文章编号1OO5-OO8G(2OO1)O8-O8G-O
用于相位法激光测距的电路系统设计
金宁汪伟1翁剑枫1张增耀2
(中国计量学院信息工程学院浙江杭州1OO 1 中国计量学院机电工程学院浙江杭州1OO 2 中国计量学院计量技术工程学院浙江杭州1OO )
摘要本文论述了相位法激光测距的原理和引起误差的原因提出了电路系统设计方案着重对频率电
路和精密检相电路进行了较为深入的分析与讨论针对大小角度~零点漂移和信号幅度等原因引起的测
量误差本文提出了具体的解决措施提高了数字检相电路的测相精度和稳定性最后给出了测试方法
和测试结果
关键词相位激光测距数字检相
中图分类号P225 2文献标识码A
The Design of the Circuit System Used f or Phase Laser Range Finder
JIN Ning WANG Wei1WENG Jian-feng1Z~ANG Zeng-yao2
(Department of Information Engineering China Institute of Metrology~angzhou1OO China 1.De-
partment of Mechanical and Electrical Engineering China Institute of Metrology~angzhou1OO
China 2.Department of Metrology Engineering China Institute of Metrology~angzhou1OO
China)
Abstract In this article the principle and error analyses for phase laser range finder are discussed.The
design of circuit system is put forward.The circuit of freguency generator and digital phase detector are
developed in details.Some practical method are introduced to improve the precision and stability of the
phase measurement on O measure mistake~offset drift and signal amplitude etc.The test method and re-
sult of this circuit are given out.
Key words phase laser range finder digital phase detecting circuit
1引言
相位法激光测距是利用发射的调制光和被目标
反射的接收光之间光强的相位差包含的距离信息来
实现对被测目标距离的测量由于采用调制和差频测
相等技术具有测量精度高的优点广泛用于有合作
目标的精密测距场合本文所述电路系统即是利用相
位式激光测距原理结合光纤光路系统实现对储油罐
等大型容器的远距离液位测量[1]
2相位法激光测距原理及分析
相位法激光测距的一般公式是[2]
S=
2(
D
2Tf
)(1)
式中S是待测距离是光速f是光波的调制频率
D是检测到的相位差对S求微分得
dS=S
d
S
d f
f
+S
d D
D
(2)
可知在理论上影响相位法测距精度主要由光速误差
(传输光的气体媒质折射率变化等原因引起)~调制频
率f的误差(频稳度)及相位测量误差组成其中第1
项可以采用实时实地环境参数(温度~大气压力等)误
差补偿来降低后2项取决于信号处理电路的性能
因此在电路系统中频率产生电路和差频测相电路
是关键它直接影响系统误差的大小另外还必须考
虑到信号在光路和电路上传输时将产生的附加相移
附加相移是随机的随着外界环境~元器件性能及其
稳定度等而变化无法用修正来消除会对测量结果
光电子-激光第12卷第8期2OO1年8月
Journal of O ptoelectronics-L aser V ol.12No.8Aug.2OO1
收稿日期2OO1-O1-18
造成很大影响O因此9电路系统的合理设计是实现高精度距离测量的关键O
电路系统设计方案
