光電測距方法及其裝置的製作方法

2023-04-22 19:08:41

專利名稱：光電測距方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光電測距方法及其裝置，尤其涉及一種基於相位測量原理的光電 測距方法及其裝置。
背景技術：
光電測距裝置，由於其測量精度高而被廣泛應用於建築、室內裝潢等領域。發射器 發射出調製光束到被測物體上，光電接收器接收到被被測物體反射回的調製光束，由調製 光束髮射和接收時的相位差確定光電測距裝置到被測物體之間的距離。這種光電測距裝置的測量精度受環境以及裝置本身的影響，例如環境溫度交替變 化，光電接收器的溫度漂移。現有技術中，通過在測距裝置中設置一個具有預定長度的內參 考光路來消除上述的因環境溫度變化或是光電接收器的溫漂而產生的相位漂移。調製光束 的發射光路上設置一個機械轉換裝置用於在外部測量光路和內部參考光路之間切換。光電 接收器先後接收到經外部測量光路傳播的調製測量光信號和經內部參考光路傳播的調製 參考光信號並先後分別產生一個低頻測量信號和一個低頻校準信號，通過低頻測量信號的 相位與低頻校準信號的相位的相減，消除測距裝置的測量誤差。通過機械轉換使測量信號 和參考信號交替到達光電接收器可以在一次測距過程中多次進行，但是，這種機械轉換會 產生大的機械負荷並且部件在此過程中會發生磨損，易損壞。另外機械轉換裝置和內光路 結構又使得測距裝置的內部結構和控制方法複雜化，增加了測距裝置的製造成本、增大了 體積和重量，不利於測距裝置的小型化發展。還有的測距裝置則採用兩個光電接收器同時接收反射測量光信號和參考光信號， 昂貴的光電接收器使得測距裝置的製造成本大為提高。

發明內容
本發明的目的是克服上述現有技術的缺點提供一種無需使用內部參考光路且具 有較高測量精度的光電測距方法及基於該方法的測量裝置。為了實現這個目的，本發明的光電距離測量方法，包含步驟將一個高頻信號fH和 一個低頻混合信號&在一個頻率調製器中調製成一個第一高頻調製信號fH+fV和一個第二 高頻調製信號fH-fV ；將一束測量光束髮射至一個被測物體上；用一個光電接收及轉換裝置 接收被被測物體反射或散射回的測量光束；通過處理相位信息確定一個被測距離，其特徵 是所述的第一高頻調製信號fH+fV和所述的第二高頻調製信號fH-fV中的一個對所述的測 量光束進行調製，所述的測量光束髮射至所述被測物體上，從所述被測物體反射或散射回 的測量光束被所述光電接收及轉換裝置接收並轉換成一個第一高頻反射測量信號，所述的 第一高頻反射測量信號和所述高頻信號fH在所述的光電接收及轉換裝置中進行混頻並產 生一個第一低頻測量信號，所述的第一低頻測量信號包含第一相位信息，所述的第一高頻 調製信號fH+fV和所述的第二高頻調製信號fH-fV中的另一個對所述的測量光束進行調製， 所述的測量光束髮射至所述被測物體上，從所述被測物體反射或散射回的測量光束被所述的光電接收及轉換裝置接收並轉換成一個第二高頻反射測量信號，所述的第二高頻反射測 量信號和所述高頻信號fH在所述的光電接收及轉換裝置中進行混頻並產生一個第二低頻 測量信號，所述的第二低頻測量信號包含第二相位信息，通過處理所述的第一相位信息和 所述的第二相位信息確定所述被測距離。本發明所揭示的光電距離測量方法，分別採用高頻調製信號fH+fV和fH_fV對測量 光束進行調製，並分別得到一個包含第一相位信息的第一低頻測量信號和一個包含第二相 位信息的第二低頻測量信號，通過處理第一相位信息和第二相位信息得到被測距離值。相 比於現有技術，本發明所揭示的光電距離測量方法，無需採用額外的內參考光路以及機械 轉換裝置，從而大大簡化了測距裝置的結構，簡化了測距裝置的控制方法，同時降低了製造 成本。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。圖1是本發明的一種首選實施方式中的光電測距裝置的系統框圖。圖2是圖1中光電測距裝置進行距離測量的流程圖。
