相位法激光测距接收系统_贾方秀
相位式激光测距传感器原理及其在自动化生产中的应用
『Ⅳ ） ＝＋ ÷ （
（ ２ ）
其 中ｆ 为调 制 信 号 频 率 ，Ｎ 为光 波 信 用 三个 频 率或 者 四个 频 率测 量 。本 文采 用
为 ０Ｍ 相位 式 激光 测 距仪 是 用特 定 的频 率对 号 往 返 过程 中 的整 周 期 数 ， ｃ 光 速 。对 两 个 频率 测量 ，精尺 采 用２ ０ 频率 ，则尺 调 ２ｍ ；粗尺采 用 ｌ的频率 ，则尺 长为 Ｍ 激光 束进 行 幅度 调 制 并测 定调 制 光往 返测 频 率 为 ｆ 制 信 号 ， 周 期 长度 也 就 是 尺 长 长 为８ ３ｍ 线一 次 所产 生 的相 位 延迟 ，再 根 据调 制光 为 ： 的波 长 ，换 算 此相 位 延迟 所代 表 的距 离 ， 即用 间接方 法 测 定 出光经 往返 测 线所 需 的
掌握效 果 。 自己专业 知识 学习 中的一 些疑 惑 。
综 上所 述 ，在 职 业 院校 电子 电工专 业 当引起 足够 的重视 ，专 门针对 这 些 不足 之
动 转 变为 竞赛 方 式 ，如进 行 电子 焊 接训 练 产 实 践 ， 同时也 能 够在 实 践操 作之 中消 除 实 训教 学 中 ，还存 在着 一 些 不足 之 处 ，应 ５ 合理 配 比师 生 ，有 序组 织 活动 。在 处 进行 改进 与 调 整 ，充 分整 合 资源 ，改 革 ． 组织 师 生 开展 电子 电工 实 训过 程 中 ，学 校 创 新 ，有 效发 挥 实训 教 学 的作用 ，促进 学
过 发 出信 号 的初 始相 位和 收 到信 号 的初 始 行混频 后滤 除高 频信 号可 以得到 ： 由式 （ ）和 （ ０ ９ １ ）可 以得 到 Ｕ 和 Ｕ ， ：
的相位 差为 ：
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４ １ 器件 温漂 带来 的频率 漂移 分析 和 ．
相位式激光测距——间接tof法
相位式激光测距——间接tof法相位式激光测距是一种通过测量光波的相位来确定距离的技术。
在激光测距中，相位式激光测距是一种常用的测距方法之一。
而间接TOF法（Time of Flight）则是利用光脉冲从发射到接收所需的时间来计算距离的一种方法。
下面我将从多个角度来解释相位式激光测距和间接TOF法的相关内容。
首先，相位式激光测距是利用激光光束发射到目标上并返回的时间来计算距离的一种技术。
它通过测量光波的相位差来确定目标的距离。
相位式激光测距具有测量精度高、测量距离远、抗干扰能力强等特点，因此在工业测量、地理测绘、无人驾驶等领域得到了广泛的应用。
其次，间接TOF法是指利用光脉冲从发射到接收所需的时间来计算距离的方法。
在激光测距中，通过测量激光脉冲从发射到接收所需的时间，再结合光速的知识，可以计算出目标与测距设备的距离。
这种方法的优点是测量速度快，对目标的反射能力要求低，适用于复杂环境下的测距任务。
从技术角度来看，相位式激光测距和间接TOF法都是利用光学原理进行测距的方法，需要高精度的光学器件和精密的测量系统来实现。
在实际应用中，需要考虑光波在传播过程中的衰减、散射等因素对测量结果的影响，以及如何提高测量精度和稳定性。
此外，从应用角度来看，相位式激光测距和间接TOF法在工业测量、三维成像、地质勘探、机器人导航等领域有着广泛的应用前景。
随着激光技术和光电子器件的不断发展，相信这两种测距方法在未来会有更多的创新和应用。
综上所述，相位式激光测距和间接TOF法是两种常见的激光测距方法，它们都在不同领域有着重要的应用。
通过不断的技术创新和实践应用，相信它们会为我们的生活和工作带来更多的便利和效益。
相位式激光测距仪激光接收部分设计
摘要相位式激光测距法由于其计算方便、体积小巧、测距精度高等优点，成为最有发展潜力的距离测量技术。
将激光用低频信号进行调制发射，距离信息就隐含在从目标物反射回的调制光波的相位信息中。
测出发射与接收光波之间的相位差，通过适当的换算，即可得到待测距离的实际值。
