（电子科学与技术专业论文）阵列激光测距系统调制与解调技术研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t l a s e rr a n g i n gh a sb e e nw i d e l yu s e da san o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n ti nt h ef i e l do f r e m o t es e n s i n g ，p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t ，c o n s t r u c t i o n ，s e c u r em o n i t o r i n ga n di n t e l l i g e n t m o n i t o r i n g ，i n v o l v i n gam u l t i - d i s c i p l i n a r yt e c h n o l o g y t h ee x i s t i n g l a s e rr a n g i n g t e c h n i q u e sa r ea l lu s e df o rp o i n tb yp o i n tm e a s u r e m e n t c a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to f l a r g em e a s u r e m e n tr a n g e ，h i g ha c c u r a c y , f a s tm e a s u r e m e n t ，a n ds o o n t h el a s e r r a n g i n gs y s t e mi n t h i sa r t i c l ee a c hc a nm e a s u r et h ed i s t a n c e so fo b je c tb ya r r a y m e a s u r e m e n t s m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u ei st h ek e yo f t h i ss y s t e m ，t h e m e t h o do fl a s e rm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nd i r e c t l ya f f e c t s t h em e a s u r e m e n t a c c u r a c ya n dt h ec o m p l e x i t yo fh a r d w a r e s ot h i sa r t i c l ew i l li n t r o d u c et h ea r r a yl a s e r r a n g i n gs y s t e ma t t h es a m et i m et od or e s e a r c ht om o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e sw h i c hs u i t a b l ef o ra r r a yl a s e rr a n g i n gs y s t e m ，a n dg i v ei t si m p l e m e n t a t i o n o f t h eh a r d w a r e a r r a yl a s e rr a n g i n gs y s t e mi st h ep h a s el a s e rr a n g i n gs y s t e mu s i n gm u l t i - c h a n n e l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gr e a l i z e ，db yd i f f e r e n tf r e q u e n c y m o d u l a t i o ns i g n a l m o d u l a t e dl a s e r s t h em u l t i c h a n n e lf r e q u e n c ym o d u l a t e dw a v es i g n a lp r o d u c e db y h a r d w a r ec i r c u i td r i v i n gm u l t i p l es e m i c o n d u c t o rl a s e r se m i tl a s e r ，a n dr e t u r n e dl i g h t f r o mt h e0 b j e c ts u r f a c em i x e dt h el i g h to fm u l t i c h a n n e lm o d u l a t i o n ，u s et h es a