激光扫频测距装置及方法

1.本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种激光扫频测距装置及方法。


背景技术：

2.激光测距技术是通过调制发射激光信号的强度、频率或偏振态，将激光在被测距离上的往返飞行时间转化成了调制激光信号的变化量，并对调制激光信号的变化量进行准确测量，得到激光信号的飞行时间实现距离测量。
3.现有的激光测距技术主要有脉冲激光测距、相位激光测距、调频连续波激光测距和偏振扫频激光测距等。其中，脉冲激光测距的测量范围大(可达km量级)，但测距精度为厘米量级，主要用于地形测绘、大场景三维扫描测量和避障测量等领域。相位激光测距的测量范围较小(百米量级)，测量精度为毫米量级，主要用于建筑测量、民用测绘等领域。调频连续波激光测距和偏振扫频激光测距的测量范围较大(可达1km)，测量精度高，可达十微米量级，在大尺寸工业测量和高端制造领域具有重要应用。
4.传统的脉冲激光测距和相位激光测距技术较为成熟，受测量原理和实现成本等因素制约，难以较大幅度提高测量精度。调频连续波激光测距和偏振扫频激光测距测量精度高，但系统复杂，实现成本高，且对测量应用场景有较高要求，制约了在大尺寸工业测量和高端制造领域的广泛应用。
5.近年来，飞秒激光测距技术的发展为高精度激光测距提供了新的实现方案，飞秒测距具有测量速度快、测量精度高，可替代激光干涉仪的性能优势。但目前飞秒激光测距系统受限于飞秒光源的稳定性差、实现成本高等因素，尚未达到实际应用所需的系统成熟度。


技术实现要素：

6.鉴于上述技术问题，本发明提供了一种可以提高测量精度并且降低系统复杂性的激光扫频测距装置及方法。
7.本发明一方面提供了一种激光扫频测距装置，用于对被测目标进行测距，包括激光器、电光调制器、分光棱镜、第一探测器、第二探测器、模拟鉴相器、测量控制电路和调制频率源，其中：激光器用于发出功率稳定的激光信号，电光调制器用于对激光信号进行强度调制以输出调制信号，分光棱镜将调制信号分为两路，一路由第一探测器接收，产生参考信号；另一路被被测目标返回并经分光棱镜反射后由第二探测器接收，产生测量信号；模拟鉴相器用于检测参考信号与测量信号的相位差；测量控制电路用于对调制频率源进行扫频控制，产生按照预设步长变化的高频调制信号，并反馈至电光调制器，还用于通过检测模拟鉴相器输出的零相位差信号确定两个相邻的调制频率，根据两个相邻的调制频率计算被测目标的测量距离。
8.根据本发明的实施例，激光器为高频强度调制激光源，用于发出连续扫频的高频强度调制激光信号。
9.根据本发明的实施例，电光调制器为电光强度调制器，用于对激光器发出的激光
信号进行高频强度调制。
10.根据本发明的实施例，测量控制电路根据两个相邻的调制频率计算被测目标的测量距离，根据以下公式计算：
[0011][0012]
式中，l为被测目标的测量距离；c为光速；f1为两个相邻的调制频率中的第一调制频率；f2为两个相邻的调制频率中的第二调制频率。
[0013]
本发明另一方面提供了一种采用上述激光扫频测距装置的激光扫频测距方法，包括：s1，测量控制电路产生预设调制频率控制信号，控制调制频率源产生预设调制频率；s2，调制频率源输出预设调制频率，驱动电光调制器对激光器发出的激光信号进行强度调制；s3，电光调制器输出强度调制后的激光信号，由分光棱镜分为参考信号和测量信号，参考信号和测量信号分别由第一探测器和第二探测器接收并输出到模拟鉴相器；s4，模拟鉴相器对参考信号与测量信号的相位差进行检测；s5，测量控制电路通过检测模拟鉴相器输出的零相位差信号确定两个相邻的调制频率，根据两个相邻的调制频率计算被测目标的测量距离。
[0014]
根据本发明的实施例，步骤s4具体包括：s41，模拟鉴相器对参考信号和测量信号的相位差进行检测，输出与相位差相关的电压幅值；s42，测量控制电路采集电压幅值，并判断电压幅值是否为最小电压幅值，如果是，则记录当前的调制频率并记为特定调制频率；s43，测量控制电路按照预设步长连续改变特定调制频率，重复上述步骤s41～s42，得到分别与最小电压幅值相关的第一调制频率和第二调制频率。
[0015]
根据本发明的实施例，测量控制电路采集电压幅值，还包括：对电压幅值进行归一化处理。
[0016]
