業精密儀器使用。(2)單發雙收系統，即單路發射光束並通過雙路分別接收內、外光路信號，兩路接收信號分別進行處理並計算其相位差，從而消除環境不確定相位幹擾。該系統採用兩個雪崩二極體(Avalanche Photo Diode, APD)分別接收內外光路信號，由於APD價格昂貴(目前，一般為10美金以上)，使用兩個APD不僅成本高，而且雙路放大電路容易產生同頻幹擾。(3)傳統雙發單收系統，即雙路獨立發射同一波長光束並通過接收裝置分別先後接收內、外光路信號，兩路接收信號分別進行處理並計算其相位差，從而消除環境不確定相位幹擾。該系統採用兩個獨立的光電發生裝置分別發生兩路相同波長的光波信號，而由於兩路光電發生裝置，特別是雷射管，在工作時由於內外光路工作時間不同且兩個雷射性能差異極容易產生不同溫度漂移無法用上述原理進行消除，從而產生測量距離的漂移。綜上所述，以上三種解決方案在實際應用中均存在缺陷。

發明內容
本發明實施例的目的在於提供一種相位測量的校準方法，基於傳統雙發單收系統，採用了不同波長且發光晶片於一體的雙波長雷射管，旨在解決現有技術中雙路獨立同波長雷射管無法完全校準溫度帶來的相位漂移的問題。本發明實施例是這樣實現的，一種基於雙波長雷射管相位測量的校準方法、，包括步驟步驟1為外光路的形成將系統光波發射裝置(1、幻發射第一光波通過第一濾光片(3)至被測目標，所述光波被被測目標反射折回後通過光學裝置(5、6)聚焦被一接收裝置接收(7)並作為系統測量的外光路；所述光波在通過第一濾光片( 的同時，部分光波能量被該濾光片( 或其他反射片向接收裝置反射並被第二濾光片(4)濾除；步驟2為內光路的形成將系統光波發射裝置(1、幻發射的第二光波為第一濾光片(3)濾除並被該濾光片(3)反射或其他反射片向接收裝置反射並通過第二濾光片(4)直接為所述接收裝置(7)接收，其中通過第二濾光片(4)光波將作為系統相位測量基底參考的內光路；步驟3 將步驟1和步驟2工作時將先後切換光波發射裝置(1、幻第一光波和第二光波，使所述接收裝置(7)將先後接收到的內、外兩路所述光波進行相位比較，輸出消除基底參考的相位信號。本發明的另一方面，所述內外光路光波均為同一光波發射裝置(1、幻發射，所述第一波長和第二波長的波長不同。本發明的另一方面，所述其他反射片包括反射稜鏡，全反鏡和其他具備光學反射功能的零件，以及光纖，光導管和其他具備光學導光功能的材料。本發明實施例的另一目的在於提供一種相位測量的校準裝置，所述裝置包括一光波發射裝置，用於發射雙波長光路信號，此光波信號具有穩定的頻率、相位和幅度，所述光波發射裝置為發射波長不同的雙波長雷射管或其他具備二個或以上波長的光波發射裝置；光電轉換裝置，用於分別接收所述由被測目標反射折回的所述外光路和經第二濾光片所述內光路信號；濾光片，用於導通和截止所述外光路和內光路的光路信號，同時能反射外光路光波至內光路，所述濾光片為光學玻璃鍍膜、光學塑料鍍膜或其他具備上述功能有色光學元件；鑑相器，用於分別接收所述光電轉換裝置輸出的信號，並將分別先後將兩路信號進行相位比較輸出消除基底參考的相位信號。混頻器，用於將所述光電轉換裝置輸出的兩路信號分別先後與同一混頻信號進行混頻並放大後輸出至所述鑑相器。所述光電轉換裝置和所述混頻器包含於一接收裝置內， 所述接收裝置為光電二極體、光電三極體、雪崩二極體或光電倍增管。振蕩器，用於產生並輸出所述高頻振蕩信號和所述混頻信號，所述振蕩器為晶振、 鎖相環、倍頻器、分頻器或直接數字頻率合成器；放大裝置，用於接收所述光電轉換裝置的輸出信號進行放大並輸出。本發明實施例的另一目的在於提供一種採用上述相位測量的校準裝置。本發明實施例提供了一種基於雙波長雷射管的雙發單收雙光路相位測量的校準方法，採用雙路集成的光波發射裝置分別通過不同濾光片產生內、外光路信號，再通過一個信號接收裝置分別接收內光路信號和外光路信號的返回信號，然後兩信號進行相位比較得到相位差以實現相位補償和校準的目的，避免了環境變化在電路中引入不確定的相位噪音，提高了雷射測距的測量精度，增加了系統的測距穩定度，減少了環境因素對測距誤差的影響，降低了系統對元器件的性能要求，從而減低了系統的成本，加強了雷射測距在各行業的應用。