基于相位激光测距原理的光纤液位计原理框图如图1所示O电路系统由频率综合电路\激光调制驱动电路\光电接收低噪声放大电路\混频电路\数字检相电路和单片机电路组成O方案采用N双路比相法H设
置内外光路9经f
L 高频调制的光波分两路通过光纤
光路进入容器9内光路从容器顶部反射9以此为基准
信号e/
19
外光路从待测液面反射9作为测距信号e/
19
外
光路从待测液面反射9作为测距信号e/
m9e/1
和e/
m
被光
电接收管接收9经低噪放大器后还原为高频调制波9
再经混频器与f
M
混频后成为2路中频信号e
1
和e
m9
e1和e m的相位差反映了距离S9而待测液位高度h=
H-S O经过由内外光路直接比相后9可以消除光路
和电路的附加相移对系统误差的影响
O
图1基于相位法激光测距的光纤液位计系统原理框图
Fig.1Schematics diagram Of f ibre liguit level meter based On laser rangef inder
由于本项目测距范围15m(测尺长度z=15
m)9故采用单频调制9测尺频率f=c/2z9约为
10.0000MHz O电路选择本振频率f L=10.0000
MHz作为光波调制频率O由于采用差频测相9故另设
置主振频率f
M=9.9985MHz9
主本振之差频1.5
kHz作为测相频率O采用数字检相技术9用f CP=
10.8000MHz基准脉冲做检相填充脉冲9结合单片
机进行高精度相位差测量9测相精度0.05 9相应的
液位测量精度为5mm O
由于有合作目标配合9在光学系统设计上使光电
接收系统具有足够的信噪比要求是能满足的[3]9因此
本文着重介绍与系统原理性误差密切相关的频率综
合电路和数字检相电路O
4频率综合电路
由于采用差频测相和数字检相9需要设置主振
f M(调制频率)\本振f L和时钟脉冲f CP3个频率源O
若这些频率都由单独的振荡器产生9由于各自的漂移
不同必然引起测相误差O本电路中9本振采用高稳定
度的温补石英晶体振荡器9用频率合成的方法得到其
它所需要的频率O电路框图如图2所示9主振是压控
振荡器(VCO Maxium公司的高频波形发生器
MAX038)9VCO与鉴相器\分频电路构成锁相环路O
当环路锁定时9主\本振之差被锁定9两者具有相同的
频稳度和漂移特性9保证了差频的稳定值9
这对提高
图2频率综合电路
Fig.2Schematic diagram Of f reguency generatOr
568第8期金宁等:用于相位法激光测距的电路系统设计
测相精度是大有好处的G另一锁相环路则产生10.8000MHZ的方波,作为数字测相的基准填充脉冲G 5数字检相电路
内外光路的主振信号分别和本振信号经混频器混频,得到了两路频率为1.5kHZ的中频正弦信号,它们之间的相位差保持原高频信号之间的相位信息,就是高频调制波在待测距离上往返传播所产生的距离相位延迟G而测相的频率降低了K倍(K=10000/ 1.5),即周期扩展了K倍,从而测相精度也就提高了K倍G这就是相位法激光测距中采用差频测相提高测量精度的原理G
数字测相电路原理框图如图3所示G两路中频信号e
r
和e
m
首先经整形和微分电路,将正弦波变成单向脉冲,经过RS触发器后,输出宽度与两信号相位差成正比的矩形脉冲,在脉冲高电平期间,与门打开,基准脉冲10.8000MHZ可以由与门输出,与门输出的基准脉冲个数就代表两信号相位差,即所测的距离值G本电路设计的测相精度为0.05 (满周期填充脉冲数为10.8000MHZ/1.5kHZ)=7200个,每个脉冲当量为360/7200=0.05 ),对脉冲的记数和数据处理以及电路的逻辑时序控制用单片机完成
G
图3数字检相电路原理框图
Fig.3Schematic diagram of digital phase detector
为了进一步提高测相精度和可靠性,电路采取
了,1)采用统计均值,提高测相精度G由于对一次信号
周期测相有较大的偶然误差,本电路中对信号e
r
直
接记数,取1000次信号周期作为1次测相,与门输
出的基准脉冲数经200分频后送入单片机的计数器
T0记数,每个T0脉冲当量为0.01 ,经这样的统计
平均后,将测相精度提高到0.01 ,且消除了由于单
次信号测相带来的偶然性,提高了结果的可靠度;2)
大小角度的判别处理G当距离相位值接近0 或360
时,由于电路噪声~干扰等的影响,使相位值在小角度
