多频同步调制激光测距方法与装置制造方法及图纸

技术编号:2653147 阅读:348 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本发明专利技术属于激光测距技术领域,特别是一种基于多频同步调制的大量程高精度快速激光测距方法与装置。本发明专利技术在激光发射单元将多频调制信号进行特性预补偿加权求和合成后对激光器功率进行调制实施测距,同时在接收时采用了与该调制方法相对应的同步带通滤波选频测相的方式进行信号处理,变现有的多频串行异步调制测距模式为并行同步调制测距模式。采用本发明专利技术的方法与装置可以在同一时刻得到多频调制测距中各测尺频率的测距结果,进而得到最终测距值,保证了测距速度和实时性。一方面实现了在保证测量精度和大量程的基础上对目标距离进行快速测量,另一方面避免了对运动目标测距时采用多频分时测量因目标位置变化引起的测距误差。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光测距
,特别是一种基于多频同步调制的大量程高精度快速激光测距方法与装置。
技术介绍
激光测距是集光学、激光、光电子及集成电子等多种技术为一体的综合性技术。半导体激光测距装置因其具有非接触、精度高、体积小、成本低、使用寿命长等优点被广泛应用于军事、航天、机器人视觉、工业自动生产线等领域。针对绝对距离测量,目前常用的激光测距方法有脉冲法和相位法。脉冲法测距具有测量范围广,速度快,适用于非合作目标等优点,但其测量精度低。采用脉冲型半导体激光器的测距装置测程可达几公里,精度一般为0.1~1m。相位法通常测量速度慢,但可以获得毫米甚至更高的测距精度,因此更多的应用于对精度要求较高的测距场合。相位法激光测距是将强度按一定频率调制的激光束照射向目标,通过测量发射激光束和目标反射激光束间由于目标距离引起的相位差来测量距离。被测距离可由式(1)给出D=(c/4πf)· (1)其中D为被测距离,c为光速,f为调制频率,为发射光信号与接收光信号相位差。由于实际测量过程中相差测量只能介于0~2π之间,所以该测距方法的理论最大测程Dmax由调制频率决定,Dmax=c/2πf,要增大测程就必须降低调制频率。而对该式微分得 ΔDmin=(c/4πf)·Δmin(2)由式(2)可知在测相精度Δmin相同的条件下调制频率f越低测距精度越低,测量精度和量程产生矛盾。但在很多应用场合,不但要求测距装置测程远,还要求测量精度高且测量速度快。针对相位法激光测距及其量程和精度矛盾问题,国内外已经有很多专利和研究方法。瑞士莱卡公司在其专利(US5815251,EP0738899,EP0932835)的基础上推出的DISTO系列手持式激光测距仪,采用多频相位法测距,最大测程为200m,最高精度为±3.0mm,单次测量时间最短为0.16s(瑞士来卡公司Leica DISTO系列激光测距仪产品说明书,2004)。文献“一种双频调制激光测距仪”(Stephane Poujouly and Bernard Journet,Atwofold modulation frequency laser range finder,J.Opt APur Appt.Opt.4(2002)s356-S363)中阐述了一种采用双频调制的相位法激光测距装置,其调制频率分别选取10MHz和240MHz,测程为15m,精度为0.35mm。清华大学与北京测绘仪器厂研制的DCH2-E型半导体红外测距仪,采用了双频调制相位法激光测距,测尺频率采用间接频率选择法,精测尺频率为14.985520MHz,粗测尺频率为149.856KHz,最大测程为2000m,精度±10mm,单次测量时间为5.0s。上述已有的测距装置及研究在解决相位法激光测距量程和精度的矛盾上均采用了相同的方法,即多频调制法,该方法也是现有研究所普遍采用的方法。多频调制相位法激光测距原理如图1所示,其主要由9部分组成,分别是多频信号发生单元4、多路电子开关3和8、激光功率调制驱动单元2、激光器1、激光接收镜头5、测量光光电探测器6、测量光光电转换电路7、相差测量及距离合成单元9。该方法采用多种调制频率对目标进行测距,其中低频调制信号(粗测尺频率)用以增大测量范围,高频调制信号(精测尺频率)用以保证测量精度。测量时控制单元控制电子开关分时选通各个调制信号对目标进行测距,然后再对各个测尺所得到的测距值进行数据融合处理,进而得出最终测距结果。此方法的不足之处主要表现为以下两点一是测量速度慢,测量时需对目标进行多频分次测量,然后通过数据融合得到最终测量结果,总测距时间随测尺频率数目的增加而增加;二是在对运动目标进行测距时,多频分次测量过程中目标位置可能发生变化,造成测量误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处,提供一种基于多频同步调制的大量程高精度快速激光测距方法与装置。本专利技术在现有多频调制技术的基础上主要进行了如下改进(1)在发射单元替换原有的多路电子开关单元为多频信号特性预补偿加权求和处理单元;(2)在接收单元替换原有的多路电子开关单元为多路同步带通滤波选频测相单元。