【《相位式激光测距系统的设计计算案例》7600字】

第iv页共31页相位式激光测距系统的设计计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u8295相位式激光测距系统的设计计算案例 1152901.1设计方案的拟定 122357（1）方案拟定 123739（2）系统工作过程 184731.2基本公式及频率选择 232449（1）计算距离的基本公式 211316（2）测尺频率的选择 3155001.3发射系统设计 415775（1）主控振荡器 428545（2）激光器的选定 56201（3）调制方法 62538（4）合作目标 615485（5）物镜的作用 7277171.4接收系统设计 711033一、本地振荡器 722024二、光电转换器件 826916三、混频器 921892四、自动数字测相 121.1设计方案的拟定（1）方案拟定综合第二章有关激光测距技术和方法的内容介绍我们可知,相位式激光测距技术特别适用于短距离的测量,并且其测量的精度比较高。本工程设计主要以各种动态的物体作为测距分析的对象,并且有很大的测距区域,因此,相位式激光测距方法无疑被认为是最好的测距方法,所以在本次计算设计中选取了相位式激光测距法。（2）系统工作过程在前面的介绍中,我们已经知道了相位法和测距法的实现和测距过程。图3-1为相位式激光测距仪系统设计方案框图[7]。图3-1相位式激光测距系统方案图主控芯片振荡器(以下俗称主振荡器)是为了使激光信号发出一定的输出波(即激光发生器采用gan半导体激光发生器,操作可立即停止,光传输系统发出一定范围内的光波,反射整个目标后,光系统在其中接收到被激光照射出的光,经过光电转换后就会成为一种无线电信号,它的输出信号与本振(简称为本振)信号一起扩展。混频。两个高频滤波信号同时发射进入一个混频器中并接收低频滤波信号。同时主振也可能会自动触发其他的共振信号。该射频信号和本振荡器输出的射频信号相互进行混合两个信号的相位角可以通过比较信号和显影剂之间的相位差来确定。根据计数器的不同，可以确定目标的总距离。计算并在屏幕上显示测量的距离值。1.2基本公式及频率选择（1）计算距离的基本公式在图3-2[8]中，如A点安置仪器，B点安置反射器，A→B为光波的往程，→为返程。为清楚起见，我们可以将往程与返程摊平，则在图上很容易看出测距信号在待测距离上往返一次所产生的相位差。图3-2信号往返一次的相位差由图3-2中见（3-1）将式（3-1）代入前面给出的相位法测距的一般公式(2-3)得（3-2）为标准大气条件下传输介质对激光的平均折射率，我们一般取，则（3-3）通常用代表，则（3-4）式中，。式（3-4）就是相位法测距的基本公式。从公式中我们得到，这种测距方法，就好比用一把长度为（即）的尺子来丈量被测距离。如同用钢尺量距那样，始终是“整尺段”数，而则为“余长”。这里我们把长度等于调制波波长之半（即）的这把“尺子”称为“测尺”或“电子尺”。另外，我们还看到，在相位激光测距系统中，欲得到距离，必需测定两个量：一个是“整波段”；另一个是“余长”，亦即相位差尾数值（因）。在相位式测距系统中，一般只能测定（或），无法测定整波数。这好比担任量距的人已经忘了量了多少整尺段，但是最后不足一个整尺段的余长却记忆犹新，因此式（3-4）就具有了多值性，距离尚无法确定。（2）测尺频率的选择根据测量范围的不同，附加值问题的解决方案可分为两类：（1）中远程测量装置的线性频率采用集中间接测量线性频率方式，一般设置3～5个辅助频率；（2）对于短程仪表，选择色散直接测量频率来设置两个调制频率，即精密测量和总测量。