基于LabVIEW的偏振调制激光测距测量控制系统
基于LabVIEW的偏振调制激光测距测量控制系统
作者:纪荣祎;张新鑫;高书苑;石俊凯;周维虎;
大尺寸高精度绝对测距技术在先进制造领域具有广泛的应用需求,如大型零件的加工测量、大型装备的分装和组装,都需要大尺寸高精度绝对测距提供距离和位置信息。传统的绝对测距技术不能满足以上领域对测量精度的要求,因此,研究新的高精度绝对测距技术,满足先进制造领域的测量需求,是国内外测量技术领域的研究热点。偏振调制激光测距仪是一种结构简单、性能优异的激光绝对测距技术,在大尺寸高精度绝对测距领域具有广阔的应用潜力。本文主要研究了偏振调制激光测距系统中的测量控制关键技术,设计了基于LabVIEW的扫频控制和同步数据采集系统,通过对调制信号源N5171B和数据采集卡NI-9239的控制,实现了调制频率的自动扫频与回波光强的同步采集,以及扫频数据与光强数据的实时存储,为高精度偏振调制测距系统的实现提供了关键技术支撑。
1 偏振调制激光测距系统设计
1.1 测量原理介绍
偏振调制测距是一种基于菲索光速测量原理的新型相位测距方法,与传统的相位测距方法不同,偏振调制测距不需要测量参考光和测量光的相位差信息,避免了鉴相精度的限制 。激光器发出的线偏振光经过偏振分束镜,与偏振调制器的x轴成45 °角入射,由偏振调制器进行周期性的偏振调制。经调制的出射光经1/4波片后到达目标反射镜,反射后再次经过1/4波片,再次入射到偏振调制器进行二次调制,在偏振分束镜处反射,产生与偏振态相关的光强信号,由光电探测器接收 。探测器接收到的光强信息随调制频率和被测距离的变化发生改变,改变偏振调制频率,将探测到的光强信息与调制频率对应,通过计算即可得到距离信息。
1.2 测距系统设计
根据偏振调制测距原理,设计了偏振调制激光测距实验系统。偏振调制激光测距系统采用的主要器件如下:功率稳定型氨氖激光器Newport R-32734 、相位调制器Newport 4431、射频信号发生器N5171B和数据采集卡NI-9239。其中,氨氖激光器的功率为1.6mW, 功率稳定度为0.03%; 偏振调制器的中心调制频率为2.5GHz, 调制带宽为士10MHz; 射频信号发生器N5171B的频率产生范围为9kHz ~3GHz, 具有数字步进和列表扫描两种扫频模式,扫频步长为1 kHz。数据采集卡NI-9239具有4路24位模拟输入接口,采样频率范围为1.6 ~50kHz。
基千以上器件参数,调制频率变化量为10MHz时,最小可探测距离为15m; 当设置的调制频率扫频步长为1kHz时,最小距离分辨率可达 .m量级。
由测距原理可知,在进行距离测量时,需要连续改变偏振调制器的调制频率,同时同步采集接收到的回波光强,通过回波光强最小值来获得对应的调制频率值,以计算距离信息。基千以上测量控制需求,设计了一种基于LabVIEW的扫频控制和同步信号采集系统,通过对射频信号发生器N5171B和数据采集卡NI-9239的控制,实现了调制频率的扫频控制和回波信号的同步采集和保存,为偏振调制测距系统提供了测量控制和数据处理关键技术。
2 扫频控制和同步数据采集系统设计
2.1 控制系统整体设计
设计的扫频控制和同步数据采集系统由上位机控制软件、射频信号发生器和数据采集卡等部件组成。其中,上位机控制软件主要实现测量参数的设定、调制频率的扫频控制、回波信号的同步采集、光强最小值的搜索,以及距离信息的计算等功能。
软件开始运行,首先进行初始化设置,设置扫频起止频率、扫频点数和数据采集参数。然后控制射频信号发生器N5171B产生调制信号,并进行扫频调制,同时控制数据采集卡采集回波光强,并将调制频率数值和回波信号数值保存到后缀名为.TDMS的文件中。如果扫频从起始频率到终止频率完成一个周期,则扫频完成,否则继续扫频。完成扫频后,生成频率与回波光强的对应关系曲线,并找到两个光强最小值对应的频率。最后计算被测距离值。