从而变现有的多频串行异步调制测距模式为并行同步调制测距模式,使得多频调制测距得以同步进行,即在同一时刻得到各测尺频率的测距值,总测距时间不随测尺频率数目的增加而增加,一方面实现了在保证测量精度和大量程的基础上对目标距离进行快速测量,另一方面避免了对运动目标测距时采用多频分次测量因目标位置变化引起的测距误差。本专利技术还在上述测量方法的基础上提供了一种基于多频同步调制的大量程高精度快速激光测距装置。本专利技术的技术解决方案是一种多频同步调制的大量程高精度快速激光测距方法,该方法包括以下步骤(1)采用多种测尺频率f0,f1,f2…fn对目标进行测距,测尺频率采用直接测尺频率选择的方法,取f0=mf1=mf2=…=mfn,则测距精度ΔD0=mΔD1=mΔD2=…=mΔDn,测程D0=1/mD1=1/mD2=…=1/mDn,m值为100至1000;(2)根据上述测尺频率f0,f1,f2…fn选取正弦信号并进行加权求和合成处理,得到 其中E1为最终合成的调制信号,A为正弦信号幅度,i为正弦信号的初始相位,然后采用该信号对激光器功率进行调制并对目标实施测距;(3)经目标反射的回光信号经光电转换电路后得到电信号为 其中ki为接收电路对频率为的转换增益,φi为调制频率为fi的光信号经目标反射后产生的相位延迟,处理电路对信号Er采用多路并行带通滤波选频处理得到各信号分量,同时测得各信号与发射信号的相位延迟φi,进而可同时求得个测尺频率的测距结果Di=(c/4πfi)·i,i=0,1,2...n。最后通过数据融合处理可求得最终测距结果D。加权求和合成处理中还采用了特性预补偿,补偿后的调制信号为 相应的接收信号为 αi为针对光电接收系统对频率为fi的调制光信号的频率衰减特性设定的抗衰减特性预补偿因子,αi的取值应使得αi·ki=C,C为常数,即接收系统对回光信号中各测尺频率的光信号产生相同的增益。上述方法使用的多频同步调制的大量程高精度快速激光测距装置,包括多频信号发生单元、激光器、激光功率调制驱动单元、激光发射镜头、激光接收镜头、测量光光电探测器、测量光光电转换电路、参考光光电探测器、参考光光电转换电路、数据融合距离计算单元,还包括多频信号合成单元、分光镜、多路带通选频滤波单元、多路同步测相单元;多频信号发生单元根据所选择的测尺频率产生相应频率的多路正弦信号,该多路信号经过多频信号合成单元合成处理后作用到同步调制单元对激光器的功率进行调制,调制后的激光束通过激光发射镜头发射向分光镜,经过分光镜后,反射光形成测量光束射向被测目标,测量光束经目标反射后被激光接收镜头接收后经测量光光电探测器后由测量光光电转换电路转换成测量电信号,透射光形成参考光射向参考光光电探测器经参考光光电转换电路后形成参考电信号,测量电信号和参考电信号经带通选频滤波单元后由多路同步测相单元给出个测尺频率经过目标反射后的产生的相位差,距离合成计算单元将测得的相位差进行合成处理得到最终测距结果。本专利技术具有以下特点及良好效果现有的多频调制激光测距技术均采用分时选通调制本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种多频同步调制的大量程高精度快速激光测距方法,其特征在于该方法包括以下步骤:(1)采用多种测尺频率f↓[0],f↓[1],f↓[2]…f↓[n]对目标进行测距,测尺频率采用直接测尺频率选择的方法,取f↓[0]=mf↓[1]=mf↓ [2]=…=mf↓[n],则测距精度△D↓[0]=m△D↓[1]=m△D↓[2]=…=m△D↓[n],测程D↓[0]=1/mD↓[1]=1/mD↓[2]=…=1/mD↓[n],m值为100至1000;(2)根据上述测尺频率f↓[0] ,f↓[1],f↓[2]…f↓[n]选取正弦信号并进行加权求和合成处理,得到E↓[t]=A*sin(2πf↓[i]t+φ↓[i])。其中:E↓[t]为最终合成的调制信号,A为正弦信号幅度,φ↓[i]为正弦信号的初始相位,然后采用该信号对激光器功率进行调制并对目标实施测距;(3)经目标反射的回光信号经光电转换电路后得到电信号为:E↓[r]=k↓[i](E↓[t])=A*k↓[i]sin(2πf↓[i]t+φ↓[i]+φ↓[i]),其中:k↓[i]为接收电路对频率为的转换 增益,φ↓[i]为调制频率为f↓[i]的光信号经目标反射后产生的相位延迟,处理电路对信号E↓[r]采用多路并行带通滤波选频处理得到各信号分量,同时测得各信号与发射信号的相位延迟φ↓[i],进而同时求得各测尺频率的测距结果D↓[i]=(c/4πf↓[i]).φ↓[i],i=0,1,2…n,最后通过数据融合处理求得最终测距结果D。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:谭久彬刘思远侯滨可刘俭
申请(专利权)人:哈尔滨工业大学
类型:发明
国别省市:93[中国|哈尔滨]

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