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一种高精度相位激光测距方法的实现

2017-11-21电子工程
 
在众多的测距方法中 , 激光测距因其良好的精确度特性而广泛应用在军事和民用领域。实现了一种针对合作目标的正弦调幅激光相位测距方法 , 使用 CPLD 和单片机 , 利用脉冲填充法提高了测距精度。此方法设计的测距仪具有系统简单、响应速度快和精度高等特点。

在科学技术诸多领域乃至日常生活中 , 非接触测距有很重要的应用价值。在现代测距方法中 , 激光测距具有测距精度高、体积小、重量轻、携带方便、分辨率高、抗干扰能力强等优点 , 从而成为人们青睐的测距方法。近几年 , 一些著名的研究机构都在研究该方法在自动制造业 , 机器人领域以及军事方面的应用 , 并已经取得了很多成果。

1 激光测距的集中常用方法

激光测距从技术途径上分为三角测距法和飞行时间法两大类。飞行时间法激光测距可分为三种 : 脉冲激光测距 , 相位法激光测距和干涉法激光测距[1-3 ] 

1. 1 脉冲式激光测距

脉冲激光测距技术利用激光脉冲能量在时间上相对集中 , 瞬时功率很大 ( 一般可达瓦 ) 的特点 ,在有合作目标的情况下 , 脉冲激光测距可以达到极远的测程 , 一般的脉冲激光测距机可测量数十甚至数万公里的距离, 达到十几个厘米的测量精度。在进行几公里至几十公里的近程测距时 , 即使不使用合作目标 , 只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射信号 , 也可以进行测距。缺点就是绝对的测距精度不是很高。

1. 2 相位式激光测距

相位式激光测距仪 , 是利用固定频率的高频正弦信号 , 连续调制激光源的发光强度并测定调制激光往返一次所产生的相位延迟。通过相位延迟计算测量的距离。

相位式测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟 , 间接地测定信号传播时间 , 从而得到被测距离的。这种方法测量精度高 , 通常达毫米量级。

1.3 干涉式激光测距

干涉测距法也是一种相位法测距。它与一般的相位测距法的区别在于它不是通过测量激光调制信号的相位来测定距离 , 而是通过测量激光光波本身的干涉条纹变化来测定距离。

2 相位法激光测距测距的基本原理[ 3, 4]

本文出于应用背景的考虑 , 采用针对合作目标的相位法激光测距 , 即在被探测目标上设置合作目标 , 检测发射的调制光和被合作目标反射的接收光之间光波的相位差 , 从而求出被测目标的距离 , 其基本原理如图 1 。
图 1  相位测距原理
图 1 其中 A 为探测原点 , B 为目标所在位置 , L为两点之间的距离 , λ为选择的调制波长 , 满足
式 ( 1 ) 中 f 为调制波的频率 , 为光速。由图 1 可知 , 光波从 A 点传到 B 点的相移φ可表示为
式 ( 2 ) 中 为非负整数 , Δm 为小数 , 且
则 , A, B 两点之间的距离可以用以下式子表示
式 ( 4 ) 中 t 表示光波从 A 到 B 的时间。由式 ( 4 ) 知 ,若测得 2π的整数倍 m 和小数倍Δm, 就能准确的测量 AB 两点的距离 L 。λ被称为激光测距中的“光尺 ”。

当在 B 点设置一个反射器 ( 即合作目标) ,使从测距仪发出的光波经反射器反射再返回测距仪 , 然后由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变
图 2 有合作目标的相位测距
化进行测量 , 如图 2 。为分析方便 , 假设测距仪的接收系统置 A ′, (实际上测距仪的发射和接收系统都是在 A 点) ,并且 AB = BA ′ , AA ′ =2 L, 如图 ( 2 ) 所示 ,则有
L 仍表示待测距离 , 将式 ( 5 ) 变形后可得
m 和Δm 所代表的意义与式 ( 4 ) 中相同。但是 ,相位测相技术只能测量出不足 2π的相位尾数 Δφ ,而不能确定出相位的整周期数 m, 因此 , 当距离上大于 c/Ls 时 , 仅用一把“光尺 ”是无法测定距离的。为了解决这个问题 , 可降低调制频率 , 使得 c/Ls > L 即可确定距离 L 。由于测距系统中“光尺 ”越大 , 误差越大 , 所以 , 既能测长距离又要有较高的测距精度 ,解决的办法就是同时使用 Ls 不同的几把“光尺 ”。

“粗尺 ”保证测程 , “精尺 ”保证测距精度。
 
3 相位法激光测距仪的实现

基于相位法激光测距仪的原理 , 本文主要设计了接收系统中的滤波放大模块和信号处理模块。一般测距仪为保证精度要求 , 调制频率基本都在十几 MHz ~几十 MHz , 但是如果在这样高的频率下直接对发射光和接受光进行相位比较 , 电路中的寄生参量将对鉴相结果产生非常大的影响 , 甚至PCB 电路板中走线长度所引起的延时也必须考虑 ,造成难度加大 , 所以本系统采用差频法进行测量 ,即通过本振和主振混频 , 得到低频信号。混频器的实质是对输入的两路信号作乘法运算 , 提取差频信号来实现混频的[ 5 , 6 ] 。依据以下公式
这类似于通信系统中的外差接收原理。将 ( 7 )式中的第一部分通过滤波去掉 , 第二部分加以放大 , 从而得到差频信号。依照本方法设计的测距仪原理图如图 3 。整个系统只需使用一个 40 MHz 晶振作为信号源 , 通过 CPLD 器件和锁相环来产生其他几个频率图
3 测距仪原理图
的信号[7, 8 ] 。发射激光器采用三菱公司的1016 — R激光器 , 探测器采用 GT — 102 硅 PIN 光电二极管。发射部分采用直接光强调制 , 将 40 M Hz 信号和 4MHz 信号直接叠加 , 而后对激光进行调制。这样可以通过一次测量就得到两个测尺的数据 , 但是这样做在接受部分使得信号分离产生了困难 , 以往采用中周进行信号分离 , 不仅制作麻烦 , 而且调试困难。

