基于反馈法的高频高精度激光测距仪系统设计_卢锐淇
高频相位激光测距系统的高精度鉴相
第 31 卷第 15 期2023 年 8 月Vol.31 No.15Aug. 2023光学精密工程Optics and Precision Engineering高频相位激光测距系统的高精度鉴相孟语璇1，2，董登峰1，2*，周维虎1，2，纪荣祎1，2，朱志忠1，2（1.中国科学院微电子研究所，北京 100029；2.中国科学院大学，北京 101408）摘要：相位测距是一种非常重要的绝对测距手段，是大尺寸精密测量的重要保障。
提高激光调制频率并采用高性能器件实现高频采样分析是提升相位激光测距精度最有效的方式之一。
针对高性能器件的最大采样频率总是受限，难以满足高调制频率采样的难题，分析验证了欠采样方法用于相位测距的可行性，同时仿真分析了全相位傅里叶频谱分析法（all-phase Fast Fourier Transform，apFFT）提高鉴相精度的优势。
在此基础上，提出“欠采样+ apFFT”的方法，并构建了激光相位测距的鉴相系统。
当调制频率为201 MHz，欠采样频率为100 MHz时，系统鉴相精度高于±0.04°，对应的测距精度为±0.08 mm。
实验结果表明，基于“欠采样+apFFT”的相位测距方法具有高精度、抗干扰能力强等优势，在科学研究与工程应用中具有重要价值。
关键词：相位测距；欠采样；全相位频谱分析法；高精度；鉴相系统中图分类号：TN249；TH711 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233115.2193High-precision phase discrimination for high-frequency phaselaser ranging systemMENG Yuxuan1，2，DONG Dengfeng1，2*，ZHOU Weihu1，2，JI Rongyi1，2，ZHU Zhizhong1，2（1.Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029， China；2.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 101408， China）* Corresponding author， E-mail： dongdengfeng@Abstract：Phase laser ranging is an important means of absolute ranging and an important guarantee for large-scale precision measurement. One of the most effective ways to improve the precision of phase laser ranging is to increase the laser modulation frequency and use high-performance devices to achieve high-fre⁃quency sampling analysis. However， the maximum sampling frequency of high-performance devices is lim⁃ited. To solve the problem that existing devices have difficulty in the sampling of high modulation frequen⁃cies， the feasibility of an undersampling method for phase ranging was analyzed and verified. The advan⁃tages of all-phase fast Fourier transform （apFFT） analysis was examined to improve the precision of phase laser detection. Based on this idea， the method of undersampling and apFFT was developed， and a phase detection system for laser phase ranging was constructed. When the modulation frequency is 201 MHz and the undersampling frequency is 100 MHz，the system phase discrimination accuracy is higher than 文章编号1004-924X（2023）15-2193-10收稿日期：2023-02-13；修订日期：2023-03-13.