一般来说，精密频率保证了张力精度和原始测量频率，本设计是为了测量短距离，所以可以用分散直尺的频率来测量。可选择的测量尺长有：、、、、。在我的设计任务书中所要求测量的是测量范围，所以选用长度为的测尺，因为这样既保障了测量的精度又满足了我们对于测量的范围。此时,，即，则（3-5）选用测尺长度时，相应的测尺频率为（3-6）1.3发射系统设计（1）主控振荡器芯片振荡器的主要组成部分[10]是一个电路，主振荡器通过连续正弦函数转换产生非常平滑的标准信号，并将其传输到光载波调制解调器。稳定性是许多测试仪器的关键指标，而振动频率的稳定性也取决于系统的测量精度，激光系统必须有稳定的频率，为了满足这一要求，采用了石英晶体谐振器构成的振荡器。与lc系列的耦合电路相比,石英晶体振荡器具有两个主要优点:更高的规格特性和更好的产品质量因数;这两个主要优点直接决定了石英晶体振荡器的工作频率和可靠性,平滑度很高。自激振动是一种由石英晶体谐振器、半导体材料、电阻、电感、电容等多种元件构成的一种功能性电路,一般被我们简单地称为石英晶体振荡器。晶体振荡器大致可以划分为连接式晶体振荡器和串联式晶体振荡器。晶体在串联式晶体振荡器中的位置和作用，也就是进行频率选择的一个方法;晶体在串联晶体滤波器中的作用相当于一个闭合的功率电感器，它与其它元件形成串联耦合来确定频率，并与晶体管相连。图3-3并联型晶体振荡器电路图3-3为并联型晶体振荡的实际线路[11]，其适宜的工作频率范围为0.85~15。对于不同要求的晶振频率，仅是由电容、的不同决定的：（）（）（）1600750535051015120320我们的设计要求主控振荡器产生的电尺频率为=，所以选用标称频率为的石英晶体，另外、，即图3-3为晶振频率为的并联型晶体振荡电路。这种电路易于起振，简单且容易调整，同时可以获得较高的稳定度，所以在测距系统中常采用。测距仪的工作环境温度一般在-20℃—40℃范围内，要想使主振频率稳定度达到是困难的。为了减小温度变化对晶体谐振频率的影响，将晶体及有关的电路元件置于一个温度保持在恒定值的恒温箱中。（2）激光器的选定相位精度差分的两个主要关键部件分别是三氟氦氖液晶蒸气电子激光器和三氟砷化镉液晶半导体蒸气激光器,前者主要专门用于检测中长距离,后者通常来说是主要用于中中短距离,具有仪器体积小、重量轻、结构简单可靠等几大特点,因此，近年来，它被广泛地分布在各种激光仪器中，特别是作为一种激光源进行短程分析，在我的设计中，范围是指明的，所以它更好，砷化镓半导体激光器。图3-4是一个非常简单的壳框架的砷化镓注入激光器[12]。图3-4砷化镓激光器的内芯用于气体半导体器件的激光发生器的基本原理与激光跨越瞬态辐射的基本原理相同，可分为三个部分：影响人口流动和资本流动的刺激性变化，激发荧光墨水。如果没有外部动力输入，p-n连接处的电场处于平衡状态，粒子总数不能反转。如果正向标准电压施加在PN连接处，即p区为“”，n区为“-”—“，附加电场的作用只是抵消电场的作用，然后电子和空穴扩散，使电子获得外部动能，然后大量的电子从价带被激发到导体带，扩散空穴现在与连接区域中的扩散电子相同。密切相关，即电子的动能级从原来的导带跃迁到价带，辐射出光量子。这种受激发射的光量子的一部分平行于结区扩散，使许多电子被碰撞激发，然后跃迁并辐射出许多相同的光量子，从而引起受激辐射。GaN激光发生器[12]的主要特点是：（1）进口性能不高，一般在几毫瓦到几十瓦之间。（2）主要输出在红外区，室温下主要输出9020a，77小时内主要输出8400a；常温下图案极限为几十埃，单色性弱。