一种激光相位测距模块制造技术

本发明专利技术涉及到激光测距技术，提供一种激光相位测距模块，包括激光发射组件、回波接收及预处理组件、本地接收及预处理组件、FPGA处理器；FPGA处理器用锁相环产生两个时钟频率f1、f2，由时钟频率f1分频产生一个测尺频率fs的方波信号送给激光发射组件；激光发射组件向目标发射激光；经目标反射的回波经回波接收及预处理组件处理后输出频率为fs的方波A；本地接收及预处理组件将发射激光部分导入，并对导入激光作与回波接收及预处理组件相同预处理后输出方波B；FPGA处理器用时钟频率f2对两路方波A、B同步读取，通过数据处理解算出目标距离。本发明专利技术无需混频处理，能够采用一个测尺实现远程的精密测距，适用于单点测距及多路同时测距设备中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到激光测距技术，主要涉及到利用相位检测的激光测距技术，具体为一种激光相位测距模块。
技术介绍
激光相位测距技术通过检测目标回波产生的相位延迟来测量距离。激光相位测距常采用两个光路，一是目标测量光路，一是本机中的参考校零光路，两路输出波形产生的相位差就对应了目标的距离值。相位测距的方案有多种，主要的不同体现在对光电信号的处理方式上。传统的激光相位测距技术中，发射正弦波调制的激光，接收到的回波通过光电转换变为电信号，再与一本地信号采用混频电路混频，产生一个低频的差频，再由它提取出相位值，最后由相位值换算出距离值。另一种混频方案是直接利用APD雪崩光电二极管的雪崩增益与反偏电压之间的关系，使APD在探测光信号的同时便与本地信号之间产生混频，输出差频的信号。由差频信号处理获得相位，传统的方式是通过对差频信号用比较器产生方波，再由高频脉冲进行计数来实现；现在比较流行的做法则是将差频信号采样，再利用FFT算法，获得相位值。已有相位测距技术中，需要模拟混频过程来获得差频，而为了获得mm级的测距精度，需要采用较高的调制频率，而较高的调制频率则对应较短的测尺。为了在增加测程的同时又尽量不增加电路的复杂性，一般都采用间接测尺法，即用两个或两个以上的短测尺去等效长的测尺，因此测量一个目标点需要进行数次频率切换，切换过程中需要等待足够的时间以确保信号的稳定，因而对于快速测量是不利的，尤其是对于需要多路同时快速测距的情况更是存在问题。另外，激光相位测距机采用半导体激光器作为发射光源，能够实现大功率高速调制的半导体激光器价格都比较高昂而且不易获得，而小功率半导体激光器又导致测量距离受限，为增加测量距离常需要配备棱镜或反光板以增强回波，因此为实现较远的无合作目标测距需要付出较高的成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种无需混频处理的相位测距模块，它可以用一个测尺实现远程的精密测距，既可用于需要快速测距的单点测距设备，也可用于需要多路同时测量的设备中。本专利技术的技术方案为：一种激光相位测距模块，包括激光发射组件1、回波接收及预处理组件2、本地接收及预处理组件3、FPGA处理器4；FPGA处理器用锁相环产生两个时钟频率f1、f2，由时钟频率f1分频产生一个测尺频率fs的方波信号送给激光发射组件；激光发射组件内，测尺频率fs的方波信号经过第一窄带滤波器11后变为正弦波，经由驱动器12产生驱动电流，驱动激光器13发射激光，经发射镜头14向目标发射；回波接收及预处理组件内，经目标反射的回波经接收镜头21、滤光片22后到达光电探测器23，光电探测器23输出光电信号依次经过前置放大器24、第二窄带滤波器25、主放大器26、第三窄带滤波器27及比较器28预处理后输出频率为fs的方波A，送入到FPGA处理器；本地接收及预处理组件内，导光件31将激光器发射激光部分导入，对导入激光作与回波接收及预处理组件相同预处理后输出方波B，同样送入到FPGA处理器；FPGA处理器用时钟频率f2对两路方波A、B同步读取，通过数据处理解算出两路方波之间相位差，对应给出目标距离。进一步地，所述激光发射组件包括正弦波产生电路、发射驱动器、激光器以及发射镜头，正弦波产生电路将由FPGA通过分频产生的频率为fs的方波通过窄带滤波11变为正弦波，作为激光发射的调制信号，发射驱动器12用于为激光器提供足够的驱动电流，调制激光通过发射镜头14发射出去；所述回波接收及预处理组件包括接收镜头21、滤光片22、光电探测器23及前置放大器24、窄带滤波器25、主放大器26、窄带滤波器27及高速比较器28，接收镜头接收来自被测目标的回波，滤光片用于抑制背景光的影响，光电探测器收集回波并产生光电转换，前置放大器对信号低噪声放大，经过窄带滤波提高信噪比，主放大器进一步放大信号幅度，再经窄带滤波器滤波，最后用高速比较器比较出只有高低电平的方波，光电探测器可以是雪崩光电二极管，也可以是PIN管，主要依据测距的需求，前者灵敏度更高但后者更便宜且使用更方便；所述本地接收及预处理组件包括导光件31、光电探测器32及前置放大器33、窄带滤波器34、主放大器35、窄带滤波器36及高速比较器37，除了没有接收镜头和滤光片并增加一个导光件外，其余的部分与回波接收及预处理组件完全相同，用于为回波产生的方波提供一个参考位置信息；所述FPGA处理器用于产生基本的时钟信号、分频产生发射频率的方波、处理比较器输出的两路方波信号、向外输出测量结果，以及接收外部的指令。