l n ea p d t or e c e i v et h em i x e dl i g h ta n dc o n v e ai tt oav o l t a g es i g n a l ，t h e ns e n di tt ot h ed s p f o r p h a s i n ga c q u i s i t i o nb ya d a f t e rp r o c e s s e do fa m p l i f i e d ，m i x e d ，f i l t e r e da n ds oo n t h e s y s t e mu s ep h a s i n gi n s t e a do f t h et r a d i t i o n a lf f tp h a s i n gm e t h o di no r d e rt oe l i m i n a t e t h ep h a s em e a s u r e m e n te r r o re a s i l yc a u s e db ys p e c t r a ll e a k a g ea n d ”s y n c h r o n o u s s a m p l i n g ”w e c a ng e ta l la c c u r a t ep h a s ei n f o r m a t i o nd i r e c t l yt a k e nt h ep h a s e c o r r e s p o n d i n gt ot h es p e c t r u mv a l u eo nt h em a i ns p e c t r u ml i n e sa f t e rp h a s i n gb ya l l p h a s ef f t a n dt h e nc a l c u l a t e t h ed i s t a n c e so ft h ed i f f e r e n tm e a s u r e m e n tp o i n t s a c c o r d i n gt ot h ep h a s ev a l u e s ，w h i c hi st h ep r i n c i p l eo ft h ea r r a yr a n g i n gs y s t e m i nt h e m o d e mp a r t ，t h i sp a p e ru s es q u a r ew a v ea n ds i n ew a v em o d u l a t i o n ，a n a l y z i n gs q u a r e w a v ea n ds i n ew a v em o d u l a t i o nb ys i m u l a t i o n ，g i v i n gi t sh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h e n c o m p a r et h ec o m p l e x i t ya n da c c u r a c yt oc o m eu pw i t ha m o r ee f f e c t i v em o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o n f i n a l l y ，t h ea r t i c l ea n a l y s i st h ef a c t o r so ft h ea r r a yr a n g i n gs y s t e m ，g i v i n gt h e i n f l u e n c i n gt op h a s ec a u s e db ym i x i n g ，i 1 1 r i n g a n da m p l i f i c a t i o n ，a n dp r o p o s e a p p r o p r i a t ei m p r o v e m e n t st h r o u g he x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mt e c h n i c a l l yi sf e a s i b l e ，l a yas o l i dt e c h n i c a lf o u n d a t i o nf o ri t sf u t u r ed e v e l o p i n g k e yw o r d s ：a r r a yl a s e rr a n g i n g ；m u l t i f r e q u e n c ym o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ； a l lp h a s e s p e c t r u ma n a l y s i s ；e r r o ra n a l y s i s 阵列激光测距系统调制与解调技术研究 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究背景 本论文所研究的课题来源于辽宁省百千万人才工程基金项目：“高精度阵列 式激光并行测距关键技术研究”。 