(3)输出发散度较大，波束截面常为椭圆形，长轴方向发散角约几度，短轴方向发散角约20到70度。一般不能偏振输出。（3）调制方法有规律地改变光的振幅、频率或相位角的整个过程称为光调制。调制方式分为三种：速度调制、无线电通信和相位差调制。大多数激光测距应用使用AM-AM[13]。激光扫描仪的调制分为内部调制和外部调制。（1）简言之，内调制是激光器中调制的全过程，在调制过程中激光器和调制器不能相互分离，从而使激光器的输出光本身不能分离已经发生了抗压强度的转变。您使用的GaAs激光器属于此处的类别。光传输的控制措施是改变键控电流的大小，使光源输出的光跟随具有键控电流特性的调制光波。(2)外部调制式激光器与内部调制电机是两个独立的组件。激光产生的具有一定照度和较高强度的光,经过调节后成为抗压能力不断改变的光波。广泛地应用于he-ne激光检测测距设备。本方案设计采用砷化镓半导体器件激光器作为激光源。由上可知无需添加调制器，直接调制应用即可。（4）合作目标在精密激光相位点的角合作激光目标范围内,通常我们还是需要根据精密激光相位点的角来在激光线的方向两端之间分别设置一个具有反射性的激光棱镜,通常又被我们称为棱镜合作激光目标[14]。即使在测距安装过程中必须安装到新的测距基准点。它的作用是将光源从自准直投影反射到整体整体被测目标,然后接受自准直。反映者的主要要求是:反映工作勤奋;遮光板的安装有利于光源的偏转和推动;并且使用方便。虽然反射镜有很多种，如反射镜、倾斜反射镜和角度反射镜，但前两种反射镜并不适用于测距系统，因为反射镜反射光的旋转角度是倾斜角度误差，难度更大，回到机械设备的技术验收部分，虽然斜镜的方向与直线光轴方向不同，安装方向也不是很精确，但初始方向仍可能与初始方向平行，但要求的偏差不应超过0.5~1。~这是非常困难的。这就是为什么在扩展系统软件的移动电话软件中使用角散热器的原因。该反射器是一个包含光学透镜的四色路面。II和III相互垂直，是等边直角三角形。它的形状像一个切角的立方体，如图3-5所示。这种棱镜通常被称为“角反射器”，其特点是：无论入射光在反射后朝哪个方向，返回的光总是与原来的入射光平行，如图3-6所示，为了使Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个表面作为一个整体反射，在这三个表面涂上一层金属反射膜。(a)（b）图3-5角反射器图3-6角反射器的入射和反射光线（5）物镜的作用透射靶的作用是检测气体半导体激光器平行发射的光；接收目标的功能是将尾灯信号聚焦在光电转换器上。1.4接收系统设计一、本地振荡器本设计采用的是差频测相的方法，第四节中选差频频率为4，本机振荡器频率非常接近主振荡器频率，因此也选择具有标称频率的石英晶体，使得本机振荡器的振荡器周期完全等于主振荡器的周期。（见图3-3）。二、光电转换器件激光测距监控系统中激光接收机驱动装置的一个核心就是零部件之一的也就是光电微波变频接收设备。光电交流转换电元器件的基本技术性能要求具体如下:光电灵敏度高、稳定性强、噪声低。其质量将严重危及检测范围和精度。（一）光电转换器件详细介绍为了更好、更方便地在光信号熄灭时对载波通信信号进行处理，首先需要将光信号熄灭变为电子信号。此时，光学检测传感器会进行光电转换。根据不同的基本原理，光学检测传感器可分为以下几类：(1)光导设备。典型的器件是各种类型和规格的光电二极管。(2)光伏器件的特点是噪声更低，增益值更高。