相位差式激光测距传感器设计
相位差式激光测距传感器,作为现代工业生产活动中应用的主要精确测距技术,其在工业生产活动中应用的主要是自身的精确测距功能,同时社会经济活动对精确测距系统的需求旺盛,所以相应的相位差式激光测距系统研发的方向高度集中在精度的进一步提升上,顺应这一发展趋势对相位差式激光测距传感器设计的研究具有鲜明的现实意义。
1 相位差激光测距系统综述
1.1 相位差激光测距原理
相位法激光测距是通过测量连续的调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位变化,通过对调制信号传播时间的测量,间接实现对测试距离的测定。其应用的原理是光在一定范围内的传播速度是一定的,通过对光传播时间的统计而掌握其传播全过程的传播距离。但是光速是极快的,在测量实践活动中如果真的使用光速进行距离测量的话,对设备的测量系统的敏感度和响应时间要求都相当高,所以相位式激光测距仪是使用无线电波段的频率,对激光束幅度进行调制并测定较慢的调制光在测量活动中所用的时间,在根据调制光的波长,换算出此相位延迟所代表的距离。
在实际应用中假设测量的目标距离为D,使用相位差式激光测距仪发射调制激光束,激光束在射向目标以后反射回来被接收系统接收。在整个测量活动中调制波往返测试距离所花的时间是t,而已知光波在大气中传播的速度是c,则目标距离D=1/2ct。
但是这只是激光测距系统在理想状态下的距离计算公式,在绝大多事情况下调制波的传播速度都会与真正的光波传播速度有所差距,如果将调制波的波形图按照其在测距活动中的往返距离展开,如图1 所示,就可以看到在调制波回到收发点的相位比出发时延迟了Φ角,由图1可以得出调制波的延迟Φ=1π?t。
1.2 差频测相
在测距活动中为了保证测量系统有较高测量精度,作为测量尺度的调制光必须要有较高的频率。理论上这种调制光频率应该达到几十MHz甚至几百MHz才能保证测距精度,在这样高的频率下直接对发射波和接收波进行相位比较在技术上将遇到极大的困难。较高的调制波频率会导致测距系统的发射器和接收器研发困难重重,即使研制成功其成本也必然会较高。所以当前主流的相位式激光测距系统基本上都采取差频来测相,即在测距仪内通过主振频率和本振频率的混频将参考信号和测距信号变频为中频或者低频信号,然后再对二者之间的差距进行比较。
2 相位差式激光测距系统方案设计与硬件实现
2.1 激光的调制发射电路
相位式激光测距仪测距功能的实现主要是借助激光的传播,所以系统中激光的调制发射电路是其功能实现的基础,一般情况下调制发射电路由直流偏置电路、调制信号发生电路、恒流驱动电路、激光二极管组成。 高频调制信号发生电路是测距仪测距调制光产生和频率调制的系统,其本身是由晶体振荡器MC12061外接10MHz晶体组成,晶体振荡器能够借助震荡晶体产生频率精确的正弦波和方波,因为其自身的组成部件比较少,所以自身的稳定性极高。
在激光测距系统运行过程中,所需要的能源主要由直流信号偏置电路产生,因为调制发射电路独特的运作机制,所以其本身是不能够直接接入直流电源的,通过直流信号偏置电路系统内部的能源供应被转化为直流偏置电压,其温度温度系数在工作温度范围内约为1%,长期稳定性约为0.3%。从激光测距系统工作的总体电压域来看,1%的电压变化导致的电流变化约为0.5mA,这种微弱的电流变化幅度基本上能够满足激光测距系统运行稳定性和测量精度的要求。
2.2 光电检测电路设计
激光测距系统在运行过程中主要通过对调制光的传播时间进行调查,进而实现对待测距离的测定,所以光电检测电路是激光测距系统中必须的基础设备,为了保证激光测距仪的测量精度,当前的激光测距仪调制光的频率都是较高的,基本上都在10MHz级别,要想对这一频率的正弦调制光进行有效的检测,光电探测器必须具备很短的响应时间,这样才能保证系统的延迟时间不会对距离测定产生直接影响,当前使用的主要检测元件为PIN光电二极管,这种二极管的响应时间可以达到ns级别,而且在运行过程中并不需要较高的反向偏压来维持元件的敏感度,能够减轻其他系统的负担,是比较适合激光测距仪的光电检测电路的,但是PIN还是存在着一定的缺陷的,那就是其输出的电流比较小,传达的检测信号只有数微安,所以在实际应用中应该设置一个前置放大电路。
2.3 频率综合电路设计
相位差式激光测距系统在应用中最突出的特点就是其自身的测量精度,但是系统内部可能对测量精度产生影响的因素有很多,所以当前激光测距仪多采用锁相环技术,保证主要的测量频率信号能够保持在高稳定低飘逸度的状态。
锁相环路是一个闭环的跟踪系统,它能够跟踪输入信号的相位和频率,在跟踪过程中其自身反映的频率基本上都不会与输入信号产生频差的。相当于相位差式激光测距系统中的窄带跟踪滤波器,能够跟踪淹没在噪声之中的微弱信号,保证系统始终处在一个稳定的运行环境中,因为这一特性其在电子设备中广泛的应用。
作为激光测距系统中的跟踪滤波器,其本身由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成,其中鉴相器是系统中相位的比较装置,能够将系统的输入信号与压控振荡器输出信号进行相位比较,产生对应于两个信号相位差的误差电压;环路滤波器的主要功能是对系统电路中的异常电压进行监测和控制,因为激光测距系统中调制光的频率对最终的测距结果影响较大,系统电路中的电压异常导致的高频成分和噪声会导致系统环路中的调制光频率生产变化,影响测定结果;压控振荡器是环路滤波器的动作部分,环路滤波器风险系统环路中的电压异常以后,压控振荡器启动对环路中的电压进行控制,让其频率向输入信号的频率靠拢,直至环路中电压域输入信号的频差小时,环路锁定。
2.4 混频电路设计
在激光测距系统运行过程中,系统接收到测量的返回信号以后,经过滤波器放大其本身已经形成了一个较为标准的正弦信号,为了保证测定信号较高的计算效果,需要对测量信号与参考信号进行混频已得到差频信号,为传播距离的测定奠定坚实的基础,在测量实践中混频电路的好坏直接影响到测距系统的性能指标,当前主流的混频电路主要由Golbert乘法器或者其他的非线性元件实现,其电路有晶体三极管混频电路、二极管混频电路以及模拟乘法器混频电路等多种形式。
3 结 论
在现代工业发展的需求推动下,激光测距系统尤其是相位差式激光测距系统有了较大的发展,但是其在测量精度度上仍然不能满足现代工业发展的需求,所以当前相位差式激光测距的研发要点主要集中在测定精度的提高上,因此对相位差式激光测距传感器设计的研究具有鲜明的现实意义,本文从相位差激光测距系统综述、相位差式激光测距系统方案设计与硬件实现两个方面对这一问题进行了简要的分析,以期为相位差式激光测距传感器设计水平的提高提供支持和借鉴。