[發明專利]一種基于FPGA的相位式激光測距系統和方法

在審

• 申請號: 201710840980.X
• 申請日: 2017-09-18
• 公開（公告）號: CN107607961A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 鄧毅;楊延西;郭龍飛;馬晨
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G01S17/36
• 分類號: G01S17/36;G01S17/32
• 代理公司: 西安弘理專利事務所61214
• 代理人: 王奇

1.一種基于FPGA的相位式激光測距系統，其特征在于：包括FPGA處理器(2)、顯示器(3)、發射裝置(4)和接收裝置(5)，FPGA處理器(2)的兩個信號輸出端分別與顯示器(3)和發射裝置(4)連接，FPGA處理器(2)的信號輸入端與接收裝置(5)連接，發射裝置(4)和接收裝置(5)均與待測目標對應設置。

2.一種基于FPGA的相位式激光測距方法，利用權利要求1所述的基于FPGA的相位式激光測距系統，其特征在于，按照以下步驟實施：

步驟1、確定一組測尺：根據待測距離的范圍和精度要求，確定兩種頻率調制信號作為一組測尺，該組測尺分為粗測尺和精測尺，粗測尺保證測量范圍，精測尺保證精度要求；

步驟2、發射與接收調制信號：根據FPGA處理器(2)的控制信號，發射裝置(4)發射一組調制信號，同時接收裝置(5)接收經待測目標反射回的調制信號并反饋至FPGA處理器(2)；

步驟3、計算待測距離并顯示：采用譜分析法，FPGA處理器(2)實現發射信號與反射信號相位的計算，根據相位差和激光速度計算出待測距離，通過顯示器(3)實時顯示待測距離。

3.根據權利要求1所述的基于FPGA的相位式激光測距方法，其特征在于：所述的步驟1中，具體步驟是，

采用兩種不同頻率的測尺實現同一距離的測量，此時有

或

式中，N₁為零或正整數；ΔN₁為小數，為調制信號1不足整周期2π的相位移尾數，Δφ₂為調制信號2的相位，

根據相位式激光測距公式得到待測距離為：

式中，λ₁為調制信號1的波長，L₁＝λ₁/2稱為側尺，f為調制信號頻率，f₁為調制信號1的頻率，c為激光信號傳播速度。

4.根據權利要求3所述的基于FPGA的相位式激光測距方法，其特征在于：所述的針對測量范圍為500m，精度為0.005m的要求，粗測尺頻率選取195312Hz，精測尺頻率選取1500000Hz。

5.根據權利要求2所述的基于FPGA的相位式激光測距方法，其特征在于：所述的步驟3中，譜分析法具體過程是，

將參考信號x(t)經過快速傅立葉變換得到信號的頻譜分布，查找頻譜分布的主譜線，即幅值最大處對應的頻率，計算出主譜線的實部Re_x和虛部Im_x，則參考信號x(t)的相位值為同理，計算出回波信號y(t)的相位值為此時，參考信號x(t)和回波信號y(t)的相位差為再根據相位式激光測距公式c為激光速度，d為待測距離，得到待測距離為：

其中，基于FPGA的譜分析法采用16位精度進行計算。

6.根據權利要求2所述的基于FPGA的相位式激光測距方法，其特征在于：所述的步驟3中，發射信號與反射信號相位值的計算過程為，

通過譜分析法計算得到發射信號和反射信號的頻譜，查找確認頻譜主譜線，計算出其相位正切值，根據系統速度及精度要求，選取查找表的方式實現反正切函數功能，利用萬能公式：

tan(β+α)＝(tan(β)+tan(α))/(1-tan(β)tan(α))，

設計正切函數值在區間[0,1]內的查找表，即將查找表大小減小四分之三，

已知x＝tan(θ)，則θ＝arctan(x)，根據譜分析法采用16位精度，故相位角的計算亦采用16位精度，則角度的精度為0.0055°，設計0°≤θ<45°區查找表，則共需要10418個數據，每個數據大小為16bit，ROM的大小為2¹⁴，查找表的大小為2¹⁴×2⁴＝229376bit，

當0°≤θ<45°時，0≤x<1，直接進行查表輸出θ＝arctan(x)的值；

當45°≤θ<90°時，令θ＝45°+α，y＝tan(α)，其中0°≤α<45°，0≤y<1，由于tan(45°+α)＝(1+tan(α))/(1-tan(α))，且x＝tan(θ)，則有y＝(1+x)/(1-x)，此時，求出0≤y<1，故而，當1≤x<∞時，arctan(x)＝θ＝45°+α＝45°+arctan((x-1)/(x+1))；

當x<0時，先計算arctan(-x),最后輸出-arctan(x)。