正交调制降频相位式激光测距仪
激光测距仪以其非接触、实时快速、高精度和大范围等优点广泛应用于工业制造、航空航天以及遥感等领域。随着测量要求的不断提高,激光测距仪的尺寸、精度以及测量速率也不短提升。激光测距原理主要分为三角法、干涉法以及飞行世间法三类。其中,飞行时间测距法因测距精度高、测量范围广以及结构简单而被广泛应用于小型激光测距仪中,改方法进一步又分为脉冲测距法与相位测距法。
激光脉冲测距发射激光脉冲信号,通过测量发射与接受光脉冲的时间差来测量距离,其精度多为米量级,若要实现10mm的测距精度需要高达30GHz的脉冲计数器,因此难以满足环境恶劣与精度要求高的应用场合。激光相位测距使用周期信号调制激光发射强度,测量连续调制激光光波在待测距离来往传播而产生的相位变化,间接测量激光传播时间。相对脉冲测距相位测距可以轻松达到毫米级的测量精度,同时对收发器件频率相应要求较低。
相位测距精度主要取决于调制信号频率与相位检测精度。提高调制频率是提高相位测距精度最简便的方法,但随着调制频率的提升,电子元件的带宽限制会进一步影响激光调制信号的质量,使得回波信号恶化导致高频相位检测难度加大,同时高频电路各分布参数产生的相位误差难以补偿,使得相位检测精度降低,因此测距精度并不随调制频率线性提高。另一方面,相位测距精度取决于相位检测分辨率,基本相位检测方式有幅度解调与二次混频法。其中,二次混频测相法另产生一路高频基准信号,将调制信号与回波信号分别与基准信号进行混频后通过低通滤波器,将待鉴相信号由高频信号转化为低频信号,求解调制信号与回波信号相对基准信号的相移,从而求出回波信号与调制信号的相差。然而,二次混频中基准信号与调制信号处于同一量级,电路复杂度增加,且调制信号与回波信号经各自鉴相电路求解相位,因此两检相电路各自的附加相移无法消除,从而限制了相差检测的准确度。
为兼顾设计成本与测距精度,本文设计了基于正交调制降频与最小二乘法解相位的新型相位式激光测距法。该方法使用同一检相回路分时检测内外光路相差,从而消除检相电路带来的附加相移,通过对发射信号正交调制,回波信号与高频调制信号混频滤波后得到包含相差的低频信号,降低下一级数字采样模块的频率要求,利于数字测相电路的实现与测相精度的提高。以最小二乘法求得低频信号相位差,计算量较FFT小。最后基于超定方程组的相位测距解模糊算法,规避了对最优距离的搜索。
1、相位激光测距原理
相位激光测距是用周期低频信号对激光光强进行幅度调制,然后测定调制光往返大测距离所产生的相位延迟,通过测量相位间接测量调制光的传播时间,得出待测目标距离。可以通过提高调制频率与测相分辨率两种方式来提高测距精度。单提高调制频率会导致单品测距范围变小,因此普遍采用多频相位激光测距坚固宽范围、高精度测距。
2、相位激光测距算法实现
由差频测相求得待测距离为粗尺度测量,虽然无法获得高精度距离值,但可以获得不同调制频率相移的周期差。该解模糊方法将距离模糊转变为超定方程组求解问题,步骤明确,避免了使用最优搜索迭代寻找最优解,准确性高、可靠性好。
3、正交调制激光测距系统设计
3.1激光测距光路设计
分束镜将激光分为两路,一路通过内部测相电路求解相位,另一路到达待测目标后反射由光电接收器接收,两路信号需要通过不同的测相电路进行解相,测相电路附加相移,从而限制测距精度的提高。这里采用内部校准光路消除测距过程中产生的附加相移以及从噪声干扰进一步提升测距精度,当反射镜并由光电探测器接收,解相内光路回波信号相位作为初始相位;当反射镜处于b位时,调制激光经双反射镜反射并由光电探测器接收,解相外光路回波信号与初始相位作差即求得待测距离产生的相移。与光束镜激光测距相比,在简化光路的同时也简化了电路,消除了电路带来的附加相移。
选用对人眼相对安全的GaAs激光器,采用物镜组以确保发射准直。雪崩光电二极管型号为AD230-8,位于接收物镜的焦面上,反射光经过接收物镜聚焦到APD上,从而增大接收光强,提高测距仪的测程。
3.2正交调制与解调
二次混频激光测距仪由本地生成调制信号对激光发射工作电流进行幅度调制,激光经过目标物体反射后由光电探测器接收;同时本地另产生一路基准参考信号,将调制信号与激光回波信号分别于该信号进行混频滤波后进行相位检测,最后得到调制信号与回波信号的相位差。实际电路中混频器、滤波器、采样电路、甚至信号走线均会产生附加相移,因此二次混频测距虽然使用同一参考信号,但调制信号与回波信号分别通过两路不同回路进行混频、滤波、检相处理,因此无法保证两路电路所产生的附加相移一致,从而限制了测距精度的提高;同时激光发射器发射的调制光相对原始调制信号也会产生一定的相移,因此实际测得的相差也并非理想情况下距离所产生的相移。
使用内光路可以消除电路的附加相移,但仍旧无法消除噪声干扰的相移,通过多次测量可以减小噪声干扰但无法完全消除。该测距方案利用同一接收检相电路分时检测内外光路的激光回拨相位消除电路附加相移,牺牲了检测时间但大大提升了测距精度。
4、实验结果分析
试验基于两台正交调制激光测距样机置于国家标准基线撒花姑娘进行测试,基线长度为60m,平均精度为0.18mm。选用江苏某电子公司K60系列激光测距仪作为对比,为保证实验的严谨性,样机和K60采用相同的测尺,最小频差为2MHz,测距最大不模糊距离为75m。实验测试环境光照度设置为200lx。为目的为24.3℃,选择白色靶面作为待测目标。
首先验证超定方程解模糊方案,测试距离为20m,测量200次,对相差数据进行超定方程解模糊,可以看到,超定方程解模糊在测量距离为20m时得到了±2mm以内的测距精度,由此表明该求解测距方法具有良好的测距精度与可靠性。然后进行样机整机测试,在每个测试点进行100次数据测量。
两种测距仪的平均测量误差均小于1.5mm,正交调制样机与K60测距仪相比,测距精度有较大提高。比较两种测距仪的测距标准差,样机与K60测距仪性能相近,但是其在量程内的处标准差都控制在0.9mm以内,由此表明该测距方法具有良好的重复性。
5、结论
本文通过改进传统相位激光测距方案,设计正交调制降频与最小二乘法解相位的相位式激光测距方案,并推导了正交混批测距原理公式。利用内外光路分时测量得到待测距离产生的相位差,从而消除传统二次混频电路中所产生的附加相移,使用正交调制器对激光发射器电流进行调制,通过改变低频调制信号来改变回波信号频率,降低了待检相信号频率,简化了接收模块解相电路的设计。然后由超定方程解模糊得到待测距离,简化求解步骤并提升求解速度。最后制作了实验样机测试,并验证了该方法的精度与稳定性要优于传统调制相位激光测距仪。实验数据表明,正交调制激光测距仪的测量平均误差控制在1.5mm内,测距量程内标准差保持在0.9mm以内,该设计方案具有良好的测距精度与稳定性。