基于自混合效应的激光测距仪设计
基于自混合效应的激光测距仪设计
作者:陈元安;王莹
1引言
利用激光自混合效应,可以进行位移、距离和速度测量单模垂直腔面发射激光器(VCSEL) 具有单模、圆光束、阈值电流小、成本低等很多优点,已有文献[2]报道了使用VCSEL基于自混 合效应的激光测距仪系统具有精度高、结构简单等优点,具有良好的应用前景。
2自混和效应和测距原理
自混和效益最早由Rudd报道【%当激光从光源发出,碰到物体后就会发生反射,当反射 的光再次进入激光腔时就会发生自混和效应,它导致了与反射激光相位相关的激光的输出频 率、线宽、开启增益和激光输出功率等的周期变化闵,我们可以通过现有商业用的半导体激光 二极管包内含的标准功率探测PD来观察输出功率的变化规律。
由于激光二极管被周期性的三角波电流调制,故物体的距离以xt可以通过相应调制周期内 微分功率尖峰的数目来计算。
实验中使用频率计数器测得Mm,而三角波调制频率/m已知,从而根据公式(2),儿理可 以被求出。将所得的拍频信号的平均频率儿理代入公式(1),结合巳知参量々和可以最终 测得物体的距离Zext,调制三角波与自混合拍频信号的波形图。
3实验部分
实验条件:无温控的 SM-VCSEL(Osram Corporation F497A), A =850nm,输出功率 P=0.7mW, Z=8mA,调制三角波幅度精度优于0.1%,釆样时间0.1s,反射物体为磨沙金属。
实验结果:系统的动态测量范围为50—500mm,选取三角波调制频率在400—600Hz范 围内变化,系统的测量精度为2mm,如图3所示。
4测距系统的优化设计
4. 1使用差频APLL代替FFT对信号进行处理
根据前面第二部分测距原理中提到的公式(1)可知,我们要准确地测量距离J其关键点 是如何准确地测量拍频信号的平均频率£官并且测量儿理所引入的误差将是最终测量Zext误差的 主要来源。拍频信号的一个显著特点就是:在调制三角波的变化点相应于拍频信 号相位的突变点。由于实验中我们要使用频率计数器来统计信号中两个相邻相位突变点间尖峰的 数目来测量岳惱和Evg,因此相位突变点的存在将成为影响测量岳vg和尤vg误差的关键点。为了处 理好拍频信号,有些研究者使用快速傅里叶变换(FFT)的方法国,但是由于拍频信号存在着明 显的包络,所以用FFT来处理拍频信号必然会影响测量精度。利用FFT方法我们可以得到测量 范围在50—500mm时,系统的测量精度为8mm。
鉴于上述问题,在我们的实验中使用模拟锁相环(APLL)来对拍频信号进行处理。众所周 知,APLL具有很好的基波跟踪、窄带滤波和大的调幅抑制比等特性〔%利用它的这些优良特性 来对拍频信号进行处理,能够极大地提高仄戏的测量精度。但是需要强调的一点是由于普通的 APLL的锁定范围比较窄,一般为其中心频率九的20%,这样将会使系统的测量范围被限制在 (l±20%)Zex,内。为了扩大系统的测距范围,我们在实验中使用了宽锁定范围的差频APLL。
给出了拍频信号中相位突变点附近波形展开图以及使用APLL处理后的拍频信 号波形图。从图中我们很明显地看到APLL对拍频信号中的相位突变点给出了很好的处理,并 且将它们转化成幅度近似一致的方波,这样将非常有利于使用频率计来对处理后的信号进行釆 样计数,从而极大地提高了 NTm的测量精度,根据公式2可知拍频信号的平均频率厶理的测量 精度将会大大提高。实验结果也很好的验证了这一点:使用差频APLL的测距系统不仅动态测量范围可以达到50—500mm,而且系统的测量精度为2mm,远远优于使用FFT方法的测量精度。
4.2三角波调制频率£的优化
在进一步的实验中,我们发现调制三角波频率扁也与系统的测量精度有着密切的关系,实验 中选取合适的三角波调制频率兀是能够明显提高系统的测量精度。在采样时间0.1S下,以三角波调制频率兀为参数的测量绝对误差与Zext 的测量曲线图,从图中我们发现当扃在400—600范围内时,系统的测量绝对误差优于1mm,对 于其他太高或太低的三角波调制频率,系统的测量精度都会变差。例如当时,系统测 量绝对误差已经大于1mm,而当_An=6.4kHz时,系统测量的绝对误差甚至大于5mm。
出现这种情况的原因我们认为:当选取的三角波调制频率兀太高时,三角波和它的高次谐波本身就成为了拍频信号的一种干扰信号,这样将会强烈地影响到系统的测量精度,同时当太高 时,从示波器上我们可以明显得看到在一个三角波调制周期Tm内,拍频信号中尖峰的数目Mm 会大量的减少,例如_/m = 6.4KHz时,Mm大概只有40左右,这样由拍频信号突变点的存在而引 入的测量误差将会增大;另一方面,当选取的三角波调制频率/?.太低时,拍频信号本身的平均周 期1伝理就比较大,由于受到一定采样时间长度的限制(实验中是0.1S),此时计数器对拍频信号 尖峰釆样的数目就会大大减少,从而加大了测量拍频信号平均频率有理的测量误差,更何况根据 图1我们可以看到拍频信号还存在着时间上的疏密不均匀性,这样由于釆样时间长度的限制而引 入的采样随机性就更大了,从而进一步增大了测量拍频信号平均频率尤vg的测量误差,在实验结 果上就表现为测量绝对误差变大。
基于上面的分析,为了提高系统的测量精度,三角波调制频率兀取得太高或太低都不好,它 必有一个中间的优化值,我们通过实验发现此最优的扁在400—600Hz范围内,这时整个系统的 测量精度最高。
5结论
在单模VCSEL激光自混和测距系统的设计过程中,我们使用了差频APLL取代FFT对拍 频信号进行处理,同时也选取了选取合适的三角波电流调制频率扁,不仅增大了测距系统的测量 动态范围,同时也提高了系统的测量精度,从而极大地优化了测距系统的性能。
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