基于双探测器的手持式激光测距仪系统设计与实现
基于双探测器的手持式激光测距仪系统设计与实现
作者:赵文成 许贤泽 乐意 刘盼盼 汪鑫
激光测距仪是利用激光对待测目标进行距离测定的仪器。与其他测距工具相比,激光测距仪具有测距非接触、测速快且测量精度高等优点。近年来,激光测距仪的一个重要发展趋势是作为一种手持式测距仪器应用于国民生产和生活中,如工程建设、室内装潢地理测绘以及户外体育等领域一司这一发展趋势要求激光测距仪向着小型化、低成本化、测距快速化以及高精度化等方向发展。手持式激光测距仪一般选择相位式测距原理,目前使用较多的相位检测方法主要有3种:脉冲填充计数法,相关法以及快速离散傅里叶变换(fast fourier transformFFT5-6脉冲填充计数法是使用高频脉冲填充带有相位信息的低频信号井计数填充脉冲个数以换算相位,该方法对器件的响应时间与频率的稳定性要求较高,受幅值变化的影响测相精度不高:相关法简单易行,但是采样频率要求为信号频率的整数倍,且在信噪比不高时检相精度有所下降 FFT是采用离散傅里叶变换将回波信号的时信息转变为频域信息来分析信号相位的,该方法要求信号格周期采样,否则会产生频谱泄露,其检相精度随采样点数的增加而提高,但是过多的采样点会引起大量的乘加法运算,造成检相效率下降。为了兼顾测距量程和测距精度,手持式激光测距仪通常使用多组频率组合测距。组合测距存在距离模糊,目前流行的距离解模糊算法大多使用优化搜索算法78,如中国剩余定理法、一维聚类算法,群算法以及三步搜索算法等。距离搜索优化算法一般需要对距离集排序,且搜索时容错性不足,不利于测距仪实现距离快速解模糊,本质上增加了测距时间。因此,寻找出一种快速准确的相位求解方法和距离解模糊算法就显得尤为重要。为此本文作者兼顾设计成本、测距速度以及测距精度,设计了一种基于双探测器的手持式激光测距仪。该测距仪光学系统设置内光路以建立机内校准,从而消除调制信号在电路中产生的附加相移和寄生噪声,提高了测距仪的检相精度。检相电路将信号相位转变为带有相位信息的直流电平,电平经采样后使用坐标旋转数字计算方法(coordinate rotation digital computer CORDIC)即可快速准确求解信号相位。为了提高距离解模糊速度,提出了基于超定方程组的相位测距解模糊算法,该方法将距离模糊问题转变为超定方程组求解问题,使用最小二乘法直接求解待测距离,避免了对最优距离的搜索,运算量小、求解速度快。最后,对3台激光测距仪试验机与2台K60测距仪进行测距比较试验。
1.相位激光测距模型建立与算法实现
1.1相位式激光测距原理简介
相位式激光测距原理的核心在于将对时间的测量转化为相位差的测量。该方程组方程个数小于未知数个数,方程不能被直接求解。测距仪都有限定的测量范围,在测量范围内使用搜索算法可以寻找到距离的唯一解,但是搜索最优距离时计算量很大,不利于激光测距仪实现快速测距。
1.2基于超定方程组的距离解模糊算法
由于测相中不可避免的会引入测相误差,所以该近似距离精度不高,但可以使用该距离求解不同频率调制波之间的周期数之差。该解模糊方法将距离模糊问题转变为超定方程组求解问题,避免了对最优距离的搜索,因此,运算量小,求解速度快。
2.双探测激光测距仪系统设计
依据相位式激光测距原理,需要测出不同频率调制光的视在相差,再通过基于超定方程组的接模糊算法计算目标距离,为了监测不同频率调制光的视在相差,本文分别对光学系统和硬件电路系统进行设计。
2.1光学系统设计
测距仪光学系统中内光路的设置是为了建立机内校准,消除调制信号在电路中产生的附加相位仪和寄生噪声,有利于提高测距仪的测量精度,本文涉及的光路系统通过分束镜将发黑色激光分为部分,行程内外光路,并分别照射到2个雪崩光电二极管上。
