CN104459710A - 脉冲/相位一体式激光测距仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种脉冲/相位一体式激光测距仪。窄脉冲发生电路、正弦波发生电路通过模拟开关A与半导体激光器连接；半导体激光器发射的激光一路经过发射镜、测量目标、接收镜接收后输入APD探测器，经运算放大器B放大后输出回波信号；半导体激光器发射的激光另一路输入PIN探测器，经运算放大器A放大后输出参考信号；模拟开关B接收激光发射脉冲/连续波双模式调制电路产生的参考信号和回波信号，模拟开关B可以切换至与模拟开关C连接，也可以经过混频滤波电路后与模拟开关C连接；模拟开关C与双路高速比较器连接，双路高速比较器与时间间隔测量电路连接。本发明解决单台激光测距仪不能具备脉冲、相位两种测量模式问题。

Description

脉冲/相位一体式激光测距仪

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种脉冲/相位一体式激光测距仪。

背景技术

激光测距仪是一种使用激光作为探测波束，测量反射面距离发射点绝对距离的长度测量仪器。激光测距具有非接触测量、测量精确度高、分辨率高、抗干扰能力强、体积小和重量轻等一系列的优点，在各种测量行业中得到了广泛的应用，无论是在军事领域，还是在科学试验、施工生产、基础建设等方面，都起着重要的作用。

按照激光测距原理，能够实现非合作目标（无反射镜、靶标版）测距的激光测距仪可分为脉冲式和相位式两种。

脉冲式测距仪原理是通过向被测目标发射脉冲式激光束，并测量激光往返飞行时间，根据光在大气中的传播速度计算得出测量点至目标的距离。脉冲测距仪的原理和结构较简单，测程远，缺点是绝对测距精度较低，且有近程无法测量的盲区。通常脉冲法作用距离为数十米至数千米，误差在1m左右，一般用于远程测距。

相位式激光测距是采用正弦波信号对激光进行调制，利用发射的调制光和被测目标反射的接收光之间光强的相位差包含的距离信息来实现对被测目标距离的测量，具有测量精度高、分辨率高的优点。采用非合作目标时，相位式测距仪的工作距离一般在零点几米至几十米，一般最远不超过200米，测距误差可控制在2mm以内。

在一些特殊的应用场合，既需要有较远的测量距离，以便及时发现、探测到数公里外远距离目标，又需要在近程（几十米内至零点几米内）时具有较高的探测精度，以便进行精确的控制操作。常规的激光测距仪，都只有一种测距模式，不能满足目前的测量需求：脉冲式测量范围远但近程有盲区、精度低；相位法测距精度高，测量范围小。如果在测量系统中集成两套测距仪，分别进行脉冲式、相位式测距，就需要有独立的激光器、发射/接收光学系统、电路系统，不仅成本增加一倍，系统体积、重量、功耗的增大也是无法接受的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲/相位一体式激光测距仪，以解决单台激光测距仪不能具备脉冲、相位两种测量模式的问题。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种脉冲/相位一体式激光测距仪，包括激光发射脉冲/连续波双模式调制电路和接收信号脉冲激光飞行时间/相位差双模式解调电路；激光发射脉冲/连续波双模式调制电路包括窄脉冲发生电路、正弦波发生电路、模拟开关A、半导体激光器、发射镜、接收镜、PIN探测器、APD探测器、运算放大器A、运算放大器B；窄脉冲发生电路、正弦波发生电路通过模拟开关A与半导体激光器连接；半导体激光器发射的激光一路经过发射镜、测量目标、接收镜接收后输入APD探测器，经运算放大器B放大后输出回波信号；半导体激光器发射的激光另一路输入PIN探测器，经运算放大器A放大后输出参考信号；接收信号脉冲激光飞行时间/相位差双模式解调电路包括本振正弦波发生电路、模拟开关B、混频滤波电路、模拟开关C、双路高速比较器、时间间隔测量电路；模拟开关B接收激光发射脉冲/连续波双模式调制电路产生的参考信号和回波信号，模拟开关B可以切换至与模拟开关C连接，也可以经过混频滤波电路后与模拟开关C连接；模拟开关C与双路高速比较器连接，双路高速比较器与时间间隔测量电路连接。

所述窄脉冲发生电路为基于CPLD可编程器件和雪崩管的大电流窄脉冲发生电路，作为脉冲式调制的信号源。

所述正弦波发生电路为基于直接数字合成DDS原理的正弦波发生电路，正弦信号经7阶椭圆滤波电路和功率放大电路放大作为连续波调制信号源。

所述模拟开关A、模拟开关B、模拟开关C为低阻抗、高隔离度的模拟切换开关。

在窄脉冲发生电路、正弦波发生电路两种模式下信号都是对激光的光强进行调制，驱动激光器工作发出高峰值功率、窄脉宽的激光脉冲，或者是设定频率的正弦波激光。

在脉冲测距模式下，即脉冲发生电路工作时，通过单片机操作控制，在选择激光器激励源通道时，通过两级模拟开关B、模拟开关C将参考信号、回波信号直接选通至双路高速比较器，将波形整形为上升沿较陡的阶跃信号，再通过后续的高精度时间间隔测量电路测量出参考信号和回波信号对应的激光飞行时间间隔，乘以光速得出被测距离。