随着世界上第一台激光器1 9 6 0 年由美国休斯飞机公司研究成功之后，激光测 距成为一个新的领域并迅速发展。由于激光具有波长单一、射程远、聚光性强、 相干性好等诸多优点，在其发明不久之后，科学家们便意识到它在测量领域中的 巨大发展潜力和应用价值并开始投入研究。激光测距首先应用于军事领域，在地 形测量、战场测量以及提高坦克、飞机、舰艇和火炮对目标的精确定位等方面得 到了较好的应用，通过快速、准确的距离测量精确定位射击目标，极大的提高了 射击命中率。当前，激光测距仪在军事装备中已经批量投入使用。随后激光测距 技术也逐渐应用到了其他领域，如今在生产、医疗、建筑、服装制造等诸多行业 都有使用，例如( 1 ) 生产领域中的应用，例如抓斗式卸船机在进行物体抓取时，。为 了便于精确定位，在驾驶室下方安装激光测距仪，通过激光器垂直向下对下方区 域进行扫描，将采集的大量的测量数据转化为三维空间内的点云数据，再通过后 续的软件处理运算描绘出物料的位置和轮廓信息，从而便于抓取【1 】。( 2 ) 用于建筑 领域，手持激光测距仪代替原来的皮尺或钢卷尺来测量房屋的建筑面积，比起传 统的丈量房屋的方法能够快速且简便的进行测量，在保证了面积量计算精度的同 时减少了测量误差。由于其诸多的优点在建筑领域得到了广泛的应用 1 】。( 3 ) 用于 交通领域，随着车辆的增加，现在的交通压力也越来越大，通过在车辆前后方及 周围加激光探测器，在行驶时刹车转向或调头时可以获取路况信息，当周围可能 发生碰撞或有障碍时警报给司机，这样将大幅度的减少交通事故。 在使用激光测距技术时，主要目的是对目标进行定位或得到其轮廓信息。在 测距时主要从测量范围，测量精度和测量时间等方面进行考虑。现在的激光测距 技术除了对目标进行定位，主要用于一维距离测距、二维轮廓测量和三维空间测 量。其中一维测量主要是考虑测量范围和测量精度，主要应用是激光测距仪，现 第一章绪论 在的激光测距仪不管从精度和测量范围方面考虑都能达到很高的要求，激光测距 仪的量程和精度一直是一对矛盾体。现有激光测距仪按测距长度可以分为五类： ( 1 ) 微位移测距仪，常用的是通过三角法和干涉法来测量物体的微小位移量，测量 精度可达到微米甚至纳米级；( 2 ) 短程激光测距仪，测距量程可达3 0 0 0 米，最高精 度可以达到毫米级；( 3 ) 中程激光测距仪，它适用于城市测绘，测距量程范围在3 千米到1 5 千米；( 4 ) 远程激光测距仪，一般用于大地控制测量、地形测量等，其 测量范围在1 5 千米到1 0 0 千米；( 5 ) 超远程激光测距仪，一般用于测量卫星、月 球等空间目标距离，测量范围可几百千米甚至几千千米【2 】。而二维轮廓和三维空间 测量在考虑测量精度的前提下，测量时间也是一个重要的限制因素，因为一般为 了进行二维或三维重构需进行大量数据点的测量，若使用的测量仪测度慢，这样 将耗费大量的测量时间。现在国内外一般都致力于精度和测量量程的研究，在这 方面技术都不是很成熟，因而本文基于阵列式测距的思想，提出了阵列式激光测 距系统，并对可能实现阵列式激光测距的调制解调技术进行研究分析，使得在保 证测量精度的前提下实现快速测量，其应用前景极其广阔。 1 2 国内外发展现状及研究意义 激光测距技术的发展主要是从激光测距仪上体现出来的。从1 9 6 1 年世界上第 一台脉冲激光测距仪科利达i 型机由美国休斯飞机公司研制成功后，1 9 6 2 年第一 台军用激光测距机便成功地进行了示范表演，1 9 6 3 1 9 6 7 年美国休斯公司相继研制 成几种实验型军用激光测距机，1 9 6 9 年，美国的陆军首先装备了军用激光测距机 【3 1 。1 9 7 0 年，成功研制了第一台正弦波式激光测距仪，测量范围可达几百米的距 离，分辨率为厘米量级。之后的几十年的发展，经历了两代分别以波长为0 6 9 u r n 的红宝石激光测距仪和波长为1 0 6 u r n 的掺钕玻璃和n d ：y a g 激光测距仪为代表， 但这两种激光器对人眼的伤害较大且对战场上的穿透能力较差，随着半导体激光 器的发展和对人眼安全激光测距机的研制，固体激光器和c 0 2 激光测距仪逐渐取 代了上两代的激光测距仪。直至发展到9 0 年代中期发现1 5 4 u r n 的激光对人眼是 阵列激光测距系统调制与解调技术研究 安全的，经过前期发展工程实验及环境考核等试验，对人眼安全的激光测距仪取 代了老式装置已经在军事和多种领域使用。 国内激光测距技术相比于国外发展较晚，1 9 7 5 年第一台激光测距仪在国家地 震局武汉地震大队地震仪器厂下研制成功。国内研究的激光测距仪首先是在原固 体、气体激光测距机的基础上发展起来的。经过多年的研究，现在国内的激光测 距仪基础技术己具备，如今国内多数家公司在致力于激光测距仪在工程中现实应 用问题，国内在激光测距仪精度、。量程、外观的小型化等方面还与国外先进的激 光测距仪一定的差距。对于同时多路并行测距方面，国内外投入的研究都较少， 目前还没有任何阵列式测距仪器投入使用的相关报道。对于激光测距中的调制解 调技术也比较单一，一般是组合测尺也就是用双频率测相，并没有涉及到激光的 多频调制和解调。 