相位法激光测距接收系统
基于相位法的激光测距系统设计与仿真
基于相位法的激光测距系统设计与仿真
激光测距作为一种测量技术,与其它测量手段相比,因其具有非接触式、测量速度快、测量精度高、测量距离远、抗干扰能力强等独特优势而被广泛应用于多种领域。
在智能交通领域中,如汽车防撞系统、无人驾驶汽车等,都是通过车辆上安装的激光测距传感器实现道路安全识别的功能,激光测距技术的应用对于道路交通安全起到了重大作用。
针对国内激光测距中测量精度不高,设计复杂等问题,本论文从多种角度分析了影响激光测距系统精度的因素,以提高系统测量精度、简化系统电路结构、降低系统设计成本为目标,设计了一种基于相位法的激光测距系统。
在相位法测距原理和差频测相原理的理论基础支撑上,搭建了基于相位法的激光测距系统。
在时钟生成模块,设计了基于CPLD控制的LMK04000时钟生成电路,在分析了时钟相位噪声对测量系统误差影响以及时钟信号中谐波对系统测量的影响,提出了简化时钟电路的设计方案。
通过分析光电二极管放大电路的噪声以及系统的最远可探测距离影响因素,对光电二极管放大电路进行了优化设计,降低了电路输
出总噪声;改进了激光调制驱动电路,提高了驱动电路的驱动功率。
设计了差频输出模块电路,将高频信号频率降至低频信号,降低了对于AD芯片的采样频率要求。
在完成系统电路设计的基础上,对系统各模块电路进行了仿真,通过仿真结果可
以看出各个模块电路能够实现其相应功能,验证了系统的可行性。
本论文设计的基于相位法的激光测距系统基本可以达到预期的设计要求。
用于相位法激光测距的电路系统设计
用于相位法激光测距的电路系统设计激光测距是一种常用的非接触式测量技术，可以精确测量目标物体与测距仪的距离。
相位法激光测距是其中一种常见的方法，通过测量激光光波的相位差来计算距离。
下面将介绍一个基于相位法激光测距原理的电路系统设计。
1. 激光发射电路：设计一个激光二极管的驱动电路，可以通过电流控制二极管的发射光强。
使用一个恒流源以确保驱动电流的稳定性。
此外，还需要添加一个调节电路，可以根据需要调整激光发射的光功率。
2. 光电检测电路：将光电二极管作为光电检测元件接在测距仪上，用于接收激光反射光信号。
光电二极管产生的电流与光的强度成正比。
使用一个高增益的放大器将光电二极管产生的微弱电流信号放大。
3. 相位差测量电路：使用一个相位差测量电路来测量激光光波发射和接收之间的相位差。
该电路可以采用锁相放大器或频率调制技术。
在锁相放大器中，将激光发射的信号作为参考信号，将光电二极管接收到的信号作为待测信号输入。
锁相放大器可以精确测量相位差，并输出一个稳定的直流电压信号。
4. 距离计算电路：将锁相放大器输出的直流电压信号输入到距离计算电路中，根据相位差和激光波长的关系，计算出目标物体与测距仪之间的距离。
该电路可以通过编程芯片或者专门的测距芯片来实现距离计算。
以上是一个基于相位法激光测距原理的电路系统设计。
通过精心选择和设计各个电路模块，可以实现高精度和稳定的激光测距功能。
需要注意的是，在实际设计中还需考虑电路的抗干扰能力、功率稳定性和其他实际应用需要的因素。
在激光测距中，相位法是一种常用的方法，能够提供高精度和高稳定性的测距结果。
相位法激光测距的原理是通过测量激光发射和接收之间的光波相位差来计算目标物体与测距仪之间的距离。
在设计电路系统时，需要考虑到激光发射电路、光电检测电路、相位差测量电路和距离计算电路等各个环节。
首先，激光发射电路是相位法激光测距系统中的重要组成部分。
它负责驱动激光二极管发射具有稳定光强的激光光束。
相位式激光测距原理
相位式激光测距原理
相位式激光测距原理是一种利用光学原理测量物体距离的方法。
其基
本原理是将激光束发送到目标物体，经过反射后接收回来，然后根据
光的相位差计算出物体到激光测距仪的距离。
下面将会逐一讲解相位
式激光测距原理的详细内容。
1. 激光的发射
相位式激光测距仪通过激光器发射一束定向、单色、激光光束，将激
光传输到目标体上。
2. 激光的接收
激光的接收有两种方法，其中一种可以使用普通的接收型光电二极管
来完成，另一种则需要使用相位测量的方法。
3. 相位差的测量
通过对激光发射时和接收时的相位差进行测量，得到目标到发射点的
距离，这个距离与光的波长有关。
4. 数据的处理
将测得的距离进行处理后，即可得到精确的目标距离数据，同时在数
据处理的过程当中，还可以实现自动跟踪，提高了装置的实用性。
总之，相位式激光测距原理是一种非常先进和高精度的测距方法，其
原理也比较复杂，需要参考一定的物理学知识，而在工业、航空航天、军事等领域都有广泛的应用。
相位式激光测距仪激光接收部分设计
