[发明专利]基于同步采样和多重相位测量的激光测距方法及装置

说明书

技术领域：

本发明涉及激光测距信号处理领域，尤其涉及一种基于同步采样和多重相 位测量的相位法激光测距方法与系统。

背景技术：

激光测距是激光技术应用的一个主要方面，由于激光具有的高相干性、方 向性、单色性等优点，激光测距系统能够实现远距离、高精度的测距功能。相 位法激光测距是激光测距系统中重要的一类，该方法通过测量连续调制信号在 激光发射源与目标间往返传播所产生的相位变化来间接地测定光信号传播时 间，进而求得被测的距离。该方法可通过对输出光信号进行高频率调制和回波 相位精确测量达到较高的测距精度，但由于调制信号的周期性特点，系统的最 大测量距离不能大于信号调制周期一半时间对应的光程，使得测距精度和测程 两个重要指标互相制约。

为解决上述问题，目前常用文献[1]中提到的多频测相方法，即用多个频率 的调制波对距离进行测量:使用较低频率的调制波进行粗距离测量，同时使用较 高频频率的调制波来进行精距离测量，合并多个测尺结果得到最终的距离值。 多测尺法能够同时满足测量的距离和精度,但是这种方法需要多个发射和接收 通道实现多路同步测量，难以保证多个通道瞄准的目标精确重合，系统实现复 杂高，对功耗和重量负担严重，且低频测尺的存在限制了测距速度。

另一方面，在相位法激光测距系统中为达到更高的测距精度往往采用提高 调制频率的方法，然而高频测相实现难度大，测相精度差，从而制约了测距精 度。当前方法多采用文献[2]中提到的差频测相来解决该问题，该方法的主要原 理为将高频调制的发射信号中的一部分直接反馈回接收模块，并与回波信号分 别与低频的本振信号混频后，再经过低通滤波，得到了保留高频调制分量相移 信息的差频信号，从而可在低频下对相位进行精确测量。但该方法增加了混频、 滤波等环节，增加了相位测量误差来源，且高精度模拟器件的存在使得系统容 易受到环境温度和噪声的影响，不利于多通道集成时的性能一致性，最后该方 法仍需要以多测尺测量来解决测程和精度的矛盾。

因此，针对上述需求和现有技术问题，本发明提供了一种新型结构的激光 测距方法，以解除调制频率和测程之间的限制，同时兼具测距精度和测距速度 的优点。

[1]徐家奇.相位差式激光测距传感器设计[D].上海交通大学,2010:33-38.

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

发明内容：

本文提出了一种新型的相位法激光测距原理，解除了调制频率和测程之 间的限制，同时兼具高精度和快速测量的优点。该方法利用动态范围极大的 时钟计数来获取粗距离数据，解决了目标距离超出单个调制周期测量距离时 的多义性问题，使调制频率不再受到测程的制约，可尽量变高以提高测距精 度；另一方面为实现对回波信号的精确测相，采用过采样和快速频域鉴相的 方法对回波进行多次相位测量，在不延长测距时间的同时提高了测距精度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光测距方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

1)在测距开始后，在全局时钟驱动下产生周期为全局时钟4×N倍(N为 正整数)的正弦调制信号对发射激光光强进行调制；

2)经过目标表面反射的回波光信号被激光测距系统部分接收，并被光电 探测器转换成电信号后再通过全局时钟驱动下的模数转换电路完成采样，得 到数字化的回波波形；

3)记录测距开始对应的时钟时刻与第一个回波波形采样点前一时刻间的 时钟个数，并根据时钟周期换算成粗距离；

4)对第一个回波波形采样点以及相距该点时刻依次为1/4、1/2和3/4 个正弦调制周期一共4个采样点构成的采样序列1进行离散傅里叶变换，并 根据频域鉴相法求解出该采样序列相对于第一个回波波形采样点前一时刻 的相位值；