本文首先介绍了相位式激光测距仪的研究背景、意义，总结和概括了激光测距的有关理论基础，并且介绍了相位式激光测距仪的测距原理，提出了测距系统的实现框图；接着围绕接收系统的性能开展深入研究，主要研究探测器件的选择，偏压电路、混频电路、自动增益控制电路的设计等问题；利用Proteus技术对APD偏压电路和自动增益控制电路进行仿真，通过仿真结果不断完善设计。
关键词：激光测距；雪崩二极管；相位；混频；自动增益控制ABSTRACTThe phase-shift laser ranging becomes the most potential technique owing to its compactness, easily data processing,and the high measurement accuracy. By measuring phase difference between emitted modulated waves and receiving modulated waves which are reflected.From the target, we could get the value of distance quite easily through simple calculation.This paper started from the background, the purposes, meanings of phase-shift laser ranging, then summarized the related theoretical basis of it. The principle of phase laser ranging and a practical ranging system is discussed. This paper concentrate on the researh of improving the porperty of receiving system. Lots of research have done on choosing detection element，design of the bias circuit and automatic gain control circuit.Then，the proteus is used for simulation of them. With the help of the simulation, the design was improved.Keywords:laser ranging, avalanche diode, phase, mixer circuit, automatic gain control山东科技大学学士学位论文目录目录1 绪论 (1)1.1激光测距技术 (1)1.2 激光测距的优点 (4)1.3 国内外研究及发展情况 (4)1.4 课题的研究目的和意义 (6)2 相位式激光测距技术 (8)2.1相位式激光测距技术原理 (8)2.2相位式激光测距多测尺原理 (10)2.3差频测相原理 (12)2.4 自动增益控制原理 (14)2.5光电探测器 (16)3 相位式激光测距仪接收电路的设计........ 错误!未定义书签。
相位法激光测距原理及算法详解
相位法激光测距原理及算法详解激光相位法测距的原理激光相位测距中，把连续的激光进⾏幅度调制，调制光的光强随时间做周期性变化，测定调制光往返过程中所经过的相位变化即可求出时间和距离。
图.1 相位式激光测距原理⽰意图如图1所⽰，设发射处与反射处（提升容器）的距离为x ，激光的速度为c ，激光往返它们之间的时间为t ，则有：cxt 2设调制波频率为f ，从发射到接收间的相位差为，则有：N cfxft 242 (2) 其中，N 为完整周期波的个数，为不⾜周期波的余相位。
因此可解出：)(2)22(24N N fcN f c f c x(3) 其中，f c L s 2 称为测尺或刻度，N 即是整尺数， 2 N 为余尺。
