[發明專利]基于同步采樣和多重相位測量的激光測距方法及裝置

在審

• 申請號: 201610236228.X
• 申請日: 2016-04-15
• 公開（公告）號: CN105785385A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 吳小可;徐衛明;舒嶸;肖琳
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01S17/32
• 分類號: G01S17/32;G01S17/36
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域：

本發明涉及激光測距信號處理領域，尤其涉及一種基于同步采樣和多重相 位測量的相位法激光測距方法與系統。

背景技術：

激光測距是激光技術應用的一個主要方面，由于激光具有的高相干性、方 向性、單色性等優點，激光測距系統能夠實現遠距離、高精度的測距功能。相 位法激光測距是激光測距系統中重要的一類，該方法通過測量連續調制信號在 激光發射源與目標間往返傳播所產生的相位變化來間接地測定光信號傳播時 間，進而求得被測的距離。該方法可通過對輸出光信號進行高頻率調制和回波 相位精確測量達到較高的測距精度，但由于調制信號的周期性特點，系統的最 大測量距離不能大于信號調制周期一半時間對應的光程，使得測距精度和測程 兩個重要指標互相制約。

為解決上述問題，目前常用文獻[1]中提到的多頻測相方法，即用多個頻率 的調制波對距離進行測量:使用較低頻率的調制波進行粗距離測量，同時使用較 高頻頻率的調制波來進行精距離測量，合并多個測尺結果得到最終的距離值。 多測尺法能夠同時滿足測量的距離和精度,但是這種方法需要多個發射和接收 通道實現多路同步測量，難以保證多個通道瞄準的目標精確重合，系統實現復 雜高，對功耗和重量負擔嚴重，且低頻測尺的存在限制了測距速度。

另一方面，在相位法激光測距系統中為達到更高的測距精度往往采用提高 調制頻率的方法，然而高頻測相實現難度大，測相精度差，從而制約了測距精 度。當前方法多采用文獻[2]中提到的差頻測相來解決該問題，該方法的主要原 理為將高頻調制的發射信號中的一部分直接反饋回接收模塊，并與回波信號分 別與低頻的本振信號混頻后，再經過低通濾波，得到了保留高頻調制分量相移 信息的差頻信號，從而可在低頻下對相位進行精確測量。但該方法增加了混頻、 濾波等環節，增加了相位測量誤差來源，且高精度模擬器件的存在使得系統容 易受到環境溫度和噪聲的影響，不利于多通道集成時的性能一致性，最后該方 法仍需要以多測尺測量來解決測程和精度的矛盾。

因此，針對上述需求和現有技術問題，本發明提供了一種新型結構的激光 測距方法，以解除調制頻率和測程之間的限制，同時兼具測距精度和測距速度 的優點。

[1]徐家奇.相位差式激光測距傳感器設計[D].上海交通大學,2010:33-38.

[2]PoujoulyAS,JournetBA.Laserrange-findingbyphase-shift measurement:movingtowardsmartsystems[C].IntelligentSystemsand SmartManufacturing.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics, 2001:152-160.

發明內容：

本文提出了一種新型的相位法激光測距原理，解除了調制頻率和測程之 間的限制，同時兼具高精度和快速測量的優點。該方法利用動態范圍極大的 時鐘計數來獲取粗距離數據，解決了目標距離超出單個調制周期測量距離時 的多義性問題，使調制頻率不再受到測程的制約，可盡量變高以提高測距精 度；另一方面為實現對回波信號的精確測相，采用過采樣和快速頻域鑒相的 方法對回波進行多次相位測量，在不延長測距時間的同時提高了測距精度。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種激光測距方法，其特征在于：具體包括如下步驟：

1)在測距開始后，在全局時鐘驅動下產生周期為全局時鐘4×N倍(N為 正整數)的正弦調制信號對發射激光光強進行調制；

2)經過目標表面反射的回波光信號被激光測距系統部分接收，并被光電 探測器轉換成電信號后再通過全局時鐘驅動下的模數轉換電路完成采樣，得 到數字化的回波波形；

3)記錄測距開始對應的時鐘時刻與第一個回波波形采樣點前一時刻間的 時鐘個數，并根據時鐘周期換算成粗距離；

4)對第一個回波波形采樣點以及相距該點時刻依次為1/4、1/2和3/4 個正弦調制周期一共4個采樣點構成的采樣序列1進行離散傅里葉變換，并 根據頻域鑒相法求解出該采樣序列相對于第一個回波波形采樣點前一時刻 的相位值；