鄧軍榮，王 東，王 宇，張紅娟，高 妍,靳寶全

(1.太原理工大學(xué)，新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西太原 030024； 2.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西太原 030024)

0 引言

激光測距具有方向性高、單色性好、抗干擾能力強等優(yōu)點[1]，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化監(jiān)控、建筑測量、集裝箱定位、固體料位控制等場合。根據(jù)測距原理，主要分為脈沖激光測距技術(shù)[2-3]和相位激光測距技術(shù)[4-5]，其中，相位激光測距技術(shù)測量發(fā)射光和反射光的相位差，計算出相應(yīng)距離，具有較高的精度，且系統(tǒng)實現(xiàn)相對簡單，易于集成。

相位測距精度主要取決于調(diào)制信號頻率與相位檢測精度[6]，調(diào)制信號頻率由于電子元件帶寬的限制而不能無限增大，因此需要對系統(tǒng)的測相方法進行研究。常用的測相法分為模擬法和數(shù)字法[7]，其中模擬法電路復(fù)雜，對元器件要求較高，因此測相精度較差。數(shù)字法主要分為：自動數(shù)字測相法[8]、正交混頻法[9]、FFT法和aFFT法[10]，其中，正交混頻法、FFT法和aFFT法均基于算法實現(xiàn)，需要對信號進行采樣，不能用簡單的處理器實現(xiàn)，使系統(tǒng)成本增加，且測相精度受限于A/D的采樣精度，而基于過零比較器的自動數(shù)字測相法結(jié)構(gòu)較為簡單，適于集成化。

針對傳統(tǒng)自動數(shù)字測相系統(tǒng)采用FPGA和單片機共同實現(xiàn)而設(shè)計較為復(fù)雜的問題，本文采用ARM處理器實現(xiàn)測相、運算、控制顯示等功能。為實現(xiàn)對不同閾值電流半導(dǎo)體二極管的驅(qū)動，優(yōu)化了激光調(diào)制發(fā)射電路；針對回波功率與被測距離的負相關(guān)關(guān)系[11]，設(shè)計了自動增益電路提高系統(tǒng)可靠性；此外，還設(shè)計了RC移相電路[12]，用于消除寄生參量產(chǎn)生的附加相移。

1 相位式激光測距原理

原理示意圖如圖1所示：發(fā)射的調(diào)制光和所接收的被測面反射光之間存在相位差，通過相位差間接得到傳播時間，從而測量出被測距離。

圖1 相位式測距原理示意圖

激光二極管的發(fā)射信號為

I0=U0sin(ωt+φ0)

(1)

式中：U0為發(fā)射光的光強度；ω、φ0分別為調(diào)制波角頻率和初始相位。

經(jīng)過一段被測距離接收到的回波信號為

I1=U1sin(ωt+φ0+Δφ)

(2)

式中：U1為接收光的光強度；Δφ為發(fā)射光與接收光之間的相位差，且

Δφ=ωt2D=2πft2D

(3)

式中：f為調(diào)制波頻率；t2D為發(fā)射光和接收光的傳播時間。

則被測距離為

(4)

式中：c為光的傳播速度；f為調(diào)制頻率。

因c，f均為已知常量，則距離D與相位差Δφ成正比例關(guān)系。因此，設(shè)計適當?shù)南辔徊顪y量系統(tǒng)，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理，實現(xiàn)距離測量的功能。

自動數(shù)字測相法的原理如圖2所示。首先將發(fā)射信號與接收信號過零整形，以獲得2路方波信號。一路送入檢相雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的S端，信號上升沿使觸發(fā)器置位，R端輸出高電平；另一路送入檢相雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端，信號上升沿使觸發(fā)器復(fù)位，R端輸出低電平，此時得到的脈沖信號寬度即為發(fā)射信號與接收信號之間的相位差。將脈沖信號通過與門，用高頻時鐘進行計數(shù)，高頻時鐘脈沖個數(shù)乘以頻率即為2路信號的相位差。

圖2 自動測相原理示意圖

為了確保距離測量的準確性，選用的光波調(diào)制頻率較高，如果直接在如此高的頻率下進行相位測量，增加了電路的復(fù)雜度，因此需要采用差頻測相，將高頻信號轉(zhuǎn)化為中低頻，在提高測量準確度的同時，降低了對后續(xù)處理電路的要求，且不改變攜帶距離信息的相位差，其原理如下：2路相位差為Δφ=φ1-φ2的正弦波信號S1和S2，其表達式為：

S1=cos(ω1t+φ1)

(5)

S2=cos(ω1t+φ2)

(6)

假設(shè)正弦波信號為

S3=cos(ω3t+φ3)

(7)

現(xiàn)將S1和S3、S2和S3分別進行混頻處理：

S1×S3=cos(ω1t+φ1)×cos(ω3t+φ3)

cos[(ω1-ω3)t+φ1-φ3]}

(8)

S2×S3=cos(ω1t+φ2)×cos(ω3t+φ3)

cos[(ω1-ω3)t+φ2-φ3]}

(9)