根据测得的相位移的⼤⼩，可知道N 余尺的⼤⼩。
⽽整尺数N 必须通过选择多个合适的测尺频率才能确定，测尺频率的选择是提升容器精确定位的关键因素之⼀。
多尺测量⽅法测量正弦信号相移的⽅法都⽆法确定相位的整周期数，即不能确定出相位变化中 2的整倍数N ，⽽只能测量不⾜ 2的相位尾数，因此公式（2.3）中的N 值⽆法确定，使该式产⽣多个解，距离D 就不能确定。
解决此缺陷的办法是选⽤⼀个较低的测尺频率s f ，使其测尺长度s L 稍⼤于该被测距离，这种状况下不会出现距离的多值解。
但是由于测相系统的测相误差，会导致测距误差，并且选⽤的s L 越⼤则测距误差越⼤。
因此为了得到较⾼的测距精度⽽使⽤较短的测尺长度，即较⼤的测尺频率s f ，系统的单值测定距离就相应变⼩。
为了解决长测程和⾼精度之间的⽭盾，⼀般使⽤的解决办法是：当待测距离D ⼤于基本测尺sb L （精测测尺）时，可再使⽤⼀个或⼏个辅助测尺sl L （⼜叫粗测测尺），然后将各个测尺测得的距离值组合起来得到单⼀的和精确的距离信息。
由此可见，⽤⼀组测尺共同对距离D 进⾏测量就可以解决距离的多值解，即⽤短尺保证精度，⽤长尺保证量程。
这样就解决⾼精度和长测程的⽭盾[4]。
激光相位测距原理
激光相位测距原理
激光相位测距是一种利用激光波束测量物体距离的技术。
其原理基于光的干涉现象，通过测量光波在物体表面反射后的相位变化来确定距离大小。
在激光相位测距系统中，激光器发射一束脉冲激光，该激光束照射到目标物体上并被反射回来。
接收器接收到反射光波后，光电二极管将光信号转换为电信号。
由于光波在往返过程中会受到干涉效应的影响，导致接收到的光信号具有不同的相位。
通过测量光信号的相位差，即可计算出光波的传播距离。
为了实现相位测量，激光相位测距系统通常采用两种方法：串行分析和并行分析。
串行分析方法中，激光脉冲经过光电二极管后，信号会被通过逐点扫描的方式进行采样。
然后，所有采样点的相位将被计算出来，并通过插值算法实现子波测量。
而在并行分析方法中，激光脉冲会经过一个多通道的光电二极管阵列，每个光电二极管将接收到的信号进行采样和处理。
通过对比不同通道之间的相位差异，可以实现更快速的相位测量。
总的来说，激光相位测距利用激光波束的干涉现象来测量物体的距离。
通过准确测量光信号的相位差，可以实现高精度的测距，并在许多领域中得到广泛应用。
相位式激光测距仿真系统的设计与实现
入信信号处理单元 ， 另一部 分作 为测量 信号 Ｓ 调制 激光输
出功率 ， 调制后的光信号 经发射 机照射 到待 测物体 上 ， 反射
收稿 日 ： １ — ２ ２ 修 回 日 ：０ １ ０ — ８ 期 ２ １０ —８ ０ 期 ２ １ — ２ ２
．．．— —
３ ０ ・— ６ － － —
后被接收机检测 ． 此时被检测 的光波传输距离为 ２ 。光返 回 接收机时 ， 回波信号 Ｓ ． 比参 考信号 ５ 的相位变化为 △ 。相 ， 且 △Ｄ ｄ的关系为 ： ‘与
ＫＥＹＷ ＯＲＤＳ： ｈ ｓ — ｈ ｆ ｌｓ ｒ ｒｎ ｅ ｎ ｅ ； ｙ ｔｍ ｉ ｌｔ ｎ； ｙ ｔ ｍ ｄ ｌ Ｅ ｐ ｒ ｎ Ｐ ａ ｅ ｓ ｉ ａ ｅ ａ ｇ ｆ ｄ ｒ Ｓ ｓ ｔ ｉ ｅ ｓ ｍｕａ ｉ Ｓ ｓｅ ｍｏ ｅ ； ｘ ｅ ｉ ｏ ｍｅ ｔ
１ 引 言
在各种激光测距方法 中， 相位式激光测距 以其测量精度 高、 系统 实现简单 等优点 ， 广泛用 于军事 、 工业 、 航空 航天等 领域 。随着技术 的进步 ， 对测量 精度 的要求 越来越 高 ， 系统 设计 的难度相应提高 。为满足系统设计需求 ， 保证设 计方案 最优化 ． 提高设计效率 ． 对各影响因子综合 、 面的分析成为 全 系统设计 的关键 。
一 … ．
一
图 １ 相 位式 激 光 测 距 原 理 图
—
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在相位式激光测距系统设计中 ， 度影响 因子贯穿整个 精 系统 ， 为实现测距精度 的逼真分析 ， 需要综合 考虑激光发射 、
