相位式激光测距仪

相位式激光测距仪1、相位式激光测距技术相位式激光测距仪，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，通常在毫米量级。1.1基本原理相位式激光测距的基本原理框图如图1.1所示。图1.1相位法激光测距基本原理图它由激光发射系统、角反射器、接收系统、综合频率系统、混频鉴相系统和计数显示系统等组成。角反射器是一种三个反射面之间互成90°的光学棱镜，90角要求有误差小于±2''的加工精度；它可以把射来的光线按原方向反射回去，即一个入射光射入后，不论入射角如何，经角反射器棱镜反射后的光线与入射光线平行。相位法激光测距技术就是利用发射的调制光和被目标反射的接收光之间光波的相位差所包含的距离信息来实现对被测目标距离量的测量。由于采用调制和差频测相技术，具有测量精度高的优点，广泛应用于有合作目标的精密测距场合。基本原理如下：图1.2相位式激光测距调制波形图设调制频率为f，幅度调制波形如图1.2所示，波长为X=c/f式中c是光速，X是调制波形的波长。由图可知，光波从A点传到B点的相移9可表示为件2mn+脚=(m+Am)2n式中，m是零或正整数，Am是个小数，Am=A^/2noA,B两点之间的距离L为L=ct=c^/(2nf)式中，t表示光由A点传到B点所需时间。由于用一台测距仪直接测量A和B两点光波传播的相移是非常困难的，因此采用在B点设置一个反射器(即所谓合作目标)，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化进行测量。图1.3示意地表示光波在距离L上往返一次后的相位变化。图1.3光波往返一次后的相位变化图为分析方便，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'=2L，如图1.3所示，则有2L=X(m+Am)或L=X(m+Am)/2=Ls(m+Am)=c(m+Am)/(2f)式中，m是零或正整数，Am是小数。这时，Ls表示相应于半个调制周期内光波的传输距离，称之为测距仪的“电尺长度”。2、激光测距仪的总体设计2.1测距仪的基本参数测距仪的基本参数指标如下：•采用GaAs系列的红外激光二极管作为光源，采用PIN硅光电二极管作探测器；•用直接分散测尺频率方式，频率为4MHz和40MHz，本地振荡信号频率用4.01MHz和40.01MHz；•用运算放大器设计探测接收部分滤波器和放大器。•用于测相的差频信号频率为10KHz，相位测量精度能达到千分之一以上；•理论测量范围为37.5m，测量精度为3mm；•控制与计算使用89C52单片机，分频和测相用Altera公司的CPLD可编程芯片实现；•实时显示测量结果，用LED显示，显示位数为5位，两位整数，三位小数，单位为米。2.2系统总体框图根据课题的要求和已经决定的总体框图设计，可以将整个激光测距仪分为以下三个部分：第一大部分是激光发射部分，其中包括激光调制信号(4MHz和40MHz两路信号)的产生、激光信号的产生和调制发射部分三个模块；第二大部分是激光回波接收部分，包括调制信号的探测即光电转换部分、两路电信号的

分离滤波部分和两路信号分别放大部分三个模块；第三大部分信号处理部分，包括混频与信号转换、数字鉴相和单片机计算显示三个模块。图2.1相位式激光测距仪总体框图2.3激光发射部分激光发射部分，包括激光调制信号（4MHz和40MHz两路信号）的产生、

