相位式激光測距儀的設計

王海軍

（左權永興煤化有限責任公司，山西 左權 032611）

引言

近年來，相位式激光測距逐漸發展成為一種高效精密的測量方法，它將激光調制技術、光電檢測、信號處理以及單片機等技術結合于一體，與傳統的直接測量激光往返時間的方式不同，相位式激光測距儀通過測量調制光波往返時產生的相位變化量來間接計算距離，具有測量精度高、操作簡單、測量時間短的優點，廣泛應用于采礦、建筑、汽車等工業領域的大量程、高精度的測距[1]。目前，國內外學者均取得了一定的研究進展，如國內研制的紅外光電測距儀是典型的相位法測距儀[1]，測試量程可達2 000 m,測量精度為±5 mm。美國第一代激光測距機以紅外寶石激光器作為激光發射源[2]，以光電倍增管為探測器，是世界上第一臺激光測距儀。本文的主要目標是設計適用于大量程測試的高精度相位式激光測距儀，測量范圍為1 000 m,測量精度2 mm,經過研究分析，確認了整體的設計方案，設計了光電檢測模塊、信號放大模塊和差頻測相模塊，并進行了相應的仿真實驗。

1 相位式激光測距基本原理

1.1 相位式激光測距原理

相位式激光測距工作時先測量調制光波信號在一定距離往返傳播時的相位差，得出測量信號的傳播時間，最終計算得到被測距離。假設調制光波是頻率為f的正弦波，可推導出光波由A 傳播至B的相位差φ：

根據式（2）可知，距離與波長成正比例關系。

考慮到一般從A 點到B 點的相位差數值很小，導致精確測量較困難；另一方面，將A 點和B 點設為發射系統和接收系統，不利于實際操作。因此在B 點添加角反射器，將測距儀的發射系統和接收系統均位于A 點，以光波在被測距離往返一次進行計算，大大降低了測量誤差和操作復雜性。

1.2 差頻測相技術

由于相位式激光測距技術在高頻信號的測量時具有很大的誤差，因此在實際應用時會在測距儀中引入差頻測相技術[3]。差頻測相先將高頻信號轉換成低頻信號進行測試，轉換后的低頻信號保留了原信號的相位性質，同時增大了信號的處理能力和傳播周期，使得測量精度大大提高。

主振信號為es1=Acos（ωst+φs），調制光波往返一次后被接收器接收后的測距信號為es2=B cos（ωst+φs+Δφ），本振信號為e1=Acos（ω1t+φ1）。

因此，本振信號與主振信號之間的差頻參考信號為er=Dcos[（ωs-ωt）t+（φs-φt）]，本振信號與測距信號之間的差頻測距信號為es=Ecos[（ωs-ωt）t+（Φs-φt）+Δφ]。

根據公式可以看出，差頻參考信號和差頻測距信號相位差與直接測量的高頻信號的相位差相同，即相位不變，頻率發生改變，將原來的高頻信號轉化為低頻信號。

2 相位式激光測距儀的設計與仿真

2.1 相位式激光測距儀的技術特點與設計方案

本文設計的相位式激光測距儀應具備以下技術特點，如下頁表1 所示。

表1 相位式激光測距儀技術特點

根據以上技術特點，確定下頁圖1 所示的相位式激光測距儀接收系統設計方案，接收系統分為光電檢測及信號放大模塊和差頻測相模塊，其中光電檢測及信號放大模塊主要負責探測器接收發射信號并放大，差頻測相模塊負責對參考信號和測距信號進行混頻操作和相位測量。

圖1 相位式激光測距儀接收系統的整體設計方案

2.2 光電檢測、信號放大模塊設計

考慮到光電檢測的測尺頻率為150 kHz，為高頻信號，導致探測器的響應時間極短。參考常用的光電探測器間的特性，選擇GT101型光電二極管，響應時間只需5 ns。由于GT101型光電二極管的輸出電流較小，因此需對電流信號進行放大。在信號放大模塊中，輸入抗阻與所需驅動電流成負相關，輸入抗阻越大，所需驅動電流越小，消耗功率越低，因此在信號放大模塊電路設計時，應選擇高的輸入抗阻，降低能源消耗；此外，信號的放大倍數只需滿足后續電路要求，即大于混頻器的門檻電壓。

在光電檢測和信號放大模塊中，前置放大器采用超高速運MAX4100，帶通濾波器選擇低噪聲高速精密運放器OP37，由于接受的測距信號頻率較高，兩種運放器的增益帶寬也較高；為防止運放器發生自激振蕩，在信號放大模塊增加小容量電容，與反饋電阻并聯；PIN 管輸出的電流信號經運放器運放轉換為電壓信號，再經過濾波放大后，轉變為電壓信號，滿足后續電路要求。

2.3 差頻測相模塊設計

差頻測相模塊由混頻電路和相位差測量部分組成，混頻電路的實質是進行頻譜的線性搬運，線性器件無法完成，因此要通過非線性器件完成。常用的非線性器件有晶體管、二極管和模擬乘法器。二極管沒有變頻增益，晶體管混頻器的變頻增益高，但組合頻率多，動態范圍小。而模擬乘法器不僅變頻增益高，輸出頻譜干擾少，降低了對低通濾波器的要求；同時模擬乘法器對電壓幅度要求不嚴格，對外來輸入信號和本振信號有優異的隔離效果。本文選擇模擬乘法器MC1496 作為混頻器，本頻信號和測距信號分別在兩個不同的管腳進行混頻，其中兩個管腳是差頻測相模塊的輸入端，然后經過混頻后的低頻信號由輸出端管腳輸出。為保證輸出信號獲得較高的頻率增益，將輸出端的二型帶通濾波器和回路帶寬均調諧10 kHz。

2.4 接收系統仿真分析

本文基于仿真軟件Multisim10 對相位式激光測距儀的光電檢測及信號放大電路和混頻電路進行了分析，得到如圖2 所示的仿真結果。圖2-1 中波形A為第一級運放電流轉換為電壓時的輸出波形，電壓幅值為10 mV 左右，波形B 為中間級運放輸出的正弦信號波形，波形C 是經運放器通濾并放大后的輸出波形，從圖中可以看出，波形B 和C的電壓幅值接近1 V，滿足后續電路的要求。根據波形變化，可以看出光電檢測及信號放大電路穩定可靠；圖2-2為混頻電路的仿真波形圖，混頻后的信號波形穩定，經計算頻率約為10 kHz，與理論值相符合。

圖2 光電檢測、信號放大電路和混頻電路仿真波形圖

3 結語

隨著相位式激光測距技術的廣泛應用，測距儀的設計也提出了更高的要求，如在降低成本的條件下，設計大量程范圍、高測量精度的小型相位式激光測距儀成為重要的研究課題。本文對測距儀的信號接收系統進行了設計，采用光電二極管作為回波的探測接收器，通過信號放大濾波電路，將微弱的光信號轉換為電壓信號；采用模擬乘法器作為混頻器，實現了對本振信號和輸入信號的隔離，降低了寄生干擾，擴大了信號的周期，使得測相電路獲得更高的精度。對接收系統設計電路進行Multisim 仿真分析，驗證了電路設計的合理性。