高精度免切换测距仪及高精度免切换测距方法与流程

本发明涉及一种基于电外差混频技术、内外光路免切换技术的测定对象发出激光或红外光束并接收来自测定对象物体的反射光而测定距离的高精度测距装置。

背景技术：

电子测距的原理就是利用电磁波的直线传播和波速稳定的特性，通过测出两点之间的电磁波传播延时时间进而间接测得之间距离的过程。

一直以来，由于简单脉冲法原理测距精度差的弱点，相位法测距原理成为目前高精度测距装置的主流方式。在测距装置中，使用一定频率的载波将激光或红外光束进行调制，并将该光束作为测距装置的发射光。测定该发射光在测定对象反射的反射光的相位与测距装置内部产生的内部参考光的相位进行比较，由相位差计算得出测定对象的距离。

假设调制频率为f，大气折射率为n，光速为c，反射测距光与内部参考光相位差为，测距距离为D，则：D=(c×)/(n×4×π×f)。

在测距装置内部的电路装置的时变特性对测出的距离精度有很大影响，通过反射测距光与内部参考光的比较，可以抵消测距装置内部电路装置的时变特性对测距距离的影响。

现有技术的测距装置为：接收装置为一个接收元件，使用一种机械切换装置在测距光路与内部参光路之间切换，所述的机械切换装置切换到测距光路时接收元件接收测距光路的反射光并通过控制计算装置进行测算，并将测算结果放置在存储装置内；所述的机械切换装置切换到内部参考光路时接收元件接收内部参考光路的光并通过控制计算装置进行测算，并将测算结果放置在存储装置内；最后将上述两组测算结果取出后进行比较计算得出测距距离。

接收元件输出的信号为高频小信号，所述高频信小号经过电路装置进行转换、放大，最后送入混频装置进行混频输出中频信号，中频信号再经过中频放大电路装置进行处理送入控制计算装置测算。

现有技术的测距装置， 其光路调制频率多为100MHz、150MHz，甚至达到200MHz，其接收元件的输出信号频率亦为100MHz、150MHz、200MHz，对于高频小信号的处理比较困难，且混频装置放置在接收元件之后容易引入同频率的高频串扰、噪声，导致测距不稳定、精度差。

现有技术的的测距装置，在实际测距过程中其机械切换装置在不断地机械地进行切换。由于在测距过程中不断地机械切换，对于光路的高度调整、高速测算显得尤为困难，测距速度受到限制。尤其是在测量移动目标时，机械切换装置的缺陷显得尤为突出。在机械切换装置切换速度无法跟上测量目标移动速度时，会出现无法测算出距离的故障。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的之一是：采用前置电外差混频装置解决高频窜扰、噪声问题，实现测距的高精度、高稳定性；去除测距光路与内部参光路之间的机械切换装置，实现高速测距；本明的目的之二是：揭示一种高精度免切换测距方法；本发明是采用以下技术方案来实现的。

高精度免切换测距仪，其特征在于包含有：存储装置、控制计算装置、第一时钟发生装置、传动驱动装置、发光元件驱动装置、产生激光或红外光束的发光元件、第一半反射镜、传送装置、光量调整装置、第一大物镜、第二大物镜、反射体、第二半反射镜、第一接收元件、第二接收元件、第一中频放大装置、高压发生装置、第二时钟发生装置、第二中频放大装置、第一AD采样装置、第二AD采样装置、第一双头光纤、第二双头光纤；其中：

存储装置：用于存储内部参考信号结果及测距信号结果；

控制计算装置：用于接收第一AD采样装置发出的信号、第二AD采样装置发出的信号、出发指令使第一时钟发生装置按指令要求工作、出发指令使第二时钟发生装置按指令要求工作、指令高压发生装置产生高压、指令存储装置存储数据及从存储装置中提取数据、指令传动驱动装置动作；