相位式激光测距仪激光接收部分设计激光测距仪是一种测量目标物体距离的工具，其原理是利用激光束在空气中传播的特性，通过测量激光束的往返时间来计算出目标物体与测距仪的距离。
激光接收部分是激光测距仪的核心组成部分之一，其设计的好坏直接影响到测量结果的准确性和稳定性。
在设计激光接收部分时，需要考虑以下几个关键因素：1.激光接收器的选择：激光接收器是接收激光信号的关键部件，其性能直接影响到激光测距仪的灵敏度和测距范围。
常见的激光接收器有光电二极管（PD）和光电效应晶体管（APD）。
PD具有较高的响应速度和较低的噪声，适用于近距离测距场景；APD具有较高的增益和较低的噪声，适用于远距离测距场景。
2.光学系统的设计：光学系统包括透镜、滤波器等光学元件，其作用是将入射的激光束聚焦到激光接收器上。
在设计光学系统时需要考虑激光束的聚焦效果、散斑噪声等因素，以提高测距仪的测量精度和信噪比。
3.信号放大和滤波电路的设计：激光接收器输出的信号很弱，需要经过放大和滤波才能得到可信的测距信号。
放大电路可以采用运算放大器等电路实现，滤波电路可以采用RC滤波器或数字滤波器等实现。
通过合理设计放大和滤波电路，可以提高信号的噪声抑制和动态范围。
4.时间测量电路的设计：激光测距仪是通过测量激光束的往返时间来计算距离的，因此需要设计一个高精度的时间测量电路。
常用的时间测量电路有计数器、时钟等，可以通过采样和比较测量激光脉冲信号的上升沿和下降沿来计算出往返时间。
在设计激光接收部分时，还需考虑以下一些技术细节：5.温度补偿：激光测距仪的测量精度受到温度的影响，尤其是光学元件和电子元件的温度变化。
因此，需要设计温度补偿电路，通过测量环境温度并补偿光学和电子元件的参考值，提高测量精度。
6.光路对齐：激光测距仪的激光发射和接收部分需要在一条直线上对准，才能确保测量结果的准确性。
因此，需要设计一个精密的光路对齐机构，确保激光束的传输方向稳定。
7.防干扰设计：激光测距仪易受到外界光源干扰，导致测量结果偏差。
相位式激光测距系统研究
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一
研筮 ． 盥一
年 且位 式 激 光 测 距 学院
矿 山、港 口、建筑 、汽车等领域 。由于其精度 高、快捷轻便、操作简单 ，在 目前测距市场上十分受人青睐。
【 关键 词 】 相 位 式激 光 测 距 仪 ； 系 统 ；研 究
制 技 术 、光 学 技 术 、 光 电检 测 技 术 、 信 号 处 理 技 术 以及 单 片 机 技 术 于 一 体 的 高 精 度 测 量 仪 器 ，广 泛 应 用 于 工 业 测 控 、
激 光 又 是 一种 电磁 波 ， 也 就 是 变 化 着 的 电磁 场 。 ３ ． 相 位 式激 光 测距 的设 计 与 原理 ３ ． １ 整体 设 计 方 案 系 统 的整 体 方 案设 计 如 图２ ． １ 所示。
矿 山 、港 口 、建 筑 、 汽 车 等 领 域 。 由于 其 精 度 高 、 快 捷 轻 便 、 操 作 简 单 ，在 目
图２ １相 位 式 激 光 测 距 接 收 系统 整 体 设 计 方 粟
以 ，如 果 被 测 距 离 大 于Ｌ 时 ， 此 方 法 是 无 法 测 出 距 离 的 。但 当被 测 距 离 小 于 Ｌ 时 ，即ｍ ＝ Ｏ 时 ，可 以测 出被 测 距 离 Ｌ 为：
图２ ３光波在距离Ｌ 上 往 返 一 次 的相 位 变 化
但 是 ，相 位 测 量 技 术 不 能 测 量 出 光 波 相 移 中 ２ １ ｒ 的 整 数 倍 ， 而 只 能 测 出 光 波 相 移 中 不 足 ２ ７ ｒ 的尾 数 △ ， 也 就 是
说 只能够 确 定不 足 １ 的 小 数 ＝ 。所
△● 一
相位法激光测距
相位法激光测距
相位法激光测距是一种通过测量激光信号的相位差来确定目标物体距离的技术。
该技术利用了激光信号在发射和反射之间的时间差以及相位差的变化来计算距离。
相位法激光测距具有精度高、测量范围广、快速、可靠等优点，因此在工业、建筑、地质勘探等领域得到广泛应用。
同时，相位法激光测距也存在着一些局限性，如对目标表面的反射率要求较高、对大气的影响较大等。
随着激光技术的不断发展，相位法激光测距技术还将不断得到改进和完善。
- 1 -。
相位法激光测距原理及算法详解
激光相位法测距的原理激光相位测距中，把连续的激光进行幅度调制，调制光的光强随时间做周期性变化，测定调制光往返过程中所经过的相位变化即可求出时间和距离。