具體實施例方式現參照圖1，本發明一種首選實施方式的光電測距裝置主要包含一個PLL鎖相環 電路11，一個可將高頻信號調製成測量光調製信號的正交調製器13，一個光信號發射器 15，一個光電接收及轉換裝置17和一個MCU微處理器12。PLL鎖相環電路11產生一個高頻信號fH，該高頻信號fH通過傳輸線被傳輸至正交 調製器13中。同時，MCU微處理器12向正交調製器13輸出一個低頻混合信號&，高頻信 號fH和低頻混合信號&在正交調製器13中被合成，產生一個測量光的高頻調製信號，該高 頻調製信號輸出到光信號發射器15上對發射器所發出的測量光進行高頻調製，經過高頻 調製的測量光照射到被測物體16上。光電接收及轉換裝置17接收到由被測物體16反射 回的高頻調製反射測量光，並轉換成相應的高頻反射測量信號。PLL鎖相環電路11產生的 高頻信號fH分出一路並被輸入到光電接收及轉換裝置17中並在其中與高頻反射測量信號 混頻，經互阻放大器18放大和低通濾波器19濾波後產生一個包含用於確定距離的相位信 息的低頻測量信號，將該低頻測量信號輸入到MCU12中進行處理得到光電測距裝置到被測 物體之間的距離。在本發明中，高頻信號fH和低頻混合信號&在正交調製器13中經合成，可以產生 兩種不同的高頻調製信號為fH+fV、fH-fLJ分別先後用這兩種高頻調製信號fH+fV和fH-fV對 發射器所發出的測量光進行高頻調製。這裡，低頻混合信號&相比於高頻信號fH的頻率較 低，通常&和fH之間的頻率相差1千倍以上，在進行幾百米的短程測距時，&產生的附加相 移可以忽略不計，不會影響距離測量的精度。圖2示出了本發明距離測量的方法。首先，用高頻調製信號fH+fV對發射器所發出 的測量光進行高頻調製，發射經過高頻調製的測量光至被測物體16上，光電接收及轉換裝 置17接收到由被測物體16反射或散射回的高頻調製反射測量光並轉換成相應的高頻調製 反射測量信號fH+fV，高頻調製反射測量信號fH+fV與高頻信號fH在光電接收及轉換裝置17中混頻後產生一個低頻測量信號Π，低頻測量信號fl包含相位信息A0+A1，其中AO為初始 相位信息，Al為測量相位信息。然後，再用高頻調製信號fH-fV對發射器所發出的測量光進 行高頻調製，相應的，得到一個高頻調製反射測量信號fH-fV，高頻調製反射測量信號fH-fV 與高頻信號fH混頻後產生一個低頻測量信號f2，低頻測量信號f2包含相位信息AO-Al。最 後，在MCU12中對兩次獲取的低頻信號Π和f2的相位信息進行運算處理，有兩種運算處理 方法第一種，對兩次獲取的低頻信號Π和f2的相位信息進行加平均運算處理，即將Π和 f2的相位信息相加，消去Al，得到2倍的A0，除以2後得到AO的值，再根據AO的值求得Al 的值；第二種，對兩次獲取的低頻信號Π和f2的相位信息進行減平均運算處理，即將Π和 f2的相位信息相減，消去A0，得到2倍的Al，除以2後得到Al的值，這兩種方法都可以很容 易的得到測量相位Al的值，由測量相位Al的值求出被測距離值。由於環境溫度變化以及 元器件本身所產生的相位漂移存在於初始相位AO中，測量相位Al中不包含附加相移信息， 故由測量相位Al的值可以得到精度較高的被測距離值。當然，本發明不限於先用高頻調製信號fH+f^對發射器所發出的測量光進行高頻 調製，也可以先採用高頻調製信號fH_fV對發射器所發出的測量光進行高頻調製，然後再用 高頻調製信號fH+fV對發射器所發出的測量光進行高頻調製。上述中的光信號發射器15可以是從商業上能夠得到的雷射二極體，光電接收及 轉換裝置17可以採用一個雪崩光電二極體，雪崩光電二極體在作為測量光調製信號接收 器的同時還可以作為一個直接混頻器使用。以上僅對本發明的光電測距裝置的電路部分進行了描述，其所採用的光學部分， 包含發射光路和接收光路，都是現有技術中的內容，在此不再贅述。以上所描述的具體實施方式
