1、激光測距儀原理樣機設計姜 銳2013/1/301 測距原理設計目前激光測距儀所采用的測距方法主要有：脈沖法、相位法、干涉測量法、三角測量法、反饋法測距、縱模拍頻測距法。就成熟度和量程來講，首選脈沖法和相位測量法。本項目采用相位法實現激光測距儀。眾多參考文獻中，含金量比較高的兩篇作為項目主要參考：多頻調制的相位法激光測距中若干關鍵技術研究手持式激光測距儀的研究1.1 相位測距基本原理激光相位測距法即通過測量調制光波往返被測距離時間間隔計算出待測距離的一種測距方法。調制光波經過被測距離后，發射光和接收光會產生相位差，則測距將時間的測定轉化為相位的測定。原理如圖1所示。圖 1 激光相位測距法原理圖測

2、距光往返時間與光波相位變化之間的關系為其中：為調制光波的頻率；為整周波長計數；為不足一個波長的相位。往返時間與距離的關系為將帶入得由于和已知，因此只要求得到和，則可以計算出待測距離。相位檢測只能夠得到不足一周的，無法確定整周數，也就產生了整周模糊度。為了解決整周模糊度，同時保證測量精度，采用多測尺測量原理。也就是在同一激光頻率上調制高低不同的多個頻率，通過低頻調制信號解決測量模糊度，保證大量程，通過高頻調制信號提高距離分辨率，實現高精度。多尺測量原理如圖2所示。圖 2 雙測尺測量原理采用頻率分別為和的調制光波，分別稱其為精尺和粗尺。粗尺的波長，決定了測距的量程（2倍量程小于一個調制光波長），精

3、尺波長短，決定了測量精度。將兩個測尺結合起來可以解決大量程與高精度之間的矛盾。根據測距基本原理可以得到方程組：在測距儀量程內有，因此上述方程簡化為所以，測量距離的計算公式為：設計指標要求：量程：50m；精度：1mm。假定相位測量精度為，選用粗尺、精尺可以滿足測量精度要求。1.2 混頻下變頻原理由于粗尺和精尺的頻率較高，使用AD直接進行采樣成本較高。因此采用混頻方法將頻率降低到KHz范圍，一可以降低對AD的要求；二可以降低處理器負擔。由于混頻不丟失相位信息，所以上述方法在激光相位測量原理中普遍采用。假定混頻后頻率為15KHz，則用戶粗尺和精尺的混頻參考頻率分別為1.485MHz和149.985M

4、Hz。混頻實現方法可以采用模擬乘法器、混頻器或者雙柵極MOSFET進行。雙柵極MOSFET混頻原理可以參考文獻雙柵場效應管混頻器在相位法激光測距中的應用。1.3 相位測量原理相位測量方法可以采用數字電路、FFT等方法進行。在對比了FFT和apFFT算法以后，決定采用apFFT算法實現相位測量。相比于FFT算法，該算法可以在滿足采樣定理的任意采樣頻率下實現采樣窗口中心點信號相位的準確測量。apFFT算法可參考數字信號全相位譜分析與濾波技術。該算法在FFT算法前，對采樣數據進行全相預處理，然后對全相預處理后的數據進行FFT運算，從而提取采樣窗口中心點的相位信息。經過Matlab建模分析，在15KH

5、z差頻、采樣頻率為1MHz的條件下，完成511點的采樣，進行全相預處理后產生256點全相預處理數據，通過FFT運算提取相位。可以滿足精度要求。值得一提的是AD的量化誤差對相位測量有比較大的影響，直觀上理解，AD的幅值量化導致對信號的相位量化，從而產生相位的量化誤差。因此可以說AD精度決定了相位測量的精度。采用12bit AD，相位測量值的千分位產生誤差。2 激光測距系統設計根據上述測量原理，系統結構圖如圖3所示。圖 3 相位式激光測距儀系統結構圖其中KEY和LCD完成與用戶的交互。PLL根據MCU指令產生粗尺和精尺以及相應的參考頻率，經過LPF轉換成正弦波調制到LD后發射。調制波經過目標反射后

6、使用PD接收，經過AMP放大濾波后與參考信號混頻，同時發射信號也與參考信號混頻，兩路混頻信號經過LPF濾波后，形成含有發射和接收信號相位信息的低頻信號，經過雙路AD同步采樣后完成apFFT計算，提取相位信息，并計算距離。3 激光測距儀軟件實現3.1 系統工作模式為降低系統功耗，系統在開機后進入低功耗模式，定時器產生中斷喚醒MCU進行按鍵檢查并進行相應處理。3.2 定時器軟件模塊調試采用TIM2通用定時器，產生定時中斷，設置相應標志位，主程序通過標志位檢測進行相應相應動作。3.3 PLL軟件模塊調試PLL模塊采用I2C接口，采用模擬I2C方式實現對PLL模塊的訪問。產生20MHz頻率驗證PLL驅動部分；產生粗尺、精尺及參考頻率封裝成函數調用。3.4 Temp傳感器模塊軟件調試內部溫度傳感器用于監測環境溫度，超過條件下報警并關閉系統。AD采樣溫度傳感器并進行溫度的轉換，通過串口發送到上位機顯示。3.5 雙通道AD同步采集對雙通道AD同步采樣數據采用DMA進行搬運，移動到buf緩沖區后供處理。3.6 apFFT