在相位测距模式下，即正弦波发生电路工作时，在激光器工作之前通过两级模拟开关B、模拟开关C进行通道选择，将参考信号和回波信号切换至混频滤波电路，将混频滤波电路输出传输至双路高速比较器输入端；在启动激光器正弦波发生电路的同时，启动具有一定频差的本振正弦波发生电路，当混频滤波电路接收到参考信号、回波信号以后，分别与本振信号进行混频及滤波，将高频调制信号所携带的相位差信息解调至低频正弦波信号，再通过后级的双路高速比较器、时间间隔测量电路测量出信号时间差，与频差周期作除法得到对应相位差比值，与选定调制频率所对应的测尺常数做乘法即可得到被测距离。

本发明所取得的有益效果为：

本发明所述脉冲/相位一体式激光测距仪解决单台激光测距仪不能具备脉冲、相位两种测量模式的问题，利用低阻抗模拟开关对激光器进行分时调制、信号解调的电路结构，实现同一台激光测距仪具备脉冲测距测量范围远的优点，又能具有近距离时相位测距精度高、分辨率高的优点。使用光功率计、示波器、频谱分析仪对参考信号进行测量分析，证明光信号脉冲峰值功率、连续波平均功率、频谱等指标均满足设计要求，实现了对同一激光器的双模调制功能；在两种测距模式下，分别测量解调电路中两级模拟开关输入输出各节点信号，信号幅值、频率、频谱也都满足设计要求，实现了设计的双模式解调功能。应用设计的激光测距系统进行测距试验，相位式测距测量重复性达到1mm，误差2mm；脉冲式测距测量重复性达到0.1m,误差1m，很好的实现了设计功能，应用效果良好。

附图说明

图1为本发明所述脉冲/相位一体式激光测距仪结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明所述脉冲/相位一体式激光测距仪包括激光发射脉冲/连续波双模式调制电路和接收信号脉冲激光飞行时间/相位差双模式解调电路；

（1）激光发射脉冲/连续波双模式调制电路工作原理：

激光发射脉冲/连续波双模式调制电路包括窄脉冲发生电路、正弦波发生电路、模拟开关A、半导体激光器、发射镜、接收镜、PIN探测器、APD探测器、运算放大器A、运算放大器B；窄脉冲发生电路、正弦波发生电路通过模拟开关A与半导体激光器连接；半导体激光器发射的激光一路经过发射镜、测量目标、接收镜接收后输入APD探测器，经运算放大器B放大后输出回波信号；半导体激光器发射的激光另一路输入PIN探测器，经运算放大器A放大后输出参考信号；

为实现脉冲/连续波双模式调制，设计了基于CPLD可编程器件和雪崩管的大电流窄脉冲发生电路，作为脉冲式调制的信号源；设计了基于直接数字合成DDS原理的正弦波发生电路，7阶椭圆滤波电路和功率放大电路，将正弦信号功率放大作为连续波调制信号源。使用低阻抗、高隔离度的模拟开关A作为切换器件，将所需激励信号源连接至半导体激光器驱动端，在选定一种测距模式后，通过单片机控制使其中一种信号源电路工作。在两种模式下信号都是对激光的光强进行调制，驱动激光器工作发出高峰值功率、窄脉宽的激光脉冲，或者是设定频率的正弦波激光。

为实现测距功能，发射激光通过分光光路分出一束参考光并使用PIN探测器接收，经运算放大器A放大后作为参考信号；从被测目标反射回的激光信号通过APD探测器接收，经运算放大器B放大后作为携带时间或相位信息的回波信号。

（2）接收信号脉冲激光飞行时间/相位差双模式解调电路工作原理：

接收信号脉冲激光飞行时间/相位差双模式解调电路包括本振正弦波发生电路、模拟开关B、混频滤波电路、模拟开关C、双路高速比较器、时间间隔测量电路；模拟开关B接收激光发射脉冲/连续波双模式调制电路产生的参考信号和回波信号，模拟开关B可以切换至与模拟开关C连接，也可以经过混频滤波电路后与模拟开关C连接；模拟开关C与双路高速比较器连接，双路高速比较器与时间间隔测量电路连接；

