基于数字高频检相式的激光测距光学系统设计
基于数字高频检相式的激光测距光学系统设计
作者:李永红;冯巧玲;王字龙
激光测距仪具有高精度、高分辨率、强抗干扰能力,而测距仪器具有小体积和轻重量的优点。基于这些优点,激光测距主要分为干涉法测距、脉冲测距、三角测量法和相位差法。相位差法较其他3种方法更适合于小距离的测量,一般是几米到几百米。但是相位差激光测距就目前俩看精度不高,一般只是在毫米级,尤其是测量近距离时,其它3种方法的精度可达0.01mm甚至0.1μm,而相位法激光的测距精度则远远达不到,同时目前国内外在激光测距中的激光调试频率大部分都小于1MHz,作者就这一问题提出了一种高频检相式的激光测距光学系统来提高测量精度。
该系统是利用相位式激光测距原理与光学系统结合实现对空间卫星的检测,以获得3维信息。本文中主要涉及了准直透镜,给出了设计指标,利用ZEMAX软件对光束准直前后进行了对比分析,并通过实验验证了光学系统设计的可行性。
1、相位差式激光测距原理
当调试频率升高到一定值时,系统性能明显下降。而当选用10MHz作为调制频率时,系统的性能相对稳定,由于该频率没有超出磁尺频率,所以不会产生距离模糊的问题,而且相位检测实验结果误差小、精度高。故在该系统中采用单一的测量频率10MHz作为调制频率。
2、相位差式激光测距光学系统设计
相位差式激光测距系统主要分为信号发射部分、信号接收部分、混频、频率综合和检相部分。信号发射部分是将单频正弦波信号与直流偏置经过驱动电路来完成对激光光源的调制,使得光源的光强随着调制波的变化而变化。进而使得出射光经准直透镜、光学系统后聚焦子啊目标物上。其中,单品的正弦波信号由MC12061波形发生芯片产生,直流偏置由稳压源产生。产生的信号由PIN光电二极管接收,然后通过低通滤波器将告辞谐波分量滤除。检相部分采用了方法简单、可高频技术的异或门数字检相电路,以提高精度。该系统的测尺长度为0.1m-2m,本振频率为10MHz,精度约为1mm。
2.1激光器
经过对不同的激光器件进行实验比较,最终选择ROHM的激光二极管RLD65MPT3,该激光二极管的工作电流为30mA,最大输出功率为7mW,中心波长为655nm,其发散角在水平方向与垂直方向分别为8°与27°。由于激光二极管发散角较大,需设计准直透镜对其准直。
2.2准直透镜
为了减小透射光束的发射角,本系统设计了非球面的准直透镜来提高传输的效率。设计指标为:设计波长658nm,有效焦距4.13mm,有效焦距公差±1%,数值孔径0.6,工作距离2m,直径公差±0.01mm,中心厚度公差±0.04mm,折射率(设计波长处)1.653,折射率公差±0.002.
2.3ZEMAX仿真结构
光学系统的仿真光路是由激光二极管、激光窗以及非球面透镜组成。激光二极管的投射光路参量分别为:L1=0.5mm,L2=5.39mm。输出x方向和y方向的光斑尺寸可知,该处光斑尺寸x方向和y方向分别小于1.5mm和0.7mm。此时在0cm-1cm内,光斑没有明显的变化。在光束准直后,x方向和y方向的发散角均小于3.5°,准直效果明显。
3、结果分析
为了检验光学系统设计的可行性,捕获器中输入了相位差可调节信号以及单片机MSP430F2274的脉冲宽度调制功能产生的两路频率。在实验中,计时器的模式应更换为增计数模式,所以采用MSP430F2274的另外一个16位定时器TIMER-B来完成测试。
从数据明显看出,标准差最大为0.12°,说明测量的重复性比较好,而且稳定度高;重复距离精度可约达1mm,而误差最大为0.09°,最小为0.011°,这就满足了精度的要求。
4、结论
设计了一种正弦波数字高频检相式激光测距的光学系统,利用相位式激光测距原理与光学系统结合实现对空间卫星检测,以获得3维信息。设计了准直透镜,给出了设计指标,利用ZEMAX软件对光束准直钱后进行了对比分析,并通过实验验证了光学系统设计的可行性。结果表明:标准差最大为0.12°,说明测量的重复性比较好、稳定性高;误差最大为0.09°,最小为0.011°,满足精度要求。
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