本论文基于相位式激光测距原理设计了系统，并对其关键的调制解调部分进 行研究，阵列激光测距可以同时对被测目标进行多点测量，通过使用好的调制解 调方案以及对精度的严格控制，可在保证测量精度的同时实现了对大尺度目标的“ 快速测量，在需要进行二维或三维的测量领域中有着很好的应用前景，因此，阵 列激光测距的研究具有十分重要的现实意义。 一 1 3 主要研究内容 论文在所研究的课题和现有测量技术的发展状况之上，设计了阵列式激光测 距系统，并对可以实现阵列式测距的调制解调技术进行深入研究，提出了几种调 制解调方案并通过实验仿真进行对比，得到一种更简便且可行的方式，本系统的 研究为实现大规模的房屋、船体、山脉的二维或三维测量奠定了基础。全文分为 五章，各章内容安排如下： 第一章：绪论。阐述了激光测距技术研究的背景和国内外的发展状况，以及 本文的研究意义。 第一章绪论 第二章：简单介绍了几种激光测距的方法和原理，通过对比给出适合阵列式 测距的激光测距方法并对两种调制波单波调制进行分析，最后给出阵列式激光测 距系统的系统框图和整体方案； 第三章：对阵列式激光测距系统的硬件设计进行详细介绍，包括激光模块、 接收模块、d s p 的数字信号处理模块。对方波和正弦波进行阵列测距时的调制解 调方式进行分析，并给出相应的硬件产生电路及后续处理电路； 第四章：阵列式测距系统的软件设计，阐述了传统的f f t 和全相位监相原理 以及外围芯片软件的编写，通过仿真对比说明全相位f f t 相比于f f t 的优势； 第五章：对阵列式测距系统存在的误差及影响相位测量精度的因素进行分析， 提出一些可以降低误差和提高精度的措施，对方波和正弦波调制的误差进行分析。 阵列激光测距系统调制与解调技术研究 第2 章阵列式激光测距系统 2 1 激光测距的原理 激光测距作为一种非接触式的测量手段，典型的方法主要有三种方法，分别 是时间飞行法、三角法和干涉法，这些激光测距方法各有各自的特点，分别被用 在不同的测量环境和领域。在实际测量中，要根据不同激光测距方法的测量范围 和精度进行正确选择。其中本文所用的是时间飞行法，将进行重点介绍。先对其 余两种作简单的概述。 2 1 1 干涉法激光测距 干涉法激光测距是一种经典利用光的干涉原理来进行精密测距的方法，实际 上也是一种相位测距法，它不是通过调制信号测其相位差来测距，而是通过测量 光波的干涉条纹产生的相位叠加来测量物体的微小位移变化【4 】。具体过程是测距时 用分光镜激光器发射的激光束光束分成两路频率、振动方向相同、相位差固定的 光波，一路是射向干涉仪的固定反射镜的参考光束，另一路为射向移动的反射镜 的测距光束，随着被测目标的移动而调整移动反射镜的位置，由分光镜对两路光 束进行合成，其测距原理图如。合成后的光束产生明暗相间的条纹由光的干涉原 理得当两路光束的路程差为m ( 为正整数或零，五为光波波长) 时，合成信号 的光强最强，振幅为两路光波振幅的之和； 当两路光束路程差为( 2 “) 害合成信 号光强最弱，振幅为零【5 】。接收端通过光电转换器件将合成的光波信号转换为电信 号，再由光电计数器统计光波信号的明暗变化次数m ，计算实现对被测物体位移 值d 的检测【6 】。公式为： 。d = 哇 ( 2 1 ) 第二章阵列激光测距系统 图2 1 干涉法激光测距原理图 f i g2 1i n t e r f e r e n c em e t h o dl a s e rr a n g i n gp r i n c i p l ed i a g r a m 目前，干涉法激光测距具有极高的测量精度，可以达到微米量级。因此在测 量大陆搬移、地壳变形，进行地壳变化以及自然现象研究，火山爆发和地震预报、 侦察地下核爆炸等诸多方面都有实际应用。但由于干涉法测距测量范围较短且只 能测出相对距离，且多值性的鉴别困难，因此无法进行长距离多路同时测距【7 】。 2 1 2 三角法激光测距 三角法激光测距主要是用于微小位移和物体表面的测量，一般在单点式测量 中使用，根据激光头的摆放方式不同可分为直射式和斜射式结构。 直射式测量原理如图2 2 所示，通过聚透镜将激光器发出的光线聚焦后垂直射 到被测物体表面，物体移动或表面变化引起入射光轴移动。接收透镜将入射光点 处的散射光聚焦并送到光电探测器( 如p s d ，c c d ) 的敏感面上。然后经过处理 运算得出物体的位移量【8 】。 1 阵列激光测距系统调制与解调技术研究 - _ - _ - _ _ - _ 一 s d 图2 2 直射式三角法测量原理图 f i g2 2t h ep r i n c i p l ef i g u r eo f d i r e c ts t y l et r i g o n o m e t r ym e a s u r e m e n t x 接收透镜 图2 3 斜射式三角法测量原理图 f i g2 3t h ep r i n c i p l ef i g u r eo fo b l i q u es t y l et r i g o n o m e t r ym e a s u r e m e n t 7 壤m 过 ， ， ， ， ， ， 第二章阵列激光测距系统 斜射式三角法激光测量原理如图2 3 所示，激光器发出的激光通过聚透镜聚焦 后成一定角度入射到被测面上，同样通过接收透镜将散射光或反射光聚焦后到达 探测器敏感面上，从而求出位移量。 