相位测距

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9.995MHz;

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。

特性参数 光敏面 光敏面 暗电流 容抗 响应时间 响应度 截止频率 等效噪声指数

测试环境 - - M=100 M=100 M=100;λ=905nm；RL=50Ω M=100;λ=800nm -3dB M=100;λ=800nm - - - 45 - - 最小 典型 直径500 0.196 0.5 2.2 0.35 50 1 2E-14 2.0 - - - - - 最大 单位 um mm nA pF ns A/W GHz W/Hz 2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。

+5V10uf0.1uf+OPA657Vo-Rf 200kCd 2.2pfCf 0.2pf10uf0.1ufId-Vb-5V

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、漂移比较大。因此相位式激光测距仪通常采用差频测相的方式进行相位测量。所谓差频测相就是将两个频率不同的信号,把其频率进行加减,和频信号滤除,差频信号保留,进而对差频后的中低频信号进行相位测量。

相位信息保持不变,降低了测相难度，相当于提高了分辨率,提高测量精度。

上图：主控制振荡器产生的调制信号对激光器进行调制,同时给锁相环一个参考信号,锁相环我们将在后面详细讲解,通过锁相环产生一个本振信号,本振信号与主振信号进入混频器1进行混频后得到一个低频信号为测距参考信号。同理,测距信号与本振信号通过混频器2进入进行混频得到一个低频测距信号。混频后的测距低频信号与低频参考信号进入相位比较器进行相位比较。

本振信号：

本振信号与主振信号有一个稳定且非常小的频率差。为了得到高稳定度低漂移的频率信号,选用锁相环技术。由于锁相环电路中均为一个信号源,通过分频、倍频产生,因此可以忽略频率飘移所带来的误差。

主振荡器由lOMHz的有源晶振产生的正弦调制信号,经过过零比较器变为lOMHz的方波信号,经过2000分频变成5KHZ作为锁相环的参考信号,锁相环将输入的5kHz的参考信号1999倍频就得到了我们所需要的9.995MHz的本振信号,本振信号与主振信号差频锁定在5KHZ,进行后续的混频。

锁相芯片74HC4046

74HC4046锁相环集成芯片,该芯片是一种高速CMOS单片锁相环电路,工作电压在+3V到+0. 6V;最高工作频率为20MHz。

混频器件与电路：

选用模拟乘法器做混频电路,构成的混频电路具有寄生干扰少,混频增益大,输出信号频谱纯净等优点,对本振电压幅值的大小要求低,端口之间隔离度较高。经过分析比较,拟采用Motorola公司的MC1496模拟乘法器作为混频器。

比较器（正弦转方波）：

包含相位信息的差频信号为正弦波,将其改变为方波才能进行相位差的测量。本系统选择的比较器是MAX913。该器件具有响应速度快、功耗低、有锁存功能等特点。

相位测量：

AD8302可以同时测量IHz到2. 7GHz频率范围内两输入信号之间的幅度比和相位差。

其中芯片的6脚和2脚作为输入的两个比较信号,通过AD8302芯片的13脚输出的即是增益输出电压,此时输出的为模拟信号,需通过模数转换芯片将模拟信号转变为数字信号,便于后期的数字处理及其显示。