一種手持式雷射測距裝置的製作方法
2023-05-27 08:02:41
專利名稱：一種手持式雷射測距裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及測距裝置領域，具體涉及一種基於雷射和相位式測量的手持式雷射測距裝置。
背景技術：
目前，市場上存在的手持相位式雷射測距裝置測距誤差在±3mm之內。主要產品有瑞士的LECIA、德國的BOSCH和喜得利。此類測距儀主要應用在工業安裝、房地產測量等領域。其特點是精度高、測程一般小於300m，體積小，測量無需反射，並且有較多的功能。可進行簡單的各類運算，有些產品還可以直接與計算機進行數據傳輸。它們的特點是:(1)使用的雷射器均為半導體雷射二極體，雷射波長在405nm 900nm之間。(2)採用矽光電雪崩二極體作為接受管，這樣不僅減小了儀器的體積而且大大的提高了微弱測量信號的探測能力。(3)為了提高測程，瑞士 LECIA公司在新型的手持式測距儀DISTO中採用了一種稱之為Power range technology的技術,主要用來減小探測光束在空氣中傳播時的能量衰減，提高光波的探測能力，從而增大了測程度。(4)採用了最新的集成電路與數位訊號處理技術，相位測量精度較高且功耗低。(5)採用新型複合材料製作的準直與接收光學鏡頭，具有較強的準直和探測能力。在我國，武漢地震大對等單位研製成功JCY-1及JCY-2型雷射測距儀；北京光學儀器廠研製了 DCX-3型雷射測距儀；238廠研製成功了 HQ-102型雷射測距儀，北京大學等單位研製了長徵DCH-1型短程光電測距儀。現代科技的發展，尤其是集成電路技術和光電信號檢測技術的突飛猛進，使得高精度的測距儀有了很大的發展空間，我國在高精度的手持式測距儀的研究上還比較落後，正處於研發階段，研製成功的產品並不多。其主要面臨的技術問題是高精度相位測量與微弱信號的探測。北京麥哲倫主要有LMD100、LMD200、LMD300三個型號的產品，其中LMD100與LMD200的測距範圍為0.6 30m ;測量精度在30m處可達5mm和3mm。LMD200還具有基本的數學運算功能。LMD300的測距範圍為0.05 200m ;測量精度在30m處可達1.5mm ;內置2倍望遠鏡瞄準鏡，可適用於遠距離測量；擁有自動識別功能的可翻轉式底座，能夠自障礙邊緣或角落起完成測量。三個型號所採用的雷射波長分別為650nm、635nm、635nm。由於麥哲倫公司屬於外商獨資高新技術企業，它並不能代表目前國內研究水平。目前此領域主要存在的問題如下:(I)高精度測時、測相技術。測時和測相技術水平的高低是衡量一個國家科技發展水平的重要指標。科學研究的很多方面都與時間和相位的測量有關。時間或相位的測量精度是影響雷射測距儀測量精度的一個主要方面，常用的測量方法是很難滿足要求的，需要採用最新的高性能器件，在原有的測時測相方法上做進一步改進才能滿足要求。同時還需要運用最新的科研成果探索出新型的測時測相方法。(2)微弱信號的檢測和方法。目前所設計的測距儀均為非合作目標的測距，接收到的回波是很微弱的漫反射信號，加之所使用的半導體雷射二極體功率小，接收到的信號功率低，包含的噪聲大，同時還屬於高頻信號，對檢測放大電路的要求相當高。(3)大動態範圍低相差，高增益接收技術。