三角法测距是根据三角形相似原理进行测距的，在测量微小位移量时精度可 达到毫米级。斜射式能接收来自被测物体表面的正反射光，所以当物体表面为镜 面时不会因为反射光过弱而导致光电探测器输出信号小，影响测量，直射式由于 是较易接收散射光，适合测量散射性好的物体【8 1 。但是距离过远时，由于系统的移 动性较差且激光信号衰减较大，接收的光信号会很弱，通过c c d p s d 等敏感器件 检测光斑位置变化量来计算物体位移时会产生较大误差。 2 1 3 时间飞行法激光测距 ( 1 ) 干涉法和三角法均是利用激光束来测量位移的，具有精度高的优点，但受 到诸多方面的限制。飞行时间法能够很好的解决高精度测量和高速测量的矛盾。 时间飞行法顾名思义是利用测定往返于被测距离的时间来计算距离的。利用了公 式 1 d = c t( 2 2 ) z 在式中，d 为要测的距离；c 为光速约为c = 3 1 0 8m s ，t 为激光信号往返时 间。图2 4 为时间飞行法测距原理图： 图2 4 时间飞行法激光测距原理图 f i g2 4t h ep r i n c i p l ef i g u r eo ft i m e - o f - f l i g h tl a s e rr a n g em e a s u r e m e n t 阵列激光测距系统调制与解调技术研究 与上述两种方法相比，时间飞行法的最大优势在于可以进行长远距离测量。 由于项目需要对中远距离进行测量，因此选用时间飞行法。时间飞行法分为直接 测量时间的脉冲式激光测距和通过相位间接测量时间的相位式激光测距两种，下 面只对脉冲法进行介绍，在2 2 节对相位法激光测距及相位法激光测距系统进行详 细介绍。 ( 2 ) 脉冲法激光测距是一种直接测量飞行时间来测距的方法，它的原理是利用 控制模块控制脉冲激光器发射单次脉冲或脉冲串通过激光器发射脉冲信号，对接 收信号鉴别激光发射中的脉冲信号，由计数器测量往返于测距所用的时间，根据 公式d = c t 2 来计算出测量时间。具体测距过程如图2 5 所示 图2 5 脉冲式激光测距系统图 f i g2 5t h ef i g u r eo f p u l s el a s e rr a n g i n gs y s t e m 脉冲激光测距的原理和结构都比较简单，瞬时功耗大且功耗小，测量距离远。 但由于直接进行时间测量，每一次测量只能得到单值距离，绝对测距精度也不高。 脉冲飞行时间t = ”f ( n 为脉冲计数器计数结果，f 为计数时间频率) ，代入式中 得到测距公式为： d ：型 但3 1 2 对两端取微分得到： a o = 班+ 群( 2 4 ) ctn 第二章阵列激光测距系统 可见，频率误差、光速误差，以及计时误差是影响脉冲测距系统测量精度的 主要因素【9 】，除此还有脉冲激光的时间宽度、大气折射率、仪器测量误差等等。另 外为使输出功率大，脉冲法激光测距大多使用红宝石和固体激光器，相应的仪器 的体积也会较大【1 0 】。由于脉冲测距法是利用时间间隔进行直接测量，不能进行调 制所以很难进行多路同时测距。 2 2 相位法激光测距 2 2 1 相位法激光测距的原理 相位式激光测距是一种间接的时间测量方法，与脉冲式激光测距测量相比， 相位式激光测距具有测量精度高的优点，和其他测距方法不同，相位式激光测距 需要对激光进行调制，通过测量激光信号往返被测距离一次所产生的相位差来求 得信号的飞行时间，设置不同的调制频率，分别测出其相位差，从而可以实现多 路同时测量。其测距原理如图2 6 。 刚厂、厂、厂、八 vvvu 八厂、八厂、厂、 y vvv i 厶1 反射物 图2 6 相位式激光测距原理 f i g2 6t h ep r i n c i p l ef i g u r eo fp h a s el a s e rr a n g em e a s u r e m e n t 相位式测距需要对光波进行调制，假设调制频率是c 光速为c ，那么光波的 波长可由下式五2 手求出，由于调制光波在传播的过程中相位是不断变化的，因此 由公式f = 可知，根据往返信号的初相位的差值可以求出往返时间，则测量距 三死l 阵列激光测距系统调制与解调技术研究 离为。= 三c 南= 互1 彳( 等+ 加= 互1 五( - 4 - 忉，? 为总相位延迟，为不足一个周 期的相位延迟，从而得到两部分：一部分是波长的整数倍部分为n 2 ，另一部分不 足一个整波长的部分妒( 小于2 万) 。若单频率测量只能确定不足一个整数倍波 长的部分矽，而无法确定全波个数，从而导致测量结果无法确定。为了将测距 信号波长整数倍的同时测出来，最直接的方法是使用两个调制频率同时对同一 点进行测量，相当于两把测尺，使测量量程小于其中频率小的波长，这样就不存 在，可以粗略的测出距离，保证了测距仪的量程，一般频率越大，测量越精确， 因此再由波长较小的测尺测量，确保测量精度，将两者测量结果进行组合，可 得到一个精确的测量距离 1 1 , i2 】。