本發(fā)明涉及距離測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于數(shù)字信號(hào)的相位檢測(cè)方法和相位檢測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

通過(guò)檢測(cè)發(fā)射波束和接收波束之間的相位差，除以2Π乘以波長(zhǎng)就可以得到目標(biāo)物的距離，相比通過(guò)測(cè)試脈沖的時(shí)間延遲，乘以波傳播速度來(lái)得到目標(biāo)物距離的方法，相位檢測(cè)容易做到更高的精度，考慮到相位模糊的不利因素，相位測(cè)距法在，測(cè)程適中，室內(nèi)環(huán)境下，精度更高，成本也相對(duì)較低。目前在激光雷達(dá)，超聲雷達(dá)，微波雷達(dá)等領(lǐng)域都得到了廣泛的使用。

以激光雷達(dá)為例，建筑行業(yè)室內(nèi)測(cè)繪用到的手持式測(cè)距儀絕大部分都是用相位法實(shí)現(xiàn)的，測(cè)程一般在100米左右，精度很容易達(dá)到1mm，在高精度地圖測(cè)繪等方面，也有很多是用相位法，為提高測(cè)程，配合使用了角反射鏡，從而可以測(cè)量1km以上的測(cè)量距離，測(cè)距精度優(yōu)于1cm。這個(gè)測(cè)量精度是脈沖法難以達(dá)到的。

現(xiàn)有技術(shù)中的測(cè)相技術(shù)大體可以分為模擬測(cè)相和數(shù)字測(cè)相兩種方式。

模擬測(cè)相技術(shù)使用基于非線性電子器件的鑒相器進(jìn)行相位檢測(cè)，可以達(dá)到比較高的精度；數(shù)字測(cè)相技術(shù)則一般用ADC采集混頻后的波形，通過(guò)傅立葉變換等算法來(lái)實(shí)現(xiàn)鑒相，受環(huán)境影響比較小，可以通過(guò)累加等算法實(shí)現(xiàn)更高的信噪比，從而提高精度和測(cè)程。高速的鑒相器，還有高速的ADC都比較貴，為降低成本，商用的產(chǎn)品一般都采用了差頻測(cè)量技術(shù)，用一個(gè)和發(fā)射頻率略有差別的頻率，一路和本振差頻，一路和接收到的信號(hào)差頻，通過(guò)差頻將相位信號(hào)轉(zhuǎn)移到低頻段進(jìn)行測(cè)量。理論可以證明，高頻的相位差可以通過(guò)差頻技術(shù)轉(zhuǎn)移到低頻的相位差。

鑒于此，克服以上現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種新的相位檢測(cè)方法成為本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種基于數(shù)字信號(hào)的相位檢測(cè)方法和相位檢測(cè)裝置。

本發(fā)明的目的可通過(guò)以下的技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種相位檢測(cè)方法，用于對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行距離測(cè)量，該方法包括如下步驟：

產(chǎn)生同步的發(fā)射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)；

根據(jù)發(fā)射編碼信號(hào)生成經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)，所述發(fā)射信號(hào)為光信號(hào)、超聲波信號(hào)或微波信號(hào)；

將所述經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)導(dǎo)向所述待測(cè)目標(biāo)，并且接收從所述待測(cè)目標(biāo)反射的反射信號(hào)；

將所述反射信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理形成反射編碼信號(hào)；

將反射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算得到相位延遲；以及

根據(jù)所述相位延遲確定待測(cè)目標(biāo)的距離。

優(yōu)選地，所述發(fā)射編碼信號(hào)和所述參考編碼信號(hào)均為步進(jìn)碼信號(hào)、BCD碼信號(hào)、格雷碼信號(hào)或循環(huán)碼信號(hào)。

優(yōu)選地，所述發(fā)射編碼信號(hào)和所述參考編碼信號(hào)具有頻率差。

優(yōu)選地，首先將反射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將所得電信號(hào)轉(zhuǎn)換為反射編碼信號(hào)。

本發(fā)明還提供了一種相位檢測(cè)裝置，用于對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行距離測(cè)量，該裝置包括：

信號(hào)發(fā)生電路，用于產(chǎn)生同步的發(fā)射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)；

與信號(hào)發(fā)生電路連接的信號(hào)發(fā)射元件，根據(jù)發(fā)射編碼信號(hào)生成經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)；

信號(hào)接收元件，用于接收所述經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)從所述待測(cè)目標(biāo)反射的反射信號(hào)，并將所述反射信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理形成反射編碼信號(hào)；