被測目標距離變化範圍大，目標反射率差異也很大，使接收的信號幅度動態範圍大。而信號處理技術中的鑑相器要求輸入信號動態範圍小，且波形不能失真，才能保證檢相誤差僅取決於鑑相器，使測距精度高。(4)光學鏡頭的設計與製造。光學鏡頭對測距儀信號的檢測有著很重要的作用，它是整個系統的最前端，光電二極體要能探測到由目標反射回來的微弱光信號，就必須使用光學透鏡對從目標反射回的光信號進行匯聚，只有匯聚後信號的能量達到一定值才能產生光電流。光學鏡頭的加工屬於超精加工，其對生產工藝有著很高的要求。測距儀本身體積小，要求光學鏡頭體積不能太大，但同時匯聚性能不能降低，這些條件的限制在很大程度上增加了製造的難度。
發明內容
本發明提供了一種體積小、重量輕、精度高的手持式雷射測距裝置。一種手持式雷射測距裝置，包括:雷射發射器，用於向待測目標發射雷射測距信號；DDS頻率產生模塊，用於向所述雷射發射器和I/Q調製模塊提供高頻調製信號，其中高頻調製信號的頻率為500 1000MHz ；
I/Q調製模塊，接收I/Q信號並對來自DDS頻率產生模塊的高頻調製信號進行調製，輸出調製後信號；APD混頻接收模塊，用於接收來自待測目標所返回的雷射測距信號，並將該雷射測距信號與I/Q調製模塊發送的調製後信號進行混頻處理，輸出帶相位差的低頻信號；低頻放大模塊，用於將所述帶相位差的低頻信號轉換成低頻電壓信號；微控制器模塊，用於產生並向I/Q調製模塊輸出I/Q信號，還用於接收來自所述低頻放大模塊的低頻電壓信號，並對該低頻電壓信號進行鑑相處理，得到待測目標的距離信號以進行輸出。作為一種優選，還設有連接在I/Q調製模塊與APD混頻接收模塊之間的信號放大模塊，用於對調製後信號進行放大。作為一種優選，還設有受控於所述微控制器模塊的高壓產生模塊，該高壓產生模塊向APD混頻接收模塊提供反相偏置電壓。為了便於指令輸入以及所述距離信號的輸出，作為一種優選，還設有與微控制器模塊相連的按鍵及顯示模塊。更優選，可以使用不同按鍵來實現不同的功能，在電路設計上採用不同阻值不同電壓的方法，通過微控制器進行編程實現不同的測量功能。作為一種優選，所述微控制器模塊還連接有電源模塊，其餘各個組件直接或間接的通過微控制器模塊獲得工作電壓。本發明具有以下優點:本發明對相位式測距裝置進行優化設計，使用DDS頻率產生技術、抑制消光比的雷射驅動發射技術、I/Q調製技術和APD電外差混頻技術。使用微控制器實現精緻的液晶顯示和按鍵電路設計，使得該裝置具有體積小、功耗低、測量精準、速度快等優點，尤其適合於工業安裝、房地產測量、建築施工、室內裝潢等領域。
圖1是本發明裝置的總體框圖。圖2是鑑相模塊的示意圖。圖3是本發明裝置實物的按鍵位置結構圖。圖4、圖5、圖6和圖7是測距過程中的數據顯示結果。
具體實施例方式如圖1所示。本發明主要包括以下模塊:微控制器模塊，DDS頻率產生模塊、雷射發射器、I/Q調製模塊、信號放大模塊、高壓產生模塊、低頻放大模塊、電源模塊、按鍵及顯示模塊、Aro混頻接收模塊。