CN111398978A - 一种改进的中远程相位式激光测距仪及测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种改进的相位式激光测距系统和测距办法，该系统包括：频率合成模块、激光发射模块、信号接收模块、通过串口与上位机连接的数据处理器、上位机、液晶显示器；所述系统由频率合成模块产生主振和本振两路信号，通过激光发射模块发射的主振信号，经被测物反射后，由APD光电检测电路接收，并与本振信号进行混频，混频后的光信号经过放大和滤波电路得到最终的测量信号。随后对该测量信号进行双ADC采样与最大似然法计算后得出待测距离。本系统具有人眼保护、性能稳定、测距精度高、系统响应快和测量范围广的优点。

Description

一种改进的中远程相位式激光测距仪及测距方法
技术领域
本发明涉及一种相位式激光测距的方法，适用于相位式激光测量技术领域。
背景技术
自动化与数字化是测量仪器发展的总趋势，目前短程和远程测距仪已实现数字化及部分自动化，提高了测量精度。随着激光器、调制器、光探测器以及光学、电子元器件等的发展，应用广泛的中程相位式激光测距仪还有极大的发展空间。
当今市场上的测距仪有多种，例如脉冲测距可以达到极远的测程，但是精度非常低；光波的干涉测距只能测出相对距离，而且成本非常高；反馈法测距精度高，便于仪器小型化，但是精度随着测量距离的增加而降低，稳定性低。而相位式测距是目前精度最高、分辨率高、抗干扰能力最强的一种测距方法。
本项目研究的相位式激光测距系统，通过调制激光的反射，得到相位差进而换算成为所测距离信息。采用二极管泵浦的Er玻璃激光器，保护人眼安全，采用差频测相的方法，将计算高频信号的相位差变成计算低频信号的相位差，提高了相差测量的稳定性并降低了误差；在数据处理方面，采用最大似然估计法对信号处理、采用DDS和PLL环外混频方法，使得到的结果更为准确。最终设计出一款精度高、无接触、物美价廉的激光测距仪的设计与实现方案。
发明内容
本发明提出一种改进的相位式激光测距系统和数据处理方法。为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的。本发明的技术方案如下：
频率合成模块、激光发射模块、信号接收模块、通过串口与上位机连接的数据处理器、上位机、液晶显示器。
所述系统由频率合成模块产生主振和本振两路信号，主振信号经过激光发射模块发射出去，光信号被反射回来后被APD光电检测电路接收到，与本振信号进行混频之后，经过放大和滤波电路得到测量信号，进行双ADC采样、最大似然法计算得到待测距离。
其中，频率合成模块，具体组成包括混频器、集成DDS芯片AD9910和PLL芯片ADF4108以及带通滤波器。所述频率合成模块采用DDS和PLL环外混频方法合成主振本振信号。
其中，激光发射模块包括激光调制电路，人眼安全的基于二极管泵浦的Er玻璃激光器，准直透镜。所述激光发射模块可以将原始合成信号进行调制，通过人眼安全激光器发射，再经准直透镜准直，作为最终发射信号输出。
其中，信号接收模块包括聚焦透镜、APD光电接收器及APD驱动电路、混频电路、AGC电路。所述信号接收模块将光信号转换为电压值，并通过自动增益控制电路，将信号放大滤波最终保持在一定数值，然后与本振混频，提高测量精度。
其中，数据处理器包括STM32、串口、按键。所述数据处理器采用双ADC采样，并使用最大似然估计法对信号进行处理计算出目标距离，将信道中加性噪声的幅值对信号的影响降到最小，然后接显示器显示结果。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明采用DDS外插PLL使合成信号噪声显著减小，动态范围大。
（2）响应速度快的自动增益电路使DSP计算更精确、稳定。
（3）结合最大似然法进行数据处理，其测得的估计量具有一致性和有效性的优点，采样点较多时，其运算精度高。
（4）此外采用人眼保护激光器，使本系统具有性能稳定，精度高，响应快，测量范围广的特点。
附图说明
图1是本发明的系统框图。
图2是本发明的10dB至40dB信噪比下的相位误差。
图3是本发明的AGC电路。
具体实施方式：
以下结合附图1-3和具体实例对本发明做进一步说明。