混頻后的2路信號分別經(jīng)過低通濾波器，濾除掉高頻信號，得到低頻有用信號：

S4=cos[(ω1-ω3)t+φ1-φ3]

(10)

S5=cos[(ω1-ω3)t+φ2-φ3]

(11)

對S4與S5求相位差Ф得：

Φ=φ1-φ3-φ2+φ3=Δφ

(12)

由式(12)分析可知，經(jīng)混頻濾波后，參考信號和測距信號之間的相位差仍為Δφ，保留了原有的相位差信息，但極大地擴展了被測信號的周期，從而提高相位測量精度。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

基于上述原理，設(shè)計了如圖3所示的相位式激光測距系統(tǒng)。直流偏置電路驅(qū)動半導(dǎo)體二極管，再由調(diào)制信號對半導(dǎo)體二極管進行直接調(diào)制，激光束經(jīng)過準直透鏡發(fā)射，由被測面反射，再經(jīng)聚光透鏡被光電二極管接收，完成光電信號的轉(zhuǎn)換；混頻濾波電路將高頻信號轉(zhuǎn)化為易于測量的低頻信號，實現(xiàn)差頻測相；RC移相電路用于消除系統(tǒng)的附加相移；過零比較器實現(xiàn)正弦波到方波的轉(zhuǎn)化，便于進行數(shù)字相位測量；ARM處理器實現(xiàn)相位差的測量、計算以及距離的顯示。

圖3 激光測距系統(tǒng)硬件框圖

2.1 激光調(diào)制發(fā)射電路

選用波長為650 nm，功率為5 mW的半導(dǎo)體二極管，當流過二極管的電流大于其閾值電流(30 mA)時，激光束才可發(fā)出，當電流小于其閾值電流時，二極管不能正常工作。二極管工作時需要一定大小的直流信號，故采取了精密運算放大器OPA602和滑動變阻器R1來實現(xiàn)對直流電流大小的控制，以此來讓半導(dǎo)體二極管達到穩(wěn)定發(fā)射狀態(tài)。

該激光二極管的頻率可由下式得到：

(13)

式中：v為光在空氣中的傳播速度；λ為發(fā)射光的波長。

經(jīng)計算可得其頻率為4.62×1014Hz，而目前的技術(shù)還不能實現(xiàn)對此高頻信號相位的精確測量。因此，選取高速運算跨導(dǎo)放大器OPA860進行電壓-電流的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對激光二極管進行直接振幅調(diào)制的目的，完成正弦波到激光束上的加載?；谝陨戏治?，設(shè)計了如圖4所示的激光調(diào)制發(fā)射電路。

圖4 激光調(diào)制發(fā)射電路

2.2 激光接收與調(diào)理電路

系統(tǒng)選用在波長650 nm處響應(yīng)度較高的PIN光電二極管，將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為隨接收光強度變化而改變的微小電流信號。而后續(xù)電路需要對電壓信號進行處理來計算出被測面的距離，故需要設(shè)計前置放大電路來實現(xiàn)電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)變。由于高速寬帶電流反饋運放AD8007具有不易失真、低噪聲等特點，用于構(gòu)成前置放大電路來放大微弱信號，降低噪聲干擾并提高系統(tǒng)靈敏度。

由于PIN光電二極管接收到的回波功率與被測距離的平方成反比，所以系統(tǒng)在測量不同距離時接收到的光強不同，系統(tǒng)存在的非線性會引起不同的附加相移，從而導(dǎo)致測量誤差，因此設(shè)計了基于710 MHz信號帶寬的VCA821的自動增益控制電路，使接收到的正弦信號幅值被控制在一個很小的變化范圍內(nèi)。后級放大電路選擇的是低偏置電流、低噪聲、1.6 GHz帶寬的OPA657芯片，來滿足后續(xù)混頻電路的幅值要求，具體電路如圖5所示。

圖5 激光接收與調(diào)理電路

2.3 移相放大電路

測量信號與參考信號進行相位差測量之前，經(jīng)過了一系列放大、濾波、整形等處理，而兩路通道中的元件和集成電路芯片不可能完全相同，由于寄生參量的影響造成了兩通道的不完全對稱，從而產(chǎn)生附加相位差，造成系統(tǒng)測量誤差，影響測量精度。輸入信號源為交流信號時，RC移相電路可根據(jù)電路的不同參數(shù)，實現(xiàn)不同的偏移相位，而且輸出電壓比輸入電壓超前一個角度α：

(14)

故本文設(shè)計了如圖6所示的硬件移相電路用于消除附加相移。由于混頻之后得到的低頻信號為1 kHz，故耦合電容C3選取了1 μF，而耦合電容一般為移相電容的10倍，故C4選取了0.1 μF，因每次所用芯片的差異性，造成附加相移不盡相同，但不會超過180°，因此要實現(xiàn)0°～180° 可調(diào)移相，電位器R3的取值范圍為 0

