激光测距仪原理样机设计.doc

激光测距仪原理样机设计 姜 锐 2013/1/30 1 测距原理设计 目前激光测距仪所采用的测距方法主要有：脉冲法、相位法、干涉测量法、三角测量法、反馈法测距、纵模拍频测距法。就成熟度和量程来讲，首选脉冲法和相位测量法。本项目采用相位法实现激光测距仪。 众多参考文献中，含金量比较高的两篇作为项目主要参考： 《多频调制的相位法激光测距中若干关键技术研究》 《手持式激光测距仪的研究》 1.1 相位测距基本原理 激光相位测距法即通过测量调制光波往返被测距离时间间隔计算出待测距离的一种测距方法。调制光波经过被测距离后，发射光和接收光会产生相位差，则测距将时间的测定转化为相位的测定。原理如图1所示。 图 1 激光相位测距法原理图 测距光往返时间与光波相位变化之间的关系为 其中：为调制光波的频率；为整周波长计数；为不足一个波长的相位。往返时间与距离的关系为 将带入得 由于和已知，因此只要求得到和，则可以计算出待测距离。 相位检测只能够得到不足一周的，无法确定整周数，也就产生了整周模糊度。为了解决整周模糊度，同时保证测量精度，采用多测尺测量原理。也就是在同一激光频率上调制高低不同的多个频率，通过低频调制信号解决测量模糊度，保证大量程，通过高频调制信号提高距离分辨率，实现高精度。多尺测量原理如图2所示。 图 2 双测尺测量原理 采用频率分别为和的调制光波，分别称其为精尺和粗尺。粗尺的波长，决定了测距的量程（2倍量程小于一个调制光波长），精尺波长短，决定了测量精度。将两个测尺结合起来可以解决大量程与高精度之间的矛盾。 根据测距基本原理可以得到方程组： 在测距仪量程内有，因此上述方程简化为 所以，测量距离的计算公式为： 设计指标要求： 量程：50m；精度：1mm。 假定相位测量精度为，选用粗尺、精尺可以满足测量精度要求。 1.2 混频下变频原理 由于粗尺和精尺的频率较高，使用AD直接进行采样成本较高。因此采用混频方法将频率降低到KHz范围，一可以降低对AD的要求；二可以降低处理器负担。由于混频不丢失相位信息，所以上述方法在激光相位测量原理中普遍采用。假定混频后频率为15KHz，则用户粗尺和精尺的混频参考频率分别为1.485MHz和149.985MHz。混频实现方法可以采用模拟乘法器、混频器或者双栅极MOSFET进行。双栅极MOSFET混频原理可以参考文献《双栅场效应管混频器在相位法激光测距中的应用》。 1.3 相位测量原理 相位测量方法可以采用数字电路、FFT等方法进行。在对比了FFT和apFFT算法以后，决定采用apFFT算法实现相位测量。相比于FFT算法，该算法可以在满足采样定理的任意采样频率下实现采样窗口中心点信号相位的准确测量。apFFT算法可参考《数字信号全相位谱分析与滤波技术》。该算法在FFT算法前，对采样数据进行全相预处理，然后对全相预处理后的数据进行FFT运算，从而提取采样窗口中心点的相位信息。经过Matlab建模分析，在15KHz差频、采样频率为1MHz的条件下，完成511点的采样，进行全相预处理后产生256点全相预处理数据，通过FFT运算提取相位。可以满足精度要求。 值得一提的是AD的量化误差对相位测量有比较大的影响，直观上理解，AD的幅值量化导致对信号的相位量化，从而产生相位的量化误差。因此可以说AD精度决定了相位测量的精度。采用12bit AD，相位测量值的千分位产生误差。 2 激光测距系统设计 根据上述测量原理，系统结构图如图3所示。 图 3 相位式激光测距仪系统结构图 其中KEY和LCD完成与用户的交互。PLL根据MCU指令产生粗尺和精尺以及相应的参考频率，经过LPF转换成正弦波调制到LD后发射。调制波经过目标反射后使用PD接收，经过AMP放大滤波后与参考信号混频，同时发射信号也与参考信号混频，两路混频信号经过LPF滤波后，形成含有发射和接收信号相位信息的低频信号，经过双路AD同步采样后完成apFFT计算，提取相位信息，并计算距离。 3 激光测距仪软件实现 3.1 系统工作模式 为降低系统功耗，系统在开机后进入低功耗模式，定时器产生中断唤醒MCU进行按键检查并进行相应处理。 3.2 定时器软件模块调试 采用TIM2通用定时器，产生定时中断，设置相应标志位，主程序通过标志位检测进行相应相应动作。 3.3 PLL软件模块调试 PLL模块采用I2C接口，采用模拟I2C方式实现对PLL模块的访问。产生20MHz频率验证PLL驱动部分；产生粗尺、精尺及参考频率封装成函数调用。 3.4 Temp传感器模块软件调试 内部温度传感器用于监测环境温度，超过条件下报警并关闭系统。AD采样温度传感器并进行温度的转换，通过串口发送到上位机显示。 3.5 双通道AD同步采集 对双通道AD同步采样数据