一种激光测距方法与设备与流程

1.本发明涉及激光测距技术领域，特别涉及一种激光测距方法与设备。


背景技术：

2.激光测距，利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，通过激光发射器向被测物体发射一束激光束，通过计算激光束从发射到接收的时间差，就可以计算出激光测距设备到被测物体之间的距离值，被广泛应用在建筑、工业自动化等领域。
3.在实际应用上，由于单个激光测距设备的视场角小，对被测物体进行测量过程中，容易出现漏测的情况，并且单个激光测尺所得到的测量结果可能会出现较大的误差，导致测量存在偏差。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提出一种激光测距方法与设备，能够解决测量过程中的漏测问题，并且提出的测距方法测距更加精确，测量偏差更小。
5.本发明的第一方面，提供了一种激光测距方法与设备，包括以下步骤：
6.在每个测量点位上分别产生一组信号，所述一组信号包括第一激光信号、本振信号以及基准信号，所述第一激光信号包括多种频率不同的测尺信号；
7.在每个所述测量点位上分别向被测物体发射对应的所述第一激光信号；
8.接收所述被测物体返回的与所述第一激光信号对应的第二激光信号，将所述第二激光信号与对应的所述本振信号进行混频，得到多种差频信号；
9.分别计算每组所述多种差频信号与对应的所述基准信号之间的相位差；
10.根据全部的所述相位差计算所述被测物体的距离。
11.根据本发明的实施例，至少具有如下技术效果：
12.本方法通过多个测量点位共同对被测物体进行激光测量，首先每个测量点位会产生多种频率不同的测尺信号，不同频率的测尺信号保证了对距离测量的精确性，其次从每个测量点位向被测物体发送激光信号，解决了单个激光测距可能会出现的漏测问题，然后利用激光信号与本振信号进行混频得到的差频信号与基准信号计算相位差，此时的信号具有鲁棒性，不易失真，得到的相位差更加精确，最后利用全部的相位差计算被测物体的距离，此时全部的相位差包括多种不同频率的测尺信号以及对个测量点位进行激光测量，大大提高了被测物体测距值的精确性。
13.根据本发明的一些实施例，计算所述多种差频信号与所述基准信号之间的相位差，包括以下步骤：
14.在每个测量点位上分别产生一组信号，所述一组信号包括第一激光信号、本振信号以及基准信号，所述第一激光信号包括多种频率不同的测尺信号；
15.从所述多种差频信号中的任意一种差频信号中提取波形稳定后的多个第二采样
点，将所述多个第二采样点滤波并进行多倍插值，得到第二采样点集合；
16.从第一采样点集合提取多个波峰计数值并求平均得到第一平均值，从第二采样点集合提取多个波峰计数值并求平均得到第二平均值；
17.根据所述第一平均值、所述第二平均值计算差值，通过所述差值计算相位差。
18.根据本发明的一些实施例，在所述根据全部的所述相位差计算所述被测物体的距离之前，还包括步骤：
19.对所述相位差进行误差补偿，所述误差补偿包括温度误差补偿和标定的误差补偿。
20.根据本发明的一些实施例，对所述相位差进行温度误差补偿包括以下步骤：
21.根据温度选择对应预设的相位漂移值；
22.根据所述相位漂移值对所述相位差进行补偿。
23.根据本发明的一些实施例，对所述相位差进行标定的误差补偿包括以下步骤：
24.根据所述测尺信号的频率选择预设的相位误差值；
25.根据所述相位误差值对所述相位差进行补偿。
26.本发明的第二方面，提供了一种激光测距设备，包括：
27.多个激光测距单元，安装在不同测量点位对准被测物体，每个所述激光测距单元包括控制单元、锁相环单元、混频单元、激光发射单元以及激光接收单元，所述控制单元、所述锁相环单元以及所述混频单元相互电连接，所述激光发射单元与所述锁相环单元电连接，所述激光接收单元与所述混频单元电连接；所述锁相环单元用于产生基准信号、本振信号以及第一激光信号，所述第一激光信号包括多种不同频率的测尺信号；所述激光发射单元用于发射所述第一激光信号；所述激光接收单元用于接收所述被测物体根据所述第一激光信号反射的第二激光信号；所述混频单元用于将所述第二激光信号和所述本振信号进行混频滤波，得到多种差频信号；所述控制单元用于计算所述多种差频信号与所述基准信号之间的相位差；
28.处理器，总线连接所述多个激光测距单元，用于根据全部的所述相位差计算所述被测物体的距离。
29.根据本发明的实施例，至少具有如下技术效果：
