相位式激光尺设计

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1、相位式激光尺设计一、引言相位法激光测距就是通过测量连续的调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位变化来间接地测定信号传播时间，从而求得被测的距离。利用光速来测量距离时，要求测量范围大、测距精度高，但是由于光的速度极快，因而要求精确测量极短的时间间隔。相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。若调制光角频率为ω，在待测量距离LAB上往返一次产生的相位延迟

2、为φ，则对应时间t可表示为：t=(φ+Δφ)/ω其中φ+Δφ=2π(m+Δm)m：表示激光往返LAB所经历的整数个波长Δm：表示不足一个波长的分量则待测距离LAB可表示为LAB=1/2ct=1/2c·(φ+Δφ)/ω=1/2λ(m+Δm)=Ls(m+Δm)其中Ls称作“光尺”。二、总体设计方案本系统原理设计图如图一所示。图一系统结构框图本系统由激光调制发射电路、光电检测电路、频率综合电路以及数字测向电路构成。接下来将分别介绍这几部分的具体设计。三、激光调制发射电路采用波形发生芯片MC12061产生单频正弦波信号，与稳压源产生的直流偏置

3、通过恒流源驱动电路对激光二极管进行光强调制，使得激光二极管的光强随调制信号频率变化，出射光通过光学系统(主要是透镜)，聚焦于目标点。激光的调制发射主要由电源，直流偏置电路，调制信号发生电路，恒流驱动电路，激光二极管(LD)组成。电路图如图二所示：图二激光调制发射电路10MHz高频调制信号由晶体振荡器MC12061外接10MHz晶体产生，它能精确产生正弦波与方波，只需少量外部元件就能实现2.0-20MHz的频率输出，且有高达±0.001%的频率稳定度，在频率8MHz下只有-0.08ppm/℃的温度漂移，结合(2-7)进行分析，误差很小，

4、完全可以忽略，能够满足实验要求。另外，市面上的信号发生芯片不多，且通常价格较为昂贵，MC12061可以说是价廉物美的选择。其电路工作原理如图三所示：图三正弦波发生器稳定的直流偏置电压由三端可调电源芯片LM317产生，其温度稳定系数在工作温度范围内约为1%，长期稳定性约为0.3%，1%的电压漂移引起的注入电流变化约为0.5mA，满足LD对阈值电流稳定性的要求。另外后续电路很多芯片都需要稳定的±5V电压，LM317拥有高达1.5A的输出电流，利用此处产生的直流电压可以简化整个电路设计。LM317的工作电路见图四。图四LM317工作电路四、

5、光电检测电路本系统需要接收光强以10MHz作正弦变化的激光，频率高，光电探测器必须具备很短的响应时间，PIN光电二极管的响应时间可达ns级，并且不需要像雪崩管那样提供很高的反向偏压，比较合适。然而PIN管不足之处是输出电流比较小，只有数微安，因而需要合理的设计前置放大电路。完整的光电接收电路如图五所示。图五光电接收电路五频率综合电路设计为了得到高稳定度低漂移的频率信号，采用了时下较为热门的锁相环技术。本系统采用锁相环集成块74HC4046进行频率综合电路的设计，结构框图如图六所示。图六频率综合电路结构框图主振是由MC12061产生的1

6、0MHz正弦波信号，经过整形变为10MHz方波信号，经过2000分频产生5kHz的参考信号进入锁相环。锁相环将输入的5kHz参考信号进行1999倍频，产生了9.995MHz的本振信号。本振与主振频率差锁定为5kHz，以便进行混频。由于所有信号均由同一信号源分频产生，频率飘移带来的误差可忽略不计。锁相环采用74HC4046，分频电路采用计数器分频，选用74HC4040，74HC30，74HC08和74HC04构成，74HC4040是带异步清零的12位二进制计数器，74HC30为8输入与非门，74HC08为四个两端输入与门，74HC04为

7、6反相器。电路如图七所示。74HC4046的外接电阻R1和电容C1选择R1=3k，C1=100pF。图七频率综合电路六、数字测向电路由前述混频电路得到的差频信号通过低通滤波后，最终进入数字测相环节进行相位差解算，其基本电路结构如图八所示。图八数字测相电路结构图经过混频后的两路信号re和se送入比较器转化为方波，两方波经或非门，输出一个占空比与两信号相位差相关的方波，此方波输入至单片机进行占空比测量并计算，进而计算出两信号相位差，测相电路波形图如下图所示：图九侧向电路波形图完整的测相电路原理图如图十所示。图十数字测相电路原理图七、总结激

8、光测距有精度高，速度快，聚焦能力强等卓越性能，因而得到广泛应用。近年来相位式激光测距法成为了激光测距领域里研究的热门，无合作目标相位激光测距仪的研究对于激光精密测量领域有着重要的意义。相位差测距作为光电测距的主要方式之一