根据本发明的实施例，步骤s43具体包括：s431，测量控制电路按照预设步长改变特定调制频率，当模拟鉴相器输出的电压幅值为最小电压幅值时，记录当前的调制频率并记为第一调制频率；s432，测量控制电路按照预设步长继续改变特定调制频率，当模拟鉴相器输出的电压幅值为最小电压幅值时，记录当前的调制频率并记为第二调制频率。
[0017]
根据本发明的实施例，被测目标的测量距离根据以下公式计算得出：
[0018][0019]
式中，l为被测目标的测量距离；c为光速；f1为第一调制频率；f2为第二调制频率。
[0020]
与现有技术相比，本发明提供的激光扫频测距装置及方法，至少具有以下有益效果：
[0021]
(1)本发明的激光扫频测距装置测量精度高，系统结构简单，测量适用性强。
[0022]
(2)与传统的相位激光测距方法相比，本发明可大幅提高调制频率，同时避免了高频信号处理电路，提高了测量精度，降低了测相电路的实现成本。
[0023]
(3)与偏振扫频测距系统相比，本发明无需对调制信号进行二次调制，无需线偏振激光光源和保偏光学器件，简化了测量系统结构，降低了系统实现难度和实现成本。
[0024]
(4)测量光路中无需考虑激光信号偏振态的变化，同时避免了调制强度变化对相位差测量精度的影响，扩大了整个装置及方法的应用范围。
附图说明
[0025]
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
[0026]
图1示意性示出了根据本发明实施例的激光扫频测距装置的原理框图；
[0027]
图2示意性示出了根据本发明实施例的激光扫频测距方法的流程图；
[0028]
图3示意性示出了根据本发明实施例的模拟鉴相器对参考信号和测量信号的检测流程图；
[0029]
图4示意性示出了根据本发明实施例的调制频率与模拟鉴相器输出的电压幅值的对应关系波形图；
[0030]
图5示意性示出了根据本发明实施例的第一调制频率和第二调制频率获取的流程图。
[0031]
【附图标记说明】
[0032]
1-激光器；2-电光调制器；3-分光棱镜；4-被测目标；5-第一探测器；6-第二探测器；7-模拟鉴相器；8-调制频率源；9-测量控制电路。
具体实施方式
[0033]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0035]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0036]
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
[0037]
目前，相位激光测距系统对发射激光信号进行强度调制，主要通过测量发射信号和返回信号的相位差来实现距离测量。要提高测距精度，需要提高调制信号频率和相位差测量精度。但是，调制信号频率的提高需要提高整个信号处理链路的响应带宽，会大幅提高系统成本和复杂度。同时，信号强度变化对相位差测量精度有很大影响，使得测距系统的测距精度难以有效提升。
[0038]
有鉴于此，本发明提供了一种测量精度高且系统结构简单的激光扫频测距装置及方法，通过对发射激光信号的强度进行高频扫频调制，测量发射激光信号与返回信号的零相位点时的调制频率，得到被测目标的测量距离。
[0039]
图1示意性示出了根据本发明实施例的激光扫频测距装置的原理框图。
[0040]
如图1所示，本发明实施例的激光扫频测距装置用于对被测目标4进行测距，该装置包括激光器1、电光调制器2、分光棱镜3、第一探测器5、第二探测器6、模拟鉴相器7、测量控制电路9和调制频率源8。其中，激光器1用于发出功率稳定的激光信号，电光调制器2用于对激光信号进行强度调制以输出调制信号，分光棱镜3将调制信号分为两路，一路由第一探测器5接收，产生参考信号；另一路被被测目标4返回并经分光棱镜3反射后由第二探测器6接收，产生测量信号。
[0041]
模拟鉴相器7用于检测参考信号与测量信号的相位差。
[0042]
测量控制电路9用于根据第一调制频率和第二调制频率计算被测目标4的测量距离，并对调制频率源8进行控制，使调制频率源8产生按照预设步长变化的高频调制信号，并反馈至电光调制器2。
[0043]
进一步地，激光器1为高频强度调制激光源，用于发出连续扫频的高频强度调制激光信号。电光调制器2可以为电光强度调制器，用于激光器1发出的激光信号进行高频强度调制。
[0044]
由此可见，本发明实施例通过对发射激光信号的强度进行高频扫频调制，测量发射激光信号与返回信号的零相位点时的调制频率，得到被测目标的测量距离。
[0045]