激光器发射带有调制信号的激光经过分束镜后,透射的部分经双反射镜2次反射后照射到待测目标的表面,然后被目标漫反射回来,最后由物镜汇聚到光电探测器APD2上,形成了外光路:折射的部分直接经平面反射镜反射回光电探测器APDI上,形成内光路。该光路设计不需要挡板翻转来切换内外光路,因此减少了测距时间。
测距仪的激光发射系统选用对人眼相对安全的 GaAs 激光器,型号为QL63D4SC,并增加物镜组以保证发射准直且能量相对集中的调制光。光电探测器 APD的型号为AD230-8.并被安置在接收物镜的焦面上,这样漫反射回来的调制光经过接收物镜,将光能聚集到APD的光敏面上,从而增强了光敏面上接收到的光强,提高测距仪的测程。另外,设置发射和接收光学系统的光轴相互平行,从面最大限度地提高了发射和接收光信号的效能。
2.2系统分析
激光测距仪实现测距的重要步骤是获取调制光的视在相差,电路需要对信号进行调制与解调,并且对解调的信号进行测相,因此,本文设计的电路系统主要包括控制电路、信号发生电路、信号调制电路、信号解调电路以及检相电路等5个部分。
2.3DIC数字算法求解相位
CORDIC算法无需使用乘法器,只需要1个查找表,利用简单的移位和相加运算即可快速求解反正切。CORDIC 算法求解反正切时无需使用乘法器,相位可以通过查表获得,除法可以通过简单移位实现,因此,可以快速求解相位。
3实验与结果分析
用3台双探测器样机在国家标准基线上进行测试并通过上位机对测距时间进行测量。该标准基线为连续基线,长度为60m,平均精度达到0.18mm,并已通过国家光电测距仪检测中心检测(测量报告编号为 NCCSI110101)。本文设计的双探测器测距仪是江苏某电子公司最新研发的测距仪,为了验证其性能,选择2台该公司K60系列激光测距仪与之进行比较,K60手持式激光测距仪已获得国家光电测距仪检测中心认证,国检测字为58042-44号,在2012年实现批量生产,测试时,室内光照度设置为2000x,温度为228 ℃,选择反射度适中的白色靶面作为待测目标,在每个测试点每台测距仪的测量数均为100次,实测距离的平均测量误差,标准差以及测距时间中前2台测试机为K60手持式激光测距仪,后3台测试样机为双探测器激光测距仪。平均测最误差反映了实测值和真值之间的差异,而测距标准差则反映了实测值之间的离散程度,可以用来标定测距仪的重复度。
2种测距仪测试参数比较可知:2种测距仪的平均测量误差都小于2mm,且双探测器测距仪与K60测距仪相比,测距精度有较大提高。比较2种测距仪的测距标准差,虽然双探测器的测距标准差较K60测距仪提高不明显,但是其在量程内的测距标准差都控制在1mm以内,反映了其很好的测 证测量精度,需要采集多组相位用于计算,因此测距距重复度。激光测距仪外光路回波光强受物镜焦距的 速度会随着目标位置与焦平而距离的增大面相应降 低影响,在远离焦平面的位置,回波光强偏弱,为了保 低,测距时间随着与焦平面距离的增加逐渐升高。然而与K60测距仪相比,双探测器测距在测距速度上有了较大提高,平均测距时间小于1.8s实验结果表明:本文设计的双探测器激光测距仪的测距精度和测距速度都有了较大提高。
4 结论
1)兼顾设计成本、测距速度以及测距精度,研究了一种基于双探测器的手持式激光测距仪。使用了分束镜实现光路内校准以消除电路中的附加相移,设计了检相电路将信号相位转变为带有相位信息的直流电平,并使用CORDIC数字计算方法简单快速求解相位差,最后应用基于超定方程组的测距解模糊算法不需要搜索直接求解出待测距离。
2)对于正常测距环境,在0-60m的测程内,该双探测器测距仪测量误差小于2mm.测距时间小于1.8s。该手持式测距仪的测距精度和测距速度较K60测距仪都有了较大提高。该系统实现方案对于测距雷达系统以及超声测距系统同样具有一定的参考价值。
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