[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

技術領域

本發明屬于激光測距技術領域，涉及一種基于FPGA的相位式激光測距系統，本發明還涉及一種基于FPGA的相位式激光測距方法。

背景技術

目前，激光測距可分為脈沖式激光測距和相位式激光測距。其中的相位式激光測距中對激光信號進行調制，通過計算調制信號往返于待測路程上產生的相位差，利用調制信號波長，計算出待測距離大小。

傳統的相位式激光測距儀，測程一般為幾厘米到幾百米，動態范圍大，測量精度低，且采用單片機作為控制器，極大的限制了激光測距儀的計算速度。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于FPGA的相位式激光測距系統，解決了現有技術中存在測量精度低、計算速度慢的問題。

本發明的另一目的是提供一種基于FPGA的相位式激光測距方法。

本發明所采用的技術方案是，一種基于FPGA的相位式激光測距系統，包括FPGA處理器、顯示器、發射裝置和接收裝置，FPGA處理器的兩個信號輸出端分別與顯示器和發射裝置連接，FPGA處理器的信號輸入端與接收裝置連接，發射裝置和接收裝置均與待測目標對應設置。

本發明所采用的另一技術方案是，一種基于FPGA的相位式激光測距方法，利用上述的基于FPGA的相位式激光測距系統，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處理器的控制信號，發射裝置發射一組調制信號，同時接收裝置接收經待測目標反射回的調制信號并反饋至FPGA處理器；

步驟3、計算待測距離并顯示：采用譜分析法，FPGA處理器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，通過顯示器實時顯示待測距離。

本發明的有益效果是，

1)充分利用FPGA的并行處理方式，極大的提高測距系統計算速度；

2)采用一組測尺對待測距離實現測量，一方面保證了測量范圍，另一方面保證了系統的高精度；

3)在計算相位過程中，采用查找表方式實現，一方面避免采用浮點型IP核耗占內存的缺陷，節約了存儲空間；另一方面簡化了計算且精度高。該系統成本較低，操作簡便、易于維護與調試。

附圖說明

圖1是本發明的相位式激光測距系統連接框圖；

圖2是相位式激光測距原理框圖；

圖3是本發明譜分析法相位式激光測距原理框圖；

圖4是頻率為1000Hz的正弦信號通過譜分析法計算得到頻譜分布圖。

圖中，1.相位式激光測距系統，2.FPGA處理器，3.顯示器，4.發射裝置，5.接收裝置，6.待測目標。

圖中，A為發射裝置4所在位置，B為待測目標6所在位置，A'為調制信號經待測物體發射后的接收裝置5所在位置(在實際應用中，A'與A為同一位置，為了便于分析，將其展開在一條直線上)。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

參照圖1，本發明基于FPGA的相位式激光測距系統1，其結構是，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6對應設置。

參照圖2，本發明的工作原理是，

首先，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用于測量待測距離；其次，通過發射裝置4發射一組調制信號；接著接收裝置5接收經待測目標6反射回來的調制信號，并將其反饋至FPGA處理器2；FPGA處理器2采用譜分析法完成發射信號及反射信號的相位對比；根據相位差及激光速度，計算出待測距離并通過顯示器3實時顯示。

參照圖2，本發明的方法，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，其中，粗測尺保證測量范圍，精測尺保證精度要求。

具體步驟是，

參照圖2，采用兩種不同頻率的測尺實現同一距離的測量，此時有

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，