30.多个激光测距单元获取测量数据，增大了激光测量的视场角，减少了单个激光在测量过程中存在的漏测问题，锁相环单元能够发射多种不同频率的测尺信号，混频单元将第二激光信号与本振信号进行混频得到差频信号，再通过差频信号和基准信号计算相位差，能够有效地减小设备在测量过程中的误差，提高测量的准确性，处理器总线连接多个激光测距单元，简化了系统的电路设计复杂度。
31.根据本发明的一些实施例，所述激光测距单元还包括自动增益单元，所述自动增益单元和所述混频单元电连接，所述自动增益单元用于将所述第二激光信号进行放大增益。
32.根据本发明的一些实施例，所述激光测距单元还包括第一ad转换单元和第二ad转换单元，所述第一ad转换单元与所述锁相环单元和所述控制单元电连接，用于将所述基准信号进行模数转换后输入至所述控制单元；所述第二ad转换单元与所述混频单元和所述控制单元电连接，用于将所述差频信号进行模数转换后输入至所述控制单元。
33.根据本发明的一些实施例，所述激光测距单元还包括温度补偿单元，所述温度补偿单元与所述控制单元电连接，所述温度补偿单元用于通过所述测量点位的当前环境温度选择对应预设的相位漂移值，根据所述相位漂移值对所述相位差进行补偿。
34.根据本发明的一些实施例，所述激光测距设备还包括通信单元，所述通信单元与所述处理器电连接，所述通信单元用于与所述处理器双向通信并保存所述处理器的计算结果。
35.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
36.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
37.图1是本发明一个实施例提供的激光测距方法流程图；
38.图2是本发明一个实施例提供的相位差计算的流程图；
39.图3是本发明一个实施例提供的激光测距设备结构图；
40.图4是本发明一个实施例提供的激光测距单元结构图；
41.图5是本发明一个实施例提供的基准信号波形图；
42.图6是本发明一个实施例提供的差频信号波形图。
43.附图标记：100、激光测距单元；200、处理器；300、通信单元；400、显示单元；101、控制单元；102、锁相环单元；103、混频单元；104、第一ad转换单元；105、第二ad转换单元；106、自动增益单元；107、光电流放大单元；108、激光发射单元；109、激光接收单元；110、光学透镜；111、温度补偿单元。
具体实施方式
44.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
45.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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。此外，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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.参考图1，本发明的实施例提供了一种激光测距方法，包括以下步骤：
48.步骤s101、在每个测量点位上分别产生一组信号，一组信号包括第一激光信号、本振信号以及基准信号，第一激光信号包括多种频率不同的测尺信号。
49.步骤s102、在每个测量点位上分别向被测物体发射对应的第一激光信号。
50.步骤s103、接收被测物体返回的与第一激光信号对应的第二激光信号，将第二激光信号与对应的本振信号进行混频，得到多种差频信号。
51.步骤s104、计算每组多种差频信号与对应的基准信号之间的相位差。
52.步骤s105、根据全部的相位差计算被测物体的距离。
53.根据本发明的实施例，至少具有如下技术效果：
54.本方法通过多个测量点位共同对被测物体进行激光测量，首先每个测量点位会产生多种频率不同的测尺信号，不同频率的测尺信号保证了对距离测量的精确性，其次从每个测量点位向被测物体发送激光信号，解决了单个激光测距可能会出现的漏测问题，然后利用激光信号与本振信号进行混频得到的差频信号与基准信号计算相位差，此时的信号具有鲁棒性，不易失真，得到的相位差更加精确，最后利用全部的相位差计算被测物体的距离，此时全部的相位差包括多种不同频率的测尺信号以及对个测量点位进行激光测量，大大提高了被测物体测距值的精确性。
55.参考图2、图5以及图6，在本发明的一些实施例中，步骤104、计算每组多种差频信号与对应的基准信号之间的相位差，包括以下步骤：
56.步骤1041、从基准信号提取波形稳定后的多个第一采样点，将多个第一采样点滤波并进行多倍插值，得到第一采样点集合。