本文采用集成器件 AD8007 与简单的外围电路分别设计了高通滤波与低通滤波分别对两路信号分离模块 ,和分别对两路进行放大模块。由于两个模块都采用了集成器件 AD8007, 在设计的时候可以将两个模块合而为一 , 设计在同一块 PCB 电路板当中 , 不仅节约了成本 , 而且减小了整个系统的体积 , 更为关键的是降低了系统的复杂性。增益可达到 4 db 左右 , 能够符合系统要求。该部分滤波原理的示意图如图 4[8,9]:
 
得到放大的回波信号后 , 需要进行混频得到低频信号[7 ] 。在本系统中, 由于存在多个混频器 , 故必须克服多个混频器的信号串扰 , 选用双栅场效应管作为混频器可以很好的解决这个问题。得到低频的差频信号后 , 将采用 CPLD 器件和单片机利用
图 4 滤波原理
脉冲填充法进行相差测量。因此必须先将差频的正弦信号转化为方波信号[9], 这里采用 MAX907 高速比较器作波形变换器 , 其输出波形上升沿为12 ns, 下降沿为 6 ns, 用下降沿作测相触发沿 , 能达到很高的精度。转换电路如图 5 。
图 5 转换电路
左侧输入为正弦波 , 右侧输出为方波 , 然后使用CPLD 器件进行差频测相 , 以发射调制信号下降沿作为开门信号 , 以回波调制信号下降沿作为关门信号 ,在开门和关门信号之间插入高频脉冲 , 以脉冲个数的多少来测量相差。本文采用频率为 40MHz 的脉冲作为高频脉冲进行填充。在一个周期内最多可以填充40 000 000/10 000 =4 000 个脉冲。当开门信号和关门信号之间的脉冲个数为 n 时 , 对应的相差为
原理图如图 6 。
图 6 相差原理图
S40 M 或 S4 M 代表发射光调制信号 , R40 M 或R4 M 代表反射光调制信号。

当改变填充脉冲的频率时 , 可以改变测距精度。具体可以由以下公式估算
式 ( 9 ) 中 , Δ表示测距精度 , c 表示光速 , fs 表示激光器的调制频率 , f表示混频器得出的低频方波信号的频率 , fins 表示填充的高频脉冲的频率。当直接接受探测光而非反射光进行测距时 , 系数必须去掉。
依照上式 , 可以估算出本系统的理想精度为
4 仿真结果

滤波模块的仿真如图 7 ~图 10 。
图 7 高通滤波仿真结果
图8 低通滤波仿真结果
图9 放大仿真输出图

图10 滤波放大模块仿真输出图
经过对 PCB 电路板中的调试测量发现 , 针对 40MHz 和 4MHz 两个频率的混和信号 , 以两层 PCB 电路板的测量结果为例 , 4 MHz 信号能够放大 200 倍以上 , 而针对 40MHz 信号的放大也能够达到 100 倍以上。对比发现 , 加滤波分离功能之后 , 相比与仅仅拥有放大功能的模块 , 放大倍数有所降低。这是由于滤波过程中所造成的损失 , 这种损失是不可避免的。但是相对于整个系统性能的优化与提高来说 , 这种损失是可以接受的。

设 v1 、 v2 、 v 3 、 v分别为 MAX907 变换后信号 , 则变换后的波形相差图如图 11 。

图 11 中 , ΔT1 表示为 v2 下降沿滞后于 v下降沿的时间 , ΔT2 表示为 v下降沿滞后于 v下降沿的时间。ΔTΔT2 与相差Δφ1 和Δφ2 的关系分别为 :
图 11 变换的波形
其中 , T =0.1 ms 。

5  结论

本文中设计了一种针对合作目标的正弦调幅激光相位测距方法 , 并完成了对分离滤波模块、信号放大模块、信号转换模块、基于 CPLD 和单片机的测相模块的设计与调试。这些模块经过调试 , 得到了很好的结果 , 能满足设计要求。
 
作者:周睿、孔东
参考文献
1  杨坤涛 .激光测试原理与技术 . 武汉 : 华中科技大学出版社 , 1999;
2  金国藩 、李景镇,激光测量学 [ 汇编 ]. 北京 : 科学出版社 , 1998;
3  高林奎 、宋玮 ,激光测距 . 北京 : 人民铁道出版社 , 1977;
4  郭达志 、周丙申, 激光测距仪 . 北京 : 煤炭工业出版社 , 1978;
5  安毓英 、曾晓东 .,光电探测原理 . 西安 : 西安电子科技大学出版社 ,2004;
6  钱浚霞、 郑坚立 , 光电检测技术 . 北京 : 机械工业出版社 , 1993;
7  侯伯亨 、顾新 ,VHDL 硬件描述语言与数字逻辑电路设计 . 北京 : 西安电子科技大学出版社 , 1999;
8  孙肖子 、张企民 ,模拟电子技术基础 . 西安 : 西安电子科技大学出版社 , 2001;
9  倪泽峰 、 江中华 ,ProtelDXP 典型实例 . 西安 : 人民邮电出版社 ,2003;

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