第一时钟发生装置：用于产生发射调制频率，并送入发光元件驱动装置中；

传送驱动装置：用于将调光指令转达给传送装置；

发光元件驱动装置：用于驱动发光元件产生激光或红外光束；

发光元件：用于产生激光或红外光束并将光束发射到第一半反射镜；

第一半反射镜：用于接收一部分来自发光元件发出的激光或红外光束并将光束并反射到第二半反射镜；

传送装置：用于接收传送驱动装置传达的调光指令并送入光量调整装置；

光量调整装置：用于调节光量；

第一大物镜：用于放大及聚焦自发光元件发出的一部分激光或红外光束，并传送至反射体中；

反射体：用于接收第一大物镜送入的光束并进行光路的转向；

第二大物镜：用于将反射体中发出的光束进行放大聚焦并送入第二双头光纤；

第二半反射镜：用于接收第一半反射镜反射的光束并将接收的光束送入第一双头光纤的一端；

第一接收元件：用于将第一双头光纤送入的光束与线与结果接收并输出至第一中频放大装置；

第二接收元件：用于将第二双头光纤送入的光束与线与结果接收并输出至第二中频放大装置；

第一中频放大装置：用于接收第一接收元件送入的光束与线与结果并进行中频放大和输出到第二AD采样装置；

高压发生装置：用于在控制计算装置控制下产生高压并输出；

第二时钟发生装置：用于在控制计算装置控制下产生混频用基准时钟并出后与高压发生装置产生的高压进行线与操作，并将线与结果送入第一接收元件及第二接收元件；

第二中频放大装置：用于接收第二接收元件送入的光束与线与结果并进行中频放大和输出到第一AD采样装置；

第一AD采样装置：用于将从第二中频放大装置采样得到的信号送入控制计算装置，第二中频放大装置采样得到的信号为测距信号；

第二AD采样装置：用于将从第一中频放大装置采样得到的信号送入控制计算装置，第一中频放大装置采样得到的信号为内部参考信号；

第一双头光纤：用于接收第二半反射镜送入的光束并将光束传送到第一接收元件；

第二双头光纤：用于接收第二大物镜送入的光束并将光束传送到第二接收元件。

上述所述的高精度免切换测距仪，其特征在于所述第一接收元件为光电二极管。

上述所述的高精度免切换测距仪，其特征在于所述第二接收元件为光电二极管。

上述所述的高精度免切换测距仪，其特征在于所述光量调整装置是根据测距信号与内部参考信号的光强度变化进行的光量调整；是根据第一接收元件、第二接收元件得到的中频脉冲光的受光时间差来计算距离。

上述所述的高精度免切换测距仪，其特征在于所述控制计算装置为位MCU。

上述所述的高精度免切换测距仪，其特征在于所述反射体为棱镜或反射片。

本发明中，在基于电外差混频技术、内外光路免切换技术的测定对象发出激光或红外光束并接收来自测定对象物体的反射光而测定距离的高精度测距装置中设有：发射测距用激光或红外光束的发光元件驱动装置5；产生激光或红外光束的发光元件6；将上述测距用激光或红外光束导入接收元件的测距光路14；将上述用测距用激光或红外光束导入接收元件的内部参考光路13；使上述测距光路和上述内部参考光路的光强度变化的光量调整装置；将上述接收元件高频信号直接转化为中频信号的电外差混频装置；以及基于上述第一接收元件13、第二接收元件14得到的中频脉冲光的受光时间差来计算距离的控制计算装置。

另外，本发明的测距装置中，上述所述接收元件为光电二极管，同一套高精度测距装同时存在两路接收元件，且两路接收元件同时工作。

另外，本发明的测距装置中，上述所述电外差混频装置为一种前置混频技术，先将高频信号搭载到高压载波上直接输送给接收元件，上述信号与测距光路返回信号在接收元件内部直接混频。

另外，本发明的测距装置中，上述所述接收元件输出信号为中频信号。

另外，本发明的测距装置中，上述所述控制计算装置为32位MCU。

另外，本发明的测距装置中，上述所述内部参考光路直接取自于测距光路。

另外，本发明的测距装置中，上述所述内部参考光路与测距光路同时存在，两者中间无切换装置。

另外，本发明的测距装置中，上述所述光量调整装置为一种将浓度从浓到淡线性变化的滤光装置装配到传动装置。

另外，本发明的测距装置中，上述所述光量调整装置工作方式为：所述控制计算装置依据第二接收元件14的受光量控制传动装置传动，进而调整测距光路光量。

根据本发明，在基于电外差混频技术、内外光路免切换技术的测定对象发出激光或红外光束并接收来自测定对象物体的反射光而测定距离的高精度测距装置中设有：控制计算装置2；高压发生装置16；时钟发生装置17；上述控制计算装置2控制上述高压发生装置15产生上述第一接收元件13需要的高压，上述控制计算装置2控制上述时钟发生装置17产生混频需要的基准时钟，上述高压与基准时钟线与后提供给上述第一接收元件13，上述线与信号与测距光路返回信号在上述第一接收元件13内部直接混频，输出中频信号进行后续处理，上述所述方式即为电外差混频技术，上述电外差混频技术在本发明中有2处，一处用于内部参考信号，一处用于外部测距信号，实现了测距的高精度、高稳定性。