與傳統雙發單收系統不同，雙波長雷射管採用集成方式將兩種波長不同的雷射管發射晶片邦定在一顆雷射管內，所以兩個雷射發射晶片具備相同的熱傳導和散熱特性，所以環境溫度和自發熱產生的溫度漂移為共模的；同時採用不同波長的光路發射系統和濾光片組有效分離了內外光路，較傳統雙發單收方案在結構上不同位置或角度分別放置同一波長的雷射管提高了系統的緊湊性且減少分散發射帶來的射頻串擾和幹擾問題。


圖1是本發明實施例提供的相位測量的校準方法的實現流程圖；圖2是本發明實施例提供的採用雙波長雷射管相位測量和校準裝置的系統框架圖；圖3是本發明第一實施例提供的相位測量的校準裝置的系統框架圖；圖4是本發明第二實施例提供的相位測量的校準裝置的系統框架圖；圖5是本發明實施例提供的相位測量的校準裝置的結構圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。本發明實施例利用雙波長雷射管的雙發單收雙光路相位測量的校準方法，採用一個光波發射裝置先後發出兩個波長不同光波通過相對應的濾光片分別產生內、外光路信號，再通過一個信號接收裝置分別接收內光路信號和外光路信號的返回信號，並對內光路與外光路的返回信號進行相位比較，從而在消除附加相移，實現相位誤差的補償和校準的目的的同時避免傳統方法採用相同波長雷射管獨立光路帶來的期間溫度漂移不一致和電磁幹擾串擾等問題，優化了測距裝置的結構，提高了產品的穩定性和可靠性。圖1示出了本發明實施例提供的相位測量的校準方法的實現流程，詳述如下在步驟SlOl中，一光波發射裝置發射第一波長光波通過第一濾光片至被測目標， 所述光波被被測目標反射折回後被一接收裝置接收，其中，所述第一波長光波作為外光路信號由高頻振蕩信號調製生成；在步驟S102中，所述光波發射裝置發射第二波長光波通過第二濾光片至所述接收裝置，其中所述第二光波作為基底參考的內光路信號由所述高頻振蕩信號調製生成；在步驟S103中，所述接收裝置將先後接收到的兩路所述光波進行相位比較，輸出消除基底的信號。在本發明實施例中，進行相位比較的兩路光波可以為與混頻信號進行混頻後的光波，其中與兩路光波進行混頻的混頻信號可以為同一高頻振蕩信號，也可為頻率相同，相位相同或具有固定相位差的兩路高頻振蕩信號。在本發明實施例中，上述兩路光波均為雷射且波長不同。在本發明實施例中，接收裝置可以先接收第一光波，再接收第二光波；或先接收第二光波，再接收第一光波。作為本發明的一個實施例，接收裝置可以為光電二極體、光電三極體、APD、光電倍增管等具有光電轉換功能的裝置。圖2示出了本發明實施例提供的採用雙波長雷射管雙發單收的相位測量的校準裝置的系統框架圖，為了便於說明，僅示出與本發明實施例相關的部分。一光波發射裝置201根據接收到的第一高頻振蕩信號調製生成一調製第一波長光波，並將所述光波通過第一濾光片202作為外光路信號發射至被測目標；同時所述光波被第一濾光片反射並被第二濾光片203截止；然後光波發生裝置201發射第二波長光波通過第二濾光片203至光電轉換裝置204作為內光路信號，同時第二波長光波被第一濾光片 202截止。光電轉換裝置204對所述內光路信號和外光路信號分別進行光電轉換並輸出。 最後鑑相器205分別接收光電轉換裝置輸出的信號，並將兩路信號進行相位比較輸出消除基底的相位差信號。在本發明實施例中，光波發射裝置201包括時鐘發生器、調製驅動電路、發光裝置，其中發光裝置在驅動器的驅動下發射光波，該發光裝置可以為雷射二極體(Laser Diode，LD)、發光二極體(Light Emitting Diode, LED)或其他的發光器件。作為本發明的一個實施例，光波發射裝置201可以為雷射波發射裝置，如雷射二極體，發射雷射。