新型的激光測距儀設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究

王史春

(1．臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機工程系，浙江臺州　318000；2．工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室，浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所，浙江杭州　310027)

0　引言

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

基于分時機制設(shè)計激光測距儀，測距儀通過一套光電測量線路分時完成2套或3套光電測量線路的功能，除測量距離的光路外、參考信號和測距信號自始至終經(jīng)同一信號通路。因此，兩者的相位差只與測量距離有關(guān)，是理想的參考/測距信號相位差。同時，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，但分時機制下參考信號和測距信號求相位差時，光路和電路模塊的附加相移(誤差)相互抵消，從而提高了測距精度。

1　測距儀誤差分析

調(diào)制頻率確定條件下的相位式激光測距儀誤差為

(1)

式中：L為待測距離；c為光速；f為調(diào)制頻率；φ為相位。

激光測距儀的主要誤差是測相誤差，改進(jìn)測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/測距信號相位差的檢相環(huán)節(jié)，“改進(jìn)”對局部(檢相環(huán)節(jié))有效，但就全局(激光測距儀的測距精度)而言卻相當(dāng)有限。進(jìn)一步的全面深入研究指出，“改進(jìn)”提升測距精度有限的原因是：誤差不僅僅是檢相環(huán)節(jié)的問題，更多的是輸入檢相環(huán)節(jié)的參考/測距信號的質(zhì)量。理想的參考/測距信號相位差取決唯一的因素，即測量距離，但實際“參考/測距信號”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距儀的基本特征，即采用同時生成參考/測距信號的激光測距儀架構(gòu)。為表述簡潔，激光測距儀的主振DDS模塊和主振七階橢圓濾波器模塊合并簡稱主振模塊，本振DDS模塊和本振七階橢圓濾波器模塊合并簡稱本振模塊，設(shè)主振模塊、本振模塊為激光測距儀的理想模塊，即不產(chǎn)生附加相位。光電檢測模塊和帶通濾波模塊合并簡稱光電模塊，光電模塊存在2項附加相位：理想光電轉(zhuǎn)換器件(器件參數(shù)無分散性、且與外部環(huán)境無關(guān))條件下，光電轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的相位α收及實際光電轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)生的隨機相位β收。參考混頻器模塊和參考信號調(diào)理濾波模塊合并簡稱參考混頻模塊，參考混頻模塊存在2項附加相位：理想混頻器件條件下，混頻過程產(chǎn)生的相位α參混及實際混頻器件產(chǎn)生的隨機相位β參混。測距混頻器模塊和測距信號調(diào)理濾波模塊合并簡稱測距混頻模塊，測距混頻模塊存在2項附加相位：理想混頻器件條件下，混頻過程產(chǎn)生的相位α測混及實際混頻器件產(chǎn)生的隨機相位β測混。激光調(diào)制模塊存在2項附加相位：理想調(diào)制器件條件下，調(diào)制過程產(chǎn)生的相位α調(diào)及實際調(diào)制器件產(chǎn)生的隨機相位β調(diào)。其余符號的說明：主振頻率為ω1；本振頻率為ω2；差頻為ω3，ω3=ω2-ω1；主/本振模塊信號的初始相位為φ0，φ0=0；測量時間為t2L；測距為L，L=0.5c×t2L；參考/測距信號的理想相位差為φ，φ=ω1×t2L，φ∝L．

因此，相位式激光測距儀的理想相位差φ=ω1×t2L，但實際獲取的相位差是：

φ1=ω1·t2L+α參混-α調(diào)-β調(diào)-α收-β收-α測混-β測混

(2)

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

(1)測距精度與調(diào)制頻率并非簡單的正比關(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的調(diào)制深度，激光光波的強度隨調(diào)制頻率的增加產(chǎn)生越來越大的變形；同時高頻電路分布參數(shù)產(chǎn)生的相位變化變大，且不易補償，不難得出：參考/測距信號的相位差與調(diào)制頻率、激光測距儀的電/光路器件有關(guān)。

(2)相位式激光測距儀的系統(tǒng)架構(gòu)存在結(jié)構(gòu)性缺陷。參考信號由主振頻率信號和本振頻率信號直接混頻生成；測距信號的生成步驟則依次為：主振頻率的電信號借助激光調(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)光電探測器將激光信號轉(zhuǎn)換至電信號，電信號通過信號調(diào)理模塊再和本振頻率信號混頻。因此，參考/測距信號的相位差中包含了與測量距離無關(guān)的附加相位移，除測量光路外，參考/測距信號的光路和電路存在不一致，而光電信號在不同光路和電路傳輸時會產(chǎn)生附加相移；此外，實際光電器件的參數(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距儀原光路(外光路)的基礎(chǔ)上增設(shè)1套長度已知的光路——“內(nèi)光路”，內(nèi)光路探測器接收激光器分光鏡輸出的激光，獲內(nèi)光路的測量值，參照內(nèi)光路測量值校正外光路(激光測距儀)測量值，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)，提高了測距精度。增設(shè)內(nèi)光路有助于測量精度的提高，但增加了測距儀的復(fù)雜度、成本和運維工作量；因此，內(nèi)光路僅在高端激光測距儀中有少量應(yīng)用。