圖6 移相放大電路

2.4 測相電路

基于差頻測相原理分析，系統(tǒng)選用其外圍電路較少、帶寬可達到250 MHz的四象限電壓輸出乘法器AD835來實現(xiàn)信號的混頻。相對于無源濾波器，有源濾波器具有體積小、質(zhì)量輕、不需要磁屏蔽等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)濾波，響應(yīng)速度較快，而且能夠消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險，故設(shè)計了基于LF353的有源低通濾波電路，對混頻之后的信號進行處理，得到低頻有用信號。

為了使測相更加準確，在過零比較器前加放大電路，增大輸入信號的幅度，使曲線更陡峭，加大其在過零點附近的斜率；本系統(tǒng)利用ARM處理器的中斷、定時功能，對信號的上升沿進行捕捉并開始計數(shù)，到下一個上升沿結(jié)束，降低RS觸發(fā)器，與門電路的開關(guān)速度以及填充脈沖的頻率對相位測量精度[13]的影響。

為了實現(xiàn)信號放大和波形轉(zhuǎn)換，設(shè)計了基于OP37放大和LM393波形轉(zhuǎn)換電路。測相電路如圖7所示。

圖7 測相電路

3 測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計

測距程序的整體框圖如圖8所示。系統(tǒng)上電后，首先對ARM處理器[14]進行初始化，完成對片內(nèi)定時器0、信號邊沿檢測外部中斷和基于靈活靜態(tài)存儲控制器FSMC的TFTLCD顯示驅(qū)動等外設(shè)功能的配置。之后對直接數(shù)字式頻率合成器DDS進行復(fù)位，通過串行通信方式生成所需頻率主振信號和相應(yīng)的本振信號，至此完成初始化。

圖8 測距軟件流程架構(gòu)框圖

在系統(tǒng)上電配置完成后進入測量等待，檢測測量按鍵標志位的狀態(tài)，如果測量按鍵按下，則標志位置1，開始執(zhí)行系統(tǒng)的測量任務(wù)。具體的測量過程如圖8所示。其測量原理為：根據(jù)定時器0的初始化配置可知其計數(shù)器計數(shù)頻率為1 kHz，故通過2個信號上升沿之間的計數(shù)器數(shù)值之差即可得到相位差對應(yīng)的時間，通過轉(zhuǎn)換獲得相位差，進而計算出被測距離。

在測量任務(wù)中，設(shè)置測量次數(shù)i為0，當?shù)谝宦沸盘枡z測外部中斷引腳檢測到上升沿時，使能定時器0并將計數(shù)器初始值設(shè)置為0，當?shù)诙沸盘枡z測外部中斷引腳檢測到上升沿時，關(guān)閉定時器0，并記錄此時的計數(shù)器數(shù)值n。故而，2路信號相位差對應(yīng)的時間差為X。反復(fù)執(zhí)行上述過程50次取均值，得到在本距離范圍內(nèi)對應(yīng)信號相位差的均值時間差，經(jīng)過關(guān)系運算得到距離測量值并更新到顯示模塊。

4 實驗與測試

為驗證上述對系統(tǒng)各部分電路的分析，并評估相位式激光測距系統(tǒng)的整體功能，在實驗室條件下，搭建了相位式激光測距實驗平臺，進行實驗，驗證系統(tǒng)的測量精度。

4.1 不同距離下的實驗研究

利用所設(shè)計的測距實驗平臺，進行了0.2～10 m范圍內(nèi)的測量，所得到的測量結(jié)果和誤差如圖9所示。實驗證明，在現(xiàn)有的測量條件下，系統(tǒng)測量效果較好，在0～8 m之內(nèi)，誤差不超過1 cm，在8～10 m的測量誤差在2.5 cm之內(nèi)，故該系統(tǒng)誤差為2.5 cm。

圖9 距離測量結(jié)果與誤差圖

4.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性實驗

考慮到系統(tǒng)在測量過程中，單次測量可能會由于外部環(huán)境等因素產(chǎn)生較大的測量誤差，因此為了評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要在同一距離下對系統(tǒng)進行多次測量。多次重復(fù)實驗結(jié)果如圖10所示。

圖10(a)、圖10(b)、圖10(c)分別為系統(tǒng)在實際距離為0.228、4.704、9.94 m測量50次的結(jié)果圖，其最大絕對測量誤差分別為1、1、2.5 cm，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，且與不同距離下測量所得系統(tǒng)誤差為2.5 cm結(jié)論相符。

5 結(jié)論

本文基于相位式激光測距原理，設(shè)計了激光測距系統(tǒng)電路，實現(xiàn)了測距功能。針對自動數(shù)字測相法，利用ARM處理器實現(xiàn)中斷與計數(shù)，完成控制、測距、顯示等功能，設(shè)計了RC移相電路來消除電路的附加相移，可有效消除系統(tǒng)測量誤差。系統(tǒng)在0.2～10 m范圍內(nèi)的測量誤差小于25 mm，測量波動較小，為實現(xiàn)激光測距系統(tǒng)集成化提供了一種新的思路。

(a)0.228 m

(b)4.704 m

(c)9.94 m圖10 多次距離測量結(jié)果與誤差圖