在本發明實施例中，第一濾光片202與第二濾光片203均為光學器件，目的在於區分、導通或截止第一波長光波和第二波長光波，構建測距裝置的內外裝置。該濾光片可以為光學玻璃鍍膜、光學塑料鍍膜或其他具備上述功能有色光學元件。在本發明實施例中，第一濾光片202與第二濾光片203與光電轉換裝置204對準， 使光波直接入射到該光電轉換裝置204中；也可以在第二濾光片203與光電轉換裝置204 之間設有反光鏡以改變光路，便於光電轉換裝置204接收；還可以在第二濾光片203與光電轉換裝置204之間連接有光信號傳輸線，該傳輸線可以為光纖、導光管。在本發明實施例中，光電轉換裝置204可以為光電二極體、光電三極體、APD、光電倍增管等光電轉換裝置。
在本發明實施例中，光電轉換裝置204可以先接收外光路光波，再接收內光路光波，或先接收內光路光波，再接收外光路光波。圖3示出了本發明第一實施例提供的相位測量的校準裝置的系統框架圖，為了便於說明，僅示出與本發明實施例相關的部分，與圖2相比，本校準裝置包括振蕩器301、光波發射裝置302、第一濾光片303、第二濾光片304、光電轉換裝置305，以及高頻放大裝置306、 混頻器307，低頻放大裝置308和鑑相器309用於信號調理和相位獲取。由振蕩器301產生同頻率同相位的第一高頻振蕩信號和第二高頻振蕩信號，光波發射裝置302接收來自振蕩器301的第一高頻振蕩信號、調製第一和第二波長光波，並發射作為光路信號；所述第一波長光波通過第一濾光片303至被測目標，被被測目標反射後折回，光電轉換裝置305接收返回的外光路信號，進行光電轉換後輸出電信號，輸出的電信號為高頻的電信號再由高頻放大裝置306進行放大並輸出，混頻器307接收來自放大裝置 306的信號與振蕩器301輸出的第二高頻振蕩信號進行混頻，輸出混頻後的信號，所述混頻信號被低頻放大裝置308放大後進入鑑相器309。然後，所述第二波長光波被第一濾光片反射光波通過第二濾光片304作為內光路信號的光波，如所述外光路信號流程，最後內光路和外光路分別被鑑相器鑑相併輸出相位差信號。在本發明實施例中，振蕩器301可以為晶振、石英振蕩器、PLL(鎖相環)、DDS(直接數字頻率合成器)或其他頻率發生器件和電路。在本發明實施例中，混頻器307可以為模擬乘法器、下變頻混頻器或其他電子混頻器和光電二極體、光電三極體、APD(雪崩二極體)、光電倍增管等具有混頻功能的光電混
頻裝置。在本發明實施例中，光電轉換裝置305和混頻器307可以由一個接收裝置代替，該接收裝置可同時實現光電轉換裝置305和混頻器307的功能。作為本發明的一個實施例， 接收裝置可以為光電二極體、光電三極體、APD、PMT(光電倍增管)等具有光電轉換功能的
直ο在本發明實施例中，高頻放大裝置306將接收的高頻電信號進行放大，價格昂貴， 低頻放大裝置308將混頻後的低頻電信號進行放大，價格相對較低，如果電路的其他器件性能良好，高頻放大裝置306和低頻放大裝置308均可省略，或者省略其一。如果採用一個接收裝置代替光電轉換裝置305和混頻器307，那麼高頻放大裝置306可以省略，然後可以在接收裝置305之後直接連接低頻電放大裝置308，成本較低。圖4是本發明第二實施例提供的相位測量的校準裝置的系統框架圖，為了便於說明，僅示出與本發明實施例相關的部分，與圖3比較，本校準裝置包括振蕩器401、光波發射裝置402、第一濾光片403、第二濾光片404、低頻放大裝置406、鑑相器407，以及光電混頻裝置405，用於分別接收所述內光路光波和由被測目標反射折回的所述外光路光波進行光電轉換，並分別與混頻信號進行混頻，並分別輸出混頻後的信號。在本發明實施例中，接收裝置405替代圖3中的光電轉換裝置305和混頻器306。圖5示出了本發明第一、二實施例提供的基於雙波長雷射管相位測量和校準裝置的結構圖，鎖相環501和驅動電路502根據高頻振蕩信號驅動雙波長光波發射裝置503發射光波，所發射的第一波長光波被第一濾光片504透射作為外光路信號；然後雙波長光波發射裝置503所發射的第二波長光波被第一濾光片504反射後通過第二濾光片505作為內光路信號。