基于LabVIEW的相位式激光測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡薇，李昆

(1.中航發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，北京100028;2.中航工業(yè)北京長城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

無論是航空、航天、兵器等國防軍工領(lǐng)域，還是大地、工程測(cè)量等民用領(lǐng)域，對(duì)長度和距離的測(cè)量都是必不可少的。工業(yè)中常見的是激光測(cè)距法。激光測(cè)距法按測(cè)量原理的不同，分為相位式測(cè)距法和脈沖式測(cè)距法兩種［1］。較脈沖式測(cè)距法，在小于1 km的測(cè)量范圍內(nèi)，相位式測(cè)距法有著更出色的測(cè)量效果，工程應(yīng)用中也能滿足大部分測(cè)量要求。

傳統(tǒng)的相位式激光測(cè)距系統(tǒng)，多采用CPLD，F(xiàn)PGA或ARM等嵌入式處理器配合相應(yīng)的開發(fā)語言 (如Verilog HDL，VHDL，C，C++)完成程序控制和數(shù)據(jù)處理，但設(shè)計(jì)中往往有硬件電路復(fù)雜、工作量大等問題。

基于LabVIEW的相位式激光測(cè)距系統(tǒng)，將相關(guān)嵌入式控制器和硬件電路虛擬化，不僅可以靈活定制成相位式激光測(cè)距系統(tǒng)儀器化的操作界面，大大簡(jiǎn)化測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)，節(jié)約研制過程成本，更是能縮小項(xiàng)目開發(fā)周期，提高研發(fā)效率。

1 相位測(cè)距法基本原理

相位測(cè)距法是一種利用被調(diào)制光信號(hào)在發(fā)射端與接收端間的相位差關(guān)系來定量分析出被測(cè)距離量的測(cè)量方法。具體計(jì)算公式［2］為

式中:c為光速;t為調(diào)制光在被測(cè)距離間往返時(shí)間;Δφ為發(fā)射端與接收端間的相位差;f為調(diào)制激光頻率;λ為調(diào)制激光的波長。

相位式激光測(cè)距示意圖如圖1所示，A為調(diào)制光的發(fā)射端，B為探測(cè)單元的接收端。設(shè)發(fā)射光信號(hào)在A端的相位為φA，接收光在B端的相位為φB，則相位差Δφ =φB－ φA。Δφ 又可以表示為［3］

式中:N1為相位差中包含的的整數(shù)倍;Δφ1為非整周期相位的尾數(shù);ΔN1=Δφ1/2π。

相位式激光測(cè)距可認(rèn)為是用長度為λ的激光波長去測(cè)量距離L。ΔN1可由測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算而來，但并不是一個(gè)定值，計(jì)算中常有多解，因此實(shí)際應(yīng)用中采取用一組 (兩個(gè)或者兩個(gè)以上)調(diào)制頻率，高頻調(diào)制頻率用來保證測(cè)量距離的精度，低頻調(diào)制頻率用來保證測(cè)量距離的范圍，從而得到準(zhǔn)確的測(cè)量值［4］。

圖1 相位式激光測(cè)距示意圖

2 基于FPGA的相位式測(cè)距系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于FPGA的傳統(tǒng)相位式激光測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，DDS在FPGA的控制下產(chǎn)生主振信號(hào)和本振信號(hào)，從而控制激光發(fā)射單元發(fā)射出特定波長的連續(xù)光波信號(hào)，接收單元通過光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)接收攜帶有距離信息的信號(hào)，經(jīng)ADC變換后進(jìn)入FPGA。

圖2 基于FPGA的相位式激光測(cè)距系統(tǒng)示意圖

兩路接收回波信號(hào)進(jìn)入FPGA后，先經(jīng)FIR濾波器濾波，然后分別與本振信號(hào)A和本振信號(hào)B進(jìn)行混頻處理，再加上兩路主振信號(hào)與本振信號(hào)混頻，共四路混頻信號(hào)，四路混頻信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波后，濾去高頻信號(hào)，剩下的低頻差頻信號(hào)進(jìn)入差頻測(cè)相單元，最終結(jié)果送入FPGA，F(xiàn)PGA將處理數(shù)據(jù)傳輸至LCD顯示。

傳統(tǒng)相位式激光測(cè)距系統(tǒng)工作頻率高，增益大，易自激和受干擾，尤其復(fù)雜的硬件所帶來的各類噪聲成為限制測(cè)距精度和穩(wěn)定性的主要原因。

3 基于LabVIEW的相位式測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用LabVIEW易于開發(fā)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，本測(cè)量系統(tǒng)采用圖形化語言編寫控制程序和數(shù)據(jù)處理程序，基于LabVIEW的相位式激光測(cè)距系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 基于LabVIEW的相位式激光測(cè)距系統(tǒng)示意圖

該測(cè)距系統(tǒng)主要由發(fā)射單元、探測(cè)單元、外圍電路單元和數(shù)據(jù)處理單元4部分組成。其中，發(fā)射單元、探測(cè)單元及其光學(xué)元件共同組成了光學(xué)測(cè)量頭［5］;外圍電路單元主要是由LabVIEW程序控制的電壓輸出模塊和電壓輸入模塊組成。發(fā)射單元在LabVIEW程序控制下，激光發(fā)光管發(fā)出連續(xù)光，經(jīng)過距離2L后，光信號(hào)進(jìn)入探測(cè)單元，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后，由數(shù)據(jù)采集卡對(duì)檢測(cè)信號(hào)采集，送入PC機(jī)，由LabVIEW軟件進(jìn)行差頻測(cè)相，從而將攜帶有被測(cè)目標(biāo)距離信息的信號(hào)計(jì)算出來，并將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，總體程序流程圖如圖4所示。