进一步地，由FPGA锁相环产生的两个时钟频率f1、f2，频率差Δf＝f2-f1，频率差Δf与测尺频率fs之间应当满足如下关系：fs＝(N/M)·Δf，其中，N为处理方波的周期个数，M为大于1的整数，N＞M，且N/M为不可简化的分数；此时对回波延迟时间的测量精度为1/(N·f1)；在满足fs＝(N/M)·Δf的情况下，将处理的回波波形周期个数变为N的整数倍也是可行的，相当于将处理过程进行重复，多次测量以进一步提高测量精度。进一步地，对于多路同时测距时，各路回波处理出来的方波与本地接收及预处理组件产生的方波同时读入FPGA中，并行地处理出各路测量出来的距离值。本专利技术的原理为：由FPGA的时钟频率f1分频产生频率fs的方波，经过滤波后，为fs的正弦波，用于驱动激光发射；照射目标产生的回波被回波接收及预处理组件接收并转换为只有高低电平的方波A，本地接收及预处理组件转换出只有高低电平的方波B；对于方波A的任意一个连续高电平，在方波B中都存在一个对应的连续高电平，它们构成一个高电平对，通过求解方波A和方波B任一高电平对的中心位置差，共将获得N个中心位置差数据，对这N个中心位置差数据作平均处理，即获得A、B方波的相位差测量结果，对应地得到目标的距离值。然而，如果仅靠高频的时钟去采样并确定中心位置差，受限于采样频率，精度远远达不到要求；如果用f1去采样，由于fs是由f1分频产生的，对于不断重复的方波高电平，其位置关系相对固定，对精度的提高也没有任何的用处；为解决精度问题，FPGA用频率f2的时钟对方波A、B进行同步数据读入，由于f1与f2有频率差，因此对方波A和B而言，在fs＝(N/M)·Δf中M＝1，即满足fs＝N·Δf时，各个高电平的首个取数时间与方波的上升沿之间的间隔是逐渐变化的，比如若第一个高电平的上升沿与高电平的首个取数脉冲上升沿之间的间隔为t1，则第二个高电平的上升沿与高电平的首个取数脉冲上升沿之间的间隔为t1-1/(N·f1)，而第三个高电平的上升沿与高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光相位测距模块，包括激光发射组件(1)、回波接收及预处理组件(2)、本地接收及预处理组件(3)、FPGA处理器(4)；FPGA处理器用锁相环产生两个时钟频率f1、f2，由时钟频率f1分频产生一个测尺频率fs的方波信号送给激光发射组件；激光发射组件内，测尺频率fs的方波信号经过第一窄带滤波器(11)后变为正弦波，经由驱动器(12)产生驱动电流，驱动激光器(13)发射激光，经发射镜头(14)向目标发射；回波接收及预处理组件内，经目标反射的回波经接收镜头(21)、滤光片(22)后到达光电探测器(23)，光电探测器(23)输出光电信号依次经过前置放大器(24)、第二窄带滤波器(25)、主放大器(26)、第三窄带滤波器(27)及比较器(28)预处理后输出频率为fs的方波A，送入到FPGA处理器；本地接收及预处理组件内，导光件(31)将激光器发射激光部分导入，对导入激光作与回波接收及预处理组件相同预处理后输出方波B，同样送入到FPGA处理器；FPGA处理器用时钟频率f2对两路方波A、B同步读取，通过数据处理解算出两路方波之间相位差，对应给出目标距离。

【技术特征摘要】
1.一种激光相位测距模块，包括激光发射组件(1)、回波接收及预处理组件(2)、本地
接收及预处理组件(3)、FPGA处理器(4)；FPGA处理器用锁相环产生两个时钟频率f1、f2，
由时钟频率f1分频产生一个测尺频率fs的方波信号送给激光发射组件；激光发射组件内，测
尺频率fs的方波信号经过第一窄带滤波器(11)后变为正弦波，经由驱动器(12)产生驱动
电流，驱动激光器(13)发射激光，经发射镜头(14)向目标发射；回波接收及预处理组件
内，经目标反射的回波经接收镜头(21)、滤光片(22)后到达光电探测器(23)，光电探测
器(23)输出光电信号依次经过前置放大器(24)、第二窄带滤波器(25)、主放大器(26)、
第三窄带滤波器(27...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭仁军，段逢源，王凯，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51