(0 附近)和大角度(接近360 )之间变化,取统计平均
结果将会出现错误的测量值G本电路采用分区段控制
检相法,将相位测量值分成3段,通过大小角度判别
电路把与门输出的相位脉宽与两个特定值比较G若小
于特定小值则判定出现小角度,若大于特定大值则判
定出现大角度G由单片机的计数器T1记录在1次测
相周期中出现的小角度次数G若在测相周期内又出现
大角度,说明出现了大小角度问题,则对记录的每次
小角度作扩角(如360 )处理,统计平均值若超过
360 则溢出,取其余数即可G方法简单准确,较好地解
决了在0 附近的误差问题;3)零点漂移的补偿G若两
路待测信号经放大后零点以及零点漂移不一致,将使
整形后得到的脉冲相对位置发生变化,给测相结果带
来误差和不稳定G如图4所示,e
r
和e
m
的相位差真实
值(对应的填充脉冲数)为n/
0,
由于e
r
和e
m
的零点不
一致,使整形后的方波零点位置变化,测量值变成
n0G由图可知,n/0=n0-n rA-n mA;n rA=(n r-n T)/2;n mA
=(n m-n T)/2G式中,n r和n m是e r和e m正半周的脉
宽对应的填充脉冲的测量值,n
T
是e
r
和e
m
正半周的
脉宽对应的填充脉冲的真实值(两者相等)
G
图4信号零点误差
Fig.4Phase error of zero of f set 668光电子激光2001年第12卷
为得到相位差的准确值n /0 我们在与门之前加上1个数据选择器 引入2个通道 获得e r 和e m 正半周的脉宽 如图5所示 在1次测相周期中 分别测出相位脉宽~e r 正半周和e m 正半周脉宽对应的填充脉冲数n 0~n r 和n m 则有n /0=n 0-n r /2+n m /2O 这样做虽然测相时间加长 但可以消除信号的直流电平对测相结果的影响 使测量更稳定可靠准确 实验表明具有明显的效果
O
图5
信号零点误差补偿电路
Fig .5
Compensation circuit f or zero of f set
另外 由于光波反射信号幅度引起的幅相误差 可以在光路上设置减光装置 但仅靠光路还难以保证接收光强的稳定性O 因此 在电路的检相部分前设置了信号强度的A 电路(图1) 用来保证检相前信号幅度的稳定性O
6
测试方法和结果
为测试检相电路的性能 作者利用波形数字合成
技术制做了相位差可调的两相正弦波信号源 相位差调节分辨率为0.010 测试结果表明 检相电路达到设计指标 精度优于0.050 且测量结果具有很好的稳定性O 如果进一步将检相填充脉冲频率提高5倍(54M~Z ) 则可以使测相精度达到0.010O 将电路系统运用于光纤液位测量中 结合光路系统的合理设计 实行实时实地的环境误差补偿和校准措施 可以实现高精度液位测量O 电路也可应用于基于相位法激光测距原理的其它系统中O 参
考文
献:
[1]
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[3]
张处武 胡学同.精密相位激光测距仪的设计[J ].激光杂志 1998 19(6):39-42.
作者简介:金
宁
(1967-) 女 硕士 讲师 1991年毕业于浙江大学信息与
电子工程学系 现在中国计量学院工作 从事电子测量与仪器~通信
技术的研究.
768 第8期
金
宁等:用于相位法激光测距的电路系统设计
用于相位法激光测距的电路系统设计
作者：金宁， 汪伟， 翁剑枫， 张增耀
作者单位：金宁(中国计量学院信息工程学院,)， 汪伟,翁剑枫(中国计量学院机电工程学院,)， 张增耀(中国计量学院计量技术工程学院,)
刊名：
光电子·激光
英文刊名：JOURNAL OF OPTOELECTRONICS·LASER
年，卷(期)：2001,12(8)
被引用次数：18次
参考文献(3条)
1.LIU Yan-bing;YANGYong-hua Optical remote measurement of liq uit lever 1993
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3.张处武;胡学同精密相位激光测距仪的设计[期刊论文]-激光杂志 1998(06)
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