相位法式激光测距仪的原理及方案设计

第32卷　第1期2009年2月　　　电子器件ChineseJournalOfElectronDevices　　Vol.32　No.1Feb.2009PrincipleandDesignofaNewTypeofPortableLaserRangefinderDUANLin2lin,CUIYi2ping3(AdvancedPhotonicsCenter,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Thepurposeofthispaperistopresentanewtypeoftwofoldmodulationfrequencyphase2shiftla2serrangefinder.Thesystem,takingadvantageofquartzcrystalfilter,usesspecialsignalprocessalgorithmbasedonunder2samplingtechnique.Thealgorithmsolvesthematchingproblembetweenmeasurefrequen2cy,ADCandquartzcrystalfilter’snorminalfrequencyflexibly.Thepaperalsopresentsdesignofthissys2tem,whichiscomparedwithanothesdesignbasedondigitalsynchronousdetection.Keywords:laserrangefinder;undersamplingtechnique;DDS;quartzcrystalfilterEEACC:4360段淋淋,崔一平3(东南大学先进光子学中心,南京210096):2008209201:段淋淋(19802),男,硕士研究生,主要研究方向嵌入式系统研究与应用,[e-mail];崔一平(19572),男,教授,博士生导师,教育部“长江学者奖励计划”特聘教授,主要研究方向为信息光电子及全光通信器件的理论和应用研究工作,[e-mail]:提出了一种新型双频调制方式的相位式激光测距系统。该系统采用石英晶体滤波器对测距信号进行滤波,使用一套独特的基于欠采样测距信号的信号处理算法,灵活地解决了测尺频率、石英晶体滤波器中心频率、模数转换采样频率三者的匹配问题;同时给出了系统的方案设计以及与基于数字同步检测系统方案的对比。:激光测距仪;欠采样;DDS;石英晶体滤波器:TH741　　:A　　:100529490(2009)0120195205　　激光测距仪,作为非接触式的测量仪器,已被广泛使用于遥感、精密测量、工程建设、安全监测以及智能控制等领域,涉及多种学科技术。目前应用较广的激光测距仪,主要为脉冲式和相位式。其中,相位式激光测距仪以其精度高、功率小和便携的特点,适用于民用范畴,有较大的市场和应用前景。1相位法测距通过测定调制光波经过时间t后所产生的相位移,从而求得光波所走过的路程D[6]。如图1所示,A点表示调制光波的发射点,B点表示被测反射面,A’表示光波经被测面反射后的接收点,A与A’两点之间的距离就是光波所走过的路程,它等于待测距离D的2倍,图1中就代表了光波在往返路程上的相位移。图1　相位测距原理图光波在传播过程中相位是不断变化的,用表示光波波长,则每传播一个波长,相位就变化2π。所以距离D、光波往返相位移和光波波长之间的关系为:D=22π(1)'1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.π相当于D内包括的测尺长L的数目。若令=2πN+Δ,式中N是正整数或0,Δ是中不足2π的尾数,则式(1)可写为:D=LN+Δ2π(2)但相位移的整周期数N并不能确定得出,而只能测定其中不足2π的相位移尾数Δ。在式(2)中,若被测距离D小于测尺长度L,则可以确定出D,而当D大于L时,N是不能确定的,这样D也就不能确定,引起多值解。为了解决这一问题,可在测距仪内采用几个长度不同的测尺,将它们配合使用,用较长的测尺做粗测尺,用较短的测尺做精测尺,这样既可保证测量的单值性,又可保证较高的测距精度。一个测尺L对应一个测尺频率,其关系为:=C2L(3)相位式激光测距有分散的直接测尺频率方式和连续的间接测尺频率方式两种[5]。为了保证必要的测距精度,当系统只使用两个长度不同的测尺测量时,精测尺的频率必须选的较高,一般为十几个MHz到几十个MHz,而粗测尺一般为几百个kHz,由系统的测程和精度所决定。分散的直接测尺频率方式即是直接给出精测尺、粗测尺的频率用于测量,但是,这样系统频率调节的跨度大,对系统电子器件的要求高,稳定度差,实现难度高。连续的间接测尺频率方式就不存在这些缺点。其原理是,用f1和f2两个测尺频率分别调制光波去测量同一距离时,两波的相位移为:1=2πf1t=2π(N1+ΔN1)2=2πf2t=2π(N2+ΔN2)其相位之差为:Δ=1-2=2π[(N1-N2)+(ΔN1-ΔN2)]=2π(N+ΔN)(4)式中:N=N1-N2ΔN=ΔN1-ΔN2若用差频(f1-f2)作为光波的调制频率测量这一距离时,其相位移为:ΔΦ’=2π(f1-f2)t=2π[(N1-N2)+(ΔN1-ΔN2)]=2π(N+ΔN)(5)由式(4)、式(5)可见,对同一距离作相位法测量时,两个测尺频率分别测距的相位移之差,等于以这两个测尺频率的频差来测距而得到的相位移。即若(f1-f2)的值等于粗测尺的频率,其相位移便可由两个同数量级别的频率f1和f2计算出,克服了分散的直接测尺频率方式的缺陷。2相位的检测技术,直接影响到测距仪的实用性和应用范围,也决定了整个系统的设计结构,是系统设计方案中的重点。