與信號(hào)發(fā)生電路與信號(hào)接收元件均連接的邏輯運(yùn)算電路，用于將反射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算得到相位延遲；以及

主控電路，用于根據(jù)所述相位延遲確定待測(cè)目標(biāo)的距離。

優(yōu)選地，所述信號(hào)發(fā)生電路為DDS芯片、CPLD芯片或FPGA芯片。

優(yōu)選地，所述信號(hào)發(fā)射元件為激光器、超聲波發(fā)射器或微波發(fā)射器。

優(yōu)選地，所述主控電路為CPLD芯片、FPGA芯片、DSP芯片、ASIC芯片或單片機(jī)。

優(yōu)選地，信號(hào)接收元件包括：

接收單元，用于接收所述經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)從所述待測(cè)目標(biāo)反射的反射信號(hào)；

轉(zhuǎn)換單元，用于將反射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；和

整形單元，用于將所得電信號(hào)轉(zhuǎn)換為反射編碼信號(hào)。

優(yōu)選地，所述發(fā)射編碼信號(hào)和所述參考編碼信號(hào)具有頻率差。

本發(fā)明的相位檢測(cè)方法通過(guò)對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行編碼的方式，編碼基礎(chǔ)為方波波形，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字測(cè)相，有利于降低成本、減小電路體積和功耗，同時(shí)避免測(cè)相使用正弦波形時(shí)由于信號(hào)強(qiáng)度不同而比較閾值相同產(chǎn)生的附加相移。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的相位檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明的實(shí)施例1的相位檢測(cè)方法的編碼波形圖。

圖3是本發(fā)明的實(shí)施例1的相位檢測(cè)方法中邏輯運(yùn)算的波形圖。

圖4是本發(fā)明的實(shí)施例2的相位檢測(cè)方法的編碼波形圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如本文所用的詞語(yǔ)“示例性”或“說(shuō)明性”表示用作示例、例子或說(shuō)明。在本文中描述為“示例性”或“說(shuō)明性”的任何實(shí)施方式未必理解為相對(duì)于其它實(shí)施方式是優(yōu)選的或有利的。下文所描述的所有實(shí)施方式是示例性實(shí)施方式，提供這些示例性實(shí)施方式是為了使得本領(lǐng)域技術(shù)人員做出和使用本公開(kāi)的實(shí)施例并且預(yù)期并不限制本公開(kāi)的范圍，本公開(kāi)的范圍由權(quán)利要求限定。在其它實(shí)施方式中，詳細(xì)地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本發(fā)明。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種相位檢測(cè)方法，用于對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行距離測(cè)量，該方法包括如下步驟：

步驟S101：產(chǎn)生同步的發(fā)射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)；

步驟S102：根據(jù)發(fā)射編碼信號(hào)生成經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)，所述發(fā)射信號(hào)為光信號(hào)、超聲波信號(hào)或微波信號(hào)；

步驟S103：將所述經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)導(dǎo)向所述待測(cè)目標(biāo)，并且接收從所述待測(cè)目標(biāo)反射的反射信號(hào)；

步驟S104：將所述反射信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理形成反射編碼信號(hào)；

步驟S105：將反射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算得到相位延遲；以及

步驟S106：根據(jù)所述相位延遲確定待測(cè)目標(biāo)的距離。

在步驟S101中，發(fā)射編碼信號(hào)和所述參考編碼信號(hào)均為步進(jìn)碼信號(hào)、BCD碼信號(hào)、格雷碼信號(hào)或循環(huán)碼信號(hào)。發(fā)射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)之間可以同頻，也可以存在頻率差，使用差頻信號(hào)會(huì)降低測(cè)量速度，但是可以提高分辨率。

在步驟S104中，首先將反射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將所得電信號(hào)轉(zhuǎn)換為反射編碼信號(hào)。信號(hào)接收部分接收到反射的同樣帶有編碼的激光信號(hào)、超聲波信號(hào)或者微波信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，考慮到信號(hào)幅度大小會(huì)隨著待測(cè)目標(biāo)反射率以及距離等因素有較大變化，這里需要用到增益控制，使輸出信號(hào)在一定的范圍內(nèi)；信號(hào)整形部分將該電信號(hào)通過(guò)閾值比較或其它方式轉(zhuǎn)換為規(guī)整的編碼信號(hào)，即為反射編碼信號(hào)。