根据本发明，在基于电外差混频技术、内外光路免切换技术的测定对象发出激光或红外光束并接收来自测定对象物体的反射光而测定距离的高精度测距装置中设有：产生激光或红外光束的发光元件6；第一接收元件13；接收装置14；第一半反射镜7；第二半反射镜12；使用上述半反射装置7；将上述发光元件6产生的激光或红外光束的一部分反射到上述第二半反射镜12，由上述第二半反射镜12将光反射进上述第一接收元件13产生内部参考信号；上述发光元件6产生的激光或红外光束的一部分光构成测距光路，由上述第二接收元件14进行接收；因此本发明的测距装置整个工作过程中没有测距光路与内部参考光路的机械切换装置，实现了高速测距。

高精度免切换测距方法，使用了上述所述的高精度免切换测距仪，其特征在于所述免切换测距方法具有以下步骤：

第一步：设置第一接收元件13、第二接收元件14的偏置电压，并根据实际环境温度计算出第一接收元件13、第二接收元件14的偏置电压，通过控制计算装置2控制高压发生装置16产生上述计算出的电压；通过调整第二半反射镜12的安装角度，将内部参考光路调试到最大光强度；其中，第一半反射镜7相对于产生激光或红外光束的发光元件6产生的光束成45°，第二半反射镜12的安装角度为35°—55°；第一双头光纤21另一端装配到第一接收元件13前端，表成内部参考光路；

第二步：控制计算装置2控制第一时钟发生装置3产生发射调制频率连同发光元件驱动装置5驱动发光元件6产生激光或红外光束，光束通过第一半反射镜7一部分经由第二半反射镜12、第一双头光纤21进入到第一接收元件13内部构成内部参考光路；一部分经由第一大物镜100到达反射体11,反射体11反射的测距光经由第二大物镜101、第二双头光纤22进入到第二接收元件14内部，构成测距光路；

所述的第一接收元件13的内部参考光路与上述准备阶段高压发生装置16产生高压与第一时钟发生装置3产生的基准时钟一起进行电外差混频，最终由第一接收元件13输出内部参考信号的中频信号，经过第一中频放置15装置、第二AD采样装置20，将内部参考信号送入控制计算装置2；

所述的第二接收元件14的测距光路与上述准备阶段高压发生装置16产生高压与第二时钟发生装置17产生的基准时钟一起进行电外差混频，最终由第二接收元件14输出测距信号中频信号，经过第二中频放置装置18、第一AD采样装置19，将测距信号送入控制计算装置2；

上述内部参考光路信号、测距光路信号同时送入控制计算装置2，由控制计算装置2比较参考光路信号、测距光路信号的相位差，测算出测距距离。

本发明具有以下主要有益技术效果：测距稳定、精度高、光路不需要机械切换，尤其适合移动目标的距离测量。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，图中的附图标记对应的名称如下：1—存储装置；2—控制计算装置；3—第一时钟发生装置；4—传动驱动装置；5—发光元件驱动装置；6—产生激光或红外光束的发光元件；7—第一半反射镜；8—传送装置；9—光量调整装置；100—第一大物镜；101—第二大物镜；11—反射体；12—第二半反射镜；13—第一接收元件；14—第二接收元件；15—第一中频放大装置；16—高压发生装置；17—第二时钟发生装置；18—第二中频放大装置；19—第一AD采样装置；20—第二AD采样装置；21—第一双头光纤；22—第二双头光纤。

