高精度免切換測距儀及高精度免切換測距方法與流程
2023-05-24 08:27:11
本發明涉及一種基於電外差混頻技術、內外光路免切換技術的測定對象發出雷射或紅外光束並接收來自測定對象物體的反射光而測定距離的高精度測距裝置。
背景技術：
電子測距的原理就是利用電磁波的直線傳播和波速穩定的特性，通過測出兩點之間的電磁波傳播延時時間進而間接測得之間距離的過程。
一直以來，由於簡單脈衝法原理測距精度差的弱點，相位法測距原理成為目前高精度測距裝置的主流方式。在測距裝置中，使用一定頻率的載波將雷射或紅外光束進行調製，並將該光束作為測距裝置的發射光。測定該發射光在測定對象反射的反射光的相位與測距裝置內部產生的內部參考光的相位進行比較，由相位差計算得出測定對象的距離。
假設調製頻率為f，大氣折射率為n，光速為c，反射測距光與內部參考光相位差為，測距距離為D，則：D=(c×)/(n×4×π×f)。
在測距裝置內部的電路裝置的時變特性對測出的距離精度有很大影響，通過反射測距光與內部參考光的比較，可以抵消測距裝置內部電路裝置的時變特性對測距距離的影響。
現有技術的測距裝置為：接收裝置為一個接收元件，使用一種機械切換裝置在測距光路與內部參光路之間切換，所述的機械切換裝置切換到測距光路時接收元件接收測距光路的反射光並通過控制計算裝置進行測算，並將測算結果放置在存儲裝置內；所述的機械切換裝置切換到內部參考光路時接收元件接收內部參考光路的光並通過控制計算裝置進行測算，並將測算結果放置在存儲裝置內；最後將上述兩組測算結果取出後進行比較計算得出測距距離。
接收元件輸出的信號為高頻小信號，所述高頻信小號經過電路裝置進行轉換、放大，最後送入混頻裝置進行混頻輸出中頻信號，中頻信號再經過中頻放大電路裝置進行處理送入控制計算裝置測算。
現有技術的測距裝置， 其光路調製頻率多為100MHz、150MHz，甚至達到200MHz，其接收元件的輸出信號頻率亦為100MHz、150MHz、200MHz，對於高頻小信號的處理比較困難，且混頻裝置放置在接收元件之後容易引入同頻率的高頻串擾、噪聲，導致測距不穩定、精度差。
現有技術的的測距裝置，在實際測距過程中其機械切換裝置在不斷地機械地進行切換。由於在測距過程中不斷地機械切換，對於光路的高度調整、高速測算顯得尤為困難，測距速度受到限制。尤其是在測量移動目標時，機械切換裝置的缺陷顯得尤為突出。在機械切換裝置切換速度無法跟上測量目標移動速度時，會出現無法測算出距離的故障。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明的目的之一是：採用前置電外差混頻裝置解決高頻竄擾、噪聲問題，實現測距的高精度、高穩定性；去除測距光路與內部參光路之間的機械切換裝置，實現高速測距；本明的目的之二是：揭示一種高精度免切換測距方法；本發明是採用以下技術方案來實現的。
高精度免切換測距儀，其特徵在於包含有：存儲裝置、控制計算裝置、第一時鐘發生裝置、傳動驅動裝置、發光元件驅動裝置、產生雷射或紅外光束的發光元件、第一半反射鏡、傳送裝置、光量調整裝置、第一大物鏡、第二大物鏡、反射體、第二半反射鏡、第一接收元件、第二接收元件、第一中頻放大裝置、高壓發生裝置、第二時鐘發生裝置、第二中頻放大裝置、第一AD採樣裝置、第二AD採樣裝置、第一雙頭光纖、第二雙頭光纖；其中：
存儲裝置：用於存儲內部參考信號結果及測距信號結果；