图.1 相位式激光测距原理示意图如图1所示，设发射处与反射处（提升容器）的距离为x ，激光的速度为c ，激光往返它们之间的时间为t ，则有：cxt 2设调制波频率为f ，从发射到接收间的相位差为 ，则有：N cfxft 242 (2) 其中，N 为完整周期波的个数， 为不足周期波的余相位。
因此可解出：)(2)22(24N N fcN f c f c x(3) 其中，f c L s 2 称为测尺或刻度，N 即是整尺数， 2 N 为余尺。
根据测得的相位移的大小，可知道N 余尺的大小。
而整尺数N 必须通过选择多个合适的测尺频率才能确定，测尺频率的选择是提升容器精确定位的关键因素之一。
多尺测量方法测量正弦信号相移的方法都无法确定相位的整周期数，即不能确定出相位变化中 2的整倍数N ，而只能测量不足 2的相位尾数 ，因此公式（2.3）中的N 值无法确定，使该式产生多个解，距离D 就不能确定。
解决此缺陷的办法是选用一个较低的测尺频率s f ，使其测尺长度s L 稍大于该被测距离，这种状况下不会出现距离的多值解。
但是由于测相系统的测相误差，会导致测距误差，并且选用的s L 越大则测距误差越大。
因此为了得到较高的测距精度而使用较短的测尺长度，即较大的测尺频率s f ，系统的单值测定距离就相应变小。
为了解决长测程和高精度之间的矛盾，一般使用的解决办法是：当待测距离D 大于基本测尺sb L （精测测尺）时，可再使用一个或几个辅助测尺sl L （又叫粗测测尺），然后将各个测尺测得的距离值组合起来得到单一的和精确的距离信息。
由此可见，用一组测尺共同对距离D 进行测量就可以解决距离的多值解，即用短尺保证精度，用长尺保证量程。
这样就解决高精度和长测程的矛盾[4]。
本系统选用10米作为精尺，1000米作为粗尺，带入公式即可求得精尺频率和粗尺频率：精尺频率 MHz L cf 152510（4） 粗尺频率 kHz L cf 150210001000 （5） 其中，光速s m c /1038 。
高频相位激光测距系统的高精度鉴相
第 31 卷第 15 期2023 年 8 月Vol.31 No.15Aug. 2023光学精密工程Optics and Precision Engineering高频相位激光测距系统的高精度鉴相孟语璇1，2，董登峰1，2*，周维虎1，2，纪荣祎1，2，朱志忠1，2（1.中国科学院微电子研究所，北京 100029；2.中国科学院大学，北京 101408）摘要：相位测距是一种非常重要的绝对测距手段，是大尺寸精密测量的重要保障。
提高激光调制频率并采用高性能器件实现高频采样分析是提升相位激光测距精度最有效的方式之一。
针对高性能器件的最大采样频率总是受限，难以满足高调制频率采样的难题，分析验证了欠采样方法用于相位测距的可行性，同时仿真分析了全相位傅里叶频谱分析法（all-phase Fast Fourier Transform，apFFT）提高鉴相精度的优势。
在此基础上，提出“欠采样+ apFFT”的方法，并构建了激光相位测距的鉴相系统。
当调制频率为201 MHz，欠采样频率为100 MHz时，系统鉴相精度高于±0.04°，对应的测距精度为±0.08 mm。
实验结果表明，基于“欠采样+apFFT”的相位测距方法具有高精度、抗干扰能力强等优势，在科学研究与工程应用中具有重要价值。
关键词：相位测距；欠采样；全相位频谱分析法；高精度；鉴相系统中图分类号：TN249；TH711 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233115.2193High-precision phase discrimination for high-frequency phaselaser ranging systemMENG Yuxuan1，2，DONG Dengfeng1，2*，ZHOU Weihu1，2，JI Rongyi1，2，ZHU Zhizhong1，2（1.Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029， China；2.