(3)激光測距儀系統(tǒng)架構(gòu)的結(jié)構(gòu)性缺陷還表現(xiàn)在：參考/測距信號分別由2套獨立的混頻模塊、調(diào)理模塊、A/D模塊并行同時生成，電子元器件參數(shù)的離散性和溫變特性，必將影響測距系統(tǒng)的綜合精度；必須指出內(nèi)光路技術(shù)無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

對于分時式激光測距儀設(shè)計的思想，民用短距激光測距儀有別于軍用，其測量速度即測量時間達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)在實際應(yīng)用中有太多的余量，0．01 s測量時間與0．02 s測量時間的差異絲毫不會影響用戶的體驗，畢竟人的最小時間分辨率是0．5 s；如能通過測量速度的酌情降低來換取精度和穩(wěn)定性的大幅提高，必將全面提升民用短距激光測距儀的技術(shù)指標(biāo)，這正是文中引入分時機制進(jìn)行測距儀創(chuàng)新設(shè)計的依據(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)計的理念。

系統(tǒng)的整體設(shè)計如圖2所示，分時式激光測距儀由發(fā)射單元、接收單元、檢相主控單元、按鍵、LCD和反光鏡驅(qū)動輔助單元組成；按鍵、LCD和反光鏡驅(qū)動輔助單元包括按鍵模塊、LCD模塊、反光鏡驅(qū)動模塊，反光鏡驅(qū)動模塊則由微型電機、反光鏡和反光鏡驅(qū)動機構(gòu)組成；檢相主控單元的核心是內(nèi)嵌A/D接口的Atmega128芯片，包括信號檢相模塊和主控模塊；接收單元包括光電撿測模塊、帶通濾波模塊、混頻器模塊、信號調(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)

短距激光測距儀的額定測程20 m，對應(yīng)的主振頻率即測尺頻率為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AD9835的SCLK、SDATA和FSYNC 3個引腳寫入命令，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.該項目關(guān)鍵技術(shù)有2個：一是通過分時式算法，消除相位誤差；二是混頻器技術(shù)，在相位差不變的前提下，提高測距精度。

2．1．1算法設(shè)計

為了消除傳統(tǒng)的信號經(jīng)過二路或多路引起的相位誤差，提出新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，即采用分時機制，讓參考信號和測距信號始終走同一條路，具體的算法設(shè)計，如流程圖3所示。

(a)獲取參考信號的流程圖

(b)獲取測距信號和求值的流程圖

由算法可知，參考信號所經(jīng)過的通路中，參考信號產(chǎn)生相位誤差主要有

測距信號所產(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)

測距信號所產(chǎn)生的相位誤差主要有

φ3=α測混+β測混+α調(diào)+β調(diào)+α收+β收+ω1·t2L

(4)

由于參考/測距信號在同一混頻器上混頻，因此，

α參混+β參混=α測混+β測混

(5)

所以，總的相位差為

φ=φ3-φ2=ω1·t2L

(6)

分時式算法消除了相位誤差，提高了測距精度。

2．1．2混頻器設(shè)計

對于相位式激光測距，相位測量一般采用差頻測相技術(shù)[5-7]，即把高頻信號轉(zhuǎn)化為低頻信號，提高測距精度。

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

U1=Acosω1·t

(7)

U2=Acosω2·t

(8)

式中：U1、U2分別為主振信號和本振信號；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

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

α收+β收)]

(9)

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

α測混+β測混-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，但測試點降低了M=f/(f-fc)倍，測相精度相應(yīng)提升了M倍。

3　仿真實驗

實驗在MATLAB環(huán)境中仿真，參數(shù)設(shè)置如表1所示，通過對相位式激光測距和分時相位式激光測距儀構(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，即參考信號部分和測距信號部分。

圖5　系統(tǒng)仿真

表1　仿真參數(shù)設(shè)置

(1)信號產(chǎn)生模塊。產(chǎn)生主振信號和本振信號。在信號中加入一定的信噪比的高斯白噪聲(高頻)，經(jīng)過七階橢圓濾波器進(jìn)行低通濾波。

(2)接收信號模塊。加入一定信噪比的高斯白噪聲，信號經(jīng)過一定的延時，作為激光接收信號。

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

(4)接收信號處理模塊。由2個模塊組成，一個模塊是測距信號和本振信號的混頻，通過低通濾波器后，獲取一個低頻測量信號(15 kHz)；模塊二將接收信號經(jīng)過一個帶通濾波濾波。

(5)相位測量模塊。由2個子模塊組成，一個是分時式激光測距儀測相，另一個是傳統(tǒng)激光測距儀的測相，在Matlab中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[8-9]，計算測相誤差和精度。

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

表2　分時式激光測距儀

表3　相位式激光測距儀

(a)相位式激光測距儀

(b)分時式激光測距儀

4　結(jié)語

通過對現(xiàn)有的相位式測距儀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提出分時式激光測距儀的結(jié)構(gòu)，提高相位誤差精度，從而提高了分時式激光測距儀測距精度。分時式激光測距儀適用于短距離的測量，特別對于測算房屋面積、機器人測距等方面應(yīng)用有一定的前景。當(dāng)然也有一些需解決的問題：

(1)分時式激光測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)分時操作的精度不僅是相位之差，其實在時間t有一定的誤差，需提高時間t的一致性，需進(jìn)一步研究。

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

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