仵春阳1,李 钊2,马红光1,徐东辉1
(1.第二炮兵工程学院,陕西西安710025;
2.第二炮兵驻石家庄地区军事代表室,河北石家庄050081)
摘 要 设计了一个基于自动数字检相技术的相位式激光测距系统。该系统采用DDS技术产生所需要的测距信号,提高了信号的频率稳定度,消除了信号源频率漂移引起的测距误差;该系统还对自动数字检相技术进行了改进设计,改进后的自动数字检相器能够消除波形变换零点漂移及高频干扰引起的检相误差,提高了检相精度。实际测距实验表明该系统具有较好的测量精度。对测试结果进行了分析,指明了今后研究的方向。
关键词 自动数字检相;激光测距仪; DDS技术
中图分类号 TN249 文献标识码 A 文章编号 1003-3106 (2008) 12-0056-03
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。
正弦信号表达式为用频率为f cp的时钟将时间离散化,可得一个时钟周期内相位变化量为:
式中,Bθk-1为当前时钟到来之前所积累的相位。
式(5)表明对相位量化值进行简单累加运算,就可以得到当前相位值,信号输出频率fout由相位增量变化值BΔθ决定:
DDS原理框图如图2所示,本文利用FPGA设计了2路正弦信号,分别作为调制信号和本振信号,频率分别为fmou=5 MHz,flo=5.01 MHz,其中参考时钟由FPGA内部锁相环产生,其频率为fclk=20 MHz。相位累加器N位数推导如下
设DDS生成信号频率分辨率为Δf,则fmou=,混频后所得低频信号频率此时由于频率误差引起的检相误差为,将此式代入式(2),可得由此产生的测距误差为,代入式(7)可得:
式(8)即为DDS输出信号频率误差引起的测距误差表达式,令δD<0.1 mm,可计算得N>25.9,实际设计中取N=28。
2.2 自动数字检相电路设计
自动数字检相的基本原理是将2路正弦信号通过波形变换转换为同频方波,从而将正弦信号之间的相位差转换为2路方波的时间延迟,再用一高频脉冲对此时间延迟进行计时即可得到相差信息[4]。提高计时脉冲频率在理论上可以提高检相精度,但在实际中,受波形变换非理想性的制约,单纯提高计时脉冲频率并不能有效提高检相精度。波形变换非理想性主要体现在信号的零点漂移上,设波形变换前信号为
考虑到叠加在其上的微弱直流直流分量以及比较器偏置电压参数的影响,实际信号为:
分别令S ref=0,S echo=0,可得参考信号、回波信号以及相差信号的实际脉宽为:
由式(11)可见,信号中叠加的支流分量导致了相差脉冲产生误差。当B 1=B 2=-5 mV,A 1=A 2 =2.5 V时,φ error=0.004 rad=0.23°,又fmou=5 MHz,取c=3.0×10 8 m/s,由式(2)可计算得到信号零点漂移所引起的测距误差高达sD=1.91 cm。对于高精度测距场合而言,这是相当大的误差。
为了消除这项误差,将式(9)、式(10)式相减可得:
式(12)表明信号零点漂移所引起的误差等于两信号实际脉宽之差,将式(12)带入到式(11)中,可得修正后的相差计算公式
式(13)表明,同时对参考信号、回波信号及相差信号进行计时,并按照式(13)进行实时补偿,即可消除信号零点漂移引起的检相误差。改进后的自动数字检相原理框图如图3所示。检相模块采用3路计数器分别对参考信号、相差信号以及回波信号进行计时,计时结果在外部信号的控制下通过数据选择器传与单片机进行补偿计算。计时控制信号决定计时周期数,直接由对应测量信号生成,避免了控制信号与测量信号的不同步所造成的误差;数字滤波部分的作用为消除信号中叠加的高频毛刺干扰。
3 试验结果
系统选用波长为650 nm的激光器作为光源,光电探测器选用德国Laser Components公司生产的雪崩二极管SAE500VS2,调制频率为5 MHz,本振信号频率为5.01 MHz,自动数字检相计时脉冲频率为200 MHz。在室内对10 cm~2 m范围内抽取5个点进行了实际测量实验,每个点每10 s测量1次,共测量3次。实验结果如表1所示。
由表1中实验数据可以看出,实际测量结果最大偏差为16 mm,最小偏差为7 mm,平均误差为10.68 mm,而根据上述参数计算,理论上测距误差为3 mm,二者相差较大。从试验结果还可以看出,测量结果与真值相比都偏大。这说明,实际所测到的相差比真值多了一个偏差,通过对系统的分析,这部分误差可能来自2个方面:①电路在对信号进行处理时所引起的附加相移;②忽略了大气对光速的影响。这说明,测距计算公式仅仅用式(2)是不合理的,还必须考虑到上述2个因素的影响,对测距结果进行合理补偿,以进一步提高测距精度,这是今后改进的方向。
4 结束语
本文利用FPGA对自动数字检相技术进行了改进,着重解决了制约检相精度提高的信号零点漂移问题,同时在FPGA内部利用DDS技术生成所需要的各种测距信号,提高了信号的频率稳定度和频率分辨率,在此基础之上,设计了一套相位式激光测距系统,并进行了实际测试实验。结果表明,该激光测距系统工作稳定、精度达到了cm级,但由于受到电路附加相移以及光速估计偏差影响,实际测距精度与理论值相差较远,这是下一步研究改进的方向。
参考文献
[1]谢蕾,李季.基于FFT的激光测距相位计的实现[J].量子电子学报,2003,20(1):85-88.
[2]张毅刚,傅平,王丽.采用数字相关法测量相位差[J].计量学报,2000,21(3):216-221.
[3]黄正英,李季,陈结祥,等.向量内积法检相在激光测距系统中的应用[J].光电子技术与信息,2002,15(6):31-34.
[4]金宁,汪伟,张增耀,等.高精度数字检相电路设计[J].中国计量学院学报,2002,13(1):60-63.
作者简介
仵春阳 男,(1984-),第二炮兵工程学院硕士研究生。主要研究方向:激光测距技术。