具体实施方式

请见图1，高精度免切换测距仪，其特征在于包含有：存储装置1、控制计算装置2、第一时钟发生装置3、传动驱动装置4、发光元件驱动装置5、产生激光或红外光束的发光元件6、第一半反射镜7、传送装置8、光量调整装置9、第一大物镜100、第二大物镜101、反射体11、第二半反射镜12、第一接收元件13、第二接收元件14、第一中频放大装置15、高压发生装置16、第二时钟发生装置17、第二中频放大装置18、第一AD采样装置19、第二AD采样装置20、第一双头光纤21、第二双头光纤22；其中：

存储装置1：用于存储内部参考信号结果及测距信号结果；

控制计算装置2：用于接收第一AD采样装置19发出的信号、第二AD采样装置20发出的信号、出发指令使第一时钟发生装置3按指令要求工作、出发指令使第二时钟发生装置17按指令要求工作、指令高压发生装置16产生高压、指令存储装置1存储数据及从存储装置1中提取数据、指令传动驱动装置4动作；

第一时钟发生装置3：用于产生发射调制频率，并送入发光元件驱动装置5中；

传送驱动装置4：用于将调光指令转达给传送装置8；

发光元件驱动装置5：用于驱动发光元件6产生激光或红外光束；

发光元件6：用于产生激光或红外光束并将光束发射到第一半反射镜7；

第一半反射镜7：用于接收一部分来自发光元件6发出的激光或红外光束并将光束并反射到第二半反射镜12；

传送装置8：用于接收传送驱动装置4传达的调光指令并送入光量调整装置9；

光量调整装置9：用于调节光量；

第一大物镜100：用于放大及聚焦自发光元件6发出的一部分激光或红外光束，并传送至反射体11中；

反射体11：用于接收第一大物镜100送入的光束并进行光路的转向；

第二大物镜101：用于将反射体11中发出的光束进行放大聚焦并送入第二双头光纤22；

第二半反射镜12：用于接收第一半反射镜7反射的光束并将接收的光束送入第一双头光纤21的一端；

第一接收元件13：用于将第一双头光纤21送入的光束与线与结果接收并输出至第一中频放大装置15；

第二接收元件14：用于将第二双头光纤22送入的光束与线与结果接收并输出至第二中频放大装置18；

第一中频放大装置15：用于接收第一接收元件13送入的光束与线与结果并进行中频放大和输出到第二AD采样装置20；

高压发生装置16：用于在控制计算装置2控制下产生高压并输出；

第二时钟发生装置17：用于在控制计算装置2控制下产生混频用基准时钟并出后与高压发生装置16产生的高压进行线与操作，并将线与结果送入第一接收元件13及第二接收元件14；

第二中频放大装置18：用于接收第二接收元件14送入的光束与线与结果并进行中频放大和输出到第一AD采样装置19；

第一AD采样装置19：用于将从第二中频放大装置18采样得到的信号送入控制计算装置2，第二中频放大装置18采样得到的信号为测距信号；

第二AD采样装置20：用于将从第一中频放大装置15采样得到的信号送入控制计算装置2，第一中频放大装置15采样得到的信号为内部参考信号；

第一双头光纤21：用于接收第二半反射镜12送入的光束并将光束传送到第一接收元件13；

第二双头光纤22：用于接收第二大物镜101送入的光束并将光束传送到第二接收元件14。

上述所述的高精度免切换测距仪，其特征在于所述第一接收元件为光电二极管。

上述所述的高精度免切换测距仪，其特征在于所述第二接收元件为光电二极管。

上述所述的高精度免切换测距仪，其特征在于所述光量调整装置是根据测距信号与内部参考信号的光强度变化进行的光量调整；是根据第一接收元件、第二接收元件得到的中频脉冲光的受光时间差来计算距离。

上述所述的高精度免切换测距仪，其特征在于所述控制计算装置为32位MCU。

上述所述的高精度免切换测距仪，其特征在于所述反射体为棱镜或反射片。

本发明中的装置结构及原理如下为：

在产生激光或红外光束的发光元件6前端安装了1个第一半反射镜7，第一半反射镜7相对于产生激光或红外光束的发光元件6产生的光束成45°，第一半反射镜7右侧安装1个第二半反射镜12，第二半反射镜12安装角度可在90°范围内调整，第二半反射镜12前端安装有第一双头光纤21，第一双头光纤21另一端装配到13接收元件前端，上述结构产生内部参考光路。