控制計算裝置：用於接收第一AD採樣裝置發出的信號、第二AD採樣裝置發出的信號、出發指令使第一時鐘發生裝置按指令要求工作、出發指令使第二時鐘發生裝置按指令要求工作、指令高壓發生裝置產生高壓、指令存儲裝置存儲數據及從存儲裝置中提取數據、指令傳動驅動裝置動作；
第一時鐘發生裝置：用於產生發射調製頻率，並送入發光元件驅動裝置中；
傳送驅動裝置：用於將調光指令轉達給傳送裝置；
發光元件驅動裝置：用於驅動發光元件產生雷射或紅外光束；
發光元件：用於產生雷射或紅外光束並將光束髮射到第一半反射鏡；
第一半反射鏡：用於接收一部分來自發光元件發出的雷射或紅外光束並將光束並反射到第二半反射鏡；
傳送裝置：用於接收傳送驅動裝置傳達的調光指令並送入光量調整裝置；
光量調整裝置：用於調節光量；
第一大物鏡：用於放大及聚焦自發光元件發出的一部分雷射或紅外光束，並傳送至反射體中；
反射體：用於接收第一大物鏡送入的光束並進行光路的轉向；
第二大物鏡：用於將反射體中發出的光束進行放大聚焦並送入第二雙頭光纖；
第二半反射鏡：用於接收第一半反射鏡反射的光束並將接收的光束送入第一雙頭光纖的一端；
第一接收元件：用於將第一雙頭光纖送入的光束與線與結果接收並輸出至第一中頻放大裝置；
第二接收元件：用於將第二雙頭光纖送入的光束與線與結果接收並輸出至第二中頻放大裝置；
第一中頻放大裝置：用於接收第一接收元件送入的光束與線與結果並進行中頻放大和輸出到第二AD採樣裝置；
高壓發生裝置：用於在控制計算裝置控制下產生高壓並輸出；
第二時鐘發生裝置：用於在控制計算裝置控制下產生混頻用基準時鐘並出後與高壓發生裝置產生的高壓進行線與操作，並將線與結果送入第一接收元件及第二接收元件；
第二中頻放大裝置：用於接收第二接收元件送入的光束與線與結果並進行中頻放大和輸出到第一AD採樣裝置；
第一AD採樣裝置：用於將從第二中頻放大裝置採樣得到的信號送入控制計算裝置，第二中頻放大裝置採樣得到的信號為測距信號；
第二AD採樣裝置：用於將從第一中頻放大裝置採樣得到的信號送入控制計算裝置，第一中頻放大裝置採樣得到的信號為內部參考信號；
第一雙頭光纖：用於接收第二半反射鏡送入的光束並將光束傳送到第一接收元件；
第二雙頭光纖：用於接收第二大物鏡送入的光束並將光束傳送到第二接收元件。
上述所述的高精度免切換測距儀，其特徵在於所述第一接收元件為光電二極體。
上述所述的高精度免切換測距儀，其特徵在於所述第二接收元件為光電二極體。
上述所述的高精度免切換測距儀，其特徵在於所述光量調整裝置是根據測距信號與內部參考信號的光強度變化進行的光量調整；是根據第一接收元件、第二接收元件得到的中頻脈衝光的受光時間差來計算距離。
上述所述的高精度免切換測距儀，其特徵在於所述控制計算裝置為位MCU。
上述所述的高精度免切換測距儀，其特徵在於所述反射體為稜鏡或反射片。
本發明中，在基於電外差混頻技術、內外光路免切換技術的測定對象發出雷射或紅外光束並接收來自測定對象物體的反射光而測定距離的高精度測距裝置中設有：發射測距用雷射或紅外光束的發光元件驅動裝置5；產生雷射或紅外光束的發光元件6；將上述測距用雷射或紅外光束導入接收元件的測距光路14；將上述用測距用雷射或紅外光束導入接收元件的內部參考光路13；使上述測距光路和上述內部參考光路的光強度變化的光量調整裝置；將上述接收元件高頻信號直接轉化為中頻信號的電外差混頻裝置；以及基於上述第一接收元件13、第二接收元件14得到的中頻脈衝光的受光時間差來計算距離的控制計算裝置。
