激光测距中数字鉴相器的设计

１ 引 言 激光是 ２０ 世纪最伟大的发明之一， 随着激光 科学和激光技术的发展， 激光已广泛应用于医疗、 国防、 通信 和 工 业 生 产 等 领 域。由 于 激 光 具 有 单 色性好、 方向性强等特点， 还被广泛应用于距离的 测量。目前， 激光测距的原理主要有脉冲法和相 位法， 相位 法 激 光 测 距
５］ 在相位测距的多值性问题 ［ ， 而本文主要研究近距 ［ ４］
表示为： 个直流信号分量 Ｄ ， （ ２） ｒ（ ｔ） ＝α Ｅ·ｓｉｎ （ ２π ｆ ｔ ＋θ Ｄ ｒ ）＋α Ｐｈａｓ（ ｔ） 和 Ｑｕａｄ （ ｔ） 是与调制信号同频的两路 正交信号， 表示为： Ｐｈａｓ（ ｔ） ＝ｓｉｎ （ ２π ｆ ｔ ＋θ ０） （ ３） Ｑｕａｄ （ ｔ） ＝ｃｏｓ（ ２π ｆ ｔ ＋θ ０） ｔ）通过多路开 系统初始化过程中， 发射信号 ｓ（ Ｅ Ｖｉ （ ｔ） ＝ｓ（ ｔ） ·Ｐｈａｓ（ ｔ） ＝ ｃｏｓ（ θ θ ｓ － ０ ）＋Ｄ· ２ Ｅ ｓｉｎ （ ２π ｆ ｔ ＋θ ｃｏｓ（ ４π ｆ ｔ ＋θ ０ ）－ ｓ －θ ０） ２ Ｖｑ （ ｔ） ＝ ｓ（ ｔ） · Ｑｕａｄ （ ｔ） ＝ （ ４） ｓ（ ｔ） ＝Ｅ·ｓｉｎ （ ２π ｆ ｔ ＋θ ｓ ）＋Ｄ
数、 仅需要很少的外部控制信号等优点， 广泛应用于 数据量大、 采样率高的信号处理系统中。 ＣＩＣ 滤波 器有两种结构， 抽取滤波器和插值滤波器， 对于激光 测距 系 统， 调 制 信 号 具 有 很 高 的 频 率， 所需要的
图 １ 数字鉴相器结构框图
ＡＤＣ 芯片的采样率也很高， 为减小数据计算量， 采 用抽取滤波器。抽取滤波器的性能仅有 Ｎ、 Ｍ、 Ｒ三 个参数决定， 其中 Ｎ 控制阻带衰减， 加大 Ｎ 值可以
第 ４５ 卷 第 ２ 期 激 光 与 红 外 ２０１５ 年 ２ 月 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏｌ． ４５ ， Ｎｏ． ２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ， ２０１５
１００１ ５０７８ （ ２０１５ ） ０２ ０１３３ ０５ 文章编号：
３ 数字鉴相器 ３ １ 数字鉴相器的结构 相位法激光测距的关键就是准确、 快速地测量 出发射信号和回波信号的相位差， 传统的数字鉴相 器
［ ６］
Ｉ 和 Ｑ 分别相当于待测角度 Δ 式中， ＝θ θ ｓ － ０ 的余 弦值 Ｘ 和正弦值 Ｙ ， 通过相角计算模块就可得到 。由于调制器产生的调制信号 ｓ（ ｔ）的相位具有 Δ 此 随机性， 因此系统每次启动时 Δ 也具有随机性， 时需要通过反馈电路对调制器进行相位调整 使Δ 。系统进入正常测量模式后， ＝０ （θ ｓ ＝θ ０ ） ｔ）通过多路开关接入系 Δ 保持不变。回波信号 ｒ（ 统， 即 ｅ（ ｔ） ＝ｒ（ ｔ）， 同理可得： Ｉ ＝ Ｅ Ｅ α α ｃｏｓ（ ， Ｑ ＝ ｓｉｎ （ ７） θ θ ｒ －θ ０） ｒ －θ ０） （ ２ ２
［ １］
度， 而速度和精度主要取决于鉴相器的设计， 常用
２］ ３］ 的鉴相方法有 ＦＦＴ 法 ［ 、 密集频谱细化法 ［ 、 数字
相关法和数 字 鉴 相 法 等， 为克服传统的鉴相器测 量速度慢、 数 据 计 算 量 大、 不 易 实 现 等 缺 点， 本文 通过改变鉴 相 器 的 结 构 及 实 现 算 法， 给出了一种 具有测量精度高、 测量速度快、 实现成本低等优点 的新型数字鉴相器。 ２ 相位法测距原理 相位法激光测距的原理是将调制信号通过激光
可以达到很高的测量精
度， 广泛应 用 于 近 距 离 的 测 量。传 统 的 相 位 法 激 光测距主要通过牺牲测量速度换取较高的测量精
作者简介： 赵中民（ １９９０ － ） ， 男， 硕士研究生， 主要研究方向为激光测量技术， 仪器仪表技术， 检测与控制。 Ｅ ｍａｉｌ： ｚｚｍ＿ １９９０＠１６３． ｃｏｍ 收稿日期： ２０１４ ０６ ２６
Ｅ ｓｉｎ （ θ ｓ －θ ０ ）＋ ２ （ ５）
Ｅ Ｄ·ｃｏｓ（ ２π ｆ ｔ ＋θ ４π ｆ ｔ ＋θ ｓｉｎ （ ０ ）－ ｓ －θ ０） ２
由式（ ４） 和式（ ５） 知，Ｖｉ （ ｔ）和 Ｖｑ （ ｔ）均含有直 流分量和高频信号分量， 通过低通滤波器后可得到 包含相位信息的直流分量 Ｉ 和 Ｑ ， 表示为： Ｉ ＝ Ｅ Ｅ ｃｏｓ（ ， Ｑ ＝ ｓｉｎ （ ６） θ θ ｓ －θ ０） ｓ －θ ０） （ ２ ２
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｈａｓｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅ ｆｉｎｄｅｒ
ＺＨＡＯ Ｚｈｏｎｇ ｍｉｎ ， ＸＩ Ｙｏｕ ｂａｏ
（ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１ １７３１ ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅ ｆｉｎｄｅｒ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｎ ｓｈｏｒｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅ ｍｅｎｔＴｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍａｉｎｌｙ ｄｅｐｅｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｈａｓｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ， ａ ｎｅｗ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｈａｓｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒＢｙ ａｄｄｉｎｇ ａ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ， ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｓｉｇｎａｌｓ ｃａｎ ｂｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗｉｔｈ ｏｎｌｙ ｏｎｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｈａｓｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｓａｖｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔＢｙ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＣＩＣ ｆｉｌｔｅｒ， ｔｈｅ ＳＮＲ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｃａｎ ｂｅ ｍａｘｉｍｉｚｅｄＢｙ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ＣＯＲＤＩＣ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ， ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｒａｎｇｅ ｃａｎ ｂｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄＴｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｈａｓｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ ｗａｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ｐｈａｓｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ ｗａｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｍ ａｔｌａｂＦｉｎａｌｌｙ， Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｏｎｅｓ， ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｈａｓｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ ａｒｅ ｂｅｔｔｅｒ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ：ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅ ｆｉｎｄｅｒ； ｄｉｇｉｔａｌ ｐｈａｓｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ； ＣＩＣ ｆｉｌｔｅｒ； ＣＯＲＤＩＣ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ； ＦＰＧＡ
８］ 频信号有不同的衰减， 并在零点处衰减最大 ［ 。表
{
Ｘｎ ＝ Ｋ Ｙｎ ＝０
Ｘ０ 槡
＋ Ｙ０ ２ （ ９）
Ｚｎ ＝ Ｚ０ ＋ ａｒｃｔａｎ （ Ｙ０ ／ Ｘ０ ）
９） 中的 Ｚｎ 即为余弦值和正弦值为 Ｘ０ 和 Ｙ０ 式（ 的角度值。使用 ＦＰＧＡ 、 ＤＳＰ 等器件实现 ＣＯＲＤＩＣ 算 法时， 不可能无限次地旋转， 而旋转的次数决定测量 的精度， 一般根据实际需要， 选择满足精度要求的最 小的 旋 转 次 数。 旋 转 次 数 与 精 度 的 关 系 如 表 ３ 所示。
，
关接入系统， 即 ｅ（ ｔ） ＝ｓ（ ｔ）， 则可得到：
仅通过测量 Δ 离的测量， 因此默认 Ｎ ＝０ ， 间接测 量距离。当 Δ Ｄ 就是激光测距的量程， 为 ２ π时， 几个典型的调制信号频率对应的激光测距的量程如 表 １ 所示。 表 １ 调制信号频率对应的量程
调制信号频率 ／ Ｍ Ｈｚ 量程 ／ ｍ １ １５０ ５ ３０ １０ １５ ２０ ７ ５ ５０ ３ １５０ １
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激 光 与 红 外 第 ４５ 卷
发射器发射出去， 光波遇到障碍物后返回， 通过测量 发射信号与回波信号的相位差， 间接测量距离 计算公式为： ｃ（ ２π ·Ｎ ＋Δ ） ｃ ｃ ＝ ·ｔ ＝ · ２ ２ ２π ｆ ４π ｆ ｃ Δ ＝ ·（ Ｎ＋ ） （ １） ２ｆ ２π ｃ 为调制光波的传播速度；ｆ为调制光波的频 式中， Ｄ ＝ 率； Ｎ 为相位差 中包含 ２ π的整数倍数； Δ 为相 位差中不足 ２ π相位。 单一频率的调制信号无法测量出 Ｎ 值， 也就存
对发射信号和回波信号分别鉴相， 然后相减得
到发射信号与回波信号的相位差。本文给出了一种 新型数字鉴相器， 其结构框图如图 １ 所示。在测距 系统初始化过程中， 多次测量发射信号与正交信号 （ Ｐｈａｓ（ ｔ） 和 Ｑｕａｄ （ ｔ） ） 的相位差， 并通过反馈回路控 制调制器对发射信号进行相位调整， 最终使发射信 号与正交信号同频同相。初始化完成后， 系统进入 正常测量模式， 只需要测量回波信号与正交信号的 相位差， 即为回波信号与发射信号的相位差。使用 这种数字鉴相器， 每个测距系统中只需要一个数字 鉴相器， 最大限度地减少了资源消耗。另外， 在正常 测量过程中， 鉴相器输出结果即为发射信号与回波 信号的相位差， 无需再进行减法运算， 提高了相位测 量的速度。
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激光测距中数字鉴相器的设计
赵中民， 习友宝
（ 电子科技大学电子工程学院， 四川 成都 ６１ １７３１ ）