圖4 總體程序流程圖

3.2 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

基于LabVIEW的相位式激光測(cè)距系統(tǒng)，是將相關(guān)嵌入式控制器和硬件電路虛擬化，用靈活可定制的軟件來取代硬件的自動(dòng)化綜合應(yīng)用系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)軟件主要分為程序用戶登錄程序、測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫管理程序三部分。

1)程序用戶登錄程序

世人皆好責(zé)人而非責(zé)己。在“異常人”的眼中：別人都是豆腐渣，唯有自己是一朵花?！罢Ｈ恕眲t不然。他寬以待人，嚴(yán)于律己。金無足赤，人無完人?！罢Ｈ恕备矣诮馄首约?，善于反省自己。他做人的信條是：只有敢于袒露自己心聲的人，才值得信賴，也才有資格評(píng)判他人！

程序用戶登錄界面作為程序的原始入口，主要是方便管理員對(duì)操作人員的監(jiān)督和管理。

2)測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用程序

測(cè)距系統(tǒng)的應(yīng)用程序是系統(tǒng)的核心部分，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率信號(hào)產(chǎn)生單元的控制和完成對(duì)原始信號(hào)的差頻測(cè)相處理，界面及LabVIEW程序框圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用界面

圖6 測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用界面LabVIEW程序框圖

電壓輸出模塊在LabVIEW頻率信號(hào)產(chǎn)生程序控制下，產(chǎn)生高精度方波主振信號(hào)，用于光調(diào)制。在相位式激光測(cè)距中，通過比較發(fā)射端的初始信號(hào)與接收端的反饋信號(hào)，取得兩者間的相位差信息，然后用高頻填充脈沖對(duì)相位差信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后通過計(jì)算脈沖數(shù)得到準(zhǔn)確的相位差信息。設(shè)調(diào)制光頻率為f，高頻填充脈沖頻率為fc，假設(shè)一個(gè)周期內(nèi)的計(jì)數(shù)脈沖值為M，則相位差為:Δφ=2πMf/fc。實(shí)際應(yīng)用中，通常采用多個(gè)周期計(jì)數(shù)求平均的方法，用來減小偶然誤差，提高鑒相精度［6］。差頻測(cè)相原理如圖7所示，若N個(gè)周期的計(jì)數(shù)脈沖值為M'，則Δφ=2πM'f/(Nf)c。

圖7 差頻測(cè)相原理圖

差頻測(cè)相單元是相位式激光測(cè)距系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵部分，整個(gè)數(shù)據(jù)處理由LabVIEW程序完成，差頻測(cè)相單元組成框圖如圖8所示。

圖8 差頻測(cè)相單元組成框圖

3)數(shù)據(jù)庫管理程序

圖9 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)框圖

4 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果與分析

在理想狀態(tài)下，整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)距分辨力主要由調(diào)制激光頻率、混頻輸出頻率和數(shù)字測(cè)相過程的高頻填充頻率決定。其估算公式［6］為

式中:Δ為測(cè)距分辨力;c為光速;fs為激光發(fā)射波調(diào)制頻率 (主振頻率);f1為混頻信號(hào)頻率;fp為填充的高頻脈沖 (測(cè)相脈沖)頻率。由公式 (3)可得激光調(diào)制頻率與測(cè)距系統(tǒng)理論分辨力的關(guān)系，表1中給出了兩種激光調(diào)制頻率對(duì)應(yīng)的測(cè)距分辨力。

表1 激光調(diào)制頻率與系統(tǒng)理論分辨力

本仿真實(shí)驗(yàn)中，主振頻率為40 MHz，本振頻率為40.04 MHz，根據(jù)公式 (1)可得相應(yīng)的測(cè)距模糊距離(可測(cè)量距離最大值)為3.75 m;用于測(cè)相的差頻信號(hào)頻率為10 kHz，高頻填充測(cè)相脈沖頻率為10 MHz，由表1可知，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在理想條件下測(cè)量分辨力為3.75 mm。

實(shí)際應(yīng)用中，由于電子元器件特性限制、各類噪聲影響以及現(xiàn)實(shí)環(huán)境因素的干擾，使得應(yīng)用效果不可能達(dá)到理想精度。為驗(yàn)證本系統(tǒng)的控制程序和數(shù)據(jù)處理功能，本仿真實(shí)驗(yàn)選取了4組不同相位差，仿真實(shí)驗(yàn)軟件界面如圖10所示，仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表如表2所示。

圖10 相位式激光測(cè)距系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)界面

表2 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)可知，基于LabVIEW的相位式激光測(cè)距系統(tǒng)不僅可以獨(dú)立有效的執(zhí)行信號(hào)處理和解調(diào)的全部功能，同時(shí)測(cè)量也非常精確、可靠。

5 結(jié)論

本文依據(jù)相位式激光測(cè)距原理，運(yùn)用LabVIEW軟件編寫控制和數(shù)據(jù)處理程序，完成了相位式激光測(cè)距的仿真實(shí)驗(yàn)，并且能夠有效地解決傳統(tǒng)相位式激光測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路復(fù)雜、工作量大的問題。

與開發(fā)復(fù)雜的信號(hào)處理程序相比，LabVIEW軟件本身有多種專用信號(hào)處理函數(shù)模塊，靈活調(diào)用應(yīng)用函數(shù)模塊，使得開發(fā)更加簡(jiǎn)便、高效。準(zhǔn)確、直觀、便捷的顯示和操控界面，可大大降低測(cè)試人員的工作量和業(yè)務(wù)難度。

本文所論述的基于LabVIEW的相位式激光測(cè)距系統(tǒng)是一個(gè)初步方案，為提高系統(tǒng)的性能，在LabVIEW程序優(yōu)化和測(cè)試數(shù)據(jù)誤差分析等方面還需做進(jìn)一步的研究。

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