图 ２ 相 位 式 激光 测 距 数 据 结 构 图
大气传输 、 接收 、 信号处理 、 鉴相 、 数据处理等各环节 的设计 ，
一种相位式激光测距仪的光接收单元[实用新型专利]
![一种相位式激光测距仪的光接收单元[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/a7556e8ff5335a8103d22066.png)
专利名称：一种相位式激光测距仪的光接收单元专利类型：实用新型专利
发明人：李卫国,贾鹏飞,李赟,皇甫羽飞,张学龙,郭伟申请号：CN201220647703.X
申请日：20121130
公开号：CN203037846U
公开日：
20130703
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型属于激光测距技术领域，特别涉及一种相位式激光测距仪的光接收单元。
单片机小型嵌入式系统的输出与两路数字合成电路相连。
激光接收管与自动增益电路连接，放大后的信号与本振数字合成产生的调制信号接入测量混频器，主振数字合成与本振数字合成的调制信号接入参考混频器，两路混频器的输出信号连接信号调理电路，经调理整形后输入单片机。
本实用新型可实现接收电路的增益随接收信号的强弱自动调节，提高了电路的工作稳定性和适用性。
采用混频器可降低测量信号的频率，同时保持相位信息不变，提高了测相的分辨率。
申请人：华北电力大学
地址：102206 北京市昌平区北农路2号华北电力大学
国籍：CN
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相位法激光测距的电路系统设计
文章编号:100520086(2001)0820864204用于相位法激光测距的电路系统设计Ξ金 宁,汪 伟1,翁剑枫1,张增耀2(中国计量学院信息工程学院,浙江杭州310034;11中国计量学院机电工程学院,浙江杭州310034;21中国计量学院计量技术工程学院,浙江杭州310034) 摘要:本文论述了相位法激光测距的原理和引起误差的原因,提出了电路系统设计方案,着重对频率电路和精密检相电路进行了较为深入的分析与讨论。
针对大小角度、零点漂移和信号幅度等原因引起的测量误差,本文提出了具体的解决措施,提高了数字检相电路的测相精度和稳定性,最后给出了测试方法和测试结果。
关键词:相位;激光测距;数字检相中图分类号:P22512 文献标识码:AThe D esign of the C ircu it System Used for Pha se La ser Range F i nderJ I N N ing,W AN G W ei1,W EN G J ian2feng1,ZHAN G Zeng2yao2(D epartm en t of Info rm ati on Engineering,Ch ina In stitu te of M etro logy,H angzhou310034,Ch ina;1.D epartm en t of M echan ical andE lectrical Engineering,Ch ina In stitu te of M etro logy,H angzhou310034,Ch ina;2.D epartm en t of M etro logy Engineering,Ch ina In stitu te of M etro logy,H angzhou310034,Ch ina)Abstract:In th is article,the p rinci p le and erro r analyses fo r phase laser range finder are discu ssed.T hedesign of circu it system is pu t fo rw ard.T he circu it of frequency