其工作原理與流程是:首先微控制器模塊為DDS頻率產生模塊發送命令，控制DDS頻率產生模塊的頻率，產生一個500 1000MHz (優選為750MHz)的高頻調製信號，此高頻調製信號送至雷射發射器，對雷射信號進行調製，然後 經放大後(即雷射測距信號)由雷射發射器發射至待測目標，由待測目標返回的雷射測距信號進入APD混頻接收模塊；I/Q調製模塊接收I/Q信號(來自微控制器模塊)並對來自DDS頻率產生模塊的高頻調製信號進行調製(即將來自DDS頻率產生模塊的高頻調製信號和來自微控制器模塊的I/Q信號進行一次混頻)，輸出調製後信號，該調製後信號經信號放大模塊放大後發送至APD混頻接收模塊；APD混頻接收模塊，接收來自待測目標所返回的雷射測距信號，並將該雷射測距信號與信號放大模塊發送的調製後信號進行混頻處理，即二次混頻，輸出帶相位差的低頻信號，該低頻信號經低頻放大模塊轉換成低頻電壓信號後進入微控制器模塊中進行鑑相處理;APD混頻接收模塊工作所需的高壓信號由微控制器模塊控制高壓產生模塊提供。微控制器模塊，向DDS頻率產生模塊發送命令；向高壓產生模塊發送命令；產生並向I/Q調製模塊輸出I/Q信號；接收來自低頻放大模塊的低頻電壓信號，並對該低頻電壓信號進行鑑相處理，得到待測目標的距離信號以輸出至顯示模塊，通過顯示模塊顯示出來，為了便於指令輸入以及所述距離信號的輸出，設置與微控制器模塊相連的按鍵以及顯示模塊，按鍵模塊設有幾個不同的按鍵，可以使用不同按鍵來實現不同的功能，在電路設計上採用不同阻值不同電壓的方法，通過微控制器進行編程實現不同的測量功能。顯示模塊包括液晶驅動以及LCD顯示屏。微控制器模塊將運算處理結果在顯示單元進行顯示。微控制器模塊還連接有電源模塊，其餘各個組件直接或間接的通過微控制器模塊獲得工作電壓，本發明的電源模塊使用了 DC-DC的轉換晶片，是6V的電源電壓轉換成3.3V的直流電壓，方便供電，該轉換晶片具有輸入輸出電源範圍寬，空載時雙自動模式和高效模式，並可通過控制其中一個引腳達到關閉裝置的目的。DDS頻率產生模塊是系統的關鍵電路之一，在本電路中，晶振採用高穩定度的溫補石英晶體振蕩器，採用頻率合成的方法得到其它的頻率(即輸出的高頻調製信號)。其中主振是由鎖相環電路產生的，鎖相環電路由三個基本部件組成:鑑相器、環路濾波器、壓控振蕩器。
微控制器模塊還用於向DDS頻率產生模塊(向DDS頻率產生模塊中的寄存器發送)中輸出指令，以控制DDS頻率產生模塊發出的高頻調製信號的頻率；DDS頻率產生模塊採用頻率合成的方法通過對輸出指令以及自身基準頻率的運算得到最終發出的高頻調製信號的頻率；DDS頻率產生模塊中的鎖相環可用來實現輸出和輸入兩個信號之間的相位同步，利用自身的相位鎖定特性，獲得與基準頻率成一定倍數的新頻率(即最終發出的高頻調製信號的頻率)。當環路穩定時，主振和本振之差被鎖定，兩者具有相同的頻率穩定度和飄移特性，保證了差頻的穩定性。雷射發射器包含一個雷射調製和發射系統，能實現雷射的發射，完成對雷射信號的調製，並且能對雷射消光比進行控制，雷射發射器還包括自動功率控制(APC)、調製補償等功能。這些控制環路具有溫度補償，在整個溫度範圍和有效使用期限內保持恆定的消光比。I/Q調製模塊採用了 I/Q調製技術實現混頻，微控制器模塊發出I信號和Q信號，這兩種信號分別相互正交，大小相等，利用DDS頻率產生模塊產生的高頻調製信號與I/Q信號進行混頻，實現測距裝置的一次混頻，產生一個與發射信號相差一個中頻的信號(即調製後信號)，以便於後續的二次混頻。APD混頻接收模塊採用APD電外差方式實現二次混頻，APD接收角頻率為《:帶相位差的雷射信號(即雷射測距信號)與二極體反向疊加的交流信號(即調製後信號)進行自混頻得到角頻率為的帶相位差的低頻信號。