一个脉冲
时间:2019-01-30 14:49:23 来源: 时时彩平台推荐 作者:匿名


介绍

激光测距仪具有测量精度高,准直度好,抗干扰能力强等优点,已广泛应用于各种测量行业。激光测距可分为两种类型:脉冲和定相。脉冲激光测距仪存在测量精度低的问题。相位式激光测距仪具有距离模糊,现代相位式激光测距,并且多频测量用于解决该问题,但多设备相位测距仪尺寸大且成本高。

直接数字合成与传统的PLL频率合成技术相比,DDS技术具有高稳定性,低漂移和高分辨率,这需要相位激光测距,具有高稳定性和高精度。该系统非常有利,因此,整个系统可以忽略频移的影响。 DSP数字处理芯片用于实现一系列优势,如高速度和精度,用于计算相位差[3]。该系统充分利用脉冲和相位激光测距的优点,通过脉冲测量增加测量距离,并通过数字相位鉴别提高距离分辨率。计算速度快,测量精度高,抗干扰能力强,体积大。小巧轻便等。

1激光测距原理

1.1脉冲激光测距原理

脉冲激光测距是通过测量发射和接收的激光脉冲信号之间的时间差来测量到被测物体的距离。

其中: L是测量距离,c是光速,t是测距信号的往返时间。通过计算高频计数脉冲的数量来实现测距。这种测距通常要求激光器的输出功率大,这不利于仪器的小型化以确保长的测量距离,但测距精度差。

1.2相位激光测距原理

通过将高频正弦调制信号加载到激光器上,并使用包含在发送信号和接收信号之间的相位差中的距离信息来测量测量目标的距离来执行相位类型测距。

其中: D是要测量的距离,c是光速,θ是检测到的相位差,f是光波的调制频率。只要检测到发送信号和接收信号之间的相位,这就是间接测距方法。差,你可以找到要测量的距离。传统的相位型测距通常使用具有短测量范围的连续源激光器并且需要协作目标。然而,由于使用调制和其他技术,因此具有高精度。今天的相位激光测距仪使用多个辅助频率来增加测量距离,但这通常需要更高的信号频率和更高的稳定性要求[1,4]。1.3脉冲相位激光测距仪

脉冲相位法测量结合了脉冲类型和相位类型的优点。基本原理是发射端发射调制光波,该调制光波根据特定频率周期而变化。同时,调制信号接通粗调脉冲计数阀,并开始计数和发出。在光波到达测量目标后,它反射并接收接收端的光波回波,并比较接收信号和参考信号之间的相位差(同时关闭粗略测量计数器结束脉冲计数)计算要测量的距离。测距公式是

其中: c是空气中调制光波的传播速度; t是调制光波传播的全部时间; N是调制光波的全行程中的完整周期数; Δ/(2π)表示小于一个周期的相位比;指示发送到调制器的信号的频率。当使用单频激光测距方法测量单个频率时,只能测量小于一个周期的相位比,并且不能测量整数周期[2]。整数周期的测量通过脉冲计数方法实现,作为系统的粗略测量。脉冲激光测距的原理是通过测量发射和接收的激光脉冲信号之间的时间差来测量测量目标的距离,因此在单个脉冲周期中测量迹线量。无法测量,脉冲相位法相结合,因此,系统可以同时实现大规模,高精度的要求[8]。

2系统硬件设计

脉冲相位激光测距仪的框图如图1所示。电路设计的核心部分是DSP芯片TMS320C6727B对AD9850的控制和TMS320C6727B的数字相位检测。我们使用受控的数字参考频率源来生成发射和混合以及采样信号。这解决了信号的相位抖动和频率漂移的问题。电路的工作过程为:。 TMS320C6727B通过串行端口连接到AD9850,并写入相位控制字来控制AD9850的直接数字频率合成,产生30 MHz的连续信号到调制器,产生连续的激光信号,通过它传输光学系统。在同时打开粗计数器[60]的60 MHz高频脉冲计数的同时给出要测量的目标。在接收到回波信号后,它首先控制粗测量计数器在通过增益放大器[5]后停止计数。然后将其与29.9 MHz混频信号混合,由低通滤波器选择,然后通过AD采样发送到TMS320C6727B。 TMS320C6727B对上述信号进行相位测量,然后通过精细距离测量将其发送到显示器,然后将其发送到显示器[7]。为了降低噪声干扰并提高DDS的频谱纯度,使用了具有低相位噪声的器件,并且采用了具有良好的电源去耦的高稳定性和高纯度时钟信号。同时,同轴信号用于馈送时钟信号以防止时钟的泄漏和辐射。模拟电路和数字电路的隔离技术用于防止相互干扰,周边用金属盖屏蔽,以屏蔽外部电磁干扰[6]。