另外，本發明的測距裝置中，上述所述接收元件為光電二極體，同一套高精度測距裝同時存在兩路接收元件，且兩路接收元件同時工作。
另外，本發明的測距裝置中，上述所述電外差混頻裝置為一種前置混頻技術，先將高頻信號搭載到高壓載波上直接輸送給接收元件，上述信號與測距光路返回信號在接收元件內部直接混頻。
另外，本發明的測距裝置中，上述所述接收元件輸出信號為中頻信號。
另外，本發明的測距裝置中，上述所述控制計算裝置為32位MCU。
另外，本發明的測距裝置中，上述所述內部參考光路直接取自於測距光路。
另外，本發明的測距裝置中，上述所述內部參考光路與測距光路同時存在，兩者中間無切換裝置。
另外，本發明的測距裝置中，上述所述光量調整裝置為一種將濃度從濃到淡線性變化的濾光裝置裝配到傳動裝置。
另外，本發明的測距裝置中，上述所述光量調整裝置工作方式為：所述控制計算裝置依據第二接收元件14的受光量控制傳動裝置傳動，進而調整測距光路光量。
根據本發明，在基於電外差混頻技術、內外光路免切換技術的測定對象發出雷射或紅外光束並接收來自測定對象物體的反射光而測定距離的高精度測距裝置中設有：控制計算裝置2；高壓發生裝置16；時鐘發生裝置17；上述控制計算裝置2控制上述高壓發生裝置15產生上述第一接收元件13需要的高壓，上述控制計算裝置2控制上述時鐘發生裝置17產生混頻需要的基準時鐘，上述高壓與基準時鐘線與後提供給上述第一接收元件13，上述線與信號與測距光路返回信號在上述第一接收元件13內部直接混頻，輸出中頻信號進行後續處理，上述所述方式即為電外差混頻技術，上述電外差混頻技術在本發明中有2處，一處用於內部參考信號，一處用於外部測距信號，實現了測距的高精度、高穩定性。
根據本發明，在基於電外差混頻技術、內外光路免切換技術的測定對象發出雷射或紅外光束並接收來自測定對象物體的反射光而測定距離的高精度測距裝置中設有：產生雷射或紅外光束的發光元件6；第一接收元件13；接收裝置14；第一半反射鏡7；第二半反射鏡12；使用上述半反射裝置7；將上述發光元件6產生的雷射或紅外光束的一部分反射到上述第二半反射鏡12，由上述第二半反射鏡12將光反射進上述第一接收元件13產生內部參考信號；上述發光元件6產生的雷射或紅外光束的一部分光構成測距光路，由上述第二接收元件14進行接收；因此本發明的測距裝置整個工作過程中沒有測距光路與內部參考光路的機械切換裝置，實現了高速測距。
高精度免切換測距方法，使用了上述所述的高精度免切換測距儀，其特徵在於所述免切換測距方法具有以下步驟：
第一步：設置第一接收元件13、第二接收元件14的偏置電壓，並根據實際環境溫度計算出第一接收元件13、第二接收元件14的偏置電壓，通過控制計算裝置2控制高壓發生裝置16產生上述計算出的電壓；通過調整第二半反射鏡12的安裝角度，將內部參考光路調試到最大光強度；其中，第一半反射鏡7相對於產生雷射或紅外光束的發光元件6產生的光束成45°，第二半反射鏡12的安裝角度為35°—55°；第一雙頭光纖21另一端裝配到第一接收元件13前端，表成內部參考光路；
第二步：控制計算裝置2控制第一時鐘發生裝置3產生發射調製頻率連同發光元件驅動裝置5驅動發光元件6產生雷射或紅外光束，光束通過第一半反射鏡7一部分經由第二半反射鏡12、第一雙頭光纖21進入到第一接收元件13內部構成內部參考光路；一部分經由第一大物鏡100到達反射體11,反射體11反射的測距光經由第二大物鏡101、第二雙頭光纖22進入到第二接收元件14內部，構成測距光路；