由于仅需获取单频信号相位信息,所以不必遵循Shannon采样定理,可以选择一个合适的较低的采样频率进行欠采样[1]。频率为fA的采样信号将频率为f0的检测信号在频域上进行搬移,这就使得高频信号包含的相位信息在低频甚至直流频率谱线上得以重现,达到降频检测的效果,如图2[2]。图中的fAL为频率搬移后产生的谱线最低频率。图2　欠采样效果示意进入ADC(模数转换)器件的接收信号可以表示为P(t)=aAsin(2πf0t++)+DC其中:f0为激光幅度调制频率;a为由大气传输和电路影响产生的衰减系数;DC为直流偏置值,用以保证检测电路有一个合适的工作范围,为一定值;为光电系统结构和电路传输造成的相移,可认为是恒定值;是由于光传输造成的相移,包含着所需要的距离信息,也就是所要求的相位差。P(t)信号进入ADC器件,由采样频率fA采得的数字信号便为Q(k)=aAsin(2πf0k/fA++)+[DC]　(k=0,1,2,3……)这里提出新的设计方案,设计出发点是利用石英晶体滤波器优良的带通滤波特性来保证测量的精度[4]。由于石英晶体滤波器通带频率限定了测尺频率,SMD(表面贴装器件)封装的石英晶体滤波器D21415AQ,有通频为21.4MHz和21.7MHz的型号,因此测尺频率f0应分别取值为21.4MHz和21.7MHz,由于在此种测尺频率条件下无法选取合适的ADC采样频率来进行数字同步检测[1],所以须重新设计检相算法。当采样速率fA=300kHz时,可得f0=21.4MHz:691电　子　器　件第32卷©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.(k)=aAsin(2π21400k/300++)+DC=aAsin(428πk/3++)+DC=aAsin(k2π3++)+DC　(k=0,1,2,3……)f0=21.7MHz:Q’(k)=aAsin(2π21700k/300++’)+DC=aAsin(434πk/3++’)+DC=aAsin(k2π3++’)+DC(k=0,1,2,3……)可见,以所选两个频率的差值(粗尺频率)作为ADC采样频率采样时,所得结果形式完全相同,这使得可以不管采样数据所对应的频率,只用一套数据处理算法即可检出距离。另外,值得注意的是,这里用300KHz降采样的结果和用3f0采样结果相同,降采样得到的数据也可直接作为3f0下的采样数据直接使用。将采样序列每隔两个数据取出,0、3、6…,1、4、7…,2、5、8…如此组成三组序列,即将一组300KHz采样序列分解为三组100KHz采样序列的叠加,此时(只考虑f0=21.4MHz,f0=21.7MHz形式完全一样):Q0(k)=aAsin(++3n32π3)+DC=aAsin(+)+DC(6)Q1(k)=aAsin[++(3n+1)2π3]+DC=aAsin(++2π3)+DC(7)Q2(k)=aAsin[++(3n+2)2π3]+DC=aAsin(+-2π3)+DC(n=0,1,2,3……)(8)由式(7)减去式(6)可得:Q3(k)=Q1(k)-Q0(k)=2aAcos(++π3)sinπ3=3aAcos(++π3)(9)由式(6)减去式(8)可得:Q4(k)=Q0(k)-Q2(k)=2aAcos(+-π3)sinπ3=3aAcos(+-π3)(10)由式(7)减去式(8)可得:Q5(k)=Q1(k)-Q2(k)=2aAcos(+)sin2π3=3aAcos(+)=Q1-Q2(11)这样便祛除了信号的直流分量,再由式(10)减去式(9)可得:Q6(k)=Q4(k)-Q3(k)=23aAsin(+)sinπ3=3aAsin(+)=2Q0-Q1-Q2(12)根据式(11)、式(12)两式值的正负可以保证检相范围在[0,2π]区间。由式(11)、式(12)两式相除,消去环境影响aA,祛除常数因子3后,求反正切就能得到相位移。3测距系统结构如图3图3图3中,MCU表示微控制器[7],片内集成两个单独的ADC模块,可用同一个信号触发同步采样。DDS表示直接数字频率合成器[8],可由MCU控制产生不同频率的正弦调制信号。QCF表示石英晶体滤波模块,有两个通频带,带宽一般在10kHz左右,中心频率分别为用于测量的两个精尺频率,用以保证检测信号频率纯净。图中的光发射模块中,有一小功率半导体激光管,其光监控电流可作为参考信号用于内光路检测。LA表示对数放大器[9],测量距离及物体光反射特性的不同使得检测到的信号有较大的动态范围,因此需使用对数放大器,尽可能保证被采样信号匹配ADC的转换幅值范围。检测的流程为:MCU控制DDS产生21.7MHz正弦波信号,用以调制激光管,激光监测电流信号作为参考信号,激光出射后,经空气传播再检测,得到检测信号,将参考信号和检测信号分别送MCU的两个ADC采样检测比对后检出21.7MHz测尺频率下的相位移,同理再控制DDS产生21.4MHz正弦波信号,经过同样过程检出相位移,用这两个相位移计算得出粗尺频率相位移,结合21.7MHz精尺频率检测相位移得出距离。将前述数据处理算法运用于检测信号电路算出+,再运用于参考信号电路算出+,表示由于检测信号电路与参考信号电路不同而产生的相位791第1期段淋淋,崔一平:新型便携式激光测距仪的原理及方案设计©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.偏差,为固定值,表示参考信号电路检测到的相位差。这样相减就可以得出-值。显然,两个测尺频率下,直接使用这个算法,MCU需执行四次反余切计算,会加大MCU负担,减慢测距速度,因此要对算法做优化。假定式(11)、(12)为检测信号电路派生的表达式,易得参考信号电路的对应表达式为Q7(k)=3Ac