手持激光測距儀及其發(fā)射電路

智 強，霍玉晶，鞏 軻

(清華大學電子工程系，北京100084)

1 引言

精密測距是激光的一個重要應用。激光測距廣泛應用于軍事、工程建設、精密測量及控制、房屋丈量等領域。激光測距的方法多種多樣，常見的有脈沖法、相位法、干涉法、三角法等。其中脈沖法和相位法是基于激光飛行時間間隔的測量方法，它們各有優(yōu)缺點:一般脈沖法激光測距的測程較遠，無合作目標也可達幾十公里，但絕對精度較低，通常為米或分米量級;相位法激光測距的精度可達毫米量級甚至更高，但卻存在著最大可測范圍與測距分辨率之間的矛盾，通常增大測程的辦法就是使用多個調(diào)制頻率作為多把測尺來測量。低調(diào)制頻率作為粗測尺，測得距離的粗測值，高調(diào)制頻率作為精測尺，測得距離的精測值，粗測值和精測值按照一定的算法結(jié)合起來就是待測距離值。但這樣會增加系統(tǒng)設計的難度和復雜度，從而也可能使得儀器的體積、質(zhì)量等增加，不利于便攜式應用?，F(xiàn)在市場上對于短程、無需合作目標的高精度手持激光測距儀的需求較大，這類測距儀采用了一種脈沖相位測距法來進行測距。這種測距方法結(jié)合了脈沖法和相位法兩種測距方法的優(yōu)點［1－2］。

2 脈沖相位激光測距原理

脈沖相位法激光測距是利用間歇發(fā)射的相干激光脈沖串來進行測距的。其原理如圖1所示。

其中，Ts是激光脈沖的周期;Tl為激光脈沖串的持續(xù)時間;Tb為激光脈沖串重復周期;fs=1/Ts為激光脈沖的頻率。測距系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 脈沖相位測距系統(tǒng)框圖

測距過程如下:測距系統(tǒng)發(fā)射一串激光脈沖，經(jīng)分束后，小部分光進入?yún)⒖脊饴?，觸發(fā)計數(shù)器計數(shù)，接收系統(tǒng)接收到返回信號時終止計數(shù)，所計數(shù)乘以時鐘周期就是脈沖串的傳播時間t;不僅脈沖串往返經(jīng)歷延時，脈沖也在往返一次的途中產(chǎn)生相位移動φ，利用外差法測得φ(兩路高頻信號與本振信號經(jīng)過混頻、低通濾波、整形后分別觸發(fā)觸發(fā)器，利用時鐘填充測得φ)，則待測距離值為:

從測距過程可以看出，脈沖相位激光測距結(jié)合了脈沖法激光測距與相位法激光測距的優(yōu)點，間歇脈沖串的發(fā)射方式使得激光能量集中，信噪比提高，這有利于增加無合作目標情況的測距范圍，脈沖的相干性也使得這種測距方法保留了相位激光測距精度高的優(yōu)點［2］(很容易看到，當計數(shù)時鐘與調(diào)制信號相同時，每一次粗測計數(shù)對應的時間對應于2π的相位，精測部分的相位則對應不滿2π的相位，所以脈沖相位激光測距本質(zhì)上還相當于一種相位激光測距，具有和相位激光測距一樣的精度)。

只要保證時間部分t的測量誤差Δt對應的相位不超過2π，則粗測值和精測值就可以結(jié)合得到距離的精確值。假設激光脈沖頻率為fs=100MHz，則需保證Δt≤10ns，采用恒比定時鑒別時刻法，很容易實現(xiàn)低于這個測時誤差的目標［3－4］。

3 頻率合成方案

從前面的測距原理可以看出，脈沖相位激光測距本質(zhì)上還是一種相位激光測距，其測距精度與一般的相位激光測距一樣，還是取決于發(fā)射信號與返回信號間相位差的測量精度。

相位激光測距中一個需要首先考慮的關鍵問題就是頻率的合成方案。良好的頻率跟蹤是減小測距誤差的關鍵。常見的頻率合成技術有直接頻率合成、鎖相環(huán)頻率合成(PLL)、直接數(shù)字頻率合成(DDS)，目前的研究大都采用DDS來實現(xiàn)不同頻率的合成。雖然DDS的輸出具有頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換時間快等優(yōu)點，然而也存在輸出雜散較大，頻譜不純等缺點，同時DDS芯片的能耗通常也更高。PLL的頻率輸出較DDS雜散小，頻率跟蹤特性好，相當于一個窄帶濾波器，但存在頻率分辨率低、轉(zhuǎn)換時間長的缺點?，F(xiàn)在流行的頻率合成方案是將二者結(jié)合起來，即DDS+PLL的頻率合成方案。我們選用TI公司的基于多鎖相環(huán)的、可編程的、具有多路LVCMOS輸出的時鐘芯片系列CDCE9xx來獲得所需頻率。這避免了使用DDS合成頻率過程中復雜濾波電路的設計，降低了能耗，有利于便攜式設計，同時多鎖相環(huán)的配置也避開了PLL只能大步進頻率合成的缺點。通過在芯片內(nèi)部設置適當?shù)姆诸l比參數(shù)，可實現(xiàn)0ppm輸出。其中一款CDCE925的功能框圖如圖3所示。

