基于自动数字检相技术的激光测距仪设计

　　0　引言

　　激光测距是随着激光技术的发展而发展起来的一种精密测量技术,具有非接触、精度高、成本低等特点,广泛应用在空间探测、车辆防撞、机器人视觉及工业自动生产线等领域。目前,激光测距技术主要有飞行时间测量(Flight-time Measurement)、三角法(Triangulation Method)、FMCM法(Frequency Modulatedcontinuous Method )和相位测量( Phase-shiftMeasurement)。相位测量法灵活性较强,其测程主要由激光器调制频率决定,测距精度主要由检相器精度决定,二者之间的制约关系可以通过选用合理的调制频率组来调和,以同时满足测程和精度的要求,在实际激光测距系统设计中得到了广泛应用。

　　应用于相位激光测距仪的检相技术有很多,归纳起来主要有基于FFT的相差测量技术[1]、数字相关法检相技术[2]、向量内积法检相技术[3]以及自动数字检相技术[4]等。自动数字检相技术的基本思想是通过波形变换,将相差测量转换为时间计时,具有原理简单、易于实现等特点,在相位激光测距仪中得到了广泛应用。

　　1　相位式激光测距系统工作原理

　　相位式激光测距原理如图1所示。上电以后,激光器辐射出能量受调制的光信号,此光信号照射到测量目标以后发生漫反射,光学天线将接收到的部分反射信号汇聚到雪崩二极管(AvalanchePhotodiode,APD)上,APD将此光信号转换为电流信号,从而解调出调制信号而得到回波信号,回波信号经过后续处理电路最终送入FPGA检相模块与参考信号比相得到相差值,单片机读取相差值,计算出距离值,并送与LCD显示。

　　设激光调制信号为S=Acos(2πf·t),则激光回波信号为:

　　进而可以得到目标距离D为:

　　式中,c为光速。

　　2　硬件电路设计

　　图1为所设计的激光测距系统,主要包括基于

　　DDS的信号源模块、光电信号预处理模块、混频模块、波形变换模块和基于FPGA的自动数字检相模块。整个系统采用2个信号源,分别作为单片机和FPGA的时钟,调制信号、本振信号以及检相模块计时脉冲均以信号源2为基准,使得三者之间的频率漂移特性相同,消除了频率漂移对系统测距造成的误差。检相模块是在传统数字检相模块基础上改进设计,消除了波形变换、高频干扰引起的检相误差

　　2.1　基于DDS的信号源设计

　　DDS(Direct Digital Synthesis)技术也称为直接数字频率合成技术,是20世纪80年代发展起来的一种新的数字式波形产生方法。它利用相位累加原理直接合成所需要的信号波形,与传统波形产生方式相比,具有频率分辨率高、相位噪声小、频率转换速度快、频率稳定度高和控制灵活等特点,适合应用在激光测距系统中。