57.步骤1042、从多种差频信号中的任意一种差频信号中提取波形稳定后的多个第二采样点，将多个第二采样点滤波并进行多倍插值，得到第二采样点集合。
58.步骤1043、从第一采样点集合提取多个波峰计数值并求平均得到第一平均值，从第二采样点集合提取多个波峰计数值并求平均得到第二平均值。
59.步骤1044、根据第一平均值、第二平均值计算差值，通过差值计算相位差。
60.通过提取基准信号和差频信号中的波形稳定后的采样点，然后从采样点结集合中提取多个波峰计数值并求平均，通过平均值来计算相位差，保证了相位差计算时所采用样本的准确度，使测量精度更高。
61.在本发明的一些实施例中，根据全部的相位差计算被测物体的距离之前，还包括步骤：
62.对相位差进行误差补偿，误差补偿包括温度误差补偿和标定的误差补偿。
63.通过对相位差进行误差补偿，补偿了激光信号在传输过程或者温度等外界因素干扰下造成的误差，使测量结果更加准确。
64.在本发明的一些实施例中，对相位差进行误差补偿，其中进行温度误差补偿包括以下步骤：
65.步骤s2001、根据测量点位的当前环境温度选择对应预设的相位漂移值。
66.步骤s2002、根据相位漂移值对相位差进行补偿。
67.预设的相位漂移值通过固定其他条件，保持唯一变量温度，得到每个温度下的测量误差值，在激光测距的过程中，根据测量点位当前环境温度来选择对应的误差值对测距
值进行补偿，进行准确地温度误差补偿，使测量结果更加精确。
68.在本发明的一些实施例中，对相位差进行误差补偿，其中进行标定的误差补偿包括以下步骤：
69.步骤s3001、根据测尺信号的频率选择预设的相位误差值。
70.步骤s3002、根据相位误差值对相位差进行补偿。
71.预设的相位误差值通过测尺的量程固定被测物体与激光测距单元的实际距离，通过实际距离与激光测距单元的测量距离的差值得到，激光测距时通过当前使用的测尺信号的频率来进行标定的误差补偿，使测量结果更加精确。
72.为了方便本领域技术人员理解，本发明的一个实施例，提供了一种激光测距方法的数据处理过程，包括：
73.第一步、激光测距单元的处理器通过控制锁相环产生第一组测量信号，测量信号包括基准信号、本振信号和测尺信号，并且在同一时刻发射这三路信号。
74.第二步、处理器启用ad转换单元，采集基准信号的n个采样点[x0,x1,......xn]，同时采集混频后的差频信号的n个采样点[y0,y1,......yn]，从基准信号的采样点上提取稳定波形后的k个采样点x＝[x0,x1,......xk]，进行滤波处理，同时对其进行z倍数插值得到最终的采样点数据[x0,x1,......x
(k*z)
]，提取多个波峰计数值并求平均值得到six。
[0075]
同理当激光测距单元接收到返回的测尺信号，并通过混频单元将本振信号和返回的测尺信号进行混频得到差频信号，从差频信号采样点上提取稳定波形后的k个采样点y＝[y0,y,......yk]，进行滤波处理，同时对其进行z倍数插值后得到最终的采样点数据[y0,y1,......y
(k*z)
]，提取多个波峰计数值并求平均得到siy。
[0076]
第三步、ad转换单元的采样频率为f，则基准信号和差频信号在一个周期内的采样点计数是m＝f/f0＝f/f
′1，其中，f0代表基准信号的频率，f
′1代表差频信号的频率。因此基准信号和差频信号的计数值差值si计算公式如下：
[0077][0078]
其中，m表示周期内采样点计数，z表示插值倍数。
[0079]
单周期内采样计数是m，经过插值后采样点数计数是n＝m*z，则每个采样点的计数值的相位是n/360，由此相位差是θ1＝si*(n/360) 误差补偿，其中误差补偿包括标定的误差补偿和温度补偿误差补偿。
[0080]
第四步、根据以上相位差，就可以计算出第一组测尺频率下的测距值m1，以此类推计算出其他测尺频率m2、m3等的测距值，最终的测距值通过比较法或者置中法进行计算。在本领域中，使用波长较长的测尺进行测量称为粗测，使用波长较短的测尺进行测量我们称为精测，比较法是先在精测最高位(如米位)所对应的粗测同位数值上“加5”或“减5”，使之成为具有单方向误差的距离值，然后将此距离值逐次递减或递加某一数，并逐次与精测最高位数值比较，直到精测最高位和粗测同位相等为止。这时，取粗测的高于精测最位的数值与精测值结合，就成为正确的距离值。比较法处理过程虽然要进行多次减法及比较运算，但出于这些都是由测距仪的微处理机自动进行，所以运算很快，且不会出错。置中法的实质是以不含误差的精测米位为准，对粗测值加减相应的调整数，将粗测值应有的米位调整到“5”，这时，即使粗测有4m的误差，也不会产生距离粗差。例如粗测值为269.9m，如不经过置