generato r and digital phase detecto r aredeveloped in details.Som e p ractical m ethod are in troduced to i m p rove the p recisi on and stab ility of thephase m easu rem en t on0°m easu re m istake、offset drift and signal amp litude etc.T he test m ethod andresu lt of th is circu it are given ou t.Key words:phase;laser range finder;digital phase detecting circu it1 引 言 相位法激光测距是利用发射的调制光和被目标反射的接收光之间光强的相位差包含的距离信息来实现对被测目标距离的测量,由于采用调制和差频测相等技术,具有测量精度高的优点,广泛用于有合作目标的精密测距场合。
相位式激光测距的FFT与apFFT鉴相研究
相位式激光测距的FFT与apFFT鉴相研究陈栋;刘恩海【摘要】为实现亚毫米精度相位式激光测距的鉴相,根据FFT与apFFT的鉴相原理,通过仿真考察两者在高斯白噪声和频率偏移影响下的鉴相性能,并考虑采样点数问题.仿真结果表明:在采样点数相同、频率偏移小的情况下,FFT比apFFT鉴相更准确.在测距速率10 KHz,信噪比35 dB,归一化频移量0.02,调制频率50 MHz时,FFT 的测距标准误差为0.76 mm.因此使用FFT鉴相满足相位式激光测距的高速、高精度要求.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2013(043)010【总页数】5页(P1108-1112)【关键词】相位式激光测距;鉴相;FFT;apFFT【作者】陈栋;刘恩海【作者单位】中国科学院光电技术研究所,四川成都610290;中国科学院大学,北京100039;中国科学院光电技术研究所,四川成都610290【正文语种】中文【中图分类】TN2491 引言相位式激光测距作为一种高精度、非接触的测量方式，在大地大气探测、空间位置高精度测量等领域起着很重要的作用。
其基本原理为:通过测量调幅连续波发射光束和反射光束的相位差来测量时间间隔，进而求出测量距离［1］。
假设光速为c，调制频率为 f，相位差为Δθ，则测量距离为d=cΔθ/(4πf)，可看出鉴相精度影响测距精度［2］。
为实现亚毫米精度的相位式激光测距，选取一种高速、高精度的鉴相方法具有重大的现实意义。
总体上，常用的鉴相方法可分为模拟法和数字法两种，模拟法有着电路复杂、元器件要求高、精度差等缺点;而数字法具有成本低、适应性好、测量精度高等优点［3］。
数字法主要包括自动数字鉴相法、数字相关法和FFT法。
由于被测距离的远近不同，回波幅度差别很大，采用自动数字鉴相法会产生很大的测量误差［4］。
数字相关法和FFT法运算量小，都能有效抑制高斯白噪声，但数字相关法的反余弦运算限制了其鉴相范围为0～π。
《相位法激光测距仪设计》
《相位法激光测距仪设计》【原创版】目录一、引言二、相位法激光测距仪的原理与结构1.相位法测距原理2.激光测距仪的结构组成三、相位法激光测距仪的设计方法1.欠采样技术与同步检测原理2.晶体滤波器和直接数字频率合成计四、实验结果与分析1.系统整体结构和性能改进2.数字化与自动化程度提高3.测距仪的适用性增强五、结论正文一、引言激光测距仪是一种非接触式的测量仪器，它利用激光束进行测量，具有高精度、高可靠性、易于操作等优点。
根据测距方法的不同，激光测距仪可以分为相位法激光测距仪和脉冲法激光测距仪两类。
相位法激光测距仪通过检测发射光和反射光之间的相位差来测量距离，具有较高的测量精度和较远的测量范围。
因此，本文将重点介绍相位法激光测距仪的设计方法。
二、相位法激光测距仪的原理与结构1.相位法测距原理相位法激光测距仪的原理是利用激光束从发射到接收所产生的相位差来测量距离。