基金项目：国家重点研发计划资助项目（No.2020YFB1710500，No.2019YFB2006100）；国家高质量发展专项（No.TC220H05T）第 31 卷光学精密工程±0.04°， and the corresponding ranging accuracy is approximately ±0.08 mm. The experimental results show that the phase ranging method based on undersampling and apFFT has the comprehensive advantag⁃es of high accuracy and strong anti-interference ability， making it valuable for scientific research and engi⁃neering applications.Key words： phase ranging；under-sampling；all-phase fast fourier transform；high precision；phase dis⁃crimination system1 引言相位式激光测距技术具有响应快、量程大、抗干扰能力强、精度高等优点，被广泛应用于航空、航天、船舶和机器人等大型装备制造领域［1-6］。
四象限传感器用于激光跟踪仪光斑偏移量测量
四象限传感器用于激光跟踪仪光斑偏移量测量陈洪芳;谭志;石照耀;宋辉旭【摘要】Signal processing in a quadrant photodiode used to track target movement velocity and reflect target displacement must provide rapid and accurate dynamic response for a laser tracker.According to the operation principle of a quadrant photodiode,we derived the relationship between the output signal and the spot offset using a diagonal algorithm for the transcendental function.Considering that it is not easy to solve the transcendental function,in combination with the laser spot characteristics,a Taylor series expansion algorithm was adopted.A verification experiment for the spot offset measurement system was performed using a high-precision rectangular coordinate measuring machine.The results show that the system possesses a fast measurement speed and high measurement accuracy.The measurement can reach 1050 times per second,and the accuracy is 6μm within a measurement range of ±400μm.The system can be widely applied in related fields in which a microdisplacement measurement is necessary.%为了保证激光跟踪仪的跟踪速度和跟踪精度,要求发现目标靶镜运动和反映靶镜位移的四象限传感器信号的处理过程具有快速、准确的动态响应.推导出四象限传感器在对角线算法中的输出信号与光斑偏移量之间的关系为超越函数关系.针对超越函数关系不易快速解算的难题,结合激光光斑的特性,采用了泰勒级数展开算法.使用高精度直角坐标测量机对光斑偏移量测量系统进行了验证实验.实验结果表明:该测量系统实时性好,每秒测量次数达到1050次;测量精度高,在±400μm测量范围内测量精度可达6μm.