具体来说，本实施例的激光扫频测距装置的工作原理为：首先，激光器1发出功率稳定的激光信号，经过电光调制器2后产生高频强度调制的激光信号，进入分光棱镜3后分成两路，一路由第一探测器5接收，产生参考信号；另一路发射到被测目标4后返回分光棱镜3，分光棱镜3反射后由第二探测器6接收，产生测量信号。接着，参考信号和测量信号进入模拟鉴相器7，由模拟鉴相器7对两路信号的相位差进行检测，产生与相位差相关的电压信号，然后输入到测量控制电路9。最后，测量控制电路9对调制频率源8进行控制，产生按预设步长变化的高频调制信号，驱动电光调制器2对激光信号进行强度调制。
[0046]
测量控制电路9根据第一调制频率和第二调制频率计算被测目标4的测量距离，具体可以根据以下公式来计算：
[0047][0048]
式中，l为被测目标的测量距离；c为光速；f1为第一调制频率；f2为第二调制频率。
[0049]
通过本发明的实施例，使用功率稳定的激光器作为测量光源，使用电光强度调制器作为调制器件，将连续扫频的高频信号输入到电光强度调制器对发射激光信号进行扫频强度调制，使用分光棱镜将发射的调制激光信号分为参考信号和测量信号，通过检测参考信号和由被测目标返回的测量信号的零相位点的调制频率来计算被测目标距离。
[0050]
并且，激光扫频测距装置主要为强度探测元器件，无需采用线偏激光光源和保偏器件，测量光路中无需考虑激光信号偏置态的变化，同时避免了调制强度变化对相位差测量的影响，扩大了整个装置的应用范围。
[0051]
基于同一发明构思，本发明另一方面提供了一种激光扫频测距方法，以下结合图2～图5具体说明该激光扫频测距方法的具体操作步骤。
[0052]
图2示意性示出了根据本发明实施例的激光扫频测距方法的流程图。
[0053]
如图2所示，本发明实施例的激光扫频测距方法包括以下步骤s1～s5。
[0054]
步骤s1，测量控制电路产生预设调制频率控制信号，控制调制频率源产生预设调制频率。
[0055]
步骤s2，调制频率源输出预设调制频率，驱动电光调制器对激光器发出的激光信号进行强度调制。
[0056]
步骤s3，电光调制器输出强度调制后的激光信号，由分光棱镜分为参考信号和测量信号，参考信号和测量信号分别由第一探测器和第二探测器接收并输出到模拟鉴相器。
[0057]
步骤s4，模拟鉴相器对参考信号与测量信号的相位差进行检测。
[0058]
步骤s5，测量控制电路通过检测模拟鉴相器输出的零相位差信号确定两个相邻的调制频率，根据两个相邻的调制频率计算被测目标的测量距离。
[0059]
分析可知，与传统的相位激光测距方法相比，本实施例的方法采用测量发射信号和返回信号的零相位点的调制频率来计算被测目标的距离，可通过提高调制信号频率以提高测量精度，避免了对信号处理电路的响应带宽的要求和光强变化对测量相位差的影响，简化了信号处理系统。
[0060]
与现有的偏振扫频测距方法相比，本实施例的方法无需对调制激光信号进行二次调制，避免了二次调制光路结构的设计与搭建，实现了测量系统的简化和实现难度的降低。同时，本发明实施例针对激光强度信号进行模拟调制，系统中无需线偏振光源和保偏器件，测量光路中也不受偏振态变化的影响，具有更广的适用性。
[0061]
图3示意性示出了根据本发明实施例的模拟鉴相器对参考信号和测量信号的检测流程图。
[0062]
如图3所示，上述步骤s4具体可以包括以下子步骤s41～s43。
[0063]
步骤s41，模拟鉴相器对参考信号和测量信号的相位差进行检测，输出与相位差相关的电压幅值。
[0064]
步骤s42，测量控制电路采集电压幅值，并判断电压幅值是否为最小电压幅值，如果是，则记录当前的调制频率并记为特定调制频率。
[0065]
步骤s43，测量控制电路按照预设步长连续改变特定调制频率，重复上述步骤s41～s42，得到分别与该最小电压幅值相关的第一调制频率和第二调制频率。
[0066]
进一步地，上述步骤s42中的测量控制电路采集电压幅值，还可以包括：对电压幅值进行归一化处理。归一化处理可以将实时采集的电压幅值被限定在一定的范围内，例如[0，1]，从而消除奇异样本数据导致的不良影响，以解决不同的电压幅值之间的数据可比性。
[0067]
图4示意性示出了根据本发明实施例的调制频率与模拟鉴相器输出的电压幅值的对应关系波形图。
[0068]
测量控制电路控制调制频率源输出连续变化的调制频率，同时实时检测模拟鉴相器输出的电压幅值。当被测目标静止时，模拟鉴相器输出的电压幅值如图4所示，其中横轴表示调制频率，纵轴表示模拟鉴相器输出的电压幅值，该电压幅值经过上述归一化处理。
