一种脉冲_相位式激光测距仪的设计
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直接数字频率合成 (Direct Digital Synt hesis) DDS 技 术与传统的 PLL 频率合成技术相比 ,具有高稳定性 、低漂 移和高分辨率等特点 ,这对于需要产生高稳定性 、高精度 的相位激光测距系统是非常有利的 ,也由此可以在整个系 统中忽略频移的影响 。DSP 数字处理芯片用来实现对相 位差的计算具有高速准确等一系列优点[3] 。本系统充分 利用了脉冲和相位式激光测距各自的优点 ,用脉冲测量增 加测量距离的同时通过数字鉴相提高距离的分辨率 ,运算 速度快 ,测量精度高的同时具有抗干扰能力强 、体积小 、重
图 1 脉冲相位式激光测距系统框图 为减小噪声干扰 ,提高 DDS 的频谱纯度 ,选用低相位 实现距离的粗测 ,而精测部分则完全由对发射信号和回波
噪声的器件 ,采用对电源有良好去耦合的高稳定高纯度的 时钟信号 。同时运用同轴线馈入时钟信号 ,以防时钟的泄
信号的相位差的测量精度决定 。由此 ,限制系统测量精度 的主要因素是对相位差的测量 ,以前的设计系统中对相位
差 ,设最大点为 k0 ,最大点的相位为 <则有相位差
θ= Nf 0<
(10)
k0 f s
由此即可求得距离差为 :
d=
c 2
×2π1 f
×θ
(11)
由最后的公式知 ,DSP 只需要对选频信号分别采样 ,
做 FF T 变换后点乘 ,并求取此时最大值的相位和位置即可
求出相应的距离差 。
由以上测距公式知信号为 30 M Hz 时 , 采样频率为
800 k Hz 的情况下 ,如果想让系统达到 1 mm 的测距精度
则理论分析有 :
Δθ = 4πf ×Δd/ c
(12)
代入相应的数值有如下计算结果 :
Δθ = 4 ×3. 14 ×30 ×106 ×0. 001/ (3 ×108 )
Δθ = 4π/ 10000≈0. 001
也即相位鉴别精度需要达到千分之一 。
摘 要 : 激光测距仪原理简单 ,集成化和小型化都比较好 。本文设计了一种脉冲2相位式激光测距仪 ,综合利用了脉 冲式测距范围大和相位式测距精度高的优点 。利用直接数字频率合成 (DDS) 信号发生技术产生高稳定低漂移的测量 信号 ,通过脉冲计数对距离实现粗测 ,利用数字信号处理器件 (DSP) TMS320C6727B 进行数字鉴相实现对距离的精 测 ,保证了测距精度和测距可靠性 ,测量距离 200 m 时测距精度达到厘米级别 。 关键词 : 激光测距 ;DDS ; TMS320C6727B ;数字鉴相 ;脉冲计数 中图分类号 : T H741 文献标识码 : A
数 , 发出的光波到达被测目标后反射 ,在接收端接收光波
的回波并比较接收信号和参考信号的相位差 (同时关闭粗
测计数器结束脉冲计数) 计算待测距离 。测距公式为
d=
ct 2
=
1 2
c×Nຫໍສະໝຸດ +Δ< 2π
×1 f
=
N
+
Δ< 2π
×c 2f
(3)
式中 : c 为调制光波在空气中的传播速度 ; t 为调制光波传
r1 = s ( n)
(5)
回波信号为
r2 = s ( n - T)
(6)
式中 : T 为理论上的时延 ( T 为去除相位模糊也就是去除
π的整数周期后所余下的部分 ,也就是需要精确测量的时
间量) , f s 为信号的采样频率 , f 0 为输入 AD 时的信号频
率 , f 为激光调制器的调制输入信号的频率 ,分别对 r1 和 r2
Abstract :The laser range finder has a simple p rinciple , good integratio n and miniat urization. In t his paper , t he design p hase of a p ulsed laser rangefinder utilization of t he p ulse range and p hase2type Ranging accuracy. It used Direct Digital Synt hesis (DDS) technologies to p roduce low drift , high stability measurement of signals , used high f requency p ulse to realize ro ugh measurement of t he distance and uses t he DSP ( TMS320C6727B) to do t he digital p hase identification to realize t he essence of