所述的第一接收元件13的內部參考光路與上述準備階段高壓發生裝置16產生高壓與第一時鐘發生裝置3產生的基準時鐘一起進行電外差混頻，最終由第一接收元件13輸出內部參考信號的中頻信號，經過第一中頻放置15裝置、第二AD採樣裝置20，將內部參考信號送入控制計算裝置2；
所述的第二接收元件14的測距光路與上述準備階段高壓發生裝置16產生高壓與第二時鐘發生裝置17產生的基準時鐘一起進行電外差混頻，最終由第二接收元件14輸出測距信號中頻信號，經過第二中頻放置裝置18、第一AD採樣裝置19，將測距信號送入控制計算裝置2；
上述內部參考光路信號、測距光路信號同時送入控制計算裝置2，由控制計算裝置2比較參考光路信號、測距光路信號的相位差，測算出測距距離。
本發明具有以下主要有益技術效果：測距穩定、精度高、光路不需要機械切換，尤其適合移動目標的距離測量。
附圖說明
圖1是本發明的原理框圖。
為了使本發明的內容更容易被清楚地理解，下面根據具體實施例並結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明，圖中的附圖標記對應的名稱如下：1—存儲裝置；2—控制計算裝置；3—第一時鐘發生裝置；4—傳動驅動裝置；5—發光元件驅動裝置；6—產生雷射或紅外光束的發光元件；7—第一半反射鏡；8—傳送裝置；9—光量調整裝置；100—第一大物鏡；101—第二大物鏡；11—反射體；12—第二半反射鏡；13—第一接收元件；14—第二接收元件；15—第一中頻放大裝置；16—高壓發生裝置；17—第二時鐘發生裝置；18—第二中頻放大裝置；19—第一AD採樣裝置；20—第二AD採樣裝置；21—第一雙頭光纖；22—第二雙頭光纖。
具體實施方式
請見圖1，高精度免切換測距儀，其特徵在於包含有：存儲裝置1、控制計算裝置2、第一時鐘發生裝置3、傳動驅動裝置4、發光元件驅動裝置5、產生雷射或紅外光束的發光元件6、第一半反射鏡7、傳送裝置8、光量調整裝置9、第一大物鏡100、第二大物鏡101、反射體11、第二半反射鏡12、第一接收元件13、第二接收元件14、第一中頻放大裝置15、高壓發生裝置16、第二時鐘發生裝置17、第二中頻放大裝置18、第一AD採樣裝置19、第二AD採樣裝置20、第一雙頭光纖21、第二雙頭光纖22；其中：
存儲裝置1：用於存儲內部參考信號結果及測距信號結果；
控制計算裝置2：用於接收第一AD採樣裝置19發出的信號、第二AD採樣裝置20發出的信號、出發指令使第一時鐘發生裝置3按指令要求工作、出發指令使第二時鐘發生裝置17按指令要求工作、指令高壓發生裝置16產生高壓、指令存儲裝置1存儲數據及從存儲裝置1中提取數據、指令傳動驅動裝置4動作；
第一時鐘發生裝置3：用於產生發射調製頻率，並送入發光元件驅動裝置5中；
傳送驅動裝置4：用於將調光指令轉達給傳送裝置8；
發光元件驅動裝置5：用於驅動發光元件6產生雷射或紅外光束；
發光元件6：用於產生雷射或紅外光束並將光束髮射到第一半反射鏡7；
第一半反射鏡7：用於接收一部分來自發光元件6發出的雷射或紅外光束並將光束並反射到第二半反射鏡12；
傳送裝置8：用於接收傳送驅動裝置4傳達的調光指令並送入光量調整裝置9；
光量調整裝置9：用於調節光量；
第一大物鏡100：用於放大及聚焦自發光元件6發出的一部分雷射或紅外光束，並傳送至反射體11中；
