一种提高TOF相位法测距雷达测距精度的方法技术

本发明专利技术提供了一种提高TOF相位法测距雷达测距精度的方法，包括：信号调制单元驱动调制频率f1对信号光进行调制，测距雷达发射调制信号光；感光元件对回波信号采样；信号处理单元计算相位差φ1，将相位差φ1换算成与物体的距离D1；信号调制单元驱动调制频率f2对信号光进行调制，测距雷达发射调制信号光；感光元件对回波信号采样；信号处理单元计算相位差φ2，将相位差φ2换算成与物体的距离D2；调制频率f1小于调制频率f2；信号处理单元根据D1和D2得到修正后的距离值D。本发明专利技术在不改变硬件，不增加成本的条件下，提高TOF相位法测距雷达的测距精度，尤其是中远距离精度。

A method for improving ranging accuracy of range finding radar with TOF phase method

The present invention provides a method for improving the TOF phase method, radar ranging precision comprises a signal modulation unit driving the modulation frequency of F1 signal light modulation, ranging radar modulation signal light; photosensitive element for echo signal sampling; signal processing unit calculates the phase difference Phi 1, Phi 1 converted into the phase difference and the object the distance D1; signal modulation unit drives the modulation frequency of F2 signal light modulation, ranging radar modulation signal light; photosensitive element for echo signal sampling; signal processing unit calculates the phase difference Phi 2, Phi 2 converted into the phase difference and the distance of the object D2; F1 modulation frequency modulation frequency is less than F2; the signal processing unit according to D1 and D2 to obtain the corrected distance value D. The invention improves the ranging precision of the TOF phase range radar without changing the hardware without increasing the cost, in particular the long distance accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种提高TOF相位法测距雷达测距精度的方法
本专利技术涉及雷达测距领域，具体涉及一种提高TOF相位法测距雷达测距精度的方法。
技术介绍
TOF相位法测距雷达是指通过飞行时间法(TimeofFlight)进行非接触式测距的设备。TOF相位法测距雷达通过发射连续波调制信号，根据该调制信号在待测距离D上往返一次所形成的相移，调制信号在光路上传播一个周期的距离，相位就延迟2π，已知光速c，因此只要测出不足一个周期的相位延迟φ，即可通过间接的方式确定调制信号在雷达与被测物体之间的往返时间t，从而得出目标距离D。然而我们并不能直接确定计算得到的相位延迟φ是否是在一个调制周期内，因此，相位法只能够测到一个调制周期内的距离。并且，在硬件不变的条件下，检测相位延迟φ的精度是确定的，调制频率越高，有效量程越小，但距离分辨率会越高，反之，调制频率越低，有效量程越大，距离分辨率会越低。目前，通常的TOF相位法测距雷达通过设计不同调制频率的信号来完成不同距离的测量，高频率适合近距离(0-30m)测量，低频率适合中远距离(30-200m)测量。一般来说，受限于芯片、电子元器件以及成本的影响，TOF相位法测距雷达在近距离的距离精度较高，在远距离的距离精度相对较低。然而，若从硬件上提高TOF相位法测距雷达测距精度就需要选用精度更高的芯片和电子元器件，这势必会增加成本。大多数TOF相位法测距雷达在中远距离均不能实现高精度测距，究其原因，是因为在确定的硬件条件下，精度和量程不能兼顾，即大量程测距，精度必然低，小量程测距，精度必然高。本专利技术提高TOF相位法测距雷达测距精度的原理是通过高频率和低频率两种光信号调制测量，得到高精度和低精度的距离，通过算法处理即可得到一个大量程范围内高精度的测距结果。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种提高TOF相位法测距雷达测距精度的方法，解决现有TOF激光(红外)雷达测距精度和量程不能兼顾的问题，并且不增加硬件成本。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采取如下技术方案：一种提高TOF相位法测距雷达测距精度的方法，所述方法包括：(1)信号调制单元驱动调制频率f1对信号光进行调制，测距雷达发射调制信号光；感光元件对回波信号采样；信号处理单元计算相位差φ1，将相位差φ1换算成与物体的距离D1；(2)信号调制单元驱动调制频率f2对信号光进行调制，测距雷达发射调制信号光；感光元件对回波信号采样；信号处理单元计算相位差φ2，将相位差φ2换算成与物体的距离D2；调制频率f1小于调制频率f2；(3)信号处理单元根据D1和D2得到修正后的距离值D。优选的，所述调制信号光为正弦调制信号光或方波调制信号光。优选的，感光元件对每同一调制频率下的回波信号采样可设置为四次采样或两次采样。优选的，感光元件对每同一调制频率下的回波信号采样之间均相差1/4的调制周期。优选的，所述距离D1或者所述距离D2为单次测距结果或多次测量结果的均值。优选的，步骤(1)与步骤(2)没有先后顺序。优选的，所述换算包括：根据相位差间接测量出所述调制信号光在雷达与被测物体之间的往返时间，结合光速计算出雷达与被测物体之间的距离。优选的，通过调制频率f1调制的调制信号光测出的距离D1和通过调制频率f2调制的调制信号光测出的距离D2之间的关系如下：其中，n为全程往返距离中频率f2的调制信号光重复周期次数，c为光速，L2为频率f2调制信号光的量程。优选的，所述步骤(3)中，所述修正后的距离值D如下式D＝n·L2+D2n0取整数部分得到n。优选的，所述方法用于无人机、无人车或行走机器人中对周围环境中物体的探测。与最接近的现有技术相比，本专利技术在不改变硬件，不增加成本的条件下，提高TOF相位法测距雷达的测距精度，尤其是中远距离精度。附图说明图1是本专利技术提高TOF相位法测距雷达测距精度的流程图；图2是本专利技术双频测距调制信号传播过程中的相位变化。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。图1为本专利技术实施过程的流程示意图，首先进行第一次测量，信号调制单元驱动一调制频率f1对光强进行调制，连续波调制为正弦调制或方波调制。测距雷达中的光源发射经过调制的调制信号光。控制感光元件按照1/4调制周期的相位差依次接收经过被测物体返回的调制光强信号，得到4次不同相位的回波信号DCS0-DCS3，DCS0-DCS3之间均相差1/4的调制周期。DCS(DistanceCalculationSample)为距离相位采样。DCS0即相位移动为0度的回波信号相位幅值，DCS1即相位移动为90度的回波信号相位幅值，DCS2即相位移动为180度的回波信号相位幅值，DCS3即相位移动为270度的回波信号相位幅值。信号处理单元通过这4次回波信号计算调制信号光在被测物体往返行程的相位移动φ1，间接测量出激光与目标之间的往返时间t1。信号处理单元根据光速c计算得到雷达与被测物体之间的距离D1。其中，频率f1对应的量程为L1。然后再进行第二次测量，信号调制单元驱动一调制频率f2对光强进行调制，连续波调制为正弦调制或方波调制。然后感光元件按照1/4调制周期的相位差依次接收经过被测物体返回的调制光强信号，得到4次不同相位的回波信号(DCS0-DCS3)，DCS0-DCS3之间均相差1/4的调制周期。信号处理单元通过这4次回波信号计算调制信号光在被测物体往返行程的相位移动φ2，间接测量出激光与目标之间的往返时间t2，根据光速计算得到雷达与被测物体之间的距离D2。其中，频率f2对应的量程为L2。在本专利技术所述实施例中，通过频率f1进行距离测量和通过频率f2进行距离测量没有先后顺序，可以先进行频率f1测量，也可先进行频率f2测量。其中f2高于f1，两者取值范围例如为0.625MHZ-100MHZ，但不限于此。本领域技术人员可以根据具体的雷达测距系统来选择f1与f2的频率值。频率f1测量和频率f2测量不区分单次或多次，可以只进行一次频率f1测量或频率f2测量，也可进行多次频率f1测量或频率f2测量。比如在f1调制频率下或者再f2调制频率下，进行3-5次距离测量，然后求平均值。感光元件进行4次相位采集(DCS0-DCS3)，但根据TOF相位法的原理，本专利技术不限于4次相位采集，也可只进行相差1/4调制周期的两次相位采集，均可完成一次相位差φ的计算，双频测距调制信号传播过程中的相位变化如图2所示，从原理上讲，D1与D2的关系由以下公式确定，其中，n为全程往返距离中频率f2测试的重复周期次数，该公式也可表示为D1≈n·L2+D2。显然，当实际距离超过频率f2对应的量程L2时，单次测量已经不能确定准确的距离信息了，只有所测距离在调制频率对应的量程范围内，才能确定准确的距离值。对于一个确定的TOF相位法测距雷达，其检测相位延迟φ的精度是确定的，调制频率越高，一个有效相位周期对应的距离越短，距离分辨率会越高，反之，调制频率越低，一个有效相位周期对应的距离越长，距离分辨率会越低。因此，低调制频率f1测试得到的距离D1的精度低于高调制频率f2测试的到的距离D2的精度，因此双频测试融合得到的距离了D会兼顾高精度和长距离。信号处理单元获取两次测量的距离值D1和D2，根据公式D1≈n·L2+D2可知，只需确认n的值，即可求得双本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高TOF相位法测距雷达测距精度的方法，其特征在于，所述方法包括：(1)信号调制单元驱动调制频率f1对信号光进行调制，测距雷达发射调制信号光；感光元件对回波信号采样；信号处理单元计算相位差φ1，将相位差φ1换算成与物体的距离D1；(2)信号调制单元驱动调制频率f2对信号光进行调制，测距雷达发射调制信号光；感光元件对回波信号采样；信号处理单元计算相位差φ2，将相位差φ2换算成与物体的距离D2；其中，调制频率f2大于调制频率f1；(3)信号处理单元根据D1和D2得到修正后的距离值D。

【技术特征摘要】
2016.10.14 CN 20161089632131.一种提高TOF相位法测距雷达测距精度的方法，其特征在于，所述方法包括：(1)信号调制单元驱动调制频率f1对信号光进行调制，测距雷达发射调制信号光；感光元件对回波信号采样；信号处理单元计算相位差φ1，将相位差φ1换算成与物体的距离D1；(2)信号调制单元驱动调制频率f2对信号光进行调制，测距雷达发射调制信号光；感光元件对回波信号采样；信号处理单元计算相位差φ2，将相位差φ2换算成与物体的距离D2；其中，调制频率f2大于调制频率f1；(3)信号处理单元根据D1和D2得到修正后的距离值D。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调制信号光为正弦调制信号光或方波调制信号光。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，感光元件对每同一调制频率下的回波信号采样可设置为四次采样或两次采样。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，感光元件对每同一调制频率下的回波信号采样之间均相差1/4的调制周期。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述距离D1或者所述距...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑞，郑凯，李远，
申请(专利权)人：北醒北京光子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11