distance measurement , as a result of t his , it imp roves t he p recision of distance measurement accuracy and reliability. The range finder in t he measurement of distance to reach 200 meters when t he measurement accuracy can still achieve centimeter2level. Keywords : imp ulse laser range finder ;DDS ; TMS320C6727B ;digital p hase discriminatio n ;p ulse counting
露和辐射 。采用模拟电路和数字电路的隔离技术防止互 相干 扰 , 同 时外 围 用一 个 金属 罩 隔 离 , 屏蔽 外 部 电 磁 干扰[6] 。
差的测量主要是采用模拟鉴相器测量相位差 ,用鉴相器测 相位差存在的问题就是用输出电压的大小来表示相位差 , 精度受到很大的限制 。由距离测量的公式知 ,在发射信号
研究与设计
电 子 测 量 技 术 EL EC TRON IC M EASU R EM EN T TEC HNOLO GY
第 32 卷 第 5 期 2009 年 5 月
一种脉冲2相位式激光测距仪的设计
周德亮 张兴敢
(南京大学电子科学与工程系 南京 210093 ;毫米波国家重点实验室 南京 210096)
电 子 测 量 技 术
式中 : D 是待测的距离 , c是光速 ,θ是检测到的相位差 , f 是
光波的调制频率 ,这是一种间接测距法 ,只要检测到发射
信号和接收信号之间的相位差 ,就能求出被测量的距离。
传统的相位式测距一般采用连续光源激光器 ,测程较短 ,
需要合作目标 。但是由于使用了调制等技术 ,存在着较高
求激光器的输出功率大不利于仪器的小型化以保证测量
距离远 ,但是测距精度较差 。 1. 2 相位式激光测距原理
相位式测距是通过将高频正弦调制信号加载到激光
器上 ,利用发射信号和接收信号之间的相位差所含有的距
离信息来实现对被测目标距离的测量 ,相位法测距的公式
D=
c 2
×2πθf
(2)
·21 ·
第 32 卷
3 算法及软件实现
D=
c 2
×2π<f
(4)
在脉冲相位式激光测距仪中 ,通过对高频脉冲的计数
频率固定的情况下 ,测相精度越高则距离测量越准确 。为 提高测相精度 ,在我们的系统中采用 DSP 来实现快速数字
·22 ·
周德亮 等 :一种脉冲2相位式激光测距仪的设计
第5期
鉴相 。 设输入信号 (经选频后的输入信号) 为
图 2 为不同信噪比 (信噪比变化范围为 - 70 到 70) 检 测到的相位均方误差曲线 。图 3 为不同信噪比的相位误 差曲线 :在图 3 中 ,当信噪比非常小时 ,因为噪声太大 ,而
Design of pulse phase shif t laser range f inder
Zho u Deliang Zhang Xinggan
(Depart ment of Elect ronics Science and Engineering , Nanjing Universit y , Nanjing 210093 ; State Key Laboratory of Millimeter Waves ,Nanjing 210096)
做 FF T 变换后有
R1 ( k) = S ( k)
(7)
R2 ( k)
= S ( k) 3 exp
-
j 2πTk f s N
(8)
R1 3 R23
= ( S ( k) ) 2 3 exp
j 2πTk f s N
(9)
此时可以找到乘积最大的点 ,乘积最大的位置也就是
在 S ( k) 对相位没有影响的点 , 用这个点来近似计算相位
2 系统硬件设计
脉冲相位式激光测距仪的原理框图如图 1 所示 。其 电路 设 计 的 核 心 部 分 为 DSP 芯 片 TMS320C6727B 对 AD9850 的控 制 和由 TMS320C6727B 完 成 的 数 字鉴 相 。 我们用一个受控的数字参考频率源产生发送和混频以及 采样信号 。以此解决信号的相位抖动和频率漂移的问题 。 电路的工作过程是 : TMS320C6727B 通过串口的工作方式 与 AD9850 连接 ,并写入相位控制字 ,控制 AD9850 直接数 字频率合成产生 30 M Hz 的连续信号送给调制器产生连续 的激光信号 ,并经光学系统发射给被测目标 ,同时由此打 开粗测计数器的 60 M Hz 的高频脉冲计数[3] 。接收到的回 波信号经 自 增 益 放 大 器 后 首 先 控 制 粗 测 计 数 器 停 止 计 数[5] 。再与 29. 9 M Hz 的混频信号混频 ,通过低通滤波器 选 频 再 经 由 AD 采 样 最 后 送 给 TMS320C6727B , TMS320C6727B 将上述信号测相后通过一精测距离整理 转换然后再送给显示器[7] 。