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 101408， China）* Corresponding author， E-mail： dongdengfeng@Abstract：Phase laser ranging is an important means of absolute ranging and an important guarantee for large-scale precision measurement. One of the most effective ways to improve the precision of phase laser ranging is to increase the laser modulation frequency and use high-performance devices to achieve high-fre⁃quency sampling analysis. However， the maximum sampling frequency of high-performance devices is lim⁃ited. To solve the problem that existing devices have difficulty in the sampling of high modulation frequen⁃cies， the feasibility of an undersampling method for phase ranging was analyzed and verified. The advan⁃tages of all-phase fast Fourier transform （apFFT） analysis was examined to improve the precision of phase laser detection. Based on this idea， the method of undersampling and apFFT was developed， and a phase detection system for laser phase ranging was constructed. When the modulation frequency is 201 MHz and the undersampling frequency is 100 MHz，the system phase discrimination accuracy is higher than 文章编号1004-924X（2023）15-2193-10收稿日期：2023-02-13；修订日期：2023-03-13.基金项目：国家重点研发计划资助项目（No.2020YFB1710500，No.2019YFB2006100）；国家高质量发展专项（No.TC220H05T）第 31 卷光学精密工程±0.04°， and the corresponding ranging accuracy is approximately ±0.08 mm. The experimental results show that the phase ranging method based on undersampling and apFFT has the comprehensive advantag⁃es of high accuracy and strong anti-interference ability， making it valuable for scientific research and engi⁃neering applications.Key words： phase ranging；under-sampling；all-phase fast fourier transform；high precision；phase dis⁃crimination system1 引言相位式激光测距技术具有响应快、量程大、抗干扰能力强、精度高等优点，被广泛应用于航空、航天、船舶和机器人等大型装备制造领域［1-6］。
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文章编号 １ ） ０ ０ ４ ９ ２ ４ Ｘ（ ２ ０ ０ ９ １ ０ ２ ３ ７ ７ ０ ８
相位法激光测距接收系统
贾方秀 ， 丁振良 ， 袁 锋
（ 哈尔滨工业大学 自动化测试与控制系 ， 黑龙江 哈尔滨 １ ５ ０ ０ ０ １）
摘要 ： 为了提高相位法激光测距的速度和精度 ， 提出了一种新 的 相 位 差 放 大 测 量 方 法 ， 在不增加测量时间的同时将测相 ／ 并结合欠采样技术避免了混频器和其 他 多 余 器 件 的 使 用 ， 减 小 了 串 扰 对 系 统 的 影 响。考 虑 高 频 弱 光 精度提高 １ 犖 倍， 提出灵活控制加在雪崩光电二极管上的反向偏压来减小 信号入射到雪崩光电二极管上会在输出信号上产生相位延 迟 ， 相位延迟的方法 ， 对于调制频率为 １ ， 波长为 ６ 当入射光强度为 ０． 可将相位延迟从 １． ８． ５ ＭＨ ｚ ５ ０ｎ ｍ 的激光 ， ５μＷ 时 ， ４ ° 压缩到 ０． 之内 。 建立了信号串扰产生测相误差的数学模型 ， 并通过实验给出了采取不同屏蔽措施时串扰对测 相 误 差 ０ ３ ° 采用上述方法 ， 当调制频率为 １ 测相精度为 ０． ， 相应的测距精度可达０． 的影响 。 实验结果表明 ， ８． ５ ＭＨ ｚ时 ， ０ １ ４ ° ３ｍｍ。 关 键 词： 激光测距 ； 接收系统 ； 串扰 ； 欠采样 ； 相位测量 中图分类号 ： ＴＮ ２ ４ ７； Ｔ Ｂ ９ ２ １ 文献标识码 ： Ａ