(3)上光片器件，相比之下，它有很多其他光学器件所不具备的优点：噪音不高，不易刺激人耳，适合人耳安全；其灵敏度优于其他光学器件。光学。高等机械设备；其响应速度短等，其响应速度可以低于l。（二）光电转换器件的选择光电检测探测器反应的时间一定要十分准确。一般而言,pin光电二极管与硅光电二极管并不具备内部高增益太阳检测器。选择内部的光探测仪可以很容易地检查到是否非常低的光信号灯未能打开,光电流增加主要是由于光在较强的电场中被牵引而产生雪崩效应,APD具有重量轻、损耗低、采样频率抗电磁干扰等特点。雪崩光电二极管（APD）由于其内部的改善效应，对微弱信号具有很强的认知敏感性，保证了激光系统的精度，在本设计中更适合于光电转换器。(三)雪崩光电二极管的基本原理雪崩光电二极管是一种在内部引起康普顿效应的半导体元件。这类二极管是一种基于内部康普顿效应和雪崩生长发展的基本概念的光电转换器件。它在制造上采用了不同于普通光电二极管的技术措施。一个非常高的反向偏置电压被施加到管道的p-n结上。这样，结区引起的磁化将非常大。当光生自由电荷进入结区时，静电场的机械动能缓慢增加，然后加速。当晶格原子被水解时,栅极原子再次被光生自由电子进行碰撞,产生新的钻削对,新工艺所产生的栅极电子器件在强静电场的作用下向相反方向运动,以获得足够的运动能力,然后再次与栅极原子重新碰撞形成新的栅极电子器件。这种整个过程中不断地重复,大大增加了p-n结的输出电流。这种情况被统称为雪崩效应。图3-7为典型雪崩光电二极管结构示意图[15]。图3-7雪崩光电二极管结构示意图（型结构）一般雪崩光电二极管给出如下参数：最大暗电流：1.0（25℃）电容：1.2功耗：100反向击穿电压：100~200光谱范围：0.7~1.0电流增益：三、混频器目前绝大多数的相位距离红外测量仪都是采用较低的相位检测。目前,在高频下及时地完成的相位测量是一项技术上难度较大,而且相位检测的精确性也不高。差频相位技术就能够来弥补此点的不足。将高频信号转化为低频信号,然后定相低频信号。根据此间接法,就能够进行低频相位的测量。据分析比较,由于低频量尺信号的周期性频率有很大地减小(例如,当量尺的频率设定为15,低频设定为4时,混频后就已经降低了3750倍),所以周期性的信号也就相应地增加了几十倍乃至几万倍。次。另外,在将各种大小的高频和低功率信号转换为统一的高频和低功率信号并且进行相位测量后,此时接收器的频率和响应需要大幅度地降低,即对于不同的调制频率,要求其频率增加恒定,使得信号接收器可以直观地获得功率放大电路和较高选择性。必须在系统中设置混合器，只有将主振荡器的调制信号与混频器后的本振信号进行混频，才能确定用于比较的低频参考信号，混频也是在一个频段内线性传输的全过程。这种姿态的循环变成了混频器（或变频器）[16]，其组成如图3-8所示。图3-8混频器的组成框图（一）、混频电路图3-9模拟乘法器MC1596构成的混频器模拟乘法混频器在混频领域非常流行，在大容量通信集成电路中通常采用集成模拟乘法混频器，如图3-9所示，模拟乘法器mc1596[17]的混频器将本机振荡信号加到8端，7端的交流电势为零，输入主振荡信号加到1端，6端和9端分别用100个电感连接到电源VCC上，与晶体周期混频器相比，该电路具有组合频率成分少、输出流中断少的优点；本振电压幅值要求不高，幅值小，失真不严重；具有良好的绝缘性能和低频牵引性能。（二）、带通滤波器本文选用了两部分电压源（VCVS）带通滤波电路[18]，平均频率必须为4；钢筋设计为=2；虽然品质因数的值越高，滤波器的选择性越好，阻尼率越高，但该值不宜过高，否则很难对电路进行调整。