0 引 言
激光测距仪具有测量精度高 、准直性好 、抗干扰能力 强等一系列优点 ,在各种测量行业中得到了广泛的应用。 激光测距可以分为脉冲式和相位式两种类型 。脉冲式激 光测距仪存在测量精度不高的问题 。相位式激光测距仪 则存在距离模糊 ,现代相位式激光测距 ,多采用多频率测 量的方式解决这个问题 ,但是多辅频相位测距仪体积大 , 成本高 。
4 实验结果和分析
在本文的系统中因为采用了 60 M Hz 的信号做计数脉 冲 ,而 60 M Hz 刚好是发送调制信号的两倍 ,所以在精测计 算过程中不需要考虑距离测量中整数 N 的影响 ,测量相位 的变化范围也只是从 - π到π,相位限定在 - π到π方便 了用反正切的算法求出精确相位差 。保证测量精度的同 时进一步减小计算量 。仿真过程中采用 MA TL AB 每次对 信号采样 1024 个点做仿真 。循环做 1000 次后取平均求相 位 ,同时考虑相位的误差和均方误差 ,由此得到的仿真结 果如下 :
播的全程时间 ; N 表示调制光波全行程中的整周期数 ; Δ</ (2π) 表示不足一个周期的相位比值 ; f 表示送给调制
器的信号频率 。单采用相位激光测距法用单一频率测距
时 , 只能测出不足一个周期的相位比值 ,不能测量整数周
期[2] 。整数周期的测量作为系统的粗测由脉冲计数法实 现 ,脉冲激光测距的原理是通过测量发射和接收激光脉冲 信号的时间差来实现对被测目标的距离测量 ,所以在单个 脉冲周期内的微量无法测量 ,脉冲相位法相结合 ,由此 ,即 可让系统同时达到大范围 、高精度的要求[8] 。
量轻等特点 。
1 激光测距的原理
1. 1 脉冲式激光测距原理 脉冲激光测距是通过测量发射和接收激光脉冲信号
的时间差来实现对被测目标的距离测量 ,测量公式为 :
L
=
ct 2
(1)
式中 : L 是测量距离 , c 是光速 , t 是测距信号往返时间 。通
过计算高频计数脉冲的个数来实现测距 ,这种测距一般要
的精度 。现在的相位式激光测距仪多采用多辅助频率的
方式来提高测量距离 ,但是这样一般对信号的频率要求更
高 ,稳定度要求也更高[1 ,4] 。
1. 3 脉冲相位式激光测距仪
脉冲相位法测距综合了脉冲式和相位式的优点 ,其基
本原理是发射端发出按某一频率周期变化的调制光波 ,发
射的同时由调制信号打开粗测脉冲计数器阀门 , 开始计
图 1 脉冲相位式激光测距系统框图 为减小噪声干扰 ,提高 DDS 的频谱纯度 ,选用低相位 实现距离的粗测 ,而精测部分则完全由对发射信号和回波
噪声的器件 ,采用对电源有良好去耦合的高稳定高纯度的 时钟信号 。同时运用同轴线馈入时钟信号 ,以防时钟的泄
信号的相位差的测量精度决定 。由此 ,限制系统测量精度 的主要因素是对相位差的测量 ,以前的设计系统中对相位
差 ,设最大点为 k0 ,最大点的相位为 <则有相位差
θ= Nf 0<
(10)
k0 f s
由此即可求得距离差为 :
d=
c 2
×2π1 f
×θ
(11)
由最后的公式知 ,DSP 只需要对选频信号分别采样 ,
做 FF T 变换后点乘 ,并求取此时最大值的相位和位置即可
求出相应的距离差 。
由以上测距公式知信号为 30 M Hz 时 , 采样频率为
800 k Hz 的情况下 ,如果想让系统达到 1 mm 的测距精度
则理论分析有 :
Δθ = 4πf ×Δd/ c
(12)
代入相应的数值有如下计算结果 :
Δθ = 4 ×3. 14 ×30 ×106 ×0. 001/ (3 ×108 )
Δθ = 4π/ 10000≈0. 001
也即相位鉴别精度需要达到千分之一 。
摘 要 : 激光测距仪原理简单 ,集成化和小型化都比较好 。本文设计了一种脉冲2相位式激光测距仪 ,综合利用了脉 冲式测距范围大和相位式测距精度高的优点 。利用直接数字频率合成 (DDS) 信号发生技术产生高稳定低漂移的测量 信号 ,通过脉冲计数对距离实现粗测 ,利用数字信号处理器件 (DSP) TMS320C6727B 进行数字鉴相实现对距离的精 测 ,保证了测距精度和测距可靠性 ,测量距离 200 m 时测距精度达到厘米级别 。 关键词 : 激光测距 ;DDS ; TMS320C6727B ;数字鉴相 ;脉冲计数 中图分类号 : T H741 文献标识码 : A
数 , 发出的光波到达被测目标后反射 ,在接收端接收光波
的回波并比较接收信号和参考信号的相位差 (同时关闭粗