该系统可以广泛应用于需要微小位移测量的相关领域.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2017(000)002【总页数】5页(P258-262)【关键词】激光跟踪仪;四象限传感器;光斑偏移量;泰勒级数展开;测量系统【作者】陈洪芳;谭志;石照耀;宋辉旭【作者单位】北京工业大学北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心,北京100124;北京工业大学北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心,北京100124;北京工业大学北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心,北京100124;北京工业大学北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心,北京100124【正文语种】中文【中图分类】TH702激光跟踪仪是一种高精度的便携式三维坐标测量设备，用于超大空间几何量精密测量和动态轨迹测量[1]。
激光测距技术及在抽油管测长中的应用
１ ｆ
激 光脉冲测 距仪 的工作过程 大致如下 ： 当测距 仪对准 目标后 ， 激光器就 发 出一个 很强很 窄的光脉
冲 ，这个 光脉冲经 过发射望远 镜 ，压缩 了它 的发散 角 。在脉 冲发射 出去 的同时 ， 中极 小一部分光立 其 即由两块反射镜 反射 而进入接 收望远镜 ， 作为发 它 射 参考信 号 ， 用来 标定激 光发 出的时间 。参考信号
间间隔信 号转换成 电压信 号 口 ｌ 。
积 小、操作简 单 、测量 精度 高、作用 距离远 、抗干 扰 能力强等优 点， 以无 论在军事 应用方面 ，还是 所 在科 学技术 、生产建 设等方面 都起着重 要作用 。由 于激 光波长单 一 ， 测量 精度 高，且激 光测距 仪结构 小 巧，安装 调整方便 ， 故激 光测距 仪是 目前 高精度
式 中 ，妫 待 测 距离 ；ｃ 为激 光在 大气 中传 播 的速 度 ；伪 激 光在待测 距离上 的往返传 播时 间。
收 稿 日期 ：２ ０ －９Ｏ ０ ６０ －ｌ
进入接收望远镜后，经过滤光片到达光电转换器，
作者简介：陈淑清 （９ ９ ） １６ － ，女，辽宁凤城人。高级实验师 。主要研究方 向为激光 、电子通信。
此便可 以得到激 光往返 的时间 。
光测距仪具有体积小、 操作简便等特点， 手持式结 构 ，方便携 带 ，非常 适合油 田作业 ，在 不 良气候及
环境 下也 能达到较 高的测量精 度 。 除 了具有对被 它 测量 物进 行距离 测量 ， 接读 数的功 能外，还具有 直 对 测量值进 行存储 ，自动编 号 以及面积 、体积运算 的功能 ， 加配有微 型打 印机，通过 仪器 的标准接 并
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2013年02月刊软件开发与设计信息与电脑 China Computer&Communication１．研究背景目前市面上大多数都是红外线扫描仪，价格便宜，技术难度低。
但是定位不精准，且抗干扰能力差，在工业运用上实用性不足。
而激光测距仪则定位精准且抗干扰能力好。
便携式激光测距仪主要都是德国的喜利得公司的PD 系列产品，BOSHI 公司的相关产品，瑞士LEICA 的A 系列设备，而且大都是基于相位测距法，其测量距离一般比较低，一般测量范围都在100m 以内，在国内尚无其它相关产品面市。
国内激光测距领域的产品还不是很先进，针对国内激光测距仪速度、精度性能不够高的情况，本项目研制的基于反馈法的高速高精度激光测距仪，理论上可实现目前市场上激光测距仪的主要功能，且成本较低。
研究出更省电、测量距离更远、精度更高的便携式激光测距仪具有很大的研究价值。
２．原理说明反馈法测距是将待测距离D 作为探测器和反射器之间的振荡反馈通道，使振荡频率与待测距离相关，从而由测量频率值求得距离。
开始工作时，激光发射器向目标发射激光，经过t2d （光从发射单元发出到接收单元接收返回的脉冲所用的时间）的延时，激光接收器接收到回射激光；接收器接收激光信号进行处理之后输出高电平信号，这个信号控制激光发射器关闭，随后再经过t2d 的延时，接收器的光电二极管从有激光接收变为无激光接收，然后接收端信号变化为低电平信号，该低电平信号使发射器再次发射激光。
如此往复形成循环，频率计得到的频率信息通过公式计算即可得到距离信息。