此信號為電流信號，經低頻放大模塊的濾波後被運放放大、轉為電壓信號，送至微控制器模塊。在微控制器模塊中進行鑑相處理，微控制器模塊中包括用於進行所述鑑相處理的鑑相模塊，該鑑相模塊包括鑑相觸發器、與門和計數器；其中鑑相觸發器的結構如圖2所示，具有兩個信號輸入端(R和S)，一個輸出端Q和一個反向輸出端； 與門具有兩個輸入端，其中一個連接鑑相觸發器的輸出端Q，另一個用於接收填充脈衝f；p，該填充脈衝f；p可提供參照周期，所述填充脈衝f；p可以由DDS頻率產生模塊發出，也可以採用其他信號源。計數器，接收所述與門的輸出信號。鑑相處理的過程為:將來自低頻放大模塊的低頻電壓信號Vs以及來自微控制器模塊的參考信號 ' (都是連續單一頻率的正弦波)分別經過整形電路整形後得到對應的方波，然後分別將兩個方波信號加至鑑相觸發器的兩個信號輸入端，Vr的下降沿使鑑相觸發器置位(置1)，即輸出端Q輸出高電平；Vs方波的下降沿使鑑相觸發器復位(置0)，即輸出端Q輸出低電平；Vr的下降沿使鑑相觸發器置位，計數器開始計數；經過相位差Ap Cvs與 ' 之間的相位差)的時間之後，Vs方波的下降沿又使鑑相觸發器復位，與門關閉，這時填充脈衝不能通過與門，因此計數器停止工作；由於輸出端Q所得到的鑑相脈衝寬度(即鑑相觸發器的置位時間)對應著兩個比較
相位信號的相位差，所以在計數器工作期間內所累計的通過與門的填充脈衝個數的多少就反應了鑑相脈衝的寬度的長短，因此在計數器工作期間內所累計的通過與門的填充脈衝個數再乘以填充脈衝f；p的周期就得到鑑相脈衝寬度，即反映了測距信號Vs和參考信號\之間的相位差Ag，而後可以利用現有技術(參照文獻:徐恆梅，付永慶.相位法雷射測距
系統[J].應用科技，2010，(37)06:20 22)根據相位差A爐換算出待測目標的距離。實施例如圖3所示，是本發明裝置的按鍵版面圖，其標號I為電源鍵:開機、關機；2是測量鍵:打開雷射，進行測量，打開連續測量功能；3是清除鍵:清除當前測量結果，返回到單段距離測量模式；4是模式鍵:實現在面積、體積、單勾股、雙勾股和單段距離測量模式之間的轉換；5是加/減功能鍵:進行加減法運算；6是測量基準切換鍵:在儀器的尾端、三腳架螺母位置、儀器的前端、延伸杆進行基準的切換；7是單位轉換鍵:在米、毫米、小數英尺、分數英尺、小數英寸和分數英寸單位之間進行循環切換；8是最大/最小值測量鍵:調用最大、最小值測量模式。在電池槽內裝入4節新的「AAA」鹼性電池，按動「電源鍵」打開雷射測距裝置，儀器默認進入單段距離測量模式；按住「電源鍵」約2秒關閉儀器。如果在5分鐘內沒有對儀器進行操作，儀器將自動關閉以節省電池電量。儀器默認的測量基準為該儀器的尾端，反覆按動「測量基準切換鍵」可以在儀器的三腳架螺母位置、儀器的前端、儀器的延伸杆及儀器的尾端進行基準切換設置，下次測量將以用戶設定的基準位置開始。關機後，測量基準自動還原為儀器的尾端。按動單位轉換鍵可以進行測量單位切換，從「米」到「毫米」到「十進位英寸」到「分數英寸」到「十進位英寸」再到「分數英寸」循環切換。