修订日期 ： ２ ０ ０ ８ ０ ９ ０ ８； ２ ０ ０ ８ １ ２ １ ２． 收稿日期 ： 国家自然科学基金资助项目 （ ） Ｎ ｏ ． ５ ０ ２ ７ ５ ０ 第１ ７卷
ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ１ ８． ５ ＭＨ ｚ ． ： ； ； 犓 犲 狅 狉 犱 狊 ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｒ ａ ｎ ｅ ｆ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖ ｅ ｒｓ ｓ ｔ ｅ ｍ； ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｔ ａ ｌ ｋ； ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｓ ａ ｍ ｌ ｉ ｎ ｈ ａ ｓ ｅ ｓ ｈ ｉ ｆ ｔｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｇ ｙ ｐ ｇ ｐ 狔狑 变化以及发射通道和接收通道之间的信号串扰影
犘 犺 犪 狊 犲 狊 犺 犻 犳 狋 犾 犪 狊 犲 狉 狉 犪 狀 犲 犳 犻 狀 犱 犲 狉 狉 犲 犮 犲 犻 狏 犲 狉 狊 狊 狋 犲 犿 犵 狔
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， 本文提出了多频调制方法 ， 该方
通过欠采样技术的 法动态范围不受 犳Ｈ／ 犳Ｌ 限 制 ， 避免了混频器等模拟器件的使用 ， 简化了电 应用 ， 路； 并设计了一种新的相位差放大测量模块 ， 在不 增加测 量 时 间 的 同 时 ， 将测量精度提高了１ ／ 犖 倍。 高频弱光入射至 Ａ 产生的相位延迟 Ｐ Ｄ 时， 成为限制激光 测 距 精 度 的 主 要 因 素 之 一 。Ｓ ｈ ｕ ｋ ｏ 经过强度调制的入射光 Ｙ ｏ ｋ ｏ ａ ｍ ａ 的研究 指 出 ， ｙ 经Ａ 转 换 后 产生信号的相位延迟 强度越小 ， Ｐ Ｄ 越大 。 当调制频率为 １１ 最大的相位 ０ ０ ＭＨ ｚ时 ，
响的有效方法 。 本文在详细分析串扰误差产生机 理的基础上 ， 建立了由于串扰引起的测相误差的 模型 ， 通过该模型 ， 可以得到达到某一测量精度所 本 文 通 过 实 验， 需要的光电信 号／感 应 信 号 的 值 ； 给出了采取不同的屏蔽措施时相位差测量精度 。
／ 限 制 了 其 动 态 范 围； π δ 犳Ｌ 的值不能 ＞２ 犳Ｈ 很 φ， 高时 ， 保 证 很 高 的 相 位 测 量 精 度 非 常 困 难； 另 外， 该方法需要混频 器 等 模 拟 器 件 ， 增加了电路的复 杂程度 。 针对许多领域对高速高精度测量距离的 要求日益提高
［ ５］
２ 接收系统设计
系统分为 设计的系统 总 体 框 图 如 图 １ 所 示 ， 信 号 放 大 模 块、 自动增益控制模 激光 发 射 模 块 、 块、 相位放大测量模块 。 在激光发射模块中 ， 恒温 晶振经分频 给 Ｄ Ｄ Ｓ 提 供 时 钟 源， Ｄ Ｄ Ｓ产生高频 经驱动电路对半导体激光器 Ｌ 正弦调制 信 号 ， Ｄ 实现强度调制 。 由 Ｌ Ｄ 发出 的高 频调 制光 经光学 系统至靶镜， 经 靶 镜 返 回 的 光 入 射 至Ａ 经前 Ｐ Ｄ，
［ ４］
响 。 当对半导体激光器进行强度调制的电流源和 经Ａ 令 Ｐ Ｄ 产生 的 光 电 信 号 在 同 一 频 率 工 作 时 ， 且随着调制频率越来越高 ， 信 产生信号串扰现象 ， 号串扰令 成 为 限 制 激 光 测 距 测 量 精 度 的 主 要 因 素 。Ｓ ｈ ａ ｈ ｒ ａ ｍＭ ｏ ｈ ａ ｍｍ ａ ｄＮ ｅ ａ ｓ和 Ｋ ｉ ａ ｚ ａ ｎ ｄＦ ａ ｊ ｓ ｉ ｈ ｉ使用脉 宽 调 制 的 方 法 减 少 串 扰 影 响 的 同 时 ， 减小了环境噪声 以 及 温 度 对 测 距 系 统 的 影 响 ， 但