待测距离D 与频率f 的关系推导如下：τ+=D t T22（1）c D t D 22=（2）τc D c T f 241+==（3）K fc c f c D +=−=424τ （4）上述式子中，T 为周期；t2D 为光往返一次的时间；τ为电路延时；D 为待测距离；c 为光速（3*108m/s ）；f 为频率；2τc 为只与电路延时有关量，定义为K 。
式子（1）、（2）可以由光学定理给出。
（3）由（1）、（2）式推导而来，（4）式由（3）式带入得到。
式中K=c τ/2为只与电路延时有关的量，可用相对应算法校准。
由式（3）可见，频率值f 随着被测距离D 的增大而减小。
由于数字频率计的误差，即测距精度随着距离增加而降低。
３．解决方案一种基于反馈法原理的测距装置，该装置由光学系统、激光发送接收反馈控制单元和测距计算单元组成。
其中所述的光学系统由配合激光接受器件雪崩二极管而专门制作的透镜组成；所述的激光发送接收反馈控制单元以激光信号生成器、激光信号接收器、激光信号转换器组成；所述的测距计算单元为stm32单片机构成的最小控制系统。
基于反馈法的高频高精度激光测距仪系统设计卢锐淇 夏方舟 张玉彬 陈明杰（广州大学机电学院，广东广州 ５１０００６）摘 要：本团队通过比较现有的激光测距原理并深入研究，采用了新型的反馈法测距原理来完成激光测距仪的测距功能。
如何完成新型测距原理的系统设计是解决激光测距仪精度和测距频率不可或缺也至关重要的方面。
关键词：反馈法；激光测距仪；系统设计中图分类号：ＴＰ３１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－９７６７（２０１３）０２－００５５－０２待测物体是考试命题的水平。
如今人们对人才的要求变得更高，所以试题必须适应现代社会的发展趋势。
通过计算机技术在人事考试工作中的应用，可以建立包括系统设置、题库设置、试题设置以及试卷的辅助管理等专门性的题库管理系统，使试题的设置和筛选管理工作变得更加合理和科学。
3.4 使试卷评阅网络化，优化了评卷手段人事考试工作的内容涉及范围比较广泛，在笔试环节会设置一些单项选择题、多项选择题以及判断题等客观性试题。
在笔试环节还有一部分像简答题、论述题、辨析题以及申论等具有主观性的试题。
阅卷老师在阅卷和评卷的过程中不仅感觉到工作量大，还会觉得阅卷流程比较繁琐，并且还会因为不细心出现阅卷错误等问题。
自从在人事考试工作中应用了信息技术，阅卷实现了网络化，所有客观性试题的阅卷和评分的工作都可以通过计算机完成，使阅卷的时间大大减少了，很大程度上提高了阅卷和评卷的效率，还避免了因为人为原因导致阅卷和评卷的问题出现。
计算机除了能够对客观性试题进行评卷，还可以对主观性试题进行阅卷辅助，可采用一评或多评的方式。
计算机进行阅卷和评分方式和传统老旧的评分模式相比，更具有进步性和科学性，使考试结果变得更加公平、公正以及公开。
综上所述，在人事考试工作中应用信息技术具有很大的进步性。
为了确保人事考试工作能够尽快实现信息化，除了要按照科学的方法进行管理之外，还应该专门性考试网站的以及完善的网络管理系统，并创设出真正和谐的考试环境。
在新时期，人事考试工作的责任就是增强自己的管理意识，使人事考试工作能够和信息技术进行有效地结合，使人事工作能够更好地向前发展。
参考文献 ：[1] 肖明云，杨安怀，陈海军. 计算机信息技术在人事考试工作中的应用[J]. 今日科苑. 2007（16）[2] 张震云. 论人事考试的人性化管理[J]. 人才开发. 2009（05）作者简介：宋振宇，男，汉族，1982年出生，江苏淮安人。
淮安人事考试中心，主要从事单位的信息化处理。
2013年02月刊软件开发与设计信息与电脑 China Computer&Communication所述的激光信号生成器为高速激光驱动芯片MAX3736及其外围电路构成的激光驱动电路，其输出端与相应的高速激光发射管连接；所述的激光信号接收器由雪崩二极管AD500-8及其附属电路组成；所述的激光信号转换器为高速运算放大器APD 后级处理板、信号处理模块LMH7220、D 触发器构成的整形放大电路，其高速运算放大器的的同相输入端与所述的激光接收管连接，D 触发器的Q （—）Q 输出端与所述单片机的I/O 口连接，D 触发器的Q 输出端与所述激光信号生成器的反相信号输入端连接。
以stm32单片机为主的测距计算单元将接受的震荡频率按照分析公式转换成相应的距离。
正常工作时，激光信号生成器驱动激光发射管沿光轴方向发射一定波长的激光，当激光到达被测表面后被反射，经环状聚焦透镜聚焦后由激光接收管接收并转换成电信号直接控制激光发射部分并关断激光信号生成器。
当激光接收管接收不到反射回的激光，则激光信号转换器输出相反的信号并打开激光信号生成器。