只是對本發明的構思和原理進行闡述，並非要對本發 明的內容進行限制。本領域的普通技術人員可以意識到，除了上述首選的具體實施方式
之外，本發明還有很多其他替代的或者修改的實施方式，這些替代的或者修改的實施方式仍 然在本發明的範圍之內。本發明的保護範圍由權利要求確定。
權利要求
一種光電距離測量方法，包含步驟將一個高頻信號fH和一個低頻混合信號fL在一個頻率調製器中調製成一個第一高頻調製信號fH+fL和一個第二高頻調製信號fH-fL；將一束測量光束髮射至一個被測物體上；用一個光電接收及轉換裝置接收被被測物體反射或散射回的測量光束；通過處理相位信息確定一個被測距離，其特徵是所述的第一高頻調製信號fH+fL和所述的第二高頻調製信號fH-fL中的一個對所述的測量光束進行調製，所述的測量光束髮射至所述被測物體上，從所述被測物體反射或散射回的測量光束被所述光電接收及轉換裝置接收並轉換成一個第一高頻反射測量信號，所述的第一高頻反射測量信號和所述高頻信號fH在所述的光電接收及轉換裝置中進行混頻並產生一個第一低頻測量信號，所述的第一低頻測量信號包含第一相位信息，所述的第一高頻調製信號fH+fL和所述的第二高頻調製信號fH-fL中的另一個對所述的測量光束進行調製，所述的測量光束髮射至所述被測物體上，從所述被測物體反射或散射回的測量光束被所述的光電接收及轉換裝置接收並轉換成一個第二高頻反射測量信號，所述的第二高頻反射測量信號和所述高頻信號fH在所述的光電接收及轉換裝置中進行混頻並產生一個第二低頻測量信號，所述的第二低頻測量信號包含第二相位信息，通過處理所述的第一相位信息和所述的第二相位信息確定所述被測距離。
2.如權利要求1中所述的光電距離測量方法，其特徵在於，對所述的第一相位信息和 所述的第二相位信息進行加平均運算處理。
3.如權利要求1中所述的光電距離測量方法，其特徵在於，對所述的第一相位信息和 所述的第二相位信息進行減平均運算處理。
4.如權利要求1-3中任一項所述的光電距離測量方法，其特徵在於，所述的低頻混合 信號4和所述的高頻信號fH的頻率相差1千倍以上。
5.如權利要求4中所述的光電距離測量方法，其特徵在於，所述的頻率調製器是一個 正交調製器。
6.如權利要求4中所述的光電距離測量方法，其特徵在於，所述的光電接收及轉換裝置是一個雪崩光電二極體。
全文摘要
本發明涉及一種光電距離測量方法，包含步驟將一個高頻信號fH和一個低頻混合信號fL在一個頻率調製器中調製成一個第一高頻調製信號fH+fL和一個第二高頻調製信號fH-fL，分別用第一高頻調製信號fH+fL和第二高頻調製信號fH-fL對測量光束進行調製，對應的，光電接收及轉換裝置中分別產生一個第一低頻測量信號和一個第二低頻測量信號，第一低頻測量信號包含第一相位信息，第二低頻測量信號包含第二相位信息，通過處理第一相位信息和第二相位信息確定被測距離。本發明所揭示的光電距離測量方法，無需採用額外的內參考光路以及機械轉換裝置，從而大大簡化了測距裝置的結構，簡化了測距裝置的控制方法，同時降低了製造成本。
文檔編號G01S17/32GK101806897SQ200910024438
公開日2010年8月18日 申請日期2009年2月17日 優先權日2009年2月17日
發明者楊德中, 陳武 申請人:南京德朔實業有限公司