具体来说，激光束从发射器发射后，经过一定距离后反射回接收器，接收器通过检测发射光和反射光之间的相位差来计算距离。
2.激光测距仪的结构组成激光测距仪主要由激光发射器、激光接收器、相位检测器、距离计算器和显示器等组成。
激光发射器负责发射激光束，激光接收器负责接收反射回来的激光束，相位检测器负责检测激光束的相位差，距离计算器负责根据相位差计算距离，显示器负责显示距离信息。
三、相位法激光测距仪的设计方法1.欠采样技术与同步检测原理为了降低数据处理的复杂程度，可以在相位式测距仪中采用欠采样技术与同步检测原理改进测相方法。
欠采样技术可以有效地降低数据处理的采样频率，从而降低数据处理的复杂程度；同步检测原理可以实现对激光束的实时检测，从而提高测量精度。
2.晶体滤波器和直接数字频率合成计为了改进测距仪的滤波与调制手段，可以采用晶体滤波器和直接数字频率合成计（DDS）。
晶体滤波器可以有效地滤除激光束中的杂波，从而提高测量精度；直接数字频率合成计可以实现对激光束的频率调制，从而提高测量范围。
相位法激光测距算法的嵌入式系统实现的开题报告
相位法激光测距算法的嵌入式系统实现的开题报告一、研究背景激光测距技术是一种精密测量技术，在各种工业应用中得到广泛应用。
其中，相位法激光测距算法是一种常见的测距方法，它利用激光器和接收器之间的相位差来测量距离。
由于其精度高、速度快、测量范围宽等特点，相位法激光测距算法已经成为现代测量技术的重要组成部分。
目前，随着嵌入式系统的发展和普及，相位法激光测距算法的嵌入式系统实现技术也得到了广泛应用。
在工业生产和科研领域中，嵌入式系统实现相位法激光测距算法可以极大地提高测量的精度和效率，同时也可以减少测量的成本和人力资源。
二、研究内容本文主要研究相位法激光测距算法的嵌入式系统实现，并将其应用于工业生产和科研领域中的测量任务中。
具体内容包括以下几个方面：1. 相位法激光测距算法的原理和实现方法。
主要介绍相位法激光测距算法的基本原理、具体实现方法和常见问题及解决方案。
2. 嵌入式系统的设计和实现。
主要介绍嵌入式系统的硬件架构、选型原则、软件设计和编程实现，包括微处理器、模块化设计、实时系统、多线程编程等。
3. 系统测试和优化。
主要介绍系统测试和性能优化的方法和步骤，包括系统稳定性测试、测量误差分析、系统性能优化等。
4. 应用案例分析。
主要结合工业生产和科研领域中的具体测量任务，分析相位法激光测距算法的嵌入式系统实现在实际应用中的效果和经验。
三、研究意义1. 探究相位法激光测距算法的嵌入式系统实现技术，可以有效提高测量精度和效率，降低测量成本，满足现代工业和科研领域对精密测量技术的需求。
2. 通过在实际应用中检验相位法激光测距算法的嵌入式系统实现，可以总结出一套具有可重复性、可推广性和实用性的实现方案，为相关领域的从业者提供参考和借鉴。
四、研究方法本文采用实验研究方法和案例分析方法相结合，通过搭建相位法激光测距算法的嵌入式系统实验平台，从理论和实践两个方面展开研究。
同时，结合实际应用中的案例，对嵌入式系统实现相位法激光测距算法的效果和经验进行分析和总结。
基于数字同步解调原理的相位差测量新方法
基于数字同步解调原理的相位差测量新方法
贾方秀;丁振良;袁峰
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2009(000)004
【摘要】详细分析了数字同步解调原理,并在此基础上提出了一种新的同步解调原理结合模拟混频的快速测相方法,介绍了该方法在相位法激光测距中的具体实现过程.并在MATLAB/Simulink环境下建立了该方法的仿真模型,给出了仿真结果.由仿真结果可知,最大的测相误差是0.25°,平均测相误差为0.02°,误差标准方差为0.09°.在相位法激光测距系统中使用该方法,在精测主频为150 MHz的情况下,可得到最大的测距误差为0.69 mm,平均测距误差为0.056 mm.该方法适合在高精度、实时测相场合中使用,具有良好的应用前景.