图3-10二阶压控电压源带通滤波器(1)首先在给定的=4，并查表3-1[19]可得到标称的电容=0.01～0.001，这里取=0.005。表3-1二阶有源滤波器设计电容选择用表(2)然后根据所选电容的实际值，按照下式计算电阻换标系数（3-7）其中以为单位；以为单位。(3)然后查表3-2，当、=2、是的电阻值=15.915，=2.332，=1.166，==4.664。表3-2二阶带通滤波器设计用表注明：电路元件值*（）；*电阻为参数时的值，单位为。(4)最后将上述电阻乘以参数，得=79.575，取标称值79.7；=11.66，取标称值11.68；=5.83，取标称值5.8；==21.33，取标称值21.3。四、自动数字测相目前，在相位激光系统中，相位角的测量方法多种多样。常用的相位测量方法有两种：延迟相位测量法和自动数字相位测量法，相位差在相位测量中起着非常重要的作用。只有在精度很高的情况下才能保证电压精度，因此在系统设计中必须记录相位差，从这个意义上说，本设计采用自动数字相位测量来实现相位检测。所谓自动数字相位测量是指仪器在逻辑控制下，通过脉冲计数、自动测量和计算，直接显示距离的一种相位测量方法。（一）、自动数字测相的原理自动数字相位测量的工作原理如下：3-11[20][21]表示。在参考信号（即通过主振荡器信号和本机振荡器信号的直接混合获得的信号）与跨度信号（d）一起给出之前。呵呵。与通过混合反射信号和本振信号获得的信号相比，它们首先通过通道I和II放大并形成方波（图3-12）。添加了R“触发端。负跳使触发器“设置”，即触发器的“端”提供高电位，而负跳使触发器“复位”相位检测脉冲宽度对应于两个相位比较信号的相位差，可以传输时标脉冲。当第一个开关在触发器的设定时间内打开时，通过栅极的脉冲数反映了电压信号和参考信号之间的相位差，这是一次测量的过程，位置相角越大，两个信号负跳之间的时间间隔越长，即相位检测触发器设置的时间越长，通过栅极的脉冲就越多。图3-11自动数字测相原理框图图3-12自动数字测相单次检相所通过的脉冲数（）应等于时钟脉冲频率（）和时间（）的乘积，即（3-8）式中，——时钟脉冲频率；——触发器的置位的时间；——低频参考信号和测距信号的频率（即差频频率）；——和的相位差。由上式可见，从门输出的脉冲数（）与两测相信号、的相位差（）成正比。差频频率一般选择在之间。如频率过低，不仅对提高测相精度无显著作用，反给电路带来了不稳定及测量时间过长而引起相位漂移；而当频率过高，将不容易保证一定的测相高精度。因此本设计选择的差频频率为4。时钟脉冲频率一般选择在之间，为了使所计脉冲数与被测距离有（为整数）的倍数关系，在我的设计中选取时钟脉冲频率。当时，在一次检相通过的脉冲数的值最大，则（3-9）这说明2500个脉冲数代表360°，则每个脉冲就代表了0.144°，即2500个脉冲对应长度为的“电子尺”，则每一个脉冲代表，所以本测距系统的测量精度为。以上就是自动数字测相的工作原理。为了减少测量过程的偶然误差及大气抖动、接收电路噪声等影响，以提高测距精度，一般在测相电路与门后面再加上一个门，其作用在于用测相闸门时间控制相位测量的持续时间，即控制一定的检相次数，用多次检相的平均值作为一次测相的结果。门受闸门时间为的闸门信号所控制，在闸门时间内输出高电平，门打开，这段时间内进行检相的次数为（3-10）因此，在闸门时间内，通过门进入计数器的脉冲总数为（3-11）根据式（3-11）可得（3-12）对某台测距仪而言，上式中和为定值，因此，根据计数器中测得的脉冲个数就可以得到相位差。在实际测距仪电路中