反射體11：用於接收第一大物鏡100送入的光束並進行光路的轉向；
第二大物鏡101：用於將反射體11中發出的光束進行放大聚焦並送入第二雙頭光纖22；
第二半反射鏡12：用於接收第一半反射鏡7反射的光束並將接收的光束送入第一雙頭光纖21的一端；
第一接收元件13：用於將第一雙頭光纖21送入的光束與線與結果接收並輸出至第一中頻放大裝置15；
第二接收元件14：用於將第二雙頭光纖22送入的光束與線與結果接收並輸出至第二中頻放大裝置18；
第一中頻放大裝置15：用於接收第一接收元件13送入的光束與線與結果並進行中頻放大和輸出到第二AD採樣裝置20；
高壓發生裝置16：用於在控制計算裝置2控制下產生高壓並輸出；
第二時鐘發生裝置17：用於在控制計算裝置2控制下產生混頻用基準時鐘並出後與高壓發生裝置16產生的高壓進行線與操作，並將線與結果送入第一接收元件13及第二接收元件14；
第二中頻放大裝置18：用於接收第二接收元件14送入的光束與線與結果並進行中頻放大和輸出到第一AD採樣裝置19；
第一AD採樣裝置19：用於將從第二中頻放大裝置18採樣得到的信號送入控制計算裝置2，第二中頻放大裝置18採樣得到的信號為測距信號；
第二AD採樣裝置20：用於將從第一中頻放大裝置15採樣得到的信號送入控制計算裝置2，第一中頻放大裝置15採樣得到的信號為內部參考信號；
第一雙頭光纖21：用於接收第二半反射鏡12送入的光束並將光束傳送到第一接收元件13；
第二雙頭光纖22：用於接收第二大物鏡101送入的光束並將光束傳送到第二接收元件14。
上述所述的高精度免切換測距儀，其特徵在於所述第一接收元件為光電二極體。
上述所述的高精度免切換測距儀，其特徵在於所述第二接收元件為光電二極體。
上述所述的高精度免切換測距儀，其特徵在於所述光量調整裝置是根據測距信號與內部參考信號的光強度變化進行的光量調整；是根據第一接收元件、第二接收元件得到的中頻脈衝光的受光時間差來計算距離。
上述所述的高精度免切換測距儀，其特徵在於所述控制計算裝置為32位MCU。
上述所述的高精度免切換測距儀，其特徵在於所述反射體為稜鏡或反射片。
本發明中的裝置結構及原理如下為：
在產生雷射或紅外光束的發光元件6前端安裝了1個第一半反射鏡7，第一半反射鏡7相對於產生雷射或紅外光束的發光元件6產生的光束成45°，第一半反射鏡7右側安裝1個第二半反射鏡12，第二半反射鏡12安裝角度可在90°範圍內調整，第二半反射鏡12前端安裝有第一雙頭光纖21，第一雙頭光纖21另一端裝配到13接收元件前端，上述結構產生內部參考光路。
電路上控制計算裝置2控制高壓發生裝置16產生高壓，控制計算裝置2控制第二時鐘發生裝置17產生混頻用基準時鐘，高壓發生裝置16所產生的高壓與第二時鐘發生裝置17所產生的基準時鐘發生線與關係後提供給第一接收元件13、第二接收元件14，第一接收元件13輸出部分連接第一中頻放大裝置15、第二AD採樣裝置20，第二接收元件14輸出部分連接第二中頻放大裝置18、第一AD採樣裝置19。上述結構構成電外差混頻技術。
本發明的工作過程為：
準備階段：
查閱第一接收元件13、第二接收元件14官方資料的偏置電壓，並結合實際環境溫度計算出第一接收元件13、第二接收元件14的偏置電壓，通過控制計算裝置2控制高壓發生裝置16產生上述計算出的高壓。
通過調整第二半反射鏡12的安裝角度，將內部參考光路調試到合適強度。
工作階段：