【总页数】3页(P78-80)
【作者】贾方秀;丁振良;袁峰
【作者单位】哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TN763
【相关文献】
1.基于数字相关原理的相位差测量新方法 [J], 刘灿涛;赵伟;袁俊
2.一种基于多重相敏解调算法的相位差测量新方法 [J], 郑胜峰;王本轶;楼梅燕;姚
锡钦;王海;周渭
3.基于变长观察法载波同步的OQPSK全数字解调器 [J], 陈振骐;曹志刚
4.基于I/Q解调原理的数字PAD研制 [J], 耿哲峤;崔艳艳;侯汨;裴国玺
5.基于信号自相关原理的光纤光栅数字解调方法 [J], 李东升;霍志璞
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第17卷 第10期2009年10月 光学精密工程 Optics and Precision Engineering Vol.17 No.10 Oct.2009 收稿日期:2008209208;修订日期:2008212212. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.50275040)文章编号 10042924X (2009)1022377208相位法激光测距接收系统贾方秀,丁振良,袁 锋(哈尔滨工业大学自动化测试与控制系,黑龙江哈尔滨150001)摘要:为了提高相位法激光测距的速度和精度,提出了一种新的相位差放大测量方法,在不增加测量时间的同时将测相精度提高1/N 倍,并结合欠采样技术避免了混频器和其他多余器件的使用,减小了串扰对系统的影响。
考虑高频弱光信号入射到雪崩光电二极管上会在输出信号上产生相位延迟,提出灵活控制加在雪崩光电二极管上的反向偏压来减小相位延迟的方法,对于调制频率为18.5M Hz ,波长为650nm 的激光,当入射光强度为0.5μW 时,可将相位延迟从1.4°压缩到0.03°之内。
建立了信号串扰产生测相误差的数学模型,并通过实验给出了采取不同屏蔽措施时串扰对测相误差的影响。
实验结果表明,采用上述方法,当调制频率为18.5M Hz 时,测相精度为0.014°,相应的测距精度可达0.3mm 。
关 键 词:激光测距;接收系统;串扰;欠采样;相位测量中图分类号:TN247;TB921 文献标识码:APhase 2shift laser range f inder receiver systemJ IA Fang 2xiu ,DIN G Zhen 2liang ,YUAN Feng(Dep artment of A utom atic Measurement and Cont rol ,H arbi n I nstit ute of Technolog y ,H arbi n 150001,Chi na )Abstract :In order to imp rove t he measuring rate and resolution of a p hase 2shift laser range finder ,a new p hase shift magnification detecting met hod is propo sed ,which improves t he measurement resolu 2tion by 1/N times wit hout increasing t he measuring time.Then ,a under 2sampling technique is adopt 2ed to perform multi 2frequency modulation in t he same system ,which avoids using t he mixer and ot her accessorial component s to reduce scheme complexities and t he influence of crosstalk.As t he p hase de 2lay caused by t he high f requency weak light incident upon a Avalanche Diode (A PD )will induce t he distance measurement errors ,a new met hod is p resented by cont rolling t he bias voltage acting on A PD to suppress t he p hase delay.For a modulation frequency of 18.5M Hz ,a wavelengt h of 650nm and an incident light intensity of 0.5μW ,t he p hase delay can be reduced from 1.4°to less t han 0.03°.More 2over ,a mat hematic model is established based on t he p hase shift measurement errors caused by signal acrosstalks and several kinds of elect rostatic screen met hods are given to avoid t he acrossatlk.Experi 2mental result s show t hat adopting t hose met hods mentioned above can get t he p hase shift measure 2ment resolution of 0.014°and t he distance measurement resolution of 0.3mm accordingly when t hemodulation is18.5M Hz.K ey w ords:laser range finder;receiver system;crosstalk;under2sampling;p hase2shift measurement1 引 言 激光测距作为一种高精度的测距技术已在很多领域中得到广泛应用[123],该方法通过测量发射正弦调制信号和反射光之间的相位差来确定被测距离。