测计数器结束脉冲计数) 计算待测距离 。测距公式为
d=
ct 2
=
1 2
c×Nຫໍສະໝຸດ +Δ< 2π
×1 f
=
N
+
Δ< 2π
×c 2f
(3)
式中 : c 为调制光波在空气中的传播速度 ; t 为调制光波传
r1 = s ( n)
(5)
回波信号为
r2 = s ( n - T)
(6)
式中 : T 为理论上的时延 ( T 为去除相位模糊也就是去除
π的整数周期后所余下的部分 ,也就是需要精确测量的时
间量) , f s 为信号的采样频率 , f 0 为输入 AD 时的信号频
率 , f 为激光调制器的调制输入信号的频率 ,分别对 r1 和 r2
Abstract :The laser range finder has a simple p rinciple , good integratio n and miniat urization. In t his paper , t he design p hase of a p ulsed laser rangefinder utilization of t he p ulse range and p hase2type Ranging accuracy. It used Direct Digital Synt hesis (DDS) technologies to p roduce low drift , high stability measurement of signals , used high f requency p ulse to realize ro ugh measurement of t he distance and uses t he DSP ( TMS320C6727B) to do t he digital p hase identification to realize t he essence of distance measurement , as a result of t his , it imp roves t he p recision of distance measurement accuracy and reliability. The range finder in t he measurement of distance to reach 200 meters when t he measurement accuracy can still achieve centimeter2level. Keywords : imp ulse laser range finder ;DDS ; TMS320C6727B ;digital p hase discriminatio n ;p ulse counting
露和辐射 。采用模拟电路和数字电路的隔离技术防止互 相干 扰 , 同 时外 围 用一 个 金属 罩 隔 离 , 屏蔽 外 部 电 磁 干扰[6] 。
差的测量主要是采用模拟鉴相器测量相位差 ,用鉴相器测 相位差存在的问题就是用输出电压的大小来表示相位差 , 精度受到很大的限制 。由距离测量的公式知 ,在发射信号
研究与设计
电 子 测 量 技 术 EL EC TRON IC M EASU R EM EN T TEC HNOLO GY
第 32 卷 第 5 期 2009 年 5 月
一种脉冲2相位式激光测距仪的设计
周德亮 张兴敢
(南京大学电子科学与工程系 南京 210093 ;毫米波国家重点实验室 南京 210096)
电 子 测 量 技 术
式中 : D 是待测的距离 , c是光速 ,θ是检测到的相位差 , f 是
光波的调制频率 ,这是一种间接测距法 ,只要检测到发射
信号和接收信号之间的相位差 ,就能求出被测量的距离。
传统的相位式测距一般采用连续光源激光器 ,测程较短 ,
需要合作目标 。但是由于使用了调制等技术 ,存在着较高
求激光器的输出功率大不利于仪器的小型化以保证测量
距离远 ,但是测距精度较差 。 1. 2 相位式激光测距原理
相位式测距是通过将高频正弦调制信号加载到激光
器上 ,利用发射信号和接收信号之间的相位差所含有的距
离信息来实现对被测目标距离的测量 ,相位法测距的公式
D=
c 2
×2πθf
(2)
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第 32 卷
3 算法及软件实现
D=
c 2
×2π<f
(4)
在脉冲相位式激光测距仪中 ,通过对高频脉冲的计数
频率固定的情况下 ,测相精度越高则距离测量越准确 。为 提高测相精度 ,在我们的系统中采用 DSP 来实现快速数字
·22 ·
周德亮 等 :一种脉冲2相位式激光测距仪的设计
第5期
