王海軍

（左權(quán)永興煤化有限責(zé)任公司，山西 左權(quán) 032611）

引言

近年來(lái)，相位式激光測(cè)距逐漸發(fā)展成為一種高效精密的測(cè)量方法，它將激光調(diào)制技術(shù)、光電檢測(cè)、信號(hào)處理以及單片機(jī)等技術(shù)結(jié)合于一體，與傳統(tǒng)的直接測(cè)量激光往返時(shí)間的方式不同，相位式激光測(cè)距儀通過(guò)測(cè)量調(diào)制光波往返時(shí)產(chǎn)生的相位變化量來(lái)間接計(jì)算距離，具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于采礦、建筑、汽車等工業(yè)領(lǐng)域的大量程、高精度的測(cè)距[1]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均取得了一定的研究進(jìn)展，如國(guó)內(nèi)研制的紅外光電測(cè)距儀是典型的相位法測(cè)距儀[1]，測(cè)試量程可達(dá)2 000 m,測(cè)量精度為±5 mm。美國(guó)第一代激光測(cè)距機(jī)以紅外寶石激光器作為激光發(fā)射源[2]，以光電倍增管為探測(cè)器，是世界上第一臺(tái)激光測(cè)距儀。本文的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)適用于大量程測(cè)試的高精度相位式激光測(cè)距儀，測(cè)量范圍為1 000 m,測(cè)量精度2 mm,經(jīng)過(guò)研究分析，確認(rèn)了整體的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了光電檢測(cè)模塊、信號(hào)放大模塊和差頻測(cè)相模塊，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)。

1 相位式激光測(cè)距基本原理

1.1 相位式激光測(cè)距原理

相位式激光測(cè)距工作時(shí)先測(cè)量調(diào)制光波信號(hào)在一定距離往返傳播時(shí)的相位差，得出測(cè)量信號(hào)的傳播時(shí)間，最終計(jì)算得到被測(cè)距離。假設(shè)調(diào)制光波是頻率為f的正弦波，可推導(dǎo)出光波由A 傳播至B的相位差φ：

根據(jù)式（2）可知，距離與波長(zhǎng)成正比例關(guān)系。

考慮到一般從A 點(diǎn)到B 點(diǎn)的相位差數(shù)值很小，導(dǎo)致精確測(cè)量較困難；另一方面，將A 點(diǎn)和B 點(diǎn)設(shè)為發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，不利于實(shí)際操作。因此在B 點(diǎn)添加角反射器，將測(cè)距儀的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)均位于A 點(diǎn)，以光波在被測(cè)距離往返一次進(jìn)行計(jì)算，大大降低了測(cè)量誤差和操作復(fù)雜性。

1.2 差頻測(cè)相技術(shù)

由于相位式激光測(cè)距技術(shù)在高頻信號(hào)的測(cè)量時(shí)具有很大的誤差，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)在測(cè)距儀中引入差頻測(cè)相技術(shù)[3]。差頻測(cè)相先將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成低頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，轉(zhuǎn)換后的低頻信號(hào)保留了原信號(hào)的相位性質(zhì)，同時(shí)增大了信號(hào)的處理能力和傳播周期，使得測(cè)量精度大大提高。

主振信號(hào)為es1=Acos（ωst+φs），調(diào)制光波往返一次后被接收器接收后的測(cè)距信號(hào)為es2=B cos（ωst+φs+Δφ），本振信號(hào)為e1=Acos（ω1t+φ1）。

因此，本振信號(hào)與主振信號(hào)之間的差頻參考信號(hào)為er=Dcos[（ωs-ωt）t+（φs-φt）]，本振信號(hào)與測(cè)距信號(hào)之間的差頻測(cè)距信號(hào)為es=Ecos[（ωs-ωt）t+（Φs-φt）+Δφ]。

根據(jù)公式可以看出，差頻參考信號(hào)和差頻測(cè)距信號(hào)相位差與直接測(cè)量的高頻信號(hào)的相位差相同，即相位不變，頻率發(fā)生改變，將原來(lái)的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為低頻信號(hào)。

2 相位式激光測(cè)距儀的設(shè)計(jì)與仿真

2.1 相位式激光測(cè)距儀的技術(shù)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的相位式激光測(cè)距儀應(yīng)具備以下技術(shù)特點(diǎn)，如下頁(yè)表1 所示。

表1 相位式激光測(cè)距儀技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)以上技術(shù)特點(diǎn)，確定下頁(yè)圖1 所示的相位式激光測(cè)距儀接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，接收系統(tǒng)分為光電檢測(cè)及信號(hào)放大模塊和差頻測(cè)相模塊，其中光電檢測(cè)及信號(hào)放大模塊主要負(fù)責(zé)探測(cè)器接收發(fā)射信號(hào)并放大，差頻測(cè)相模塊負(fù)責(zé)對(duì)參考信號(hào)和測(cè)距信號(hào)進(jìn)行混頻操作和相位測(cè)量。