表2 1 为测距仪的系统误差为o 1 时，调制信号 频率与测量长度、测量精度的关系： 表2 1 测尺频率与测尺长度及测量精度关系 t a b2 1t h e r e l a t i o n s h i po ff r e q u e n c ya n dl e n g t ho fo p t i c a l - r u l e ra n dp r e c i s i o n 测距信号频率f ( h z )测尺长度测量精度 f l = 1 5 m 1 0 m1 c m f 2 - - 1 5 m 1 0 0 m1 0 c m f 3 = 1 5 0 k l k m1 m f 4 = - 1 5 k 1 0 k m1 0 m 可以看到，在测距仪测量误差固定时，不能同时保证测量精度与测量距离： 若调制信号频率大，测量精度高，而测量范围就会很小，称这种测尺为细测尺； 相反，粗测尺测距信号频率小，测量范围大，测量精度却很低。组合测尺的选择 有分散的直接法和集中的间接法，因为集中的间接法高低频率接近，这样电路系 统对各个调制信号的增益和相移的稳定性比较好，因此本系统选用此方法。 2 2 2 差频测相原理 使用间接法时，粗测尺是利用两个细测尺的频率差值作为粗测尺的频率，细 测尺为了保证激光测距仪具有较高的精度，一般调制信号的频率都很高，一般在 第二章阵列激光测距系统 几十兆以上，不管是a d 采集芯片还是d s p 芯片都无法对如此高频进行处理，因 此需在不改变调制信号相位的前提下，对调制信号进行降频，这就相位式激光测 距仪采用的差频测相方法。其原理如图2 所示。 参考信号l 混频滤波 r 1 妇一q y 蝴 调制信号 c o , t + 缈 本振信号 q f + 仍 激光器 以f + 矗 接收器 够f + 昵+ 图2 7 差频测相原理图 f i g2 7t h ep r i n c i p l ef i g u r eo fd i f f e r e mf r e q u e n c yp h a s ed e t e c t i o n 由图2 7 可以看出，差频测相的原理是利用混频器“移频不移相”的原理，用 一个本振信号与参考信号和测距信号分别进行混频，将调制信号的频率进行线性 搬移，将含有相位信息的低频率信号通过低通滤波器滤出，最终对降频后的信号 鉴相所得的相位差与原来的相位差a c p 是一样的，因此对系统相位的测量不会产生 影响【1 3 , 1 4 。 2 2 3 相位法激光测距调制和解调技术 对比激光测距的诸多方法，适合阵列式激光测距系统的测距法的只有用相位 法激光测距，用不同频率的调制信号控制多个激光器发射激光，用光电接受器接 收返回的混合光，并进行鉴相测各个频率往返的相位差，来实现阵列式测距的思 想，用相位法进行激光测距时，需要产生频率确定且含有相位信息的调制信号加 载到激光上，测其往返于被测目标时的相位差值来测量距离，下面对可以实现单 点相位激光测距的调制方式进行介绍。 ( 1 ) 正弦波调制方式 阵列激光测距系统调制与解调技术研究 要实现加载初相位和频率都确定，最直接的是用正弦波来进行调制，正弦波 的公式为 e ( t ) = 4c o s ( m j + 纯) ( 2 5 ) 公式( 2 5 ) 中a 。为振幅，q 为角频率，纯为相位角 从公式中可以看出正弦波频率单一，每个频率都对应各自的相位信息，对予 单路测量时，根据前面介绍的相位激光测距法，利用频分复用可以直接将两路不 同频率的正弦波作为测尺，频率大的用作细测尺，频率小的用作粗测尺。将其加 载到激光上，通过往返信号的相位差值来测量距离，这种波的调制方式由于调制 信号的频谱信息简单( 不含有杂波) ，测量精确。 ( 2 ) 方波调制方式 由于相位式激光测距需要多把测尺进行组合测距，由于正弦波只含有一个频 率，所以进行时单点测距需要产生两路正弦波，而其他波形例如方波和三角波根 据傅里叶变换公式可知这种波形频率不是单一频率波，而是由基频正弦波及其整 数倍频率的正弦波组成。因此组合测尺的选择，可以在这些频率中进行选择。 由 于方波的产生方式较多且易生成，因此我们可以选用方波进行调制，为了对方波 的频率特性有一个深入的了解，我们对占空比为1 ：1 ，周期为1 0 h z 的方波用 m a t l a b 仿真得到其频谱图，由图2 8 所示。 第二章阵列激光测距系统 郴呷，妒；鼍肾”渤梆、”# 辑嘲* 。嘎糊辑玛粥” 一 。? ”一 。 一一4 料6 删”：7 ：# 一懈势# f 。 峨_ 方波信号y = 2 。p i 。1 嘶菖频谱图n = 1 2 8 t 口u 7 0 鼬 5 0 舞4 0 詈 3 0 6 2 0 街 矗 八八八 o 2 04 0s o8 01 0 01 ： 频率( h z ) b t 一t 二一 。t 一。十。_ 。n p 。o o 露j x 盘j ：。0 一d 量，麓，n 一t ? 十漓t * “l 池二“一- 。一l 。二一 阵列激光测距系统调制与懈调技术研究 确度高，使用频率高的正弦波信号作为细测尺，方波发生电路简单，可以用频率 小的方波信号作为粗测尺，用基波频率控制其测量范围，这样两者的组合结合了 各自的优点可以实现距离的高精度测量，具体测量原理如图2 9 所示。 。一7 ”搿秽 混合后的波形 对f 司( t 时间( t 时间t ? i & 驰t _ 龇。