圖3 CDCE925功能框圖

測距系統(tǒng)所需的輸出頻率有4個:脈沖串重復頻率fb，激光調(diào)制頻率fs，本振信號頻率fo，計數(shù)時鐘頻率fc。將編程指令寫入時鐘芯片內(nèi)部即可獲得以上頻率輸出。

4 激光調(diào)制電路

激光的調(diào)制方式通常分為外調(diào)制和內(nèi)調(diào)制。對于激光二極管LD，對其注入電流進行直接調(diào)制是一種簡易的內(nèi)調(diào)制方法。采用直接注入電流的調(diào)制方法。激光二極管的調(diào)制特性如圖4所示。

圖4 激光二極管調(diào)制特性

LD直接調(diào)制的頻率特性一方面受到自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，另一方面還與其直流工作點即直流偏置電流有關。高頻調(diào)制LD發(fā)光時會受到這兩方面的限制，若要提高LD發(fā)射激光的調(diào)制頻率，合理設置直流偏置電流并在調(diào)制電流與LD間設置匹配電路是行之有效的辦法［5－6］。

采用高速跨導運放OPA2662來獲得調(diào)制電流。調(diào)制電路如圖5所示，利用運放的使能端來實現(xiàn)間歇發(fā)射激光脈沖串的目的。

圖5 調(diào)制電流產(chǎn)生電路

通過調(diào)節(jié)Re的阻值可以實現(xiàn)對運放跨導的調(diào)節(jié)。

LD的直流偏置電路設計如圖6所示。

圖6 LD直流偏置電路

其中，LM317為穩(wěn)壓器，通過R5給LD提供直流偏置電流，C5，L1，C4組成低通濾波電路，V1為瞬態(tài)抑制二極管，起到保護LD的作用。

整體發(fā)射電路如圖7所示。

圖7 測距儀發(fā)射部分電路圖

5 設計參數(shù)對測距影響的分析

5．1 頻率合成對測距精度的影響

晶振的頻率為fi，相位激光測距的精度［7］由下式給出:

式中，Δφ為發(fā)射信號與返回信號間的相位差，一般用外差法通過混頻將高頻降低到低頻測相。采用自動數(shù)字相位檢測法，計數(shù)頻率為fc，則距離分辨率為:

設計一款精度為毫米級的測距儀，其中各頻率設計如下:

fs=100mHz fo=99．95MHzfc=100MHz

把數(shù)據(jù)代入式(3)，算得測距精度為ΔL=0．75mm。然而，實際當中的頻率值總會偏離設計值，接下來考察頻率的偏離對于測距精度的影響。如果晶振的頻率穩(wěn)定度為P，對式(3)左右兩端微分得到:

可見，調(diào)制信號頻率與本振信號頻率差值設計的越小、調(diào)制信號頻率和計數(shù)時鐘頻率設計的越高、晶振的頻率穩(wěn)定度越高，則對于測距精度的影響越小。

δ(ΔL)的影響會隨著測量距離的增加而成正比增加。相位激光測距最大可測范圍為:

則相位激光測距的最大偏差為:

如果P=50ppm，則δ(L)=0．075mm激光測距精度為:

ΔL+δ(L)=0．825mm

可見，選用高穩(wěn)定度晶振、提高激光調(diào)制頻率、提高計數(shù)時鐘頻率，都是提高測距精度的途徑。

5．2 間歇發(fā)射方式對測距范圍的影響

發(fā)射激光的平均功率為Pi，脈沖串持續(xù)時間為

Tl，定義為脈沖串的占空比，脈沖串內(nèi)連續(xù)脈沖的占空比為D0，定義D0·D1為總占空比，則激光峰值功率為:

Ppeak=Pi/(D1·D0)=Pi/D

考慮到瞬態(tài)效應的影響，同時為保證測相中的相位比較，需要保證脈沖串持續(xù)時間內(nèi)至少有一個半周期的差頻信號(前半個周期用來抵消瞬態(tài)影響，后面一個周期進行相位比較)，即:

一個測距周期內(nèi)的能耗為:

W=Pi·Tb

可以看到，差頻頻率會影響到脈沖串的持續(xù)時間，在保持平均發(fā)射功率Pi及測距周期Tb(與測距速度有關)不變時，提高激光調(diào)制頻率及計數(shù)時鐘頻率、壓縮激光脈沖占空比D0，可以分別提高測距精度和測距范圍，而不對測距速度及能耗產(chǎn)生影響。

6 結(jié)論

從測距的范圍和精度、測距周期、能耗等方面出發(fā)，綜合分析了脈沖相位激光測距法，給出了在保證測距各項指標(主要是測距周期和能耗)不變的前提下，提高激光測距范圍和精度的措施，即選用高穩(wěn)定度晶振，提高激光調(diào)制頻率，壓縮激光脈沖占空比等，并設計了相應的電路，這對于短程、無需合作目標的高精度手持激光測距技術的研究具有一定的參考意義。

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