电路上控制计算装置2控制高压发生装置16产生高压，控制计算装置2控制第二时钟发生装置17产生混频用基准时钟，高压发生装置16所产生的高压与第二时钟发生装置17所产生的基准时钟发生线与关系后提供给第一接收元件13、第二接收元件14，第一接收元件13输出部分连接第一中频放大装置15、第二AD采样装置20，第二接收元件14输出部分连接第二中频放大装置18、第一AD采样装置19。上述结构构成电外差混频技术。

本发明的工作过程为：

准备阶段：

查阅第一接收元件13、第二接收元件14官方资料的偏置电压，并结合实际环境温度计算出第一接收元件13、第二接收元件14的偏置电压，通过控制计算装置2控制高压发生装置16产生上述计算出的高压。

通过调整第二半反射镜12的安装角度，将内部参考光路调试到合适强度。

工作阶段：

控制计算装置2控制第一时钟发生装置3产生发射调制频率连同发光元件驱动装置5驱动发光元件6产生激光或红外光束，光束通过第一半反射镜7一部分经由第二半反射镜12、第一双头光纤21进入到第一接收元件13内部构成内部参考光路；一部分经由第一大物镜100到达反射体11,反射体11反射的测距光经由第二大物镜101、第二双头光纤22进入到第二接收元件14内部，构成测距光路。

上述所述的第一接收元件13的内部参考光路与上述准备阶段高压发生装置16产生高压与第一时钟发生装置3产生的基准时钟一起进行电外差混频，最终由第一接收元件13输出内部参考信号的中频信号，经过第一中频放置15装置、第二AD采样装置20，将内部参考信号送入控制计算装置2。

上述所述的第二接收元件14的测距光路与上述准备阶段高压发生装置16产生高压与第二时钟发生装置17产生的基准时钟一起进行电外差混频，最终由第二接收元件14输出测距信号中频信号，经过第二中频放置装置18、第一AD采样装置19，将测距信号送入控制计算装置2。

上述内部参考信号、测距信号同时送入控制计算装置2，由控制计算装置2比较参考信号、测距信号的相位差，测算出测距距离。

高精度免切换测距方法，使用了上述所述的高精度免切换测距仪，其特征在于所述免切换测距方法具有以下步骤：

第一步：设置第一接收元件13、第二接收元件14的偏置电压，并根据实际环境温度计算出第一接收元件13、第二接收元件14的偏置电压，通过控制计算装置2控制高压发生装置16产生上述计算出的电压；通过调整第二半反射镜12的安装角度，将内部参考光路调试到最大光强度；其中，第一半反射镜7相对于产生激光或红外光束的发光元件6产生的光束成45°，第二半反射镜12的安装角度为35°—55°；第一双头光纤21另一端装配到第一接收元件13前端，表成内部参考光路；

第二步：控制计算装置2控制第一时钟发生装置3产生发射调制频率连同发光元件驱动装置5驱动发光元件6产生激光或红外光束，光束通过第一半反射镜7一部分经由第二半反射镜12、第一双头光纤21进入到第一接收元件13内部构成内部参考光路；一部分经由第一大物镜100到达反射体11,反射体11反射的测距光经由第二大物镜101、第二双头光纤22进入到第二接收元件14内部，构成测距光路；

所述的第一接收元件13的内部参考光路与上述准备阶段高压发生装置16产生高压与第一时钟发生装置3产生的基准时钟一起进行电外差混频，最终由第一接收元件13输出内部参考信号的中频信号，经过第一中频放置15装置、第二AD采样装置20，将内部参考信号送入控制计算装置2；

所述的第二接收元件14的测距光路与上述准备阶段高压发生装置16产生高压与第二时钟发生装置17产生的基准时钟一起进行电外差混频，最终由第二接收元件14输出测距信号中频信号，经过第二中频放置装置18、第一AD采样装置19，将测距信号送入控制计算装置2；

上述内部参考光路信号、测距光路信号同时送入控制计算装置2，由控制计算装置2比较参考光路信号、测距光路信号的相位差，测算出测距距离。

由于取消了测距光路与内部参考光路的机械切换装置，内部参考信号与测距信号可以同步进行测算，实现了高速测距；由于采用了电外差混频技术，内部参考信号，测距信号的窜扰被消除，噪声明显下降，大大提高了测距精度、稳定性。

以上所述的具体实施例，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。