基于LabVIEW的相位式激光測距系統的軟件設計與實現

蔡薇，李昆

(1.中航發動機有限責任公司，北京100028;2.中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

無論是航空、航天、兵器等國防軍工領域，還是大地、工程測量等民用領域，對長度和距離的測量都是必不可少的。工業中常見的是激光測距法。激光測距法按測量原理的不同，分為相位式測距法和脈沖式測距法兩種［1］。較脈沖式測距法，在小于1 km的測量范圍內，相位式測距法有著更出色的測量效果，工程應用中也能滿足大部分測量要求。

傳統的相位式激光測距系統，多采用CPLD，FPGA或ARM等嵌入式處理器配合相應的開發語言 (如Verilog HDL，VHDL，C，C++)完成程序控制和數據處理，但設計中往往有硬件電路復雜、工作量大等問題。

基于LabVIEW的相位式激光測距系統，將相關嵌入式控制器和硬件電路虛擬化，不僅可以靈活定制成相位式激光測距系統儀器化的操作界面，大大簡化測量系統的硬件電路結構，節約研制過程成本，更是能縮小項目開發周期，提高研發效率。

1 相位測距法基本原理

相位測距法是一種利用被調制光信號在發射端與接收端間的相位差關系來定量分析出被測距離量的測量方法。具體計算公式［2］為

式中:c為光速;t為調制光在被測距離間往返時間;Δφ為發射端與接收端間的相位差;f為調制激光頻率;λ為調制激光的波長。

相位式激光測距示意圖如圖1所示，A為調制光的發射端，B為探測單元的接收端。設發射光信號在A端的相位為φA，接收光在B端的相位為φB，則相位差Δφ =φB－ φA。Δφ 又可以表示為［3］

式中:N1為相位差中包含的的整數倍;Δφ1為非整周期相位的尾數;ΔN1=Δφ1/2π。

相位式激光測距可認為是用長度為λ的激光波長去測量距離L。ΔN1可由測量數據計算而來，但并不是一個定值，計算中常有多解，因此實際應用中采取用一組 (兩個或者兩個以上)調制頻率，高頻調制頻率用來保證測量距離的精度，低頻調制頻率用來保證測量距離的范圍，從而得到準確的測量值［4］。

圖1 相位式激光測距示意圖

2 基于FPGA的相位式測距系統的傳統設計方案

基于FPGA的傳統相位式激光測距系統結構如圖2所示，DDS在FPGA的控制下產生主振信號和本振信號，從而控制激光發射單元發射出特定波長的連續光波信號，接收單元通過光電轉換系統接收攜帶有距離信息的信號，經ADC變換后進入FPGA。

圖2 基于FPGA的相位式激光測距系統示意圖

兩路接收回波信號進入FPGA后，先經FIR濾波器濾波，然后分別與本振信號A和本振信號B進行混頻處理，再加上兩路主振信號與本振信號混頻，共四路混頻信號，四路混頻信號經低通濾波器濾波后，濾去高頻信號，剩下的低頻差頻信號進入差頻測相單元，最終結果送入FPGA，FPGA將處理數據傳輸至LCD顯示。

傳統相位式激光測距系統工作頻率高，增益大，易自激和受干擾，尤其復雜的硬件所帶來的各類噪聲成為限制測距精度和穩定性的主要原因。

3 基于LabVIEW的相位式測距系統的設計方案

3.1 系統總體結構設計

利用LabVIEW易于開發和強大的數據處理能力，本測量系統采用圖形化語言編寫控制程序和數據處理程序，基于LabVIEW的相位式激光測距系統的總體結構設計方案如圖3所示。

圖3 基于LabVIEW的相位式激光測距系統示意圖

該測距系統主要由發射單元、探測單元、外圍電路單元和數據處理單元4部分組成。其中，發射單元、探測單元及其光學元件共同組成了光學測量頭［5］;外圍電路單元主要是由LabVIEW程序控制的電壓輸出模塊和電壓輸入模塊組成。發射單元在LabVIEW程序控制下，激光發光管發出連續光，經過距離2L后，光信號進入探測單元，經過信號調理電路后，由數據采集卡對檢測信號采集，送入PC機，由LabVIEW軟件進行差頻測相，從而將攜帶有被測目標距離信息的信號計算出來，并將測量數據實時顯示，總體程序流程圖如圖4所示。

圖4 總體程序流程圖

3.2 系統軟件的實現

基于LabVIEW的相位式激光測距系統，是將相關嵌入式控制器和硬件電路虛擬化，用靈活可定制的軟件來取代硬件的自動化綜合應用系統。整個系統軟件主要分為程序用戶登錄程序、測距系統應用程序和數據庫管理程序三部分。

