王史春

(1．臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系，浙江臺(tái)州　318000；2．工業(yè)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所，浙江杭州　310027)

0　引言

國(guó)產(chǎn)激光測(cè)距儀受制于光學(xué)器件和集成電路等方面的關(guān)鍵技術(shù)，測(cè)距精度尚難企及發(fā)達(dá)國(guó)家同行的水準(zhǔn)，同時(shí)儀器的可靠性和可維護(hù)性方面也略顯欠缺，從而導(dǎo)致市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的匱乏。贏得市場(chǎng)的出路有兩條：一是細(xì)分市場(chǎng)，立足用戶的特定需求，規(guī)劃差異化、個(gè)性化的設(shè)計(jì)；二是基于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件，從激光測(cè)距儀的系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)計(jì)方法與器件應(yīng)用方面切入，提高激光測(cè)距儀的精度和可靠性。文中就是基于以上的理念，根據(jù)市場(chǎng)的需求，分析現(xiàn)有測(cè)距儀的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生相位誤差的原因，提出基于分時(shí)式激光測(cè)距儀算法，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，提高測(cè)距精度和可靠性。

基于分時(shí)機(jī)制設(shè)計(jì)激光測(cè)距儀，測(cè)距儀通過(guò)一套光電測(cè)量線路分時(shí)完成2套或3套光電測(cè)量線路的功能，除測(cè)量距離的光路外、參考信號(hào)和測(cè)距信號(hào)自始至終經(jīng)同一信號(hào)通路。因此，兩者的相位差只與測(cè)量距離有關(guān)，是理想的參考/測(cè)距信號(hào)相位差。同時(shí)，電子器件參數(shù)離散性和溫變特性引起的相位誤差也將不復(fù)存在。雖然激光測(cè)距儀的光路和電路模塊存在不可避免的、或大或小的相移，但分時(shí)機(jī)制下參考信號(hào)和測(cè)距信號(hào)求相位差時(shí)，光路和電路模塊的附加相移(誤差)相互抵消，從而提高了測(cè)距精度。

1　測(cè)距儀誤差分析

調(diào)制頻率確定條件下的相位式激光測(cè)距儀誤差為

(1)

式中：L為待測(cè)距離；c為光速；f為調(diào)制頻率；φ為相位。

激光測(cè)距儀的主要誤差是測(cè)相誤差，改進(jìn)測(cè)相誤差的努力從未間斷[1]，迄今改進(jìn)工作大多聚焦在參考/測(cè)距信號(hào)相位差的檢相環(huán)節(jié)，“改進(jìn)”對(duì)局部(檢相環(huán)節(jié))有效，但就全局(激光測(cè)距儀的測(cè)距精度)而言卻相當(dāng)有限。進(jìn)一步的全面深入研究指出，“改進(jìn)”提升測(cè)距精度有限的原因是：誤差不僅僅是檢相環(huán)節(jié)的問(wèn)題，更多的是輸入檢相環(huán)節(jié)的參考/測(cè)距信號(hào)的質(zhì)量。理想的參考/測(cè)距信號(hào)相位差取決唯一的因素，即測(cè)量距離，但實(shí)際“參考/測(cè)距信號(hào)”的相位差卻是多種因素共同作用下形成的，現(xiàn)結(jié)合相位式激光測(cè)距儀的相位差和誤差原理示意圖1[2]，分析“誤差”的源由。

圖1　相位差和誤差原理示意圖

平行工作模式是相位式激光測(cè)距儀的基本特征，即采用同時(shí)生成參考/測(cè)距信號(hào)的激光測(cè)距儀架構(gòu)。為表述簡(jiǎn)潔，激光測(cè)距儀的主振DDS模塊和主振七階橢圓濾波器模塊合并簡(jiǎn)稱主振模塊，本振DDS模塊和本振七階橢圓濾波器模塊合并簡(jiǎn)稱本振模塊，設(shè)主振模塊、本振模塊為激光測(cè)距儀的理想模塊，即不產(chǎn)生附加相位。光電檢測(cè)模塊和帶通濾波模塊合并簡(jiǎn)稱光電模塊，光電模塊存在2項(xiàng)附加相位：理想光電轉(zhuǎn)換器件(器件參數(shù)無(wú)分散性、且與外部環(huán)境無(wú)關(guān))條件下，光電轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生的相位α收及實(shí)際光電轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)生的隨機(jī)相位β收。參考混頻器模塊和參考信號(hào)調(diào)理濾波模塊合并簡(jiǎn)稱參考混頻模塊，參考混頻模塊存在2項(xiàng)附加相位：理想混頻器件條件下，混頻過(guò)程產(chǎn)生的相位α參混及實(shí)際混頻器件產(chǎn)生的隨機(jī)相位β參混。測(cè)距混頻器模塊和測(cè)距信號(hào)調(diào)理濾波模塊合并簡(jiǎn)稱測(cè)距混頻模塊，測(cè)距混頻模塊存在2項(xiàng)附加相位：理想混頻器件條件下，混頻過(guò)程產(chǎn)生的相位α測(cè)混及實(shí)際混頻器件產(chǎn)生的隨機(jī)相位β測(cè)混。激光調(diào)制模塊存在2項(xiàng)附加相位：理想調(diào)制器件條件下，調(diào)制過(guò)程產(chǎn)生的相位α調(diào)及實(shí)際調(diào)制器件產(chǎn)生的隨機(jī)相位β調(diào)。其余符號(hào)的說(shuō)明：主振頻率為ω1；本振頻率為ω2；差頻為ω3，ω3=ω2-ω1；主/本振模塊信號(hào)的初始相位為φ0，φ0=0；測(cè)量時(shí)間為t2L；測(cè)距為L(zhǎng)，L=0.5c×t2L；參考/測(cè)距信號(hào)的理想相位差為φ，φ=ω1×t2L，φ∝L．