单片机计算单位时间内接收到的开关电平次数，得到振荡频率。
根据反馈法原理进行理论计算可以大致得出待测距离与频率的理论值，如表。
４．硬件选型4.1 激光头驱动器——MAX3736MAX3736芯片是一种低功耗，结构紧凑的高速激光调制驱动器，所处理的激光发射频率最高可到达约3.2GHz ，满足反馈法所要求的超高频发射。
MAX3736工作电压为3.3V ；最大偏置电流可达100mA ，最大调制电流为65mA ，满足大多数激光二极管使用要求。
适合我们运用反馈法所研发的激光测距仪。
4.2 激光发射头——工业级红光激光管（650nm 、5mW ）采用三洋公司生产的型号为：DL-4247-162激光二极管，该激光二极管工作功率为10mW ；工作电压为2.0V-2.6V ；阈值电流为20mA ，工作电流为50mA ，满足近距离测距使用。
4.3 激光接收装置——雪崩二极管AD500-8雪崩二极管是利用半导体结构中载流子的碰撞电离和渡越时间两种物理效应而产生负阻的固体微波器件。
雪崩二极管具有功率大、效率高等优点。
它是固体微波源，特别是毫米波发射源的主要功率器件，广泛地使用于雷达、通信、遥控、遥测、仪器仪表中。
其主要缺点是噪声较大。
我们采用了PACIFIC SILICON SENSOR 公司生产的，型号为AD500-8-TO52-S1的高频雪崩二极管，该型号雪崩二极管暗电流为0.5nA 、结电容为2.2pF ；其响应时间达到350ps ，工作带宽可达到1GHz ，灵敏度可达到50A/W ，性能较为优异。
满足反馈法所要求的高频接收，适合我们运用反馈法所研发的激光测距仪。
4.4 信号放大处理——APD 后级处理板该处理板是用在雪崩二极管AD500-8的信号放大模块，可以将APD 所接受到的微弱信号放大输出。
该放大板主要由三级放大器组成，前级为互阻放大器，反馈电阻为20K ，可以输出mV 级别以上的电压信号，第二第三级为电压放大器，对前级的微弱电压信号进行放大，两级放大倍数为500倍。
放大板输出电压为0-2V 。
4.5 信号处理模块——LMH7220为了让接收到的激光信号能够完成反馈功能，必须保证信号的规则性和可读性，那么就需要对可能产生噪声和其他干扰的信号作一些必要的处理。
于是我们使用高速信号比较器输出芯片LMH7220完成放大信号的滤波。
LMH7220是德州仪器生产的一款高速电压比较器，其工作电压为2.7V-12V ，上升时间仅有0.6ns ，翻转速率可达到940Mb/s ，满足设计要求。
4.6 STM32单片机单片机的运用在这套系统中操作简易，主要是将该系统的内部震荡频率计算成距离，然后实时显示在显示器上。
我们选择速度较高的STM32F104单片机，该单片机最高频率可达72MHz ，尚可以满足设计要求。
4.7 电源模块由于该系统电源复杂，系统需要3.3V ；+5V ；-5V ；12V ；120V 偏置电压五种所需要的电压，而且部分器件对电源要求严格，纹波系数等要求较高。
故我们设计了一个混合的电源模块，该模块包括稳压芯片、滤波电路、升压模块和保护电路四部分。
６．结语新型测距原理的研发是为了适应测距仪由粗放向精细、低性能向高性能的发展要求。
通过研究新的测距原理，解决并改良传统脉冲法、干涉法等测距原理，才能使得测距仪更加精准，测量范围更加广，从而提升以测距仪为核心器件的雷达等仪器的性能。
本文所述的基于反馈法的激光测距仪目前处于实验阶段，实验室搭建的简易系统已实现基本的测距功能。
为了保证测量精度和范围，就要设计精密可靠的高频电路板，以适配本文所阐述的各核心硬件。
根据反馈法原理分析可得，系统震荡频率上限越高，测距精准度就越为精确。
因此，不断优化高频电路的设计，是提升反馈法激光测距仪性能的关键。
参考文献：[1]姚淑娜，林铁生，刘依真.反馈法激光测距系统的实验研究．北方交通大学学报，1995（3）.[2]夏丽英，陈黎敏.手持激光测距仪的光路设计.光机电信息，2009（12）.[3]杨晓，孙钊.自触发脉冲激光测距飞行时间测量研究.电子设计工程，2012（1）．[4]陈千颂，赵大龙，秦来贵，杨成伟，霍玉晶.单自触发脉冲激光测距技术.激光与红外，2003（5）.[5]陈千颂，赵大龙，杨成伟，潘志文，霍玉晶.自触发脉冲飞行时间激光测距技术研究.中国激光，2004（6）.[6]杨成伟，霍玉晶，陈千颂，赵大龙，秦来贵，张宝顺. CPLD 在自触发脉冲激光测距飞行时间测量中的应用.量子电子学报，2005（6）.作者简介：夏方舟 1991.04.22 男 湖北省钟祥市 大学本科 方向自动化 陈明杰 1991.10.31 男 湖南省岳阳市大学本科，方向自动化张玉彬 1991.08.22 男 安徽省阜阳市大学本科，方向自动化卢锐淇，1991.05.11，男 广东广州。