相位法激光测距算法的嵌入式系统实现
基于相位法的激光测距系统设计与仿真
基于相位法的激光测距系统设计与仿真
激光测距作为一种测量技术,与其它测量手段相比,因其具有非接触式、测量速度快、测量精度高、测量距离远、抗干扰能力强等独特优势而被广泛应用于多种领域。
在智能交通领域中,如汽车防撞系统、无人驾驶汽车等,都是通过车辆上安装的激光测距传感器实现道路安全识别的功能,激光测距技术的应用对于道路交通安全起到了重大作用。
针对国内激光测距中测量精度不高,设计复杂等问题,本论文从多种角度分析了影响激光测距系统精度的因素,以提高系统测量精度、简化系统电路结构、降低系统设计成本为目标,设计了一种基于相位法的激光测距系统。
在相位法测距原理和差频测相原理的理论基础支撑上,搭建了基于相位法的激光测距系统。
在时钟生成模块,设计了基于CPLD控制的LMK04000时钟生成电路,在分析了时钟相位噪声对测量系统误差影响以及时钟信号中谐波对系统测量的影响,提出了简化时钟电路的设计方案。
通过分析光电二极管放大电路的噪声以及系统的最远可探测距离影响因素,对光电二极管放大电路进行了优化设计,降低了电路输
出总噪声;改进了激光调制驱动电路,提高了驱动电路的驱动功率。
设计了差频输出模块电路,将高频信号频率降至低频信号,降低了对于AD芯片的采样频率要求。
在完成系统电路设计的基础上,对系统各模块电路进行了仿真,通过仿真结果可
以看出各个模块电路能够实现其相应功能,验证了系统的可行性。
本论文设计的基于相位法的激光测距系统基本可以达到预期的设计要求。
用于相位法激光测距的电路系统设计
用于相位法激光测距的电路系统设计激光测距是一种常用的非接触式测量技术，可以精确测量目标物体与测距仪的距离。
相位法激光测距是其中一种常见的方法，通过测量激光光波的相位差来计算距离。
下面将介绍一个基于相位法激光测距原理的电路系统设计。
1. 激光发射电路：设计一个激光二极管的驱动电路，可以通过电流控制二极管的发射光强。
使用一个恒流源以确保驱动电流的稳定性。
此外，还需要添加一个调节电路，可以根据需要调整激光发射的光功率。
2. 光电检测电路：将光电二极管作为光电检测元件接在测距仪上，用于接收激光反射光信号。
光电二极管产生的电流与光的强度成正比。
使用一个高增益的放大器将光电二极管产生的微弱电流信号放大。
3. 相位差测量电路：使用一个相位差测量电路来测量激光光波发射和接收之间的相位差。
该电路可以采用锁相放大器或频率调制技术。
在锁相放大器中，将激光发射的信号作为参考信号，将光电二极管接收到的信号作为待测信号输入。
锁相放大器可以精确测量相位差，并输出一个稳定的直流电压信号。
4. 距离计算电路：将锁相放大器输出的直流电压信号输入到距离计算电路中，根据相位差和激光波长的关系，计算出目标物体与测距仪之间的距离。
该电路可以通过编程芯片或者专门的测距芯片来实现距离计算。
以上是一个基于相位法激光测距原理的电路系统设计。
通过精心选择和设计各个电路模块，可以实现高精度和稳定的激光测距功能。
需要注意的是，在实际设计中还需考虑电路的抗干扰能力、功率稳定性和其他实际应用需要的因素。
在激光测距中，相位法是一种常用的方法，能够提供高精度和高稳定性的测距结果。
相位法激光测距的原理是通过测量激光发射和接收之间的光波相位差来计算目标物体与测距仪之间的距离。
在设计电路系统时，需要考虑到激光发射电路、光电检测电路、相位差测量电路和距离计算电路等各个环节。
首先，激光发射电路是相位法激光测距系统中的重要组成部分。
它负责驱动激光二极管发射具有稳定光强的激光光束。
基于_C_OS_II的嵌入式脉冲激光测距系统
图 1 脉冲激光测距测量时序图
收稿日期：2007-01-26 E-mail：yanjingsun@ 基金项目：国家技术创新基金项目 (05C26213200595)。 作者简介：孙彦景 (1977－)，男，山东滕州人，讲师，研究方向为嵌入式系统、无线传感器网络； 张徴，男，硕士，研究方向为嵌入式系统、 检测技术。
同
时
测
量时 间也增加 了 倍。本文介 绍的 TDC-GP1 处 理一次测 量结
果的 时间是 4.2 s，而设测量距 离为 1 000 m，激 光往返一 次的
时间 是 6.67 s，如此 若进行多次测量取 平均的操作，则会 严重 影响 测距仪的 连续测量能 力。因此 ，在系统设 计过程中，要根
据不 同的测距 原理提出相 应的系统优 化算法，来减小系 统误
激 光 器
分光镜 … 合作目标
触发器 20 MHz
8 位 MCU
TDC-GP1 START STOP
APD 探测器
LCD 显示
N= Nr?