3算法和软件实现

在脉冲相位激光测距仪中,通过对高频脉冲进行计数来执行距离测量,并且精细测量部分完全由发送信号和回波信号之间的相位差的测量精度确定。因此,限制系统测量精度的主要因素是相位差的测量。先前设计系统中的相位差的测量主要使用模拟相位检测器来测量相位差。使用相位检测器测量相位差的问题是使用输出电压的大小表示相位差,并且精度受到很大限制。根据距离测量的公式,在传输信号的频率固定的情况下,相位测量精度越高,距离测量越精确。为了提高相位测量的精度,我们的系统使用DSP来实现快速的数字相位鉴别。

将输入信号(频率选择输入信号)设置为

R1=S(N)(5)

回声信号是

R2=S(N-T)(6)

在公式中,: T是理论延迟(T是去除相位模糊的部分,即去除π后的整数周期,即需要精确测量的时间量),fs是采样信号的频率,f0是输入AD。当信号频率f是激光调制器的调制输入信号的频率时,分别在r1和r2的FFT转换之后

此时,可以找到具有最大产品的点。产品最大的位置是S(k)对相位没有影响的点。使用此点来近似相位差。将最大点设置为k0。最大点的阶段是。相位差

根据最终公式,DSP只需要对所选择的频率信号进行单独采样,进行FFT变换然后乘以这些点,并获得此时最大值的相位和位置,以获得相应的距离差。

当上述测距公式知道信号为30 MHz且采样频率为800 kHz时,如果您希望系统达到1 mm的范围精度。然后理论分析将:Δθ=4πf×Δd/c(12)代入相应的值,以下计算结果为:Δθ=4×3.14×30×106×0.001 /(3×108)Δθ=4π/10000≈0.001相位鉴别精度需要达到千分之一。

4实验结果与分析

在本文的系统中,由于60 MHz信号用作计数脉冲,60 MHz只是发送调制信号的两倍,因此在测量计算过程中不必考虑整数N对距离测量的影响。过程,并测量相变。该范围仅从-π到π,并且相位限于-π到π。通过反正切算法很容易找到精确的相位差。在进一步减少计算量的同时确保了测量精度。在仿真过程中,MATLAB用于模拟每次1024点的信号采样。在1000个循环之后,取平均相位,并考虑相位误差和均方误差。模拟结果如下。:

图2显示了针对不同信噪比检测到的相位均方误差曲线(信噪比在-70到70之间变化)。图3是不同信噪比的相位误差曲线:。在图3中,当信噪比非常小时,由于噪声太大,测量信号的相位差在-π到π的范围内变化,并发生相位绕组,导致相位测量是不准确的,平均值几乎为零。在信噪比增加之后,相位差开始接近理论值,因此与图3中的理论差异的距离开始减小。从图2和图3可知,如果实际测量精度达到1 mm,不仅相位测量精度需要达到千分之一,而且系统的信噪比也可能小于-20 dB,仅系统信号噪声。可以以大于-20dB的比率测量毫米级。

表4是理论值和测量数据的对比表。从表中可以看出,多次测量相同的目标距离可以确保测量值更准确。从每个测量值,测距误差为正或负3厘米。一系列噪声导致系统的测距精度和理论分析和仿真结果出错,但仍然在可接受的高精度范围内。5结论

本文介绍了一种基于数字处理芯片TMS320C6727B结合DDS技术的脉冲相位激光测距仪的设计方案。它体积小,电路集成度高,实时测量好。测量距离达到200 m时的距离测量误差仍为正负3 cm。

摘录自:中国计量与测量网络

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