在光速c已知的条件下,测量距离D和测量精度δd由激光调制频率f0和发射光与返回光之间的相位差φ决定。
测量距离D以2π为模,其不模糊距离为c/2f0;调制频率与不模糊距离成反比,而测量精度却随着调制频率的增大而提高。
为了使激光测距仪在保证测量距离的同时保证较高的测量精度,B.Journet和Poujouly提出了双频调制法[4],低调制频率f L保证测量距离,高调制频率f H保证测量精度,但该方法中,f H/ f L的值不能>2π/δφ,限制了其动态范围;f H很高时,保证很高的相位测量精度非常困难;另外,该方法需要混频器等模拟器件,增加了电路的复杂程度。
针对许多领域对高速高精度测量距离的要求日益提高[5],本文提出了多频调制方法,该方法动态范围不受f H/f L限制,通过欠采样技术的应用,避免了混频器等模拟器件的使用,简化了电路;并设计了一种新的相位差放大测量模块,在不增加测量时间的同时,将测量精度提高了1/N 倍。
高频弱光入射至A PD时,产生的相位延迟成为限制激光测距精度的主要因素之一。
Shuko Y okoyama的研究指出,经过强度调制的入射光强度越小,经A PD转换后产生信号的相位延迟越大。
当调制频率为1100M Hz时,最大的相位延迟达到100°,相应的测距误差为4cm[6]。
为了减小该相位延迟对测距精度的影响,Shuko Y o k2 oyama和Norihito Suzuki等人提出了在半导体激光器发射的信号光上叠加合适的直流偏置光方法[7],但该方法需要附加的光学设施,为了形成稳定的反馈光信号,还需要对电路进行严格的调整。
针对这个问题,本文介绍了一种通过调节加在A PD上的反向偏压来减小因入射强度过低引起的相位延迟的方法,结构简单,容易实现。
δφ是相位测量不确定度,受频率抖动、温度变化以及发射通道和接收通道之间的信号串扰影响。
当对半导体激光器进行强度调制的电流源和经A PD产生的光电信号在同一频率工作时,令产生信号串扰现象,且随着调制频率越来越高,信号串扰令成为限制激光测距测量精度的主要因素。
Shahram Mohammad Nejas和Kiazand Fa2 sihi使用脉宽调制的方法减少串扰影响的同时,减小了环境噪声以及温度对测距系统的影响,但该方法增加了系统的复杂性[8]。
M.Lesure和T.Bo sch等人使用Pockels cell获得频率数倍于调制信号的测量信号,降低了信号串扰的影响,但实现起来较为困难[9]。
目前,尚没有去除串扰影响的有效方法。
本文在详细分析串扰误差产生机理的基础上,建立了由于串扰引起的测相误差的模型,通过该模型,可以得到达到某一测量精度所需要的光电信号/感应信号的值;本文通过实验,给出了采取不同的屏蔽措施时相位差测量精度。
2 接收系统设计 设计的系统总体框图如图1所示,系统分为激光发射模块、信号放大模块、自动增益控制模块、相位放大测量模块。
在激光发射模块中,恒温晶振经分频给DDS提供时钟源,DDS产生高频正弦调制信号,经驱动电路对半导体激光器LD 实现强度调制。
由LD发出的高频调制光经光学系统至靶镜,经靶镜返回的光入射至A PD,经前图1 系统总体框图Fig.1 Overall diagram of whole system8732 光学 精密工程 第17卷 置放大器和后续信号放大模块得到含被测距离信息的测量信号,该信号经功分器一路至AD转换器1,一路经相位放大测量模块至AD转换器2。
AD转换器1和AD转换器2提供转换时钟由恒温晶振分频后经放大比较电路提供。
经AD转换后的两路信号经过相应算法计算,可得被测距离。
2.1 相位差放大测量实现相位放大测量由鉴相器、低通滤波器、放大器、VCO以及N分频器组成。
若激光调制频率为f IN。
当外光路测量时,返回光信号经A PD、信号放大模块和功分器后,至相位放大测量模块中鉴相器的信号记为S m1(t),至AD转换器1的信号记为S m1(t)′:S m1(t)=S m1(t)′=V1sin(2πf IN t+Δφe1+Δφ),(1)V1为外光路测量时至AD转换器1的信号幅度,Δφ是包含距离信息的相位差,Δφe1是外光路测量时由电路漂移引起的相位差。
在鉴相器和VCO 之间加一N分频器,VCO的输出信号频率为N f IN且与信号S m1(t)同步,记为S m1(t)″。
该信号至AD转换器2,当PLL锁定的时候:S m1(t)″=V VCO1sin(2πN f IN t+NΔφ+NΔφe1),(2)同理,当内光路测量时,至PLL环鉴相器的信号记为S m2(t),至AD转换器1的信号记为S m2(t)′,则S m2(t)=S m2(t)′=V2sin(2πf IN t+Δφe2),(3)V2为内光路测量时至AD转换器1的信号幅度,Δφe2是内光路测量时由电路漂移引起的相位差。