一种双相位式激光测距仪的设计
一种双相位式激光测距仪的设计
作者:王晓骕;
相位法激光测距仪技术以其精度高,功率小、角分辨率高,抗干扰能力强,便于数字信息处理而应用越来越广泛。目前,基于相位法激光测距的信号源的产生方法主要有:直接式频率合成法,锁相式频率合成法以及直接接有源晶振法。由于采用相位法的激光测距系统中需要高精度的稳定波形来对激光进行调制,而上述的几种方法频率不能随意更改、精度不高,因此有必要改进激光源的调制方法。
对于接收单元,由于受半导体激光器发射功率、收发距离远近等各种因素的影响,接收电路接收到的光信号强弱变化范围很大,如不进行适当的调整,会影响后续电路的正常工作。此外,调制后的激光信号频率较高,如直接对发射回的高频信号进行相位测量,误差往往较大。因此,相位式激光测距中的光接收单元对整个测距仪的工作有着很大的影响,提高其精度和工作稳定性有重要意义。
一、总体方案设计
根据相位式激光测距仪的设计要求,此测距仪主要包括两部分:
(1)激光信号源:
产生指定频率的调制波形,经放大驱动电路放大后,驱动激光发射管发出调制后的激光束;
(2)光接收单元:
接收反射的激光信号,放大后的信号与本振数字合成产生的调制信号接入测量混频器,主振数字合成与本振数字合成的调制信号接入参考混频器,两路混频器的输出信号连接信号调理电路,经调理整形后输入单片机。
二、激光信号源设计
激光信号源采用 DDS(直接数字频率合成器)技术,即从“相位”的概念出发进行频率合成,从而可以产生不同频率的正弦波。通过向 AD9835 中写入 DDS 频率以及相位控制字,数字合成电路产生两个频率相近相位相同的正弦波,但由于数字合成电路输出的正弦信号频谱纯度不高,含有较多的高频信号,因此结合测距方案在 DDS 的输出端设计了 7阶低通椭圆滤波器,因此从数字合成电路 AD9835 出来的两路信号(本振数字信号与主振数字信号),两片 AD9835 芯片由同一块晶振提供时钟,这样保证了两片 AD9835 产生的信号是同相位的,本振数字信号与主振数字信号的一路分支进入光接收单元,而主振数字信号的另一路分支则通过低通滤波电路变成标准正弦波送入放大驱动电路,标准正弦波通过放大驱动电路进行功率放大,经过放大的正弦波驱动激光管发出经过调制后的激光束(测距信号)。
三、光接收单元设计
当测距信号(激光束)遇到反射物体返回后,其随后由激光接收电路接受,激光束经过激光接收管进入自动增益电路进行放大,经过放大后的信号与数字合成电路 AD9835 产生的本振数字信号一起进入测量混频器,而数字合成电路AD9835 生成的本振数字信号与与其同时生成的主振数字信号则一同进入参考混频器,混频器的输出分为上变频与下变频,这里我们根据需要使用下变频信号,即两个信号的乘积的频率较小的信号,从而混频器会生成两路包含测距信号(激光束)相位偏差的低频信号,由于混频器的输出信号范围与单片机中 A/D 转换的模拟输入信号范围不同,因此采用信号调理电路将含测距信号(激光束)相位偏差的低频信号变为一个占空比与两信号相位偏差相关的方波,从而进入单片机MSP430 进行处理。
四、控制器的硬件和软件设计
4.1硬件设计
本文设计的相位式激光测距仪控制器硬件包括主控制器STM32、时钟 / 复位模块、ISP 下载线接口、显示频和贴膜键盘等。
4.2 软件设计
系统在初始化后会首先检测是否发射激光才能继续往下进行。所以如果没有发射激光(即没有按下发射激光按钮)时,系统无法继续采样以及计算等过程。在这种情况下,通过延时程序进行等待。如果检测到发射激光按钮已被按下,程序就接着判断采集的时刻是否已到,若到了就开始启动激光接收管开始采集数据。经过放大,混频以及运算后的信号数据送到单片机上实时显示,同时把数据存入数据存储芯片,等待这次测量完后把数据送到电脑存盘或做进一步数据处理。
五、结语
由于采用了直接数字式频率合成技术和 7 阶低通椭圆滤波器,本文设计的激光信号源电路结构简单,实现了信号的全数字式调制,而且可调制出频率可调、精度高的激光束,可减少误差,提高相位法激光测距的精度。另外本文设计的光接收单元具有可自动调节增益的功能,接收电路的增益可以随接收信号的强弱进行自动调节,提高了电路的工作稳定性和适用性。
采用集成的混频器芯片,简化了电路结构,混频后测量信号的频率降低,而相位信息不变,大大提高了测相的分辨率,可提高测距仪的精度。
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