激光信号的产生和调制发射部分三个模块。发射部分最重要的是激光调制信号产生模块即电路中各个频率的产生模块，其中最主要部分包括锁相环的设计和基于CPLD和VHDL语言的分频器的设计。锁相环路是一个相位的负反馈控制系统。在电子线路系统设计中，锁相环有很广的用途。本系统用锁相环系统产生所需频率的信号，即 40.01MHz和4.01MHz的本地振荡信号。本设计中，锁相环路的功能组成框图如图2.2所示。锁相环路由压控振荡器（VCO）、环路滤波器、鉴相器、整形器、分频器和源振荡器组成。图2.2图2.2锁相环系统框图2.4调制发射部分驱动电路的输入信号是40MHz和4MHz两个频率的信号的直接相加所得的和信号。电路原理图如下：1里Em1npn-1里Em1npn-图2.3调制发射电路图发射部分电路原理图如下图2.4所示:图2.4发射电路原理图2.5激光回波接收部分在40MHz和4MHz两路信号的分离上，减小自激振荡产生的可能性，降低电路调试的复杂性，不再采用中周作为滤波耦合的器件，而使用有源滤波原理设计滤波（分离）模块。滤波器是具有频率选择功能的电路，它允许一定频率范围内的信号通过，而对不需要传送的频率范围的信号实现有效的抑止。选用运算放大器作为有限增益放大器来设计有源滤波器电路。首先要选取核心元器件，即放大器芯片。经过比较，最终决定使用AD公司的AD8007作为有源滤波电路的放大器。AD8007是美国模拟器件有限公司推出的一款低失真、低噪声、高增益、高带宽的电流反馈式运算放大器，其带宽达到650MHz，压摆率（G=+1，Vo=2V）时为1000V/佛。根据滤波器设计原理，采用AD8007所设计的一阶滤波器电路原理示意图如图2.5所示

图2.5滤波电路原理图由于光电探测过程输出的信号十分微弱，根本无法满足后续电路中混频器的要求，因此对信号进行放大是必须的。同时，要达到对输出信号幅度的可控制，必须选择带有反馈的放大电路设计方法。由于希望得到的是电信号的相位信息，而这种相位信息是通过电压的变化所传递的，因此，采用串连电压负反馈来设计同相比例放大器。其原理示意图与闭环传输特性如图2.6所示：图2.6同相比例放大器（a）示意电路（b）闭环传输特性这种放大器设计简单，关键是基本放大器要有非常良好的特性，越接近理想放大器越好。2.6信号处理部分信号处理部分，包括正弦信号变方波信号、数字鉴相和单片机计算显示三个模块。混频与信号转换包括混频、中频滤波放大和信号类型转换三个部分。混频器是把携带相位信息的主振信号、回波信号分别与本振信号混频，实现主振信号、回波信号的相位从高频搬移到中频上，便于测量发射信号和回波信号的相位差。因此，在系统中同时存在4个混频器。混频器1实现40MHz的回波信号与40.01MHz的本振信号的混频，把40MHz回波信号相位信息搬到10KHz上；混频器2实现40MHz发射信号与40.01MHz的本振信号的混频，把40MHz发射信号相位信息搬到10KHz上；混频器3实现4MHz发射信号和4.01MHz的本振信号混频，把4MHz发射信号相位信息搬移到10KHz的中频上；混频器4实现4MHz回波信号与4.01MHz的本振信号混频，把4MHz回波信号的相位信息搬移到10KHz的中频上。混频后的信号都是包括两个频率的信号，一个是和频信号（即上边频信号），一个是差频信号（即下边频信号），我们需要的是差频信号，因此必须用滤波器滤掉和频信号，而让差频信号通过滤波器。同时，混频器的输入信号幅度不一样，输出的混频信号幅度也不一样，因此需要对混频后的信号放大，通过调整各个放大器的放大倍数，可使混频后的输出信号同频同幅，便于后面的测相处理。本系统使用TL084芯片，设计带通滤波放大器，滤波器类型为双二次窄带带通滤波器，中心频率为10KHz，电路原理图如图2.7所示。CZO.SluF图2.7中频滤波放大电路采用MAX907高速比较器作波形变换器，原理图如图2.8所示。

LOKHz榆入正弦信、况2LOKHz榆入正弦信、况29MAX顾输出1OKHz据K信号图2.8正弦信号到方波信号的转换经过整形后的四路方波信号，送给CPLD测相差。单片机89C52通过软件控制CPLD测相，并把测得的计数脉冲数通过串行方式送回到单片机，进行处理后显示。其控制的时序主要是根据CPLD内部的时序要求而设置的。3、注意的问题（1） 一定要分析正确系统的要求，根据要求合适地引用基本原理。（2） 尽量使