d 也坩k 一蹦* 一a 龇m t h d 矗_ 枞m 找 菇；耐自* t 一w j ，舯一k 以僦， 。础幽册幽* 柏“越。山龠 瓣 图2 9 正弦波和方波调制波形图 f i g2 9t h ew a v e f o r mf i g u r eo fs i n ew a v ca n ds q u a r ew a v em o d u l a t i o n 2 3 阵列式激光测距系统 由于目前的测距仪在单点测量时能保证很高的测量精度，但在进行二维和三 维大尺度物体多点测量时，测量速度是一个必须考虑重要的因素，本系统设计的 目的就是为了成倍的提高测量速度，解决这一现实应用的难题。阵列式测距系统 是由软件和硬件两部分组成，旨在保证测量精度的前提下，通过阵列式激光多点 同时测距来提高测速，软件主要是鉴相算法以及外围芯片的控制程序，而硬件的 系统如图所示。 第二章阵列激光测距系统 图2 1 0 阵列激光测距系统原理图 f i g2 10t h ep r i n c i p l ef i g u r eo fa r r a yl a s e rr a n g i n gs y s t e m 图2 1 0 为阵列式激光测距系统总的设计框图，系统主要可以分为四个子系统： 阵列激光调制发射系统、测距信号检测系统、信号处理系统以及基于v c 5 5 0 9 鉴相 及控制系统。其中，v c 5 5 0 9 系统主要是通过其强大的数字处理能力来实现对调制 信号的鉴相算法，以及控制外围芯片如a d 芯片、液晶显示以及f l a s h 芯片等。 进行阵列激光测距时，首先由d s p 控制产生调制频率确定( 若方波，占空比 也要确定) 的调制信号，调制信号一路作为本振信号，其他作为阵列激光测距信 号，将多路测距信号分别加载至不同的激光器并同时发射激光；激光到达目标后 会发生漫反射，多路测距激光混合在一起返回至同一a p d 探测器，a p d 将光信号 转换至电信号；回波信号调理电路对转换后的电信号进行放大，然后将其与本振 阵列激光测距系统调制与解调技术研究 信号一起接入混频器的输入端进行降频处理，滤出低频信号作为测距信号；另一 方面，参考信号是直接将输出的调制信号与本振信号分别进行混频、滤波处理之 后得到的；测距信号和参考信号作为两组信号由a d 进行同步采样，采集数据送 入d s p 做a p f f t 频谱分析求得其相位值，求得各路测距信号和与其相对应的参考 信号间的相位差，根据公式求得激光器与被测物体各点的距离”】。 第三章阵列激光测距系统硬件电路设计 第3 章阵列式激光测距系统硬件电路设计 本章基于项目及阵列式测距系统整体设计方案，对设计的阵列式激光测距系 统硬件部分进行阐述，在调制解调部分分别对方波和正弦波多频调制进行分析， 并给出其硬件设计电路。 3 1 半导体激光器发射模块 3 1 1 半导体激光器简介 从2 0 世纪7 0 年代半导体激光器发明以后，由于其优越的辐射特性，如亮度、 定向性、窄的光谱宽度以及输出光强单色性，已经成为距离测量领域的最佳光源。 半导体激光器是以半导体为材料，利用导带中的电子和价带中的空穴复合来辐射 光波，利用半导体物质( 即利用电子) 在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理 面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈从而使生成 光的辐射放大，输出激光【1 6 1 。半导体激光器是通过激励方式工作的，激励方式有 电注入、电子束激励和光泵浦三种形式1 7 1 。现在的半导体激光器技术已经很成熟， 不仅体积小，结构简单，寿命长，且输出功率大。目前半导体激光器已经广泛应 用于医疗、通信、测距等诸多领域。 3 1 2 激光调制原理 半导体激光器的工作波长是与其所用的半导体材料相关的，其范围涵盖了红 外光到可见光，为了便于观测一般使用频率范围在4 6 1 0 1 4 h z 4 7 6 1 0 1 4 h z 的可 见光，现有技术无法对如此高频信号进行处理，要进行相位法激光测距时，则必 须将含有相位信息的低频信号调制激光。调制按照激光器和调制器的关系，可分 为外调制和内调制两种：外调制是指在激光器的发出的激光所在的光路上放置调 制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某 个参量受到调制。常用于电光调制、声光调制和磁光调制等；内调制也被称为直 接调制，它是指在激光震荡过程中加载调制信号，使激光器的某个振荡参数受调 制信号控制，从而使激光器的输出特性改变来实现调制【1 8 】。 阵列激光测距系统调制与解调技术研究 光也是一种波，假设光波的电场强度为 以，) = 4c o s ( c o o t + 织) ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中4 为振幅，t o c 为角频率，织为相位角。既然光束具有振幅、频率、相 位、强度和偏振等参量，那么光束就可以根据这些参量进行调制，即为调幅、调 频、调相和强度调制，根据这几种调制方式的特性，在具体的环境应予以参考使 用。光束调制使用强度调制简单易行，并且接收器一般都是直接响应其所接收的 光强变化 8 】因此本文使用强度调制。 