图 2 激光测距系统功能框架
2.2 飞 行时间 测量 法 按照脉冲 法测距原理 的描述，激 光从发射 触发 START 信
相位式激光测距原理及其技术实现
相位式激光测距技术实现（1）
一、激光调制的实现
由于采用多尺度测量，而且是运用间接测尺频 率方式和差频测相技术，这就要求系统必须有一套 高性能的频率发生装置，实现多种频率的高速切换。 而且为保证测量精度，要求频率发生器的精度很高。 传统的压控振荡器不仅频率稳定速度慢，而且频率 精度不高，不能胜任激光调制的任务。目前在电子 工程领域得到广泛应用的DDS(直接数字频率合成) 技术，非常适合作为这里对激光进行调制的频率源。
相位式激光测距技术实现（2）
DDS的原理框图
目前许多芯片公司都已生产了性能可观的DDS芯片， 如Standford公司的STEL2375，其最高工作频率可达 1GHz，输出信号带宽为400MHz，频率分辨力为mHz级。 可见，这些性能指标完全可以满足激光调制的需要。
相位式激光测距技术实现（3）
二、相位差测量的实现
相位式激光测距原理分析（4）
三、间接测尺原理（1）
上述的直接测尺频率方式在实际应用中会遇到频带过宽，测
相精度难以实现的问题。例如：要求测程100km，精度0.01m，
测相精度为1／1000，则对应的直接测尺长度为10150kHz，15MHz，频带宽近15MHz。
相位式激光测距原理分析（6）
四、相位差测量原理 （1）
主控振荡器信号 es1 =Acos(ωs t+ φs) 本地振荡器信号 el =Acos(ωl t+ φl) 接受到的信号 es2 =Acos(ωs t+ φs +Δφ)
相位式激光测距原理分析（7）
四、相位差测量原理（2）
混频后输出：
参考信号 er =Dcos[(ωs –ωl)t+(φs- φl)] 测距信号 es =Dcos[(ωs –ωl)t+(φs- φl)+ Δφ] 取ωs –ωl在几kHz到几十kHz，这样包含相位差信息的正弦信
相位式激光测距原理
相位式激光测距原理
相位式激光测距原理是一种利用光学原理测量物体距离的方法。
其基
本原理是将激光束发送到目标物体，经过反射后接收回来，然后根据
光的相位差计算出物体到激光测距仪的距离。
下面将会逐一讲解相位
式激光测距原理的详细内容。
1. 激光的发射
相位式激光测距仪通过激光器发射一束定向、单色、激光光束，将激
光传输到目标体上。
2. 激光的接收
激光的接收有两种方法，其中一种可以使用普通的接收型光电二极管
来完成，另一种则需要使用相位测量的方法。
3. 相位差的测量
通过对激光发射时和接收时的相位差进行测量，得到目标到发射点的
距离，这个距离与光的波长有关。
4. 数据的处理
将测得的距离进行处理后，即可得到精确的目标距离数据，同时在数
据处理的过程当中，还可以实现自动跟踪，提高了装置的实用性。
总之，相位式激光测距原理是一种非常先进和高精度的测距方法，其
原理也比较复杂，需要参考一定的物理学知识，而在工业、航空航天、军事等领域都有广泛的应用。
相位式激光测距全数字锁相环控制系统
的输 出也是 一个 直 流 电压 ， Ｏ 的频率 也将 停止 变化 ， 时 ， 路处 于 “ ＤＣ 这 环 锁定 状态 ”】。全数 字锁 相 环 的电路 完 ［ ］ 全 数字 化 ， 用 逻辑 门 电路 和触发 器 电路 。系 统 中只有 “ 使 导通 ” 截止 ” 种工 作状 态 ， 外界 和 电源 的干 扰 的 和“ 两 受
第 ２ ４卷第 ７期
２１ ０ ２年 ７ 月
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖ ｏ ． ４，Ｎ Ｏ． １２ ７
Ｊ１ ｕ．，２ １ ０２
文 章 编 号 ： １ ０—３ ２ ２ １ ） ７１０ —４ ０ １４ ２ （ ０ ２ ０ — ７ ５０
器 等 逻 辑 设 备 组 成 ， 统 中的 信 号 全 部 为 数 字 信 号 。 实验 结果 表 明 ， Ｆ Ｇ 内 部 的 参 考 信 号 为 ４ 系 当 Ｐ Ａ ０Ｈｚ时 ， 采
样 周 期 为 ０ ０ ５Ｓ 滤 波 器 在 ３ ０ｍｓ达 到 约 ５Ｖ 的 电 压饱 和状 态 Ａ Ｌ ．２ ， ０ ＤＰ Ｌ系 统 避 免 了 模 拟 电 路 中 常 常 遇 到 的 不全传输 、 寄生 能力 、 度 浮 动及 老 化 等 问题 ， 且 可 以 在 使 用 重 置 器 件 的情 况 下 运 行 ， 此 很 容 易 测 试 和 复 温 并 因