因此，相位式激光測(cè)距儀的理想相位差φ=ω1×t2L，但實(shí)際獲取的相位差是：

φ1=ω1·t2L+α參混-α調(diào)-β調(diào)-α收-β收-α測(cè)混-β測(cè)混

(2)

顯然φ1=φ.目前，提出了眾多改進(jìn)測(cè)距精度的技術(shù)[3]，但相關(guān)技術(shù)仍存在諸多的局限。

(1)測(cè)距精度與調(diào)制頻率并非簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，而呈非線性關(guān)系：調(diào)制頻率上升，電路元器件的非線性和帶寬的限制降低了光強(qiáng)的調(diào)制深度，激光光波的強(qiáng)度隨調(diào)制頻率的增加產(chǎn)生越來(lái)越大的變形；同時(shí)高頻電路分布參數(shù)產(chǎn)生的相位變化變大，且不易補(bǔ)償，不難得出：參考/測(cè)距信號(hào)的相位差與調(diào)制頻率、激光測(cè)距儀的電/光路器件有關(guān)。

(2)相位式激光測(cè)距儀的系統(tǒng)架構(gòu)存在結(jié)構(gòu)性缺陷。參考信號(hào)由主振頻率信號(hào)和本振頻率信號(hào)直接混頻生成；測(cè)距信號(hào)的生成步驟則依次為：主振頻率的電信號(hào)借助激光調(diào)制電路調(diào)制激光，發(fā)射調(diào)制激光和接收目標(biāo)反射激光，反射激光經(jīng)光電探測(cè)器將激光信號(hào)轉(zhuǎn)換至電信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊再和本振頻率信號(hào)混頻。因此，參考/測(cè)距信號(hào)的相位差中包含了與測(cè)量距離無(wú)關(guān)的附加相位移，除測(cè)量光路外，參考/測(cè)距信號(hào)的光路和電路存在不一致，而光電信號(hào)在不同光路和電路傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加相移；此外，實(shí)際光電器件的參數(shù)具有分散性、溫變特性，導(dǎo)致附加相移具有隨機(jī)性、不確定性，隨外界環(huán)境、元器件參數(shù)的變化而變化，給測(cè)量精度造成了負(fù)面影響。消除附加相移的慣常手段是在激光測(cè)距儀原光路(外光路)的基礎(chǔ)上增設(shè)1套長(zhǎng)度已知的光路——“內(nèi)光路”，內(nèi)光路探測(cè)器接收激光器分光鏡輸出的激光，獲內(nèi)光路的測(cè)量值，參照內(nèi)光路測(cè)量值校正外光路(激光測(cè)距儀)測(cè)量值，消除電光/光電轉(zhuǎn)換和電路系統(tǒng)產(chǎn)生的相位誤差。式(2)中的附加相位移(除φ外)，提高了測(cè)距精度。增設(shè)內(nèi)光路有助于測(cè)量精度的提高，但增加了測(cè)距儀的復(fù)雜度、成本和運(yùn)維工作量；因此，內(nèi)光路僅在高端激光測(cè)距儀中有少量應(yīng)用。