內外光路分別被接收裝置507接收並通過偏置電路506和從所述鎖相環501輸出的高頻混頻信號進行光電轉換、混頻，並經低頻放大器508放大後輸出到鑑相器509。所述鑑相器509將兩次接收到的信號進行相位比較最後輸出得到消除基底參考的相位。在本發明實施例中，雙波長光波發射裝置503發射光波通過第一濾光片504後與接收裝置507對準，使光波直接入射到接收裝置507中；也可以在第二濾光片505與接收裝置507之間設置反射鏡或反射鏡組510以改變光路，便於接收裝置507接收；還可以在第二濾光片505與接收裝置507之間安裝光信號傳輸線完成內光路光信號傳輸，該傳輸線可以為光纖、光導管或其他光學通光元件。作為在本發明實施例，第一濾光片504可以設置在返回的外光路信號後，作為切換外光路信號的雙波長光波發射裝置503發射光波通過第一濾光片504後與接收裝置507 對準，使光波直接入射到接收裝置507中；也可以在第二濾光片505與接收裝置507之間設置反射鏡或反射鏡組510以改變光路，便於接收裝置507接收；還可以在第二濾光片505與接收裝置507之間安裝光信號傳輸線完成內光路光信號傳輸，該傳輸線可以為光纖、光導管或其他光學通光元件。現有技術中採用一個光波發射裝置產生一路光波，需要利用光束轉換裝置改變光路，得到內、外兩路光，光束轉換裝置的多次轉換會產生機械負荷，機械磨損不可避免，且電路響應時間長，另外帶有光束轉換裝置必然導致電路複雜，體積大，成本高；對比於現有技術，在本發明實施例中，可以採用控制電路控制內外光路的開關或切換，避免使用機械開關控制，且採用控制電路控制的響應時間快，接收內外光路信號的間隔時間間小，切換間隔時間為毫秒級別，可認為電路切換期間的周圍環境不變，電路未受影響，不影響測量精度。現有技術採用一個光波發射裝置產生一路光波，需要由分光透鏡同時產生內外兩路光波，因此需採用雙APD(雪崩二極體)接收裝置接收同時傳輸的光波，由於APD浪費電路空間、且成本較本方案高20 %以上。此外還有方案採用傳統雙發單收方式，即兩個獨立LD (雷射管)發生兩路光波信號形成內外光路並通過APD(雪崩二極體)分別接收所述信號達到消除基底信號的相位。所述方案在實施過程中，由於雙獨立LD在工作工程中，工作時間和工作環境不同而導致兩個 LD的工作狀態不同而無法完全消除基底信號；此外由於LD器件離散性較大，不同管子之間的差異也直接造成較大誤差。相對比上述雙APD與雙LD方案，本發明實施例採用雙核封裝的單晶片雙波長雷射管，通過內外光路切換和兩個波長雷射的校正完全消除APD和LD自身的共模影響，達到較所述雙APD與雙LD方案更高的精度。綜上所述，本發明實施例提供了一種基於雙波長雷射管的雙發射單光路接收的校準方法，採用兩個不同波長和相對應的兩個濾光片分別切換內、外光路信號，再通過一個信號接收裝置分別接收內光路信號和外光路信號的返回信號，內光路與外光路的返回信號進行光電轉換、混頻、放大和鑑相，輸出消除基底的信號從而避免了環境變化在電路中引入不確定的相位噪音，且由控制電路控制內、外光路切換從而穩定高速的實現相位誤差補償和校準的目的，減少了環境因素對測距誤差的影響，提高了雷射測距的測量精度，增加了系統的測距穩定度，降低了系統對元器件的性能要求，從而減低了系統的成本，加強了雷射測距在各行業的應用。