锁相环（Ｌ ） Ｐ Ｌ 技术 在众 多领 域 得 到 了 广 泛 的应 用 ， 时钟 同步 、 频 、 号 处 理 、 制 解 调 、 率综 合 等 。 如 倍 信 调 频 传 统 的锁相 环 由模 拟 电路实 现 ， 全数 字锁 相环 （ Ｐ Ｌ 与传 统 的 Ｐ Ｌ相 比， 有精 度 高且 不 受 电压 和温 度影 ＡＤ Ｌ ） Ｌ 具 响、 中心频 率 和环路 带 宽编 程可 调 、 易于 构建 高 阶锁相 环等 优点 ， 且 在数 字 系统 中应 用 时 ， 并 不需 Ａ／ Ｄ及 Ｄ／ Ａ 转 换 。将 ＡＤＰ Ｌ运用 于激 光相 位测 量 中 ， 以大 幅提 高 测 量 精度 和 系 统稳 定 性 。数 字 锁相 环 一 般 由数 字 鉴 Ｌ 可 相 器 （ Ｐ ） 数字 环路 滤波 器 （ Ｆ 、 Ｄ Ｄ、 ＤＬ ） 数字 压控 振荡 器 （ Ｏ） 部 分组 成 。全数 字锁 相环 的输 入信 号 和本 振信 ＤＣ ３ 号 分 别是 正 弦和余 弦信 号 ， 它们 在数 字鉴 相器 内进 行 比较 ， 数字 鉴相 器 的输 出是一 个与 两者 间 的相位差 成 比例 的 电压 。数 字环路 滤 波器 除去 数字 鉴相 器输 出中的 高频分 量 ， 然后 把输 出 电压加 到数 字压控 振荡 器 的输 出端 ， 数字 压控 振 荡器 的本 振信 号频 率 随着输 入 电压 的变 化 而变 化 。如果 两 者 频率 不 一致 ， 数 字 鉴相 器 的输 出将 则 产 生低频 变 化分 量 ， 通 过低通 滤 波器 使 ＤＣ 的频 率发 生 变化 。只要 环 路设 计恰 当 ， 这种 变 化将 使本 振 信 并 Ｏ 则 号 的频 率与 数字 鉴相 器输 入信 号 的频率 一致 。最 终 ， 如果 本振 信号 的频 率 和输 入信号 的频 率完全 一致 ， 者的 两
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LabVIEW的相位式激光测距系统的软件设计与实现
基于LabVIEW的相位式激光测距系统的软件设计与实现蔡薇;李昆【摘要】针对传统应用CPLD, FPGA或ARM等嵌入式处理器的相位式激光测距系统,本文运用美国NI公司推出的“图形化”程序开发环境( LabVIEW),设计实现了基于LabVIEW的相位式激光测距系统的软件程序,用于对被测目标距离测量时的程序控制和数据处理。
文章简述了相位式测距的基本原理及LabVIEW功能与实现,就相位式激光测距系统的程序控制和数据处理部分做了详细阐述,并给出了LabVIEW数据处理部分的相关测量仿真实验结果,为应用LabVIEW完成相位式激光测距的数据处理提供了一个可行的方案和参考。
%phase laser ranging system based on the traditional application of CPLD, FPGA, ARM or other embedded processors, we design and implement the software of the phase laser distance measuring system, for controlling processes and processing data in the target distance or length measurement.The software was written in the “graphical” programming environment( LabVIEW) which was launched by National Instrument company.This paper briefly introduces the basic prin-ciples of the phase distance measurement and implementation of LabVIEW function, the system control and data processing of the phase laser distance measuring system is introduced in detail, and the relevant measurement simulation and experi-mental results of the LabVIEW data processing part are given, providing a feasible scheme and reference dataprocessing phase laser ranging for LabVIEW application.【期刊名称】《计测技术》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】5页(P66-70)【关键词】激光测距;LabVIEW;相位测量【作者】蔡薇;李昆【作者单位】中航发动机有限责任公司，北京100028;中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095【正文语种】中文【中图分类】TP311.52;TB920 引言无论是航空、航天、兵器等国防军工领域，还是大地、工程测量等民用领域，对长度和距离的测量都是必不可少的。
相位法激光测距的理论设计（综合最新版）
