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相位测距
基本原理
相位式激光测距是通过测量连续的调制光波往返距离产生的相位延迟,间接的测定光在空气中往返于待测目标间的飞行时间,从而求出被测距离。
由激光调制发射系统、反射器、光电探测接收系统、频率综合部分(本振信号产生)、相位测量、以及显示部分组成。
由于测距的调制信号频率比较高,如果直接测量相位信息,则对测相芯片的分辨率要求比较高,而且误差比较大。因此通常测距仪都采用了混频测相的方式对,高频信号与本振信号进行差频然后得到中低频信号,进行相位比较,后续通过AD转换和单片机把相位差信息转换成我们所需要的距离信息并且显示出来。
频率选择
根据测距仪的设计需要,比如:测量精度、量程、计算简便,选择合适的测尺频率。测尺频率可由下式确定:
相位测量技术
相位式激光测距仪中测距光波被接收以后通过测量相位差来计算光波飞行时间,因此相位测量是测距仪中关系到测距精度的一个关键部分。
主要的数字相位测量方法有以下几种:自动数字测相、欠采样同步检测法、向量内积法。
由于相位式激光测仪的测距要求精度比较高,测距光波的调制频率比
较高,因此
直接进行相位测量,则对器件的要求比较高,现在一般都釆用混频的方式与数字检相搭配使用,这样可以先把高频信号差频成中频或低频信号,然后再进行相位比较。
激光测距仪的总体设计
1)采用波长为650mn的半导体激光器做光源,雪崩二极管做光电探测器;
2)选用单一的直接测尺方式,测尺频率为lOMHz ,本地振荡信号频率为
;
3)用AD8002A做光电探测器前置放大电路和带通滤波器;
4)用于测相的混频输出信号为5KHz,理论测尺长度为15
米。测相精度在毫
米量级;
5)使用AD8302做测相芯片,模数转换芯片将模拟信号转换成数字信号,传送给单片机控制系统,并且通过LCD显示出距离;
6)采用窄带干涉滤光片来抑制带外噪声。
激光调制:
利用有源晶体振荡器来产生lOMHz的高频振荡信号接入调制电路V0端,
测距回波接收部分
光电器件:APD
硅光电二极管在体积、响应速度、可靠性上相比其他元件都有非常好
的特性,特别是硅材料制成的雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,简称APD)。
雪崩二极管探测器具有雪崩增益、灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高等优点,而且系统的激光辐射比较微弱并且是近红外波段光[18],因此本系统采用APD作为前端光电检测器件。
选用德国Silicon Sensor 公司的AD500-8TO52S2系列雪崩二极管作为前端光电检测器件。该器件采用金属外壳封装,有低噪声、快速响应、高灵敏度、高带宽、高增益、低造价等优点,主要用于激光探测、激光测距、激光经纬仪、警戒雷达、荧光检测、微弱光检测及高端医疗设备等。
信号处理电路:
放大和滤波电路运放均选用高速运放AD8002,增益带宽为600MHz。
Id
其他电路(混频部分,锁相环部分,相位测量部分):
差频测相:
相位式激光测距仪通过测量测距光波与调制光波之间的相位差,读取调制光飞行时间的方法来实现测距的。由于采用的是高频测距光波,因此对调制光波直接进行测相,则对测相芯片的要求比较高,而且稳定性比较差