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CN110187351B - 一种利用高频脉幅调制波的数字激光测距方法 - Google Patents

一种利用高频脉幅调制波的数字激光测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用高频脉幅调制波的数字激光测距方法，首先采用高频周期信号作载波，调制低频窄脉冲产生调强激光脉冲，作为高频脉幅调制波，并驱动激光发射器发射激光；所发射的激光经过被测目标漫反射后返回到光电探测器并转换为光电流，再经接收通道处理后发送至模数转换器ADC；通过采样返回信号内的一个或多个高频周期，经过相关处理后重构出完整周期的高频信号，并以此获得高精度距离测量值。上述方法可以减小由噪声和介质散射引起的脉冲受畸变影响，并提高信噪比，从而提高测程。

Description

一种利用高频脉幅调制波的数字激光测距方法
技术领域
本发明涉及激光脉冲测距技术领域，尤其涉及一种利用高频脉幅调制波的数字激光测距方法。
背景技术
无合作目标激光测距是直接利用物体表面的漫反射光信息来确定距离，可以解决许多工程测量中的被测点难以安置棱镜的困难，例如墙角、高架桥、天花板、高压线、隧道断面及有毒、有害、高压、爆炸等危险环境，具有非常广泛应用前景.目前已经提出的无合作目标测距方法主要有调幅连续波测距(相位法)和脉冲飞行时间测距(脉冲法)两种，其中相位法是使用周期信号对激光光强进行调制，测量精度高，但测程短；脉冲法是通过测量测距仪与目标之间的激光脉冲飞行时间来计算距离，测程较长，但测距精度低。因此上述两种方法都难以满足实际工程测量的需求。
采用数字相关检测可以提高信噪比，但是在远目标时，由目标漫反射回来的信号将很弱，而电路的噪声幅值和频谱是基本不变的，使得信噪比小于1，这意味着在远目标时信号将被淹没在噪声中，信号的幅值可能会小于ADC的输入范围，使得这个信号无法检测到，因此仅采用数字方法来提高的测程也是有限的。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用高频脉幅调制波的数字激光测距方法，该方法不需要脉冲激光器，仅需要连续激光器，从而可以降低成本、简化电路结构，并有效提高信噪比，提高测程。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种利用高频脉幅调制波的数字激光测距方法，所述方法包括：
步骤1、采用高频周期信号作载波，调制低频窄脉冲产生调强激光脉冲，作为高频脉幅调制波，并驱动激光发射器发射激光；
步骤2、所发射的激光经过被测目标漫反射后返回到光电探测器并转换为光电流，再经接收通道处理后发送至模数转换器ADC；
步骤3、通过采样返回信号内的一个或多个高频周期，经过相关处理后重构出完整周期的高频信号并进行相位估计，并以此获得高精度距离测量值。
在步骤1中，所述高频脉幅调制波由普通红光连续半导体激光器产生。
所述步骤3的过程具体为：
设高频周期信号为正弦周期信号，以过零点作为激光发射起始时刻Start，同时启动模数转换器ADC开始进行连续采样；
设在回波正弦信号过零后的第一个采样值的点数为N，相移为ΔN，则根据空气介质中的光速c获得激光发射器到所述被测目标之间的距离为：
Figure BDA0002068528100000021
其中，fs为ADC采样频率。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法不需要脉冲激光器，仅需要连续激光器，可以降低成本、简化电路结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的利用高频脉幅调制波的数字激光测距方法流程示意图；
图2为本发明实施例所述高频脉幅调制波激光测距的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例所述方法通过结合脉冲飞行时间测量方法与数字相位估计技术，利用低频窄脉冲调制单一高频周期信号形成高频脉幅调制波，以此信号作为激光发射信号，由于采用低频窄脉冲，在安全激光条件下可以大幅提高激光发射峰值功率；由于只有单一调制频率的信号，可以采用窄带选频放大和数字互相关的方法提高信噪比，实现远目标测量；由于采用正弦调制波，通过构造完整周期的高频信号，可以进行高精度相位估计，以此获得高精度距离测量值。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的利用高频脉幅调制波的数字激光测距方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、采用高频周期信号作载波，调制低频窄脉冲产生调强激光脉冲，作为高频脉幅调制波，并驱动激光发射器发射激光；
在该步骤中，所述高频脉幅调制波由普通红光连续半导体激光器产生，而不是由脉冲激光器产生，由于高频脉幅调制波使用的是单频信号，有利于将其进行窄带选频放大和数字相关处理，以提高信噪比从而提高测程。
具体实现中，所述高频脉幅调制波由普通红光连续半导体激光器产生，因此该测距系统原理结构简单、成本低、易于实现。
上述激光发射的是调强窄脉冲，也就是说在一个测量周期内仅发射少数几个高频周期信号，例如高频周期信号频率fc为15MHz，调制脉冲频率fp为10kHz(一个测量周期为1/fp)，脉宽为350ps(10个高频信号周期)，在激光平均功率为1mw的条件下，发射激光的峰值功率比普通相位法发射的连续激光提高285倍，测程提高约16倍。
步骤2、所发射的激光经过被测目标漫反射后返回到光电探测器并转换为光电流，再经接收通道处理后发送至模数转换器ADC；
步骤3、通过采样返回信号内的一个或多个高频周期，经过相关处理后重构出完整周期的高频信号并进行相位估计，并以此获得高精度距离测量值。
在该步骤中，如图2所示为本发明实施例所述高频脉幅调制波激光测距的示意图，参考图2，该过程具体为：
设高频周期信号为正弦周期信号，以过零点作为激光发射起始时刻Start，同时启动模数转换器ADC开始进行连续采样；
设在回波正弦信号过零后的第一个采样值的点数为N，相移为ΔN，则根据空气介质中的光速c获得激光发射器到所述被测目标之间的距离为：
Figure BDA0002068528100000031
这里的fs为ADC采样频率；具体实现中，采样频率fs设为高频调制信号频率fc的M倍，即在一个高频调制信号周期内采样M点，这样可以恢复出一个或多个完整的正弦周期，如图2所示，从而可以利用正弦信号相位估计的方法获得高精度相移ΔN。实现远距离高精度测距。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，本发明实施例所述方法不仅结合了脉冲法中的激光发射脉冲瞬时功率大和相位法的鉴相精度高的特点，而且还将对光电流进行窄带选频放大和数字相关处理，以提高信噪比从而提高测程。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种利用高频脉幅调制波的数字激光测距方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、采用高频周期信号作载波，调制低频窄脉冲产生调强激光脉冲，作为高频脉幅调制波，并驱动激光发射器发射激光；
步骤2、所发射的激光经过被测目标漫反射后返回到光电探测器并转换为光电流，再经接收通道处理后发送至模数转换器ADC；
步骤3、通过采样返回信号内的一个或多个高频周期，经过相关处理后重构出完整周期的高频信号并进行相位估计，并以此获得高精度距离测量值，具体过程为：
设高频周期信号为正弦周期信号，以过零点作为激光发射起始时刻Start，同时启动模数转换器ADC开始进行连续采样；
设在回波正弦信号过零后的第一个采样值的点数为N，相移为ΔN，则根据空气介质中的光速c获得激光发射器到所述被测目标之间的距离为：
Figure FDA0002887246920000011
其中，fs为ADC采样频率。
2.根据权利要求1所述利用高频脉幅调制波的数字激光测距方法，其特征在于，在步骤1中，所述高频脉幅调制波由普通红光连续半导体激光器产生。
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