中运算，只要有0.1m的误差，就将产生粗差，如经过了置中运算，即269.9-4＝265.9m，这时，即使有 4m的误差(265.9 4＝269.9m)，也不会产生粗差，这说明，经过置中运算，粗测允许误差可达4m。
[0081]
根据本发明的实施例，至少具有如下技术效果：
[0082]
计算相位差通过选取稳定波形以及多倍差值，降低采样点集合的误差率，通过对不同测尺的误差标定，同时结合温度补偿和标定的误差补偿，有效地减少了测距误差，多个频率的测尺信号相结合测量，既可以提高测量距离，也可以提高测量精度。
[0083]
最终测量结果通过这几组测尺频率计算的测距值计算得到。
[0084]
参考图3和图4，本发明的实施例提供了一种激光测距设备，包括：
[0085]
多个激光测距单元100，安装在不同测量点位对准被测物体，每个激光测距单元100包括控制单元101、锁相环单元102、混频单元103、激光发射单元108以及激光接收单元109，控制单元101、锁相环单元102以及混频单元103相互电连接，激光发射单元108与锁相环单元102电连接，激光接收单元109与混频单元103电连接；锁相环单元102用于产生基准信号、本振信号以及第一激光信号，第一激光信号包括多种不同频率的测尺信号；激光发射单元108用于发射第一激光信号；激光接收单元109用于接收被测物体根据第一激光信号反射的第二激光信号；混频单元103用于将第二激光信号和本振信号进行混频滤波，得到多种差频信号；控制单元101用于计算多种差频信号与基准信号之间的相位差。
[0086]
处理器200，总线连接多个激光测距单元100，用于根据全部的相位差计算被测物体的距离。
[0087]
根据本发明的实施例，至少具有如下技术效果：
[0088]
多个激光测距单元100获取测量数据，增大了激光测量的视场角，减少了单个激光在测量过程中存在的漏测问题，锁相环单元102能够发射多种不同频率的测尺信号，混频单元103将第二激光信号与本振信号进行混频得到差频信号，再通过差频信号和基准信号计算相位差，能够有效地减小设备在测量过程中的误差，提高测量的准确性，处理器200总线连接多个激光测距单元100，简化了系统的电路设计复杂度。
[0089]
在本发明的一些实施例中，激光测距单元100还包括自动增益单元106，自动增益单元106和混频单元103电连接，自动增益单元106用于将第二激光信号进行放大增益，激光接收单元109将第二激光信号由光信号形式转化成电信号形式，自动增益单元106将电信号形式的第二激光信号进行放大增益，自动控制调整电信号的放大倍数，使得电信号满足混频单元103的输入要求，防止出现测尺信号无法被混频单元103获取的情况。
[0090]
在本发明的一些实施例中激光测距单元100还包括第一ad转换单元104和第二ad转换单元105，第一ad转换单元104与锁相环单元102和控制单元101电连接，用于将基准信号进行模数转换后输入至控制单元101；第二ad转换单元105与混频单元103和控制单元101电连接，用于将差频信号进行模数转换后输入至控制单元101，ad单元将模拟信号转化为数字信号，满足控制单元101的输入条件，直接将数据输入控制单元101进行后续的计算工作。
[0091]
在本发明的一些实施例中，激光测距单元100还包括温度补偿单元111，温度补偿单元111与控制单元101电连接，温度补偿单元111用于通过测量点位的当前环境温度选择对应预设的相位漂移值，根据相位漂移值对相位差进行补偿，温度补偿单元111存储每个温度下的误差值，根据激光测距单元100所处的温度自动进行误差补偿，使激光测距单元100
的测量结果更加准确。
[0092]
在本发明的一些实施例中，激光测距设备还包括通信单元300，通信单元300与处理器200电连接，通信单元300用于与处理器200双向通信并保存处理器200的计算结果，服务器接收处理器200发送的激光测距数据并保存，防止激光测距设备故障导致激光测距数据丢失。
[0093]
参考图3和图4，为了便于本领域技术人员理解，根据本发明的实施例，提供一种激光测距设备，包括处理器200、显示单元400、通信单元300和多个激光测距单元100。
[0094]
处理器200，与显示单元400、通信单元300和多个激光测距单元100连接，处理器200，单独控制每个激光测距单元100相关操作，获取激光测距单元100的测量数据，通过显示单元400实时展示，同时通过通信单元300传输服务器。
[0095]