相位法激光测距的理论设计（综合最新版）第一篇：相位法激光测距的理论设计(综合最新版)相位法激光测距的理论设计摘要本文介绍了半导体激光技术,并在传统的相位法激光测距原理的基础上, 参考激光测距光学系统设计,运用数字相关检测的测量方法，提出一种把直接数字频率合成(DDS)技术和数字信号处理(DSP)技术相结合的新的相位激光测距理论设计，这种设计有助于简化电路、提高相位测距的精度。
关键词：相位激光测距，数字相关检测，数字信号Phase Type Laser Ranging Theoretical Design This article introduced the semiconductor laser technology, and in the traditional phase laser ranging principle foundation, the reference laser ranging optical system design, Using digital correlation detection measuring technique,proposing one kind the new phase laser ranging theoretical design which(DDS)technical and the digital signal processing(DSP)the technology unifies the direct digital frequency synthesis, for could overcome in the traditional phase range finder method the precision to enhance, the measuring range with difficulty difficulty with increases, the electric circuittoo is complex and so on the shortcoming provides has been possible to supply the reference the theoretical design.Key word：PHASE LASER RANGING，DIGITAL CORRELATION DETECTION，DIGITAL SIGNAL目录第一章引言 (4)第二章国内外研究状况.................................................................................................5 第三章激光测距光学系统 (7)3． 1 激光测距仪的系统结构.........................................................................................7 3．2光学系统图示..........................................................................................................8 3．3 光学系统设计主要部件功能与作用.....................................................................9 3．4 主要参考性能数据...............................................................................................10 第四章数字相关检测技术改进方法设计. (11)4． 1 激光相位式测距的基本原理.............................................................................11 4．2 数字信号处理(DSP)的简述 (13)4.2.1 数字信号处理的主要研究内容....................................................................14 4.2.2 测试信号数字化处理的基本步骤................................................................14 4.2.3 数字处理信号的优势....................................................................................15 4．3 直接数字频率合成技术 (15)4.3.1 DDS的基本工作原理....................................................................................16 4．4 改进的数字测相的框图设计...............................................................................16 第五章小结. (22)参考文献.............................................................................................................23 致谢........................................................................................................................... (24)第一章引言第一章引言激光，是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。