(I)開始測量手握儀器放置在準備測量的起始點，按「測量鍵」打開雷射，將雷射瞄準想要測量的目標，再按一次「測量鍵」進行測量。(2)清除當前測量值按「清除鍵」清除當前測量值，同時顯示以前的測量值。在面積、體積、勾股測量模式下，反覆按清除鍵可以返回到單段距離測量模式。(3)單段距離測量a、按「電源鍵」打開雷射測距儀，儀器自動進入單段距離測量模式(圖4)。b、按「測量鍵」打開雷射，雷射指示圖標從下向上閃爍，將雷射束瞄向所要測量的目標。C、再按一次「測量鍵」進行測量。d、測量結果以大體字顯示在屏幕的最下行，測量結束後雷射自動關閉(圖5)。e、要進行第二次測量，再按一次「測量鍵」打開雷射，第一次測量數值向上移一行顯示(圖6)。f、瞄向新的目標，再按一次「測量鍵」進行第二次測量。g、第二次測量數據在屏幕的最下行顯示，測量結束後雷射自動關閉(圖7)。h、重複以上第5到7步進行新的長度測量。其它功能測量步驟同單端距離測量。
權利要求
1.一種手持式雷射測距裝置，其特徵在於，包括: 雷射發射器，用於向待測目標發射雷射測距信號； DDS頻率產生模塊，用於向所述雷射發射器和I/Q調製模塊提供高頻調製信號，其中高頻調製信號的頻率為500 1000MHz ； I/Q調製模塊，接收I/Q信號並對來自DDS頻率產生模塊的高頻調製信號進行調製，輸出調製後信號； APD混頻接收模塊，用於接收來自待測目標所返回的雷射測距信號，並將該雷射測距信號與I/Q調製模塊發送的調製後信號進行混頻處理，輸出帶相位差的低頻信號； 低頻放大模塊，用於將所述帶相位差的低頻信號轉換成低頻電壓信號； 微控制器模塊，用於產生並向I/Q調製模塊輸出I/Q信號，還用於接收來自所述低頻放大模塊的低頻電壓信號，並對該低頻電壓信號進行鑑相處理，得到待測目標的距離信號以進行輸出。
2.根據權利要求1所述的手持式雷射測距裝置，其特徵在於，還設有連接在I/Q調製模塊與APD混頻接收模塊之間的信號放大模塊，用於對調製後信號進行放大。
3.根據權利要求1所述的手持式雷射測距裝置，其特徵在於，還設有受控於所述微控制器模塊的高壓產生模塊，該高壓產生模塊向APD混頻接收模塊提供反相偏置電壓。
4.根據權利要求1所述的手持式雷射測距裝置，其特徵在於，還設有與微控制器模塊相連的按鍵及顯示模塊。
5.根據權利要求1所述的手持式雷射測距裝置，其特徵在於，所述微控制器模塊還連接有電源模塊，其餘各個組件直接或間接的通過微控制器模塊獲得工作電壓。
6.根據權利要求1所述的手持式雷射測距裝置，其特徵在於，所述高頻調製信號的頻率為 600 800MHz。
全文摘要
本發明公開了一種手持式雷射測距裝置，包括雷射發射器，向待測目標發射雷射測距信號；DDS頻率產生模塊，向雷射發射器提供高頻調製信號；I/Q調製模塊，對高頻調製信號進行調製，輸出調製後信號；APD混頻接收模塊，接收來自待測目標所返回的雷射測距信號，並將該雷射測距信號與調製後信號進行混頻處理，輸出帶相位差的低頻信號；低頻放大模塊，將低頻信號轉換成低頻電壓信號；微控制器模塊，產生並輸出I/Q信號，接收低頻電壓信號並對該低頻電壓信號進行鑑相處理，得到待測目標的距離信號以進行輸出。本發明裝置具有體積小、功耗低、測量精準、速度快等優點，尤其適合於工業安裝、房地產測量、建築施工、室內裝潢等領域。
文檔編號G01S17/08GK103226200SQ20131009397
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月22日 優先權日2013年3月22日
發明者黃靜, 章涵博 申請人:浙江理工大學