参考图1，一种相位式激光测距仪，包括FPGA主控芯片，DDS+PLL频率合成模块，激光调制发射模块，混频电路模块，APD光电转化模块，AGC电路，液晶显示，按键控制。
所述电源、FPGA主控芯片、DDS+PLL频率合成模块、激光调制发射模块、混频电路模块、APD光电转化模块、信号放大电路模块均至于密封箱内，所述液晶显示、按键、串口均置于密闭箱顶部，准直透镜和聚焦透镜位于激光测距仪前侧，二者相互平行。
所述DDS+PLL频率合成模块2用于产生本振信号与主振信号，系统的输出频率
Figure 854916DEST_PATH_IMAGE001
和频率分辨率
Figure 772056DEST_PATH_IMAGE002
分别为：
Figure 614110DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 9320DEST_PATH_IMAGE004
。其中，
Figure 630882DEST_PATH_IMAGE005
为整个DDS+PLL系统的输入频率，
Figure 453344DEST_PATH_IMAGE006
为DDS的输出频率，DDS频率控制字的大小为K，DDS相位累加器的位数为A，
Figure 782694DEST_PATH_IMAGE007
是DDS输入频率。DDS和PLL互相独立，其中DDS确保信号的频率和带宽，可以更好地控制相位噪声，实现输出高频率分辨率的信号以及发挥跳频时间短的优势。合成器输出信号的相位噪声性能主要由PLL和DDS输出信号相位噪声决定，由于PLL鉴相频率较高，PLL输出信号相位噪声有所改善，加之DDS的相位噪声可以做得较低，所以这种组合频率合成器相位噪声性能比其他组合较好一些。通过频率合成器，需要产生主振为3000MHz和0.15MHz的频率，且频率分辨率为1Hz,因此，本实验选用九阶贝塞尔滤波器设计中心频率分别为3000MHz和0.15MHz的带通滤波器，每个带宽均大于0.1MHz。在通频带内，各种频率的信号经滤波器后产生不同相移，相移与频率成线性关系，使波形失真最小。把这两个带通滤波器集成在一起从而设计出中心频率可调的带通滤波器，可以将系统输出频谱中的杂散、相噪更优。
所述AGC自动增益控制电路，如图2采用ADI公司的AD8367，芯片内部集成了一个平方律检波器，并具有45dB的增益范围，该芯片在加上少量外围器件后，可以方便地构成AGC电路。经过该AGC电路后，输出电压信号的峰峰值基本稳定保持在1.05 V左右，同时信号经过该器件后，相位的变化值基本是固定的，即输出相位相对于输入相位线性变化，不会影响测相电路的稳定性。保持系统良好的信噪比。所述AGC电路主体所采用的AD603芯片，所用电源电压5V，耗散功率125mW,增益精度0.5dB，响应时间不到1us。本电路采用两片AD603顺序级联模式，可实现可控增益范围为0dB～80dB。AD603输入端接一个RC选频网络用以选频，输出端也同样进行选频，选频输出后送入包络检波器，其输出通过低通滤波器滤波，滤波后再经过电压比较器，将比较器输出作
Figure 981595DEST_PATH_IMAGE008
反馈送入控制端。当电压比较器中输入电压小于基准电压，输出对增益没有控制作用，反之，控制AD603增益增减。通过自动增益控制调节输出电压值，使处理后的信号幅度保持在一个规定值1V附近，解决了测距信号传输过程中受环境影响而造成的接受信号幅度变化较大的问题，方便了后续处理，尤其能有效地降低测相中的检测误差，提高精度。
所述数据处理模块采用最大似然估计法，如图1可知随着信噪比增加相位误差估计精度较大，当信噪比达到40db时误差已经很小。
一种相位式激光测距仪的具体实现步骤如下：
步骤1：打开电源15开关，经过预热后，开启测量开关，由FPGA主控芯片控制DDS+PLL频率合成模块2产生主振信号与本振信号，主振信号与本振信号混频得到参考信号Sr主振信号经激光调制发射电路3进行激光调制，通过半导体激光器4发射，准直透镜5用于产生一束平行光。
步骤2：步骤1形成的准直激光遇到障碍物返回，经过APD光电转化模块10将光信号转化为电信号，所述APD驱动电路用于驱动APD光电转化模块，信号放大滤波电路9采用自动增益控制得到与本振信号幅度一致的接受信号，将本振信号与接收信号混频得到测量信号