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]。
《相位法激光测距仪设计》
《相位法激光测距仪设计》（原创实用版）目录一、引言二、相位法激光测距仪的原理与结构1.相位法激光测距仪的工作原理2.相位法激光测距仪的结构组成三、相位法激光测距仪的关键技术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3.数字鉴相器的设计四、相位法激光测距仪的性能提升1.整体结构和性能的改进2.数字化与自动化程度的提高3.测距仪适用性的增强五、结论正文一、引言激光测距仪是一种非接触式的测量仪器，它可以通过激光束来测量目标物体的距离。
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。
相位法激光测距仪利用检测发射光和反射光空间传播中的相位差来检测距离，具有较高的精度和较远的测量范围。
因此，在许多应用场合，相位法激光测距仪已经成为了首选的测距工具。
本文将从相位法激光测距仪的原理、结构、关键技术以及性能提升等方面进行详细介绍。
二、相位法激光测距仪的原理与结构（一）相位法激光测距仪的工作原理相位法激光测距仪的工作原理是利用激光器发出一束激光，经过调制后射向目标物体，然后通过接收器接收目标物体反射回的激光束。
在接收过程中，通过检测发射光和反射光之间的相位差来计算目标物体与测量仪器之间的距离。
具体来说，相位法激光测距仪通过测量激光束的发射和接收之间的时间差，结合光速，可以计算出目标物体与测量仪器之间的距离。
（二）相位法激光测距仪的结构组成相位法激光测距仪主要由激光器、调制器、发射器、接收器、相位检测器和数据处理器等组成。
激光器负责发射激光束，调制器负责对激光束进行调制，发射器负责将激光束射向目标物体，接收器负责接收目标物体反射回的激光束，相位检测器负责检测发射光和反射光之间的相位差，数据处理器负责对检测到的相位差进行处理，从而计算出目标物体与测量仪器之间的距离。
三、相位法激光测距仪的关键技术（一）欠采样技术与同步检测原理在相位法激光测距仪中，欠采样技术与同步检测原理是一种常用的测相方法。
激光相位法测距
（2）-5V 电源 开关电容芯片 LM2662
（3）+3.3V 主要用于单片机
STC12LE5A16S2，CPLD 器件 EPM:240T100C5N 以及 AD9954的I/O 口供电
-5V电源产生电路
+3.3V电源产生电路
（4）+1.8V 主要用于DDS芯片AD9954的内核供电
频率 切换 控制
单片机 系统控 制与数 据处理
驱计 动数 控值 制
频率综 合电路
本 振
激光调 制发射
内光路
参考
光电接
收前置 放大
反
射
光电接 收前置
外光路 面
放大
测量
50M带通 5M带通 50M带通 5M带通 滤波器 滤波器 滤波器 滤波器
50.001M 5.001M
整形
CPLD差 频与数 字检测
通
主要元件：两片AD9954（直接数字式频率合成器）， ATM128单片机， EPM--240T100C5N， 液晶显示器LCD12864，开关电容芯片LM2662 ，低压差电压调节芯片LM1117， LM2596-5.0（开关电压调节器）， 电平转换芯片MAX3232和DB9的串口线接口， 高速比较器芯片AD8611， 高速电流反馈宽带运放AD8001 单刀双掷（SPDT)模拟开关ADG636， 电压反馈放大器AD8045， 激光二极管BOS650010， 双路、宽带跨导法原理图
在“开门”时间内，计数器得到的单次检相脉冲数
闸门时间内，检相次数n可表示为：
总脉冲数
该分辨率是由 (时标脉冲频率）、_/；(差频信号频率）和 (高频调制频 率）三者共同决定的。
填充脉冲频率越高，检相精度也越高。在本系统中，正是利用了高速 CPLD实现高频脉冲的填充，来提高测量精度的。
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
—
旦圈 圆：
麓相 Ｉ
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 ，
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λ=c/f式中c是光速，λ是调制波形的波长。
