基于 LabVIEW 的相位式激光测距系统的软件设计与实现
基于 LabVIEW 的相位式激光测距系统的软件设计与实现
作者:蔡薇;李昆
无论是航空、航天、兵器等国防军工领域,还是大地、工程测量等民用领域,对长度和距离的测量都是必不可少的。工业中常见的是激光测距法。激光测距法按测量原理的不同,分为相位式测距法和脉冲式测距法两种。较脉冲式测距法,在小于 1 km 的测量范围内,相位式激光测距法有着更出色的测量效果,工程应用中也能满足大部分测量要求。
传统的相位式激光测距系统,多采用 CPLD,FPGA或 ARM 等嵌入式处理器配合相应的开发语言 ( 如 Ver-ilog HDL,VHDL,C,C++ ) 完成程序控制和数据处理,但设计中往往有硬件电路复杂、工作量大等问题。
基于 LabVIEW 的相位式激光测距系统,将相关嵌入式控制器和硬件电路虚拟化,不仅可以灵活定制成相位式激光测距系统仪器化的操作界面,大大简化测量系统的硬件电路结构,节约研制过程成本,更是能缩小项目开发周期,提高研发效率。
1 相位测距法基本原理
相位测距法是一种利用被调制光信号在发射端与接收端间的相位差关系来定量分析出被测距离量的测量方法。
相位式激光测距可认为是用长度为 λ 的激光波长去测量距离 L。ΔN1 可由测量数据计算而来,但并不是一个定值,计算中常有多解,因此实际应用中采取用一组 ( 两个或者两个以上) 调制频率,高频调制频率用来保证测量距离的精度,低频调制频率用来保证测量距离的范围,从而得到准确的测量值。
2 基于 FPGA 的相位式测距系统的传统设计方案
基于 FPGA 的传统相位式激光测距系统结构DDS 在 FPGA 的控制下产生主振信号和本振信号,从而控制激光发射单元发射出特定波长的连续光波信号,接收单元通过光电转换系统接收携带有距离信息的信号,经 ADC 变换后进入 FPGA。
两路接收回波信号进入 FPGA 后,先经 FIR 滤波器滤波,然后分别与本振信号 A 和本振信号 B 进行混频处理,再加上两路主振信号与本振信号混频,共四路混频信号,四路混频信号经低通滤波器滤波后,滤去高频信号,剩下的低频差频信号进入差频测相单元,最终结果送入 FPGA,FPGA 将处理数据传输至 LCD 显示。
传统相位式激光测距系统工作频率高,增益大,易自激和受干扰,尤其复杂的硬件所带来的各类噪声成为限制测距精度和稳定性的主要原因。
3 基于 LabVIEW 的相位式测距系统的设计方案
3. 1 系统总体结构设计
利用 LabVIEW 易于开发和强大的数据处理能力,本测量系统采用图形化语言编写控制程序和数据处理程序,基于 LabVIEW 的相位式激光测距系统的总体结构设计方。
该测距系统主要由发射单元、探测单元、外围电路单元和数据处理单元 4 部分组成。其中,发射单元、探测单元及其光学元件共同组成了光学测量头; 外围电路单元主要是由 LabVIEW 程序控制的电压输出模块和电压输入模块组成。发射单元在 LabVIEW 程序控制下,激光发光管发出连续光,经过距离 2L 后,光信号进入探测单元,经过信号调理电路后,由数据采集卡对检测信号采集,送入 PC 机,由 LabVIEW 软件进行差频测相,从而将携带有被测目标距离信息的信号计算出来,并将测量数据实时显示。
3. 2 系统软件的实现
基于 LabVIEW 的相位式激光测距系统,是将相关嵌入式控制器和硬件电路虚拟化,用灵活可定制的软件来取代硬件的自动化综合应用系统。整个系统软件主要分为程序用户登录程序、测距系统应用程序和数据库管理程序三部分。
1) 程序用户登录程序
程序用户登录界面作为程序的原始入口,主要是方便管理员对操作人员的监督和管理。
2) 测距系统应用程序
测距系统的应用程序是系统的核心部分,主要实现对频率信号产生单元的控制和完成对原始信号的差频测相处理。
电压输出模块在 LabVIEW 频率信号产生程序控制下,产生高精度方波主振信号,用于光调制。在相位式激光测距中,通过比较发射端的初始信号与接收端的反馈信号,取得两者间的相位差信息,然后用高频填充脉冲对相位差信号进行计数,最后通过计算脉冲数得到准确的相位差信息。设调制光频率为 f,高频填充脉冲频率为 fc,假设一个周期内的计数脉冲值为 M,则相位差为: Δφ = 2πMf /fc。实际应用中,通常采用多个周期计数求平均的方法,用来减小偶然误差,提高鉴相精度。
差频测相单元是相位式激光测距系统数据处理的关键部分,整个数据处理由 LabVIEW 程序完成。
3) 数据库管理程序
数据库作为大数据时代的必须组成部分,现已广泛应用于各类工程应用中。本数据库管理界面借助LabVIEW 数据库链接工具包 ( Database Connectivity toolkit) 不仅可以实现登录、用户权限管理,还增添有数据查询模块、数据输出模块和数据备份功能。
4 实验仿真结果与分析
在理想状态下,整个系统的测距分辨力主要由调制激光频率、混频输出频率和数字测相过程的高频填充频率决定。
本仿真实验中,主振频率为 40 MHz,本振频率为40. 04 MHz,根据公式 ( 1) 可得相应的测距模糊距离( 可测量距离最大值) 为 3. 75 m; 用于测相的差频信号频率为 10 kHz,高频填充测相脉冲频率为 10 MHz,本实验系统在理想条件下测量分辨力为3. 75 mm。实际应用中,由于电子元器件特性限制、各类噪声影响以及现实环境因素的干扰,使得应用效果不可能达到理想精度。为验证本系统的控制程序和数据处理功能,本仿真实验选取了 4 组不同相位差。根据仿真实验对比数据可知,基于 LabVIEW 的相位式激光测距系统不仅可以独立有效的执行信号处理和解调的全部功能,同时测量也非常精确、可靠。
5 结论
本文依据相位式激光测距原理,运用 LabVIEW 软件编写控制和数据处理程序,完成了相位式激光测距的仿真实验,并且能够有效地解决传统相位式激光测距系统的硬件电路复杂、工作量大的问题。与开发复杂的信号处理程序相比,LabVIEW 软件本身有多种专用信号处理函数模块,灵活调用应用函数模块,使得开发更加简便、高效。准确、直观、便捷的显示和操控界面,可大大降低测试人员的工作量和业务难度。本文所论述的基于 LabVIEW 的相位式激光测距系统是一个初步方案,为提高系统的性能,在 LabVIEW程序优化和测试数据误差分析等方面还需做进一步的研究。
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