控制計算裝置2控制第一時鐘發生裝置3產生發射調製頻率連同發光元件驅動裝置5驅動發光元件6產生雷射或紅外光束，光束通過第一半反射鏡7一部分經由第二半反射鏡12、第一雙頭光纖21進入到第一接收元件13內部構成內部參考光路；一部分經由第一大物鏡100到達反射體11,反射體11反射的測距光經由第二大物鏡101、第二雙頭光纖22進入到第二接收元件14內部，構成測距光路。
上述所述的第一接收元件13的內部參考光路與上述準備階段高壓發生裝置16產生高壓與第一時鐘發生裝置3產生的基準時鐘一起進行電外差混頻，最終由第一接收元件13輸出內部參考信號的中頻信號，經過第一中頻放置15裝置、第二AD採樣裝置20，將內部參考信號送入控制計算裝置2。
上述所述的第二接收元件14的測距光路與上述準備階段高壓發生裝置16產生高壓與第二時鐘發生裝置17產生的基準時鐘一起進行電外差混頻，最終由第二接收元件14輸出測距信號中頻信號，經過第二中頻放置裝置18、第一AD採樣裝置19，將測距信號送入控制計算裝置2。
上述內部參考信號、測距信號同時送入控制計算裝置2，由控制計算裝置2比較參考信號、測距信號的相位差，測算出測距距離。
高精度免切換測距方法，使用了上述所述的高精度免切換測距儀，其特徵在於所述免切換測距方法具有以下步驟：
第一步：設置第一接收元件13、第二接收元件14的偏置電壓，並根據實際環境溫度計算出第一接收元件13、第二接收元件14的偏置電壓，通過控制計算裝置2控制高壓發生裝置16產生上述計算出的電壓；通過調整第二半反射鏡12的安裝角度，將內部參考光路調試到最大光強度；其中，第一半反射鏡7相對於產生雷射或紅外光束的發光元件6產生的光束成45°，第二半反射鏡12的安裝角度為35°—55°；第一雙頭光纖21另一端裝配到第一接收元件13前端，表成內部參考光路；
第二步：控制計算裝置2控制第一時鐘發生裝置3產生發射調製頻率連同發光元件驅動裝置5驅動發光元件6產生雷射或紅外光束，光束通過第一半反射鏡7一部分經由第二半反射鏡12、第一雙頭光纖21進入到第一接收元件13內部構成內部參考光路；一部分經由第一大物鏡100到達反射體11,反射體11反射的測距光經由第二大物鏡101、第二雙頭光纖22進入到第二接收元件14內部，構成測距光路；
所述的第一接收元件13的內部參考光路與上述準備階段高壓發生裝置16產生高壓與第一時鐘發生裝置3產生的基準時鐘一起進行電外差混頻，最終由第一接收元件13輸出內部參考信號的中頻信號，經過第一中頻放置15裝置、第二AD採樣裝置20，將內部參考信號送入控制計算裝置2；
所述的第二接收元件14的測距光路與上述準備階段高壓發生裝置16產生高壓與第二時鐘發生裝置17產生的基準時鐘一起進行電外差混頻，最終由第二接收元件14輸出測距信號中頻信號，經過第二中頻放置裝置18、第一AD採樣裝置19，將測距信號送入控制計算裝置2；
上述內部參考光路信號、測距光路信號同時送入控制計算裝置2，由控制計算裝置2比較參考光路信號、測距光路信號的相位差，測算出測距距離。
由於取消了測距光路與內部參考光路的機械切換裝置，內部參考信號與測距信號可以同步進行測算，實現了高速測距；由於採用了電外差混頻技術，內部參考信號，測距信號的竄擾被消除，噪聲明顯下降，大大提高了測距精度、穩定性。
以上所述的具體實施例，對發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。