首先,设置射频信号发生器的控制参数,选择仪器的设备接口(比如GPIBO:19:INSTR),??选择扫频类型,设置扫频的起止频率(设置范围2.4900??~2.5100GHz)、扫频点数、扫频点数时间间隔(影响扫频速度)和扫频方式(线性扫频或者列表扫频)。然后,设置数据采集卡的控制参数,选择物理通道,选择接线类型(如果数据采集卡没有与测量系统共地,需要选择差分接线,可以抑制共模电压),设置采样率与采样点数(设置范围2 ~50kHz)。打开记录模式,输入保存类型和保存路径,将扫频控制和数据采集的数据记录和保存。最后,把输出的布尔按钮调为Enable, 运行程序,扫频与数据采集会同步进行,同时数据会被保存。
2.2 扫频控制和同步数据采集控制软件设计
使用射频信号发生器N5171B产生调制频率信号,N5171B的频率信号产生范围为9kHz~3GHz,能够满足调制器2.5GHz-0MHz的调制频率调节范围。
要控制N5171B扫频可以有两种方法:心使用SCPI命令配合VISA选板编写程序进行控制;@使用仪器驱动直接控制 。经过测试,选择使用仪器驱动直接控制的方法。使用Agilent 82357B型GPIB卡,通过N5171B的GPIB接口连接控制信号,编写了上位机频率设置控件、扫频特征控件、扫频控件和扫频触发控件的控制流程,实现了对N5171B的扫频控制。
使用数据采集卡NI-9239进行回波信号的实时采集,NI-9239的采样频率为1.6~50kHz,能够同时进行4路24位的信号采集。通过USB接口将NI-9239与上位机连接,通过上位机数据采集程序控制N9239采集信号。数据采集控制程序主要由通道设置、定时设置、记录设置、采集数据和图像保存5个部分构成,以DAQmx创建通道VI、DAQmx定时(采样时钟) VI、 DAQmx配置记录(TDMS)VI、DAQmx开始任务VI、DAQmx读取VI、DAQmx停止任务VI等模块为主体。数据采集控制程序基本控制流程为:首先,运行程序,获得物理通道资源名称并初始化;然后进行采样数、采样频率、数据记录的路径、图片保存的路径及格式等参数的设定;最后,开始采集,并把采集到的数据与扫频数据同步保存,并通过波形显示出来。
3 测距实验与数据处理
在搭建的测距实验系统中,使用设计的测量控制系统,开展测距实验。在实验室中,分别搭建了20m和40m的测量光路,进行了不同距离下的测量实验,通过测量控制系统得到调制频率与回波光强的曲线。
20m距离处的测距数值平均值为19.97995,方差s2=1. 4675X10飞40m距离处的测距数值平均值等于39.9662, 方差s2=1.4673 X10丸由以上实验结果可知,在设置的扫频范围内,均得到了稳定的测距结果,扫频与同步数据采集测量控制系统实现了其设计要求。
4 结束语
设计了基于LabVIEW的扫频控制与同步数据采集系统,通过上位机控制,实现了偏振调制测距系统的自动测量控制与同步数据采集等功能。实验结果表明,所设计的扫频调制和数据采集同步控制能够实现快速的扫频控制和同步信号采集,提高系统测量速度,对偏振调制激光测距系统实现自动测量具有重要作用。同时,由于测量光在偏振调制器中的对准偏差、目标反射镜引起的偏振跳变、高频调制驱动器引入的非线性畸变和电压噪声等因素的存在,使得测距系统的测量精度较低。如何减小以上因素的影响,优化测量光路和关键器件参数,是提高测距精度的另一 项关键技术,需要进一步深入研究。
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