1)程序用戶登錄程序

世人皆好責人而非責己。在“異常人”的眼中：別人都是豆腐渣，唯有自己是一朵花。“正常人”則不然。他寬以待人，嚴于律己。金無足赤，人無完人。“正常人”敢于解剖自己，善于反省自己。他做人的信條是：只有敢于袒露自己心聲的人，才值得信賴，也才有資格評判他人！

程序用戶登錄界面作為程序的原始入口，主要是方便管理員對操作人員的監督和管理。

2)測距系統應用程序

測距系統的應用程序是系統的核心部分，主要實現對頻率信號產生單元的控制和完成對原始信號的差頻測相處理，界面及LabVIEW程序框圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 測距系統應用界面

圖6 測距系統應用界面LabVIEW程序框圖

電壓輸出模塊在LabVIEW頻率信號產生程序控制下，產生高精度方波主振信號，用于光調制。在相位式激光測距中，通過比較發射端的初始信號與接收端的反饋信號，取得兩者間的相位差信息，然后用高頻填充脈沖對相位差信號進行計數，最后通過計算脈沖數得到準確的相位差信息。設調制光頻率為f，高頻填充脈沖頻率為fc，假設一個周期內的計數脈沖值為M，則相位差為:Δφ=2πMf/fc。實際應用中，通常采用多個周期計數求平均的方法，用來減小偶然誤差，提高鑒相精度［6］。差頻測相原理如圖7所示，若N個周期的計數脈沖值為M'，則Δφ=2πM'f/(Nf)c。

圖7 差頻測相原理圖

差頻測相單元是相位式激光測距系統數據處理的關鍵部分，整個數據處理由LabVIEW程序完成，差頻測相單元組成框圖如圖8所示。

圖8 差頻測相單元組成框圖

3)數據庫管理程序

圖9 數據庫管理系統框圖

4 實驗仿真結果與分析

在理想狀態下，整個系統的測距分辨力主要由調制激光頻率、混頻輸出頻率和數字測相過程的高頻填充頻率決定。其估算公式［6］為

式中:Δ為測距分辨力;c為光速;fs為激光發射波調制頻率 (主振頻率);f1為混頻信號頻率;fp為填充的高頻脈沖 (測相脈沖)頻率。由公式 (3)可得激光調制頻率與測距系統理論分辨力的關系，表1中給出了兩種激光調制頻率對應的測距分辨力。

表1 激光調制頻率與系統理論分辨力

本仿真實驗中，主振頻率為40 MHz，本振頻率為40.04 MHz，根據公式 (1)可得相應的測距模糊距離(可測量距離最大值)為3.75 m;用于測相的差頻信號頻率為10 kHz，高頻填充測相脈沖頻率為10 MHz，由表1可知，本實驗系統在理想條件下測量分辨力為3.75 mm。

實際應用中，由于電子元器件特性限制、各類噪聲影響以及現實環境因素的干擾，使得應用效果不可能達到理想精度。為驗證本系統的控制程序和數據處理功能，本仿真實驗選取了4組不同相位差，仿真實驗軟件界面如圖10所示，仿真實驗數據表如表2所示。

圖10 相位式激光測距系統仿真實驗界面

表2 仿真實驗數據表

根據仿真實驗對比數據可知，基于LabVIEW的相位式激光測距系統不僅可以獨立有效的執行信號處理和解調的全部功能，同時測量也非常精確、可靠。

5 結論

本文依據相位式激光測距原理，運用LabVIEW軟件編寫控制和數據處理程序，完成了相位式激光測距的仿真實驗，并且能夠有效地解決傳統相位式激光測距系統的硬件電路復雜、工作量大的問題。

與開發復雜的信號處理程序相比，LabVIEW軟件本身有多種專用信號處理函數模塊，靈活調用應用函數模塊，使得開發更加簡便、高效。準確、直觀、便捷的顯示和操控界面，可大大降低測試人員的工作量和業務難度。

本文所論述的基于LabVIEW的相位式激光測距系統是一個初步方案，為提高系統的性能，在LabVIEW程序優化和測試數據誤差分析等方面還需做進一步的研究。

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［4］李中方，李新碗，楊潘，等.相位式光纖測量電路系統的設計與實現 ［J］.電子技術，2011(2):1－3.

［5］胥俊丞，曾曉東.新型相位激光測距儀的研究［D］.西安:西安電子科技大學，2008.

［6］張志勇，張靖等.一種快速、高精度激光相位測距方法的研究 ［J］.儀器儀表學報，2005，26(8):51－52.