Figure 463523DEST_PATH_IMAGE009
。
步骤3：数据处理模块用于对数据进行处理分析，利用最大似然估计算法的到相位的估计量，设待估计的正弦函数为：
Figure 456886DEST_PATH_IMAGE010
，其中
Figure 273533DEST_PATH_IMAGE011
为高斯白噪声，n表示离散时间值，
Figure 10545DEST_PATH_IMAGE012
为待估计正弦函数的频率。由于噪声服从高斯分布，得到最大似然概率：
Figure 533930DEST_PATH_IMAGE013
，计算
Figure 776823DEST_PATH_IMAGE014
的最小值，即使得
Figure 18449DEST_PATH_IMAGE015
为最大，令
Figure 168939DEST_PATH_IMAGE016
，得到最大似然估计值：
Figure 874726DEST_PATH_IMAGE017
。
步骤4：将主振信号
Figure 209893DEST_PATH_IMAGE018
与本振信号
Figure 938814DEST_PATH_IMAGE019
进行混频得到参考信号
Figure 326284DEST_PATH_IMAGE020
。由激光信号发射到接受往返时间的一半
Figure 886578DEST_PATH_IMAGE021
可以得到接受信号：
Figure 408957DEST_PATH_IMAGE022
，因此我们可以将相位变化表示为：
Figure 359596DEST_PATH_IMAGE023
，得到所测距离：
Figure 242101DEST_PATH_IMAGE024
，将测尺长度
Figure 407634DEST_PATH_IMAGE025
代入，得到
Figure 350183DEST_PATH_IMAGE026
。由于系数n的大小很难确定，因此我们设定测尺长度
Figure 850434DEST_PATH_IMAGE027
，此时n=0，则待测距离：
Figure 271051DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure 556670DEST_PATH_IMAGE029
为参考信号与测量信号的相位差。

Claims (7)

1.一种改进的中远程相位式激光测距仪及测距方法，其特征在于：该测距系统具有，频率合成模块、激光发射模块、信号接收模块、通过串口与上位机连接的数据处理器、上位机、液晶显示器。
2.所述系统由频率合成模块产生主振和本振两路信号，主振信号经激光发射模块发射，通过被测物反射，反射后光信号被APD光电检测电路接收，并与本振信号进行混频，混频信号经过放大和遮波电路得到测量信号，将该信号进行双ADC采样、最大似然法计算得到待测距离。
3.根据权利要求1所述的激光测距仪，其特征在于：频率合成模块具体组成包括混频器、集成DDS芯片AD9910、PLL芯片ADF4108以及九阶的贝塞尔滤波器；所述频率合成模块采用DDS和PLL环外混频方法合成主振及本振信号。
4.根据权利要求1所述的激光测距仪，其特征在于：激光发射模块包括激光调制电路，人眼安全的基于二极管泵浦的Er玻璃激光器，准直透镜；所述激光发射模块可以将原始合成信号进行调制，通过人眼安全激光器发射，再经准直透镜准直，作为最终发射信号输出。
5.根据权利要求1所述的激光测距仪，其特征在于：信号接收模块包括聚焦透镜、APD光电接收器、APD驱动电路、混频电路及AGC电路；所述信号接收模块将光信号转换为电压值，并通过自动增益控制电路，将信号放大滤波最终保持在一定数值，然后与本振混频，提高测量精度。
6.根据权利要求1所述的激光测距仪，其特征在于：数据处理器包括STM32、串口、按键；所述数据处理器采用双ADC采样，并用最大似然估计法对信号进行数据处理，计算出测量距离，接入显示器显示处理结果。
7.根据权利要求1和4所述的激光测距仪，其特征在于：AGC电路主体采用AD603芯片，本电路采用两片AD603顺序级联模式，可实现可控增益范围为0dB～80dB。
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