(3)激光測(cè)距儀系統(tǒng)架構(gòu)的結(jié)構(gòu)性缺陷還表現(xiàn)在：參考/測(cè)距信號(hào)分別由2套獨(dú)立的混頻模塊、調(diào)理模塊、A/D模塊并行同時(shí)生成，電子元器件參數(shù)的離散性和溫變特性，必將影響測(cè)距系統(tǒng)的綜合精度；必須指出內(nèi)光路技術(shù)無(wú)法消除電子器件參數(shù)離散性和溫變特性引起的相位誤差，即式(2)中的附加相位移(除φ外)。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于分時(shí)式激光測(cè)距儀設(shè)計(jì)的思想，民用短距激光測(cè)距儀有別于軍用，其測(cè)量速度即測(cè)量時(shí)間達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)在實(shí)際應(yīng)用中有太多的余量，0．01 s測(cè)量時(shí)間與0．02 s測(cè)量時(shí)間的差異絲毫不會(huì)影響用戶的體驗(yàn)，畢竟人的最小時(shí)間分辨率是0．5 s；如能通過(guò)測(cè)量速度的酌情降低來(lái)?yè)Q取精度和穩(wěn)定性的大幅提高，必將全面提升民用短距激光測(cè)距儀的技術(shù)指標(biāo)，這正是文中引入分時(shí)機(jī)制進(jìn)行測(cè)距儀創(chuàng)新設(shè)計(jì)的依據(jù)和基石，遵循的是：根據(jù)用戶的需求進(jìn)行差異化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念。

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖2所示，分時(shí)式激光測(cè)距儀由發(fā)射單元、接收單元、檢相主控單元、按鍵、LCD和反光鏡驅(qū)動(dòng)輔助單元組成；按鍵、LCD和反光鏡驅(qū)動(dòng)輔助單元包括按鍵模塊、LCD模塊、反光鏡驅(qū)動(dòng)模塊，反光鏡驅(qū)動(dòng)模塊則由微型電機(jī)、反光鏡和反光鏡驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成；檢相主控單元的核心是內(nèi)嵌A/D接口的Atmega128芯片，包括信號(hào)檢相模塊和主控模塊；接收單元包括光電撿測(cè)模塊、帶通濾波模塊、混頻器模塊、信號(hào)調(diào)理濾波模塊，發(fā)射單元包括主振DDS模塊、主振七階橢圓濾波器模塊、激光調(diào)制模塊、本振DDS模塊、本振七階橢圓濾波器模塊[4]。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2．1算法及關(guān)鍵技術(shù)

短距激光測(cè)距儀的額定測(cè)程20 m，對(duì)應(yīng)的主振頻率即測(cè)尺頻率為7．5 MHz，令主振與本振的差頻15kHz、則相應(yīng)的本振頻率取7．485 MHz；因此，檢相主控單元Atmega128通過(guò)AD9835的SCLK、SDATA和FSYNC 3個(gè)引腳寫入命令，預(yù)置主振與本振的頻率，主、本振頻率值SDATA7．5 MHz=0*27FFFFFF、SDATA7．485 MHz=0*27EB851E.該項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)有2個(gè)：一是通過(guò)分時(shí)式算法，消除相位誤差；二是混頻器技術(shù)，在相位差不變的前提下，提高測(cè)距精度。

2．1．1算法設(shè)計(jì)

為了消除傳統(tǒng)的信號(hào)經(jīng)過(guò)二路或多路引起的相位誤差，提出新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，即采用分時(shí)機(jī)制，讓參考信號(hào)和測(cè)距信號(hào)始終走同一條路，具體的算法設(shè)計(jì)，如流程圖3所示。

(a)獲取參考信號(hào)的流程圖

(b)獲取測(cè)距信號(hào)和求值的流程圖

由算法可知，參考信號(hào)所經(jīng)過(guò)的通路中，參考信號(hào)產(chǎn)生相位誤差主要有

測(cè)距信號(hào)所產(chǎn)生的相位誤差主要有

φ2=α參混+β參混+α調(diào)+β調(diào)+α收+β收

(3)

測(cè)距信號(hào)所產(chǎn)生的相位誤差主要有

φ3=α測(cè)混+β測(cè)混+α調(diào)+β調(diào)+α收+β收+ω1·t2L

(4)

由于參考/測(cè)距信號(hào)在同一混頻器上混頻，因此，

α參混+β參混=α測(cè)混+β測(cè)混

(5)

所以，總的相位差為

φ=φ3-φ2=ω1·t2L

(6)

分時(shí)式算法消除了相位誤差，提高了測(cè)距精度。

2．1．2混頻器設(shè)計(jì)

對(duì)于相位式激光測(cè)距，相位測(cè)量一般采用差頻測(cè)相技術(shù)[5-7]，即把高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為低頻信號(hào)，提高測(cè)距精度。

混頻器電路設(shè)計(jì)如圖4所示，輸入端分別為X1、Y1，輸出端為W，令發(fā)射信號(hào)為：

U1=Acosω1·t

(7)

U2=Acosω2·t

(8)

式中：U1、U2分別為主振信號(hào)和本振信號(hào)；A為振幅；ω1和ω2為角頻率，它們的值分別為15π和14π.