圖1 相位式激光測(cè)距儀接收系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

2.2 光電檢測(cè)、信號(hào)放大模塊設(shè)計(jì)

考慮到光電檢測(cè)的測(cè)尺頻率為150 kHz，為高頻信號(hào)，導(dǎo)致探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間極短。參考常用的光電探測(cè)器間的特性，選擇GT101型光電二極管，響應(yīng)時(shí)間只需5 ns。由于GT101型光電二極管的輸出電流較小，因此需對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大。在信號(hào)放大模塊中，輸入抗阻與所需驅(qū)動(dòng)電流成負(fù)相關(guān)，輸入抗阻越大，所需驅(qū)動(dòng)電流越小，消耗功率越低，因此在信號(hào)放大模塊電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇高的輸入抗阻，降低能源消耗；此外，信號(hào)的放大倍數(shù)只需滿足后續(xù)電路要求，即大于混頻器的門檻電壓。

在光電檢測(cè)和信號(hào)放大模塊中，前置放大器采用超高速運(yùn)MAX4100，帶通濾波器選擇低噪聲高速精密運(yùn)放器OP37，由于接受的測(cè)距信號(hào)頻率較高，兩種運(yùn)放器的增益帶寬也較高；為防止運(yùn)放器發(fā)生自激振蕩，在信號(hào)放大模塊增加小容量電容，與反饋電阻并聯(lián)；PIN 管輸出的電流信號(hào)經(jīng)運(yùn)放器運(yùn)放轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)濾波放大后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，滿足后續(xù)電路要求。

2.3 差頻測(cè)相模塊設(shè)計(jì)

差頻測(cè)相模塊由混頻電路和相位差測(cè)量部分組成，混頻電路的實(shí)質(zhì)是進(jìn)行頻譜的線性搬運(yùn)，線性器件無(wú)法完成，因此要通過(guò)非線性器件完成。常用的非線性器件有晶體管、二極管和模擬乘法器。二極管沒(méi)有變頻增益，晶體管混頻器的變頻增益高，但組合頻率多，動(dòng)態(tài)范圍小。而模擬乘法器不僅變頻增益高，輸出頻譜干擾少，降低了對(duì)低通濾波器的要求；同時(shí)模擬乘法器對(duì)電壓幅度要求不嚴(yán)格，對(duì)外來(lái)輸入信號(hào)和本振信號(hào)有優(yōu)異的隔離效果。本文選擇模擬乘法器MC1496 作為混頻器，本頻信號(hào)和測(cè)距信號(hào)分別在兩個(gè)不同的管腳進(jìn)行混頻，其中兩個(gè)管腳是差頻測(cè)相模塊的輸入端，然后經(jīng)過(guò)混頻后的低頻信號(hào)由輸出端管腳輸出。為保證輸出信號(hào)獲得較高的頻率增益，將輸出端的二型帶通濾波器和回路帶寬均調(diào)諧10 kHz。

2.4 接收系統(tǒng)仿真分析

本文基于仿真軟件Multisim10 對(duì)相位式激光測(cè)距儀的光電檢測(cè)及信號(hào)放大電路和混頻電路進(jìn)行了分析，得到如圖2 所示的仿真結(jié)果。圖2-1 中波形A為第一級(jí)運(yùn)放電流轉(zhuǎn)換為電壓時(shí)的輸出波形，電壓幅值為10 mV 左右，波形B 為中間級(jí)運(yùn)放輸出的正弦信號(hào)波形，波形C 是經(jīng)運(yùn)放器通濾并放大后的輸出波形，從圖中可以看出，波形B 和C的電壓幅值接近1 V，滿足后續(xù)電路的要求。根據(jù)波形變化，可以看出光電檢測(cè)及信號(hào)放大電路穩(wěn)定可靠；圖2-2為混頻電路的仿真波形圖，混頻后的信號(hào)波形穩(wěn)定，經(jīng)計(jì)算頻率約為10 kHz，與理論值相符合。

圖2 光電檢測(cè)、信號(hào)放大電路和混頻電路仿真波形圖

3 結(jié)語(yǔ)

隨著相位式激光測(cè)距技術(shù)的廣泛應(yīng)用，測(cè)距儀的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求，如在降低成本的條件下，設(shè)計(jì)大量程范圍、高測(cè)量精度的小型相位式激光測(cè)距儀成為重要的研究課題。本文對(duì)測(cè)距儀的信號(hào)接收系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用光電二極管作為回波的探測(cè)接收器，通過(guò)信號(hào)放大濾波電路，將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；采用模擬乘法器作為混頻器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)本振信號(hào)和輸入信號(hào)的隔離，降低了寄生干擾，擴(kuò)大了信號(hào)的周期，使得測(cè)相電路獲得更高的精度。對(duì)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行Multisim 仿真分析，驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的合理性。