设计了两级的低阻抗高隔离度模拟开关B、模拟开关C选通结构，实现解调模式的切换。在脉冲测距模式下，通过单片机操作控制，在选择激光器激励源通道时，通过两级模拟开关B、模拟开关C将参考信号、回波信号直接选通至双路高速比较器，将波形整形为上升沿较陡（ns级）的阶跃信号，再通过后续的高精度时间间隔测量电路测量出参考信号和回波信号对应的激光飞行时间间隔，乘以光速得出被测距离（回波信号延时与被测目标的距离成正比）。

在相位测距模式下，同样在激光器工作之前通过两级模拟开关B、模拟开关C进行通道选择，将参考信号和回波信号切换至混频滤波电路，将混频滤波电路输出传输至双路高速比较器输入端；在启动激光器正弦波发生电路的同时，启动具有一定频差（一般在几十kHz）的本振正弦波发生电路，当测量系统接收到参考信号、回波信号以后，分别与本振信号进行混频及滤波，将高频调制信号所携带的相位差信息解调至低频（与频差对应）正弦波信号，再通过后级的双路高速比较器、时间间隔测量电路测量出信号时间差，与频差周期作除法得到对应相位差比值，与选定调制频率所对应的测尺常数做乘法即可得到被测距离（测尺长度与选定调制频率成反比，回波信号与参考信号的相位差与被测目标距离成正比）。

Claims (7)

1.一种脉冲/相位一体式激光测距仪，其特征在于：包括激光发射脉冲/连续波双模式调制电路和接收信号脉冲激光飞行时间/相位差双模式解调电路；激光发射脉冲/连续波双模式调制电路包括窄脉冲发生电路、正弦波发生电路、模拟开关A、半导体激光器、发射镜、接收镜、PIN探测器、APD探测器、运算放大器A、运算放大器B；窄脉冲发生电路、正弦波发生电路通过模拟开关A与半导体激光器连接；半导体激光器发射的激光一路经过发射镜、测量目标、接收镜接收后输入APD探测器，经运算放大器B放大后输出回波信号；半导体激光器发射的激光另一路输入PIN探测器，经运算放大器A放大后输出参考信号；接收信号脉冲激光飞行时间/相位差双模式解调电路包括本振正弦波发生电路、模拟开关B、混频滤波电路、模拟开关C、双路高速比较器、时间间隔测量电路；模拟开关B接收激光发射脉冲/连续波双模式调制电路产生的参考信号和回波信号，模拟开关B可以切换至与模拟开关C连接，也可以经过混频滤波电路后与模拟开关C连接；模拟开关C与双路高速比较器连接，双路高速比较器与时间间隔测量电路连接。

2.根据权利要求1所述的脉冲/相位一体式激光测距仪，其特征在于：所述窄脉冲发生电路为基于CPLD可编程器件和雪崩管的大电流窄脉冲发生电路，作为脉冲式调制的信号源。

3.根据权利要求1所述的脉冲/相位一体式激光测距仪，其特征在于：所述正弦波发生电路为基于直接数字合成DDS原理的正弦波发生电路，正弦信号经7阶椭圆滤波电路和功率放大电路放大作为连续波调制信号源。

4.根据权利要求1所述的脉冲/相位一体式激光测距仪，其特征在于：所述模拟开关A、模拟开关B、模拟开关C为低阻抗、高隔离度的模拟切换开关。

5.根据权利要求1所述的脉冲/相位一体式激光测距仪，其特征在于：在窄脉冲发生电路、正弦波发生电路两种模式下信号都是对激光的光强进行调制，驱动激光器工作发出高峰值功率、窄脉宽的激光脉冲，或者是设定频率的正弦波激光。

6.根据权利要求1所述的脉冲/相位一体式激光测距仪，其特征在于：在脉冲测距模式下，即脉冲发生电路工作时，通过单片机操作控制，在选择激光器激励源通道时，通过两级模拟开关B、模拟开关C将参考信号、回波信号直接选通至双路高速比较器，将波形整形为上升沿较陡的阶跃信号，再通过后续的高精度时间间隔测量电路测量出参考信号和回波信号对应的激光飞行时间间隔，乘以光速得出被测距离。

7.根据权利要求1所述的脉冲/相位一体式激光测距仪，其特征在于：在相位测距模式下，即正弦波发生电路工作时，在激光器工作之前通过两级模拟开关B、模拟开关C进行通道选择，将参考信号和回波信号切换至混频滤波电路，将混频滤波电路输出传输至双路高速比较器输入端；在启动激光器正弦波发生电路的同时，启动具有一定频差的本振正弦波发生电路，当混频滤波电路接收到参考信号、回波信号以后，分别与本振信号进行混频及滤波，将高频调制信号所携带的相位差信息解调至低频正弦波信号，再通过后级的双路高速比较器、时间间隔测量电路测量出信号时间差，与频差周期作除法得到对应相位差比值，与选定调制频率所对应的测尺常数做乘法即可得到被测距离。