通信单元300，与处理器200连接，用于处理器200和服务器的双向通信，服务器可通过通信单元300下发控制指令，同时通信单元300可传输处理器200的测量数据，通信单元300包括4g、nb、lora及串口中的至少一种。
[0096]
显示单元400，与处理器200连接，根据处理器200的控制，实时显示激光测距设备的测量数据以及系统的运行状态参数，将信息进行直观地展示。
[0097]
多个激光测距单元100，与处理器200采用总线接口连接，每个激光测距单元100按不同的角度固定安装，用于执行测距操作，处理器200通过接口控制每个激光测距单元100的参数信息及测距工作，处理器200和激光测距单元100通过串口通信，处理器200也可以控制激光测距单元100的电源开关。
[0098]
多个激光测距单元100，每个激光测距单元100均包括控制单元101、锁相环单元102、光电流放大单元107、激光发射单元108、激光接收单元109、光学透镜110、自动增益单元106、混频单元103、温度补偿单元111、第一ad转换单元104以及第二ad转换单元105；控制单元101、锁相环单元102、混频单元103相互电连接，控制单元101与锁相环单元102之间电连接有第一ad转换单元104，控制单元101与混频单元103之间电连接有第二ad转换单元105，锁相环单元102与激光发射单元108电连接，光电流放大单元107一端与控制单元101电连接，一端与激光发射单元108电连接，混频单元103与自动增益单元106电连接，激光接收单元109一端与自动增益单元106电连接，一端与光学透镜110电连接，温度补偿单元111直接与控制单元101电连接。
[0099]
控制单元101为单片机，用来控制激光测距单元100的激光信号的发射、光信号接收以及测距计算，同时负责和处理器200的控制指令交互。
[0100]
锁相环单元102接收控制单元101的命令，用于产生基准信号、本振信号以及不同的频率的测尺信号，在发射测尺信号过程中，控制单元101通过控制的光电流放大单元107来调节测尺信号通过激光发射单元108的工作电流，保证激光发射单元108的稳定性。
[0101]
激光接收单元109通过光学透镜110接收反射回来的光信号，将光信号转换成微弱的电信号，然后通过的自动增益单元106，自动控制调整电信号的放大倍数，使得电信号满足混频单元103的输入要求。
[0102]
混频单元103用来接收经过自动增益单元106调整后的信号和本振信号进行混频滤波，自动输出相位不变的差频信号。
[0103]
ad转换单元，用来对基准信号和混频单元103输出的差频信号进行采样，将模拟信
号转换成数字信号，控制单元101根据采样的基准信号和差频信号，来计算被测物体的相位差，从而计算出测距值。
[0104]
温度补偿单元111，用来计算激光测距设备在运行过程中，温度产生的相位漂移值，根据测到的温度参数值，对计算的温度值进行相位差补偿操作，进一步提高测量精度。
[0105]
根据本发明的实施例，至少具有以下技术效果：
[0106]
激光测距设备集成多个激光测距单元100，增大了激光测量的视场角，减少了激光在测量过程中存在的漏测，激光测距设备的显示单元400能够直观地了解被测物体的距离、方位及工作状态。激光测距设备的光电流放大单元107和自动增益单元106，能够有效地控制光信号的稳定性，同时结合温度补偿单元111，简化了系统的电路设计复杂度，同时能够有效地减小设备在测量过程中带来的误差。
[0107]
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储数据(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的数据并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何数据递送介质。
[0108]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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。在本说明书中，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多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0109]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。