鉴相 。 设输入信号 (经选频后的输入信号) 为
图 2 为不同信噪比 (信噪比变化范围为 - 70 到 70) 检 测到的相位均方误差曲线 。图 3 为不同信噪比的相位误 差曲线 :在图 3 中 ,当信噪比非常小时 ,因为噪声太大 ,而
Design of pulse phase shif t laser range f inder
Zho u Deliang Zhang Xinggan
(Depart ment of Elect ronics Science and Engineering , Nanjing Universit y , Nanjing 210093 ; State Key Laboratory of Millimeter Waves ,Nanjing 210096)
做 FF T 变换后有
R1 ( k) = S ( k)
(7)
R2 ( k)
= S ( k) 3 exp
-
j 2πTk f s N
(8)
R1 3 R23
= ( S ( k) ) 2 3 exp
j 2πTk f s N
(9)
此时可以找到乘积最大的点 ,乘积最大的位置也就是
在 S ( k) 对相位没有影响的点 , 用这个点来近似计算相位
2 系统硬件设计
脉冲相位式激光测距仪的原理框图如图 1 所示 。其 电路 设 计 的 核 心 部 分 为 DSP 芯 片 TMS320C6727B 对 AD9850 的控 制 和由 TMS320C6727B 完 成 的 数 字鉴 相 。 我们用一个受控的数字参考频率源产生发送和混频以及 采样信号 。以此解决信号的相位抖动和频率漂移的问题 。 电路的工作过程是 : TMS320C6727B 通过串口的工作方式 与 AD9850 连接 ,并写入相位控制字 ,控制 AD9850 直接数 字频率合成产生 30 M Hz 的连续信号送给调制器产生连续 的激光信号 ,并经光学系统发射给被测目标 ,同时由此打 开粗测计数器的 60 M Hz 的高频脉冲计数[3] 。接收到的回 波信号经 自 增 益 放 大 器 后 首 先 控 制 粗 测 计 数 器 停 止 计 数[5] 。再与 29. 9 M Hz 的混频信号混频 ,通过低通滤波器 选 频 再 经 由 AD 采 样 最 后 送 给 TMS320C6727B , TMS320C6727B 将上述信号测相后通过一精测距离整理 转换然后再送给显示器[7] 。
0 引 言
激光测距仪具有测量精度高 、准直性好 、抗干扰能力 强等一系列优点 ,在各种测量行业中得到了广泛的应用。 激光测距可以分为脉冲式和相位式两种类型 。脉冲式激 光测距仪存在测量精度不高的问题 。相位式激光测距仪 则存在距离模糊 ,现代相位式激光测距 ,多采用多频率测 量的方式解决这个问题 ,但是多辅频相位测距仪体积大 , 成本高 。
4 实验结果和分析
在本文的系统中因为采用了 60 M Hz 的信号做计数脉 冲 ,而 60 M Hz 刚好是发送调制信号的两倍 ,所以在精测计 算过程中不需要考虑距离测量中整数 N 的影响 ,测量相位 的变化范围也只是从 - π到π,相位限定在 - π到π方便 了用反正切的算法求出精确相位差 。保证测量精度的同 时进一步减小计算量 。仿真过程中采用 MA TL AB 每次对 信号采样 1024 个点做仿真 。循环做 1000 次后取平均求相 位 ,同时考虑相位的误差和均方误差 ,由此得到的仿真结 果如下 :
播的全程时间 ; N 表示调制光波全行程中的整周期数 ; Δ</ (2π) 表示不足一个周期的相位比值 ; f 表示送给调制
器的信号频率 。单采用相位激光测距法用单一频率测距
时 , 只能测出不足一个周期的相位比值 ,不能测量整数周
期[2] 。整数周期的测量作为系统的粗测由脉冲计数法实 现 ,脉冲激光测距的原理是通过测量发射和接收激光脉冲 信号的时间差来实现对被测目标的距离测量 ,所以在单个 脉冲周期内的微量无法测量 ,脉冲相位法相结合 ,由此 ,即 可让系统同时达到大范围 、高精度的要求[8] 。
量轻等特点 。
1 激光测距的原理
1. 1 脉冲式激光测距原理 脉冲激光测距是通过测量发射和接收激光脉冲信号
的时间差来实现对被测目标的距离测量 ,测量公式为 :
L
=
ct 2
(1)
式中 : L 是测量距离 , c 是光速 , t 是测距信号往返时间 。通
过计算高频计数脉冲的个数来实现测距 ,这种测距一般要
的精度 。现在的相位式激光测距仪多采用多辅助频率的
方式来提高测量距离 ,但是这样一般对信号的频率要求更
高 ,稳定度要求也更高[1 ,4] 。
1. 3 脉冲相位式激光测距仪
脉冲相位法测距综合了脉冲式和相位式的优点 ,其基
本原理是发射端发出按某一频率周期变化的调制光波 ,发
射的同时由调制信号打开粗测脉冲计数器阀门 , 开始计