上述的相位檢測(cè)方法是一種基于數(shù)字化編碼技術(shù)的測(cè)相方法，可以不用鑒相器，以及高速ADC，直接用CPLD，F(xiàn)PGA，DSP，ASIC芯片，甚至單片機(jī)的數(shù)字端口接收信號(hào)，實(shí)現(xiàn)低成本高速測(cè)相，可以應(yīng)用在激光測(cè)距，超聲測(cè)距，微波測(cè)距等方面。

相應(yīng)地，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種相位檢測(cè)裝置，請(qǐng)參閱圖1所示，該裝置包括：信號(hào)發(fā)生電路201、信號(hào)發(fā)射元件202、信號(hào)接收元件203、邏輯運(yùn)算電路204和主控電路205。其中，信號(hào)發(fā)生電路201用于產(chǎn)生同步的發(fā)射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)；信號(hào)發(fā)射元件202與信號(hào)發(fā)生電路201連接，根據(jù)發(fā)射編碼信號(hào)生成經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)；信號(hào)接收元件203用于接收所述經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)從所述待測(cè)目標(biāo)反射的反射信號(hào)，并將所述反射信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理形成反射編碼信號(hào)；邏輯運(yùn)算電路204與信號(hào)發(fā)生電路201與信號(hào)接收元件203均連接，用于將反射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算得到相位延遲；主控電路205用于根據(jù)所述相位延遲確定待測(cè)目標(biāo)的距離。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，信號(hào)發(fā)生電路201產(chǎn)生的發(fā)射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)均為步進(jìn)碼信號(hào)、BCD碼信號(hào)、格雷碼信號(hào)或循環(huán)碼信號(hào)。發(fā)射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)可以頻率相同，發(fā)射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)也可以具有頻率差。所述信號(hào)發(fā)生電路201為DDS芯片、CPLD芯片或FPGA芯片。所述信號(hào)發(fā)射元件202為激光器、超聲波發(fā)射器或微波發(fā)射器。所述主控電路205為CPLD芯片、FPGA芯片、DSP芯片、ASIC芯片或單片機(jī)。信號(hào)接收元件203進(jìn)一步包括依次連接的接收單元2031、轉(zhuǎn)換單元2032和整形單元2033，其中，接收單元2031用于接收所述經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)從所述待測(cè)目標(biāo)反射的反射信號(hào)；轉(zhuǎn)換單元2032用于將反射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；整形單元2033用于將所得電信號(hào)轉(zhuǎn)換為反射編碼信號(hào)。邏輯運(yùn)算電路204對(duì)反射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到一個(gè)預(yù)處理的信號(hào)，即為反射編碼信號(hào)。

信號(hào)發(fā)生電路201生成同步的兩路信號(hào)，第一路為發(fā)射的編碼，第二路為參考的編碼；發(fā)射編碼控制信號(hào)發(fā)射元件202，可能是激光器或者超聲波發(fā)射器、微波發(fā)射器等發(fā)射裝置，形成編碼的發(fā)射信號(hào)；編碼的發(fā)射信號(hào)遇到目標(biāo)之后反射，經(jīng)接信號(hào)接收元件203接收、信號(hào)整形還原為編碼波形（反射編碼信號(hào)）；整形后的波形（反射編碼信號(hào)）與參考編碼波形（參考編碼信號(hào)）進(jìn)行邏輯運(yùn)算，生成的信號(hào)經(jīng)FPGA，ARM或者DSP采集，計(jì)算出距離信號(hào)并輸出。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供了一種相位檢測(cè)方法，用于對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行距離測(cè)量，該方法包括如下步驟：

步驟1：產(chǎn)生同步的發(fā)射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)；

步驟2：根據(jù)發(fā)射編碼信號(hào)生成經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)，所述發(fā)射信號(hào)為光信號(hào)、超聲波信號(hào)或微波信號(hào)；

步驟3：將所述經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)導(dǎo)向所述待測(cè)目標(biāo)，并且接收從所述待測(cè)目標(biāo)反射的反射信號(hào)；

步驟4：將所述反射信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理形成反射編碼信號(hào)；

步驟5：將反射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算得到相位延遲；以及

步驟6：根據(jù)所述相位延遲確定待測(cè)目標(biāo)的距離。

在本實(shí)施例中，發(fā)射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)均為步進(jìn)碼，且頻率相同，假設(shè)占空比為1/5，發(fā)射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)同周期。