圖4　混頻器電路

把本振信號(hào)和發(fā)射信號(hào)輸入到混頻器芯片AD835的X端和Y端，輸出端W的混頻信號(hào)，經(jīng)低通濾波器濾波，濾掉高頻部分，得到：

α收+β收)]

(9)

把本振信號(hào)和接收信號(hào)輸入到混頻器芯片AD835的X端和Y端輸出的混頻信號(hào)，輸出端W的混頻信號(hào)，經(jīng)低通濾波器濾波，濾掉高頻部分，得到值分別為：

α測(cè)混+β測(cè)混-ω1t2L)]

(10)

經(jīng)混頻后的U1D和U2D的相位差φ=ωt2L=Δφ，即相位差是不變的，但測(cè)試點(diǎn)降低了M=f/(f-fc)倍，測(cè)相精度相應(yīng)提升了M倍。

3　仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在MATLAB環(huán)境中仿真，參數(shù)設(shè)置如表1所示，通過(guò)對(duì)相位式激光測(cè)距和分時(shí)相位式激光測(cè)距儀構(gòu)建仿真系統(tǒng)(兩者Delay設(shè)置不同)，如圖5所示，仿真系統(tǒng)由2部分組成，即參考信號(hào)部分和測(cè)距信號(hào)部分。

圖5　系統(tǒng)仿真

表1　仿真參數(shù)設(shè)置

(1)信號(hào)產(chǎn)生模塊。產(chǎn)生主振信號(hào)和本振信號(hào)。在信號(hào)中加入一定的信噪比的高斯白噪聲(高頻)，經(jīng)過(guò)七階橢圓濾波器進(jìn)行低通濾波。

(2)接收信號(hào)模塊。加入一定信噪比的高斯白噪聲，信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)，作為激光接收信號(hào)。

(3)本振信號(hào)處理模塊。把參考信號(hào)和本振信號(hào)混頻，通過(guò)低通濾波器，濾掉高頻信號(hào)，輸出低頻信號(hào)，輸入到測(cè)相模塊中。

(4)接收信號(hào)處理模塊。由2個(gè)模塊組成，一個(gè)模塊是測(cè)距信號(hào)和本振信號(hào)的混頻，通過(guò)低通濾波器后，獲取一個(gè)低頻測(cè)量信號(hào)(15 kHz)；模塊二將接收信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)帶通濾波濾波。

(5)相位測(cè)量模塊。由2個(gè)子模塊組成，一個(gè)是分時(shí)式激光測(cè)距儀測(cè)相，另一個(gè)是傳統(tǒng)激光測(cè)距儀的測(cè)相，在Matlab中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[8-9]，計(jì)算測(cè)相誤差和精度。

測(cè)試結(jié)果如圖6所示。在相同的條件下，傳統(tǒng)激光測(cè)距儀測(cè)相誤差在-2．5°～0．5°之間，分時(shí)式激光測(cè)距儀測(cè)相誤差在-0．15°～0．05°之間。將程序運(yùn)行4次，得到測(cè)相誤差統(tǒng)計(jì)如表2、表3所示，從表中可知，分時(shí)式激光測(cè)距儀的平均測(cè)距誤差在1 mm左右，相位式激光測(cè)距儀測(cè)相平均測(cè)距誤差在3 mm左右。

表2　分時(shí)式激光測(cè)距儀

表3　相位式激光測(cè)距儀

(a)相位式激光測(cè)距儀

(b)分時(shí)式激光測(cè)距儀

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的相位式測(cè)距儀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提出分時(shí)式激光測(cè)距儀的結(jié)構(gòu)，提高相位誤差精度，從而提高了分時(shí)式激光測(cè)距儀測(cè)距精度。分時(shí)式激光測(cè)距儀適用于短距離的測(cè)量，特別對(duì)于測(cè)算房屋面積、機(jī)器人測(cè)距等方面應(yīng)用有一定的前景。當(dāng)然也有一些需解決的問(wèn)題：

(1)分時(shí)式激光測(cè)距儀利用速度換精度的思路，如何提高速度在更大領(lǐng)域得以應(yīng)用需進(jìn)一步研究；

(2)分時(shí)操作的精度不僅是相位之差，其實(shí)在時(shí)間t有一定的誤差，需提高時(shí)間t的一致性，需進(jìn)一步研究。

(3)測(cè)距的精度還在于產(chǎn)生信號(hào)波的頻率和精度，DDS能產(chǎn)生高精度的正弦波，但信號(hào)由于經(jīng)過(guò)各元器件產(chǎn)生的誤差存在，所以濾波質(zhì)量的高低，也會(huì)影響測(cè)距精度。其次信號(hào)的頻率也會(huì)影響精度，這與測(cè)距儀測(cè)尺距離有關(guān)。

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