强度调制公式为： 图3 1 激光强度调制原理图 f i g3 1 t h ep r i n c i p l ef i g u r eo fl a s e ri n t e n s i t ym o d u l a t i o n m ) = 等 1 + k “纠c 。s 2 ( 缉，+ 皱) ( 3 2 ) 其中，i ( t ) 为强度，k ，为强度系数，a ( t ) 为调制信号，a ( 0 = a 。c o s ( t ot ) 。 3 1 3 单路激光调制电路设计 本项目采用两种信号波形对激光进行调制，将在后面对调制信号的产生进行 描述。本系统选用波长为6 3 5 n m 的红光半导体激光器f u 6 3 5 11 l 5 c 9 ，激光器是电 流控制器件，其工作电流小于5 0 m a 。本项目的调制信号为电压信号，所以在将其 加载到激光之前用输出电流范围在7 5 m v 7 5 m v 之间的跨阻放大器o p a 2 6 6 2 将 其转为电流信号。 第三章阵列激光测距系统硬件电路设计 k ? l 7 翰 光强 。 信号 阁值 l ， i t h 输入l 乜流m a 一 、 直流偏置 、调制倍吁 ， 图3 2 激光器输出功率与输入电流关系图 f i g3 2t h er e l a t i o n s h i pf i g u r eo f l a s e ro u t p u tp o w e ra n di n p u tc u r r e n t 由图3 2 知激光器的输出功率在大于阈值( 并且小于四倍的阈值) 的区域输出 功率和输入电流呈线性关系。 阵列激光测距系统调制与解调技术研究 图3 3 激光调制电路原理图 f i g3 3t h ec i r c u i tp r i n c i p l ed i a g r a mo fl a s e rm o d u l a t i o n 图3 - 3 为本系统设计的激光调制电路原理图。调制信号通过o p a 2 6 6 2 由电压信 号转换成电流信号，作为二极管的电流控制信号，由于要使激光二极管工作在线 性区域，必须为其提供一个大于阈值的直流偏置，在设计中我们使用运算放大器 l f 3 5 6 和高频小功率管$ 9 0 1 2 组合来为其提供。将电流调制信号与直流偏置信号 叠加作为l d 的调制信号，从而实现对激光二极管的调制。 3 2 方波和正弦波发生电路设计 第二章中对相位激光测距的单点测量的调制方式进行了介绍，而阵列式测距 需要输出多路调制波进行测距，因此本节基于三种调制方式对多频测距的原理进 行分析，并设计其硬件产生电路。 3 2 1 多频正弦波调制方式分析及其硬件电路设计 ( 1 ) 多路正弦波同时调制的原理 由单路的正弦波可知，正弦波具有单一的频率和对应的初相位，在进行多路 调制设计时，要得到每路信号的相位信息，则需要将每一路的正弦波设置为不 同的频率，将不同频率的调制正弦波分别加载到相应的激光器上发射激光，对接 第三章阵列激光测距系统硬件电路设计 收的激光信号中就是各路不同频率调制信号的叠加，根据鉴相算法求出各个频率 的初相位，实现同时测距。其原理由图3 4 所示。 图3 4 多频正弦波调制原理图 f i g3 4t h ep r i n c i p l ef i g u r eo fm u l t i - f r e q u e n c ys i n ew a v cm o d u l a t i o n 假设用图中所示的前四个图的不同频率的正弦波对激光器进行调制，图中第 五个图是由前四个正弦波组成的混合波，用其模拟a p d 接收的混合光波，对接收 的返回光用f f t 算法进行鉴相，鉴出不同调制频率的正弦波，对应着不同频率分 别求出其相位信息。 ( 2 ) 正弦波硬件电路设计 对于多频信号，为了保证频率的精确性和可调性，本系统使用d d s 技术产生 正弦波，它可以直接通过数字处理器控制器频率、相位、幅度等参数率、且产生 的频率稳定性较高，频率和初相位由数字信号处理器编程来控制。综合考虑项目 需要，选用最高时钟频率为1 2 5 m h z 的a d 9 8 5 0 芯片。 阵列激光测距系统调制与解调技术研究 d d s 芯片是用数字信号产生正弦波，。主要由三部分组成：相位累加器、相位 寄存器及正弦查询表。芯片工作时由晶振为其提供时钟源，相位累加器为4 0 位接 收存储d s p 芯片输入的4 0 位控制字，其中3 2 位是频率控制字、5 位来控制相位、 1 位用于电源休眠控制和两位工作方式选择控制字。设定的输出频率训与控制字 形的关系由公式可求出： u l = w o c 2 芤 ( 33 ) ， i j _ ， 其中，c l k 是时钟频率，当为其输入的频率为5 0 m 时，输出频率可达1 5 m h z 。 a d 9 8 5 0 有两种数据控制字写入方式：串行和并行。并行模式是将4 0 位控制字在 每个w c l k 的上升沿由数据总线d o d 7 写入8 位数据，连续5 个w c l k 周期内完 成。串行模式：控制字在每个w c l k 时钟上升沿由数据总线d 7 写入一位控制字， 4 0 个w c l k 时钟后，f q u d 脉冲的上升沿