[发明专利]一种单调制连续波激光测距装置与测距方法

说明书

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，尤其涉及一种单调制连续波激光测距装置及测距方法。

背景技术

目前，激光测距方法主要应用飞行时间法和三角法。飞行时间法又分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距的基本原理与雷达测距原理类似，由发射器向目标发出激光信号，遇到目标反射回来，记录下所需的飞行时间t，由于激光的传输速度是已知的，可以利用此飞行时间算出目标距离。传统的脉冲式激光测距方法，是利用现代电子技术，将飞行时间t的宽度拉长以便于测量，或是在发射开始脉冲和停止脉冲之间插入一系列高频脉冲，将信号转变成其他可以测量的方式。对测距精度要求越高，电子电路的复杂度就会随之提高，相应的成本也会升高。相位式测距是利用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制，并测定调制激光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长换算出目标距离，该方法是利用间接的方式测出激光信号在光路上往返一次所需的时间。由于相位式测距自身存在着弊端，实际应用中往往无法直接测出相位延迟，传统的相位式激光测距往往采用多频发射，分别测量相位差的方法间接计算目标距离。

脉冲式激光测距技术的优点是发射脉冲强度高，测量距离远，但存在着测量精度不高的缺点，经常以增加系统复杂度为代价提高测量精度。相位式激光测距技术方法虽然测量精度较高，却存在着测量精度与测量距离之间不可调和的矛盾，为了提高测量距离就需要采用多频组合测距的方法，多频测距的发射和接收电路设计更加复杂，数据处理量也大大增加，测距速度慢，系统设计复杂化。

发明内容

本发明目的是解决原有飞行时间法测距技术存在系统复杂、测量精度不高，以及测量精度与测量距离之间存在不可调和的矛盾等技术问题，提供一种结构简单，测量距离远，测距速度快、精度高的单调制连续波激光测距装置与测距方法。

本发明提供的单调制连续波激光测距装置，包括发射模块、接收模块、处理模块以及光路部分；

所述的发射模块包括激光发射器和驱动调制器；接收模块包括光电转换器和滤波放大器；处理模块包括两个混频器、鉴相器、两个整形器、计数器和处理器；第一混频器和第一整形器的收入端同时与发射模块中的驱动调制器的输出端连接，第二混频器和第二整形器的收入端同时与接收模块中的滤波放大器的输出端连接，第一混频器和第二混频器的输出端同时连接鉴相器的输入端，鉴相器的输出端连接处理器；第一整形器和第二整形器的输出端同时连接计数器的输入端，计数器的输出端连接处理器；

所述的光路部分包括激光发射器、准直物镜、两个棱镜、接收物镜和光电转换器，激光发射器发射的光经准直物镜变为平行光后，先后经过第一棱镜和第二棱镜反射后照射到目标，由目标反射回的光信号再经接收物镜汇聚于光电转换器。

所述的激光发生器位于准直透镜的焦点处，所述的光电转换器在接收物镜光轴上，经过第一棱镜和第二棱镜全反射的发射正弦激光与接收物镜同轴。

本发明同时提供了使用以上所述的单调制连续波激光测距装置进行测距的方法，该方法的步骤是：

第1、首先由发射模块中的驱动调制器产生一个正弦波电信号，驱动激光发射器发射波长为λ的同频率的激光信号；

第2、在激光发射器发出调制正弦波信号的同时，驱动调制器向处理模块发射一个同频的正弦电信号，称为发射信号；

第3、发射信号一部分传输到处理模块中的混频器，变为中频信号，另一部分传输到处理模块中的整形器，变为方波信号；

第4、激光发射器发出的激光信号经过目标之后反射回来，返回的激光信号由接收模块中的光电转换器接收并转换成电信号，称为返回信号，该返回信号经过滤波放大器处理后送入处理模块；

第5、返回信号一部分传输到处理模块中的混频器，变为中频信号，另一部分传输到处理模块中的整形器，变为方波信号；

第6、在处理模块中的鉴相器中鉴别第2步中所称的发射信号与第4步中所称的返回信号的相位差，其中发射信号与返回信号经过混频器的本振信号相同；

第7、由计数器记录激光信号从发射到接收的时间内，经过计数器的方波个数N，即发射信号发射的正弦波个数，根据测距公式求出目标距离L。

单调制连续波激光测距技术原理：

相位式激光测距是利用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制实现的，如图1所示，发射模块发射一束调制正弦激光信号，该信号遇到目标之后反射回来，由接收模块接收，正弦激光信号在光路上每传播一个周期，相位就延迟2π，处理模块根据激光信号在光路上传播的相位延迟和调制光的波长，换算出相位延迟所代表的距离。

测距公式：