經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)為占空比1/5的方波，信號(hào)發(fā)射后經(jīng)過(guò)傳輸，遇到目標(biāo)之后反射，再傳輸回來(lái)被接收，信號(hào)發(fā)生了延遲，接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，整形之后還原成延遲后的編碼波形（反射編碼信號(hào)），請(qǐng)參閱圖2所示，送入邏輯運(yùn)算電路。

參考編碼信號(hào)的波形對(duì)應(yīng)的在1/5周期內(nèi)重復(fù)1111，也送入邏輯運(yùn)算電路；邏輯運(yùn)算電路采用邏輯與運(yùn)算，當(dāng)參考編碼波形和接收到的反射編碼波形都為1的時(shí)候輸出為1，任何一路為0的時(shí)候輸出為0；當(dāng)接收的反射編碼波形（反射編碼信號(hào)）和參考編碼波形延遲逐漸加大的時(shí)候，形成了0000，0001，0011，0111，1111，1110，1100，1000，0000的8種編碼，這是一種步進(jìn)碼，如圖3所示。如果接收到的編碼為0001的時(shí)候說(shuō)明相位延遲了1/4*1/5=1/20個(gè)整相位，同理，如果接收到的編碼為0011的時(shí)候，說(shuō)明相位延遲了1/2*1/5=1/10個(gè)整相位。

這種方式的相位測(cè)量精度為1/20整周期，精度不夠好；同時(shí)在當(dāng)延遲超過(guò)1/5周期的時(shí)候，兩路信號(hào)都為全0，無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)相，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)丟失。

進(jìn)一步地，可以加大發(fā)射波形的占空比到1/2，編碼波形為10個(gè)1時(shí)，可以減少信號(hào)丟失的情況，但在過(guò)渡區(qū)仍會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)周期信號(hào)無(wú)法分開(kāi)的情況，出現(xiàn)類(lèi)似相位測(cè)距的相位模糊的情況。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供了一種相位檢測(cè)方法，用于對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行距離測(cè)量，該方法包括如下步驟：

步驟1：產(chǎn)生同步的發(fā)射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)；

步驟2：根據(jù)發(fā)射編碼信號(hào)生成經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)，所述發(fā)射信號(hào)為光信號(hào)、超聲波信號(hào)或微波信號(hào)；

步驟3：將所述經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)射信號(hào)導(dǎo)向所述待測(cè)目標(biāo)，并且接收從所述待測(cè)目標(biāo)反射的反射信號(hào)；

步驟4：將所述反射信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理形成反射編碼信號(hào)；

步驟5：將反射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算得到相位延遲；以及

步驟6：根據(jù)所述相位延遲確定待測(cè)目標(biāo)的距離。

在本實(shí)施例中，發(fā)射編碼信號(hào)和參考編碼信號(hào)頻率相差10%，且兩者均使用步進(jìn)碼。為避免上面范例中丟失信號(hào)或者相位模糊的情況，同時(shí)提高相位的分辨率，為此考慮兩個(gè)編碼信號(hào)之間產(chǎn)生頻率差，利用拍頻的原理測(cè)相，可以擴(kuò)大測(cè)距范圍，同時(shí)提高相位精度。

具體地，發(fā)射編碼和參考編碼仍然占空比為1/5，參考編碼在1/5占空比內(nèi)編碼為1111，只是兩者頻率差10%，如圖4所示，圓框中的重疊部分會(huì)產(chǎn)生非0的編碼；邏輯運(yùn)算步驟中采用邏輯與運(yùn)算，當(dāng)編碼波形和接收波形都為1的時(shí)候輸出為1，任何一路為0的時(shí)候輸出為0；由于頻差的作用，有些組會(huì)完全錯(cuò)開(kāi)，有些部分對(duì)上，會(huì)形成部分對(duì)上的編碼，也有一些會(huì)完全對(duì)上，形成1111編碼。每一個(gè)子組隨相位的變化表現(xiàn)出來(lái)依然為一種步進(jìn)碼。

通過(guò)分析接收到的編碼，可以分析出編碼對(duì)應(yīng)的相位，10%的頻差相當(dāng)于把相位放大了10倍，測(cè)相精度由實(shí)施例1的1/20提高到了1/200。

由于有部分對(duì)準(zhǔn)的情況，同時(shí)會(huì)有3～4組編碼會(huì)出現(xiàn)，考慮到多組編碼之間是有固定關(guān)系的，通過(guò)對(duì)多組編碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，可以更精確的檢出相位，一方面可以提高信噪比，一方面還可以額外提高相位的分辨率，使相位測(cè)量精度優(yōu)于1/200。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。