由图可知，光波从 A 点传到 B 点的相移φ 可表示为φ= 2 mπ +∆φ = ( m +∆m )2π式中，m 是零或正整数，∆m 是个小数，∆m=∆φ/2π。
A,B 两点之间的距离L 为L=ct=cφ/(2πf)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。
激光测量仪器的嵌入式系统开发与优化
激光测量仪器的嵌入式系统开发与优化激光测量技术在各个领域都得到广泛应用，例如工业制造、医疗诊断、环境监测等。
为了更好地满足不同领域的需求，激光测量仪器的嵌入式系统开发与优化变得尤为重要。
本文将介绍嵌入式系统在激光测量仪器中的应用，以及系统开发与优化的关键方面。
一、嵌入式系统在激光测量仪器中的应用激光测量仪器通常包括激光发射器、激光接收器和信号处理单元。
嵌入式系统在这些模块中发挥着关键作用。
首先，激光发射器的稳定性和精度对测量结果的准确性至关重要。
嵌入式系统可以控制激光器的电流、温度和频率等参数，确保激光发射的稳定性。
其次，激光接收器的灵敏度和动态范围需要嵌入式系统进行精确控制和调整，以适应不同测量环境的需求。
最后，信号处理单元利用嵌入式系统进行激光信号的处理和分析，提取出目标物体的特征并计算出测量结果。
二、嵌入式系统开发的关键方面1.硬件平台选择嵌入式系统的硬件平台选择是系统开发的第一步。
在激光测量仪器中，需要考虑的因素包括处理能力、功耗、接口类型等。
通常，选择低功耗的嵌入式处理器可以保证系统的长时间稳定运行，并且需要具备足够的计算能力来满足实时处理的需求。
此外，选择合适的接口类型来和其他模块进行通信也是至关重要的。
2.软件开发环境在嵌入式系统开发中，选择合适的软件开发环境对于提高开发效率和系统稳定性非常重要。
开发环境应该提供完善的开发工具和库函数，以便开发人员能够快速进行系统开发和调试。
同时，选择一种稳定的操作系统也是必要的，可以提供良好的任务调度和内存管理能力，以确保系统的实时性和稳定性。
3.实时性要求由于激光测量仪器通常需要对激光信号进行实时采集和处理，因此系统的实时性要求非常高。
实时性能的保证主要包括两个方面：任务调度和中断响应。
合理的任务调度算法可以确保高优先级的任务优先执行，并且避免任务之间的冲突。
良好的中断响应能力可以保证系统能够及时响应外部事件的触发。
三、嵌入式系统优化的关键方面1.功耗优化激光测量仪器通常需要长时间的连续工作，因此功耗成为一个重要的优化方向。
基于嵌入式自动测相技术的激光测距系统设计
基于嵌入式自动测相技术的激光测距系统设计邓军荣;王东;王宇;张红娟;高妍;靳宝全【摘要】针对现有激光测距集成方案稳定性不高的情况,利用ARM处理器实现测相、运算、控制显示等功能,采用差频测相技术,设计了基于嵌入式自动数字测相技术的激光测距系统.优化激光调制发射电路,实现不同阈值电流半导体二极管的驱动;设计自动增益电路用于减小回波信号幅值的波动范围,从而提高系统稳定性;设计基于RC的移相电路,减小由于寄生参量的影响而造成的附加相移误差.系统在0.2～10 m范围内的测量误差小于25 mm,测量波动较小,为实现激光测距系统集成化提供了一种新的思路.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2019(000)007【总页数】6页(P67-71,77)【关键词】差频测相;自动数字测相;ARM;自动增益电路;RC移相电路【作者】邓军荣;王东;王宇;张红娟;高妍;靳宝全【作者单位】太原理工大学,新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原 030024;太原理工大学,新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原 030024;太原理工大学,新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原 030024;太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原 030024;太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原 030024;太原理工大学,新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原 030024【正文语种】中文【中图分类】TP2730 引言激光测距具有方向性高、单色性好、抗干扰能力强等优点[1]，被广泛应用于工业自动化监控、建筑测量、集装箱定位、固体料位控制等场合。
根据测距原理，主要分为脉冲激光测距技术[2-3]和相位激光测距技术[4-5]，其中，相位激光测距技术测量发射光和反射光的相位差，计算出相应距离，具有较高的精度，且系统实现相对简单，易于集成。
相位测距精度主要取决于调制信号频率与相位检测精度[6]，调制信号频率由于电子元件带宽的限制而不能无限增大，因此需要对系统的测相方法进行研究。