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於雙波長雷射管相位測量的校準方法，其特徵在於，所述方法包括步驟步驟1為外光路的形成將系統光波發射裝置(1、幻發射第一光波通過第一濾光片(3)至被測目標，所述光波被被測目標反射折回後通過光學裝置(5、6)聚焦被一接收裝置接收(7)並作為系統測量的外光路；所述光波在通過第一濾光片( 的同時，部分光波能量被該濾光片C3)或其他反射片向接收裝置反射並被第二濾光片(4)濾除；步驟2為內光路的形成將系統光波發射裝置(1、幻發射的第二光波為第一濾光片 (3)濾除並被該濾光片(3)反射或其他反射片向接收裝置反射並通過第二濾光片(4)直接為所述接收裝置(7)接收，其中通過第二濾光片(4)光波將作為系統相位測量基底參考的內光路；步驟3 將步驟1和步驟2工作時將先後切換光波發射裝置(1、幻第一光波和第二光波，使所述接收裝置(7)將先後接收到的內、外兩路所述光波進行相位比較，輸出消除基底參考的相位信號。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述內外光路光波均為同一光波發射裝置 (1、2)發射，所述第一波長和第二波長的波長不同。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述其他反射片包括反射稜鏡，全反鏡和其他具備光學反射功能的零件，以及光纖，光導管和其他具備光學導光功能的材料。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在所述接收裝置(7)將先後接收到的內外兩路所述光波進行相位比較，輸出消除基底參考的相位信號。
5.如權利要求1至4任一所述的方法，其特徵在於，兩路所述光波均為雷射。
6.一種相位測量的校準裝置，其特徵在於，所述裝置包括一光波發射裝置，用於發射雙波長光路信號，此光波信號具有穩定的頻率、相位和幅度，所述光波發射裝置為發射波長不同的雙波長雷射管或其他具備二個或以上波長的光波發射裝置；光電轉換裝置，用於分別接收所述由被測目標反射折回的所述外光路和經第二濾光片所述內光路信號；濾光片，用於導通和截止所述外光路和內光路的光路信號，同時能反射外光路光波至內光路，所述濾光片為光學玻璃鍍膜、光學塑料鍍膜或其他具備上述功能有色光學元件；鑑相器，用於分別接收所述光電轉換裝置輸出的信號，並將分別先後將兩路信號進行相位比較輸出消除基底參考的相位信號。
7.如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述裝置進一步包括混頻器，用於將所述光電轉換裝置輸出的內、外光路信號分別先後與同一混頻信號進行混頻並放大後輸出至所述鑑相器。
8.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述光電轉換裝置和所述混頻器包含於一接收裝置內，所述接收裝置為光電二極體、光電三極體、雪崩二極體或光電倍增管。
9.如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述裝置進一步包括振蕩器，用於產生並輸出所述高頻振蕩信號和所述混頻信號，所述振蕩器為晶振、鎖相環、倍頻器、分頻器或直接數字頻率合成器；放大裝置，用於接收所述光電轉換裝置的輸出信號進行放大並輸出。
10. 一種包含如權利要求5至9任一項所述的測距裝置。
全文摘要
本發明適用於相位式光電測距領域，提供了一種基於雙波長雷射管相位測量的校準方法及其測距裝置，所述方法包括步驟1為外光路的形成，步驟2為內光路的形成以及步驟3將步驟1和步驟2工作時將先後切換光波發射裝置(1、2)第一光波和第二光波，使所述接收裝置(7)將先後接收到的內、外兩路所述光波進行相位比較，輸出消除基底參考的相位信號。本發明實現了相位補償和校準的目的，避免了環境變化在電路中引入不確定的相位噪音，提高了雷射測距的測量精度，減少了環境因素對測距誤差的影響，降低了系統的成本，加強了相位式光電測距系統在各行業的應用。
文檔編號G01S17/08GK102540170SQ20121002934
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月10日 優先權日2012年2月10日
發明者喬佰文, 杜鑫, 查曉怡 申請人:江蘇徠茲光電科技有限公司