[0069]
图5示意性示出了根据本发明实施例的第一调制频率和第二调制频率获取的流程图。
[0070]
如图5所示，上述步骤s43具体可以包括以下子步骤s431～s432。
[0071]
步骤s431，测量控制电路按照预设步长改变特定调制频率，当模拟鉴相器输出的
电压幅值为该最小电压幅值时，记录当前的调制频率并记为第一调制频率。
[0072]
由此，在模拟鉴相器输出的电压幅值为第一个周期里的最小电压幅值时，参考信号和测量信号的相位差为零，记录此时的调制频率并记为第一调制频率f1。
[0073]
步骤s432，测量控制电路按照预设步长继续改变特定调制频率，当模拟鉴相器输出的电压幅值为该最小电压幅值时，记录当前的调制频率并记为第二调制频率。
[0074]
由此，在模拟鉴相器输出的电压幅值为紧邻第一个周期后的第二个周期里的最小电压幅值时，参考信号和测量信号的相位差也为零，记录此时的调制频率并记为第二调制频率f2。
[0075]
最后，被测目标的测量距离可以根据以下公式计算得出：
[0076][0077]
式中，l为被测目标的测量距离；c为光速；f1为第一调制频率；f2为第二调制频率。
[0078]
由此，本发明实施例使用模拟鉴相器实现对参考信号和测量信号零相位点的检测，通过检测两个相邻的零相位点得到两个调制频率数据，将两个调制频率数据带入公式，即可计算得出被测目标的测量距离。
[0079]
需要说明的是，装置部分的实施例方式与方法部分的实施例方式对应类似，并且所达到的技术效果也对应类似，具体细节可以参照上述装置实施例方式部分，在此不再赘述。
[0080]
以上只是示例性说明，本发明实施例不限于此。例如，以上所述的强度调制激光信号产生方式和相位差探测方式为特例，在其他实施例中，使用其他的强度调制激光信号产生方式和/或相位差探测方式作为本发明实施例的有效实现方式，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0081]
综上所述，本发明实施例提供了一种激光扫频测距装置及方法，通过对发射激光信号的强度进行高频扫频调制，测量发射激光信号与返回信号的零相位点时的调制频率，得到目标的待测距离，测量精度高，系统结构简单，测量适用性强。
[0082]
附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
[0083]
因此，本发明的技术可以硬件和/或软件(包括固件、微代码等)的形式来实现。另外，本发明的技术可以采取存储有指令的计算机可读介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行系统使用或者结合指令执行系统使用。在本发明的上下文中，计算机可读介质可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，计算机可读介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。计算机可读介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘(hdd)；光存储装置，如光盘(cd-rom)；存储器，如随机存取存储器(ram)或闪存；和/或有线/无线通信链路。
[0084]
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本发明的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不
是要限于的特定顺序或层次。
[0085]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。
[0086]
类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0087]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。除非另有说明，否则表述“大约”、“约”、“基本上”和“左右”表示在10％以内，优选地，在5％以内。
[0088]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。