【正文】 信號(hào)分別為：其中，φ為兩信號(hào)的相位差， N 1(t),N2(t)表示噪聲信號(hào)。所以，在相位式激光測(cè)距系統(tǒng)電路中加入差頻測(cè)相，既可以保證數(shù)據(jù)采集的便攜，又能提高距離測(cè)量的精度。式中:φ表示相位變化,那么經(jīng)過混頻器和低通濾波器的信號(hào)分別為：E1 = Dcos[ ( ws wо)t ] , E2 = Ecos[ ( ws wо)t +φ]。激光測(cè)距是用無線電波段的頻率,對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)定調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲,再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)換算此相位延遲所代表的距離。如要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度和大量程,則需要多組激光調(diào)制頻率,且隨著測(cè)量精度的提高,調(diào)制頻率會(huì)不斷的提高,這些對(duì)電路性能要求會(huì)越來越高,電路的復(fù)雜度也會(huì)隨之增大,各個(gè)信號(hào)之間的串?dāng)_會(huì)隨之嚴(yán)重,這給高精度激光測(cè)距機(jī)的設(shè)計(jì)和制造帶來很大的困難。 4 第三章 相位法激光測(cè)距技術(shù)改進(jìn)方法設(shè)計(jì)相位法激光測(cè)距是利用發(fā)射的調(diào)制光與被測(cè)目標(biāo)反射的接收光之間光強(qiáng)的相位差所含的距離信息來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)距離的測(cè)量?！?　測(cè)角、測(cè)距、計(jì)算三結(jié)合的儀器(如AG710)分主機(jī)和數(shù)據(jù)處理二個(gè)部件。對(duì)比之下, 177。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已把各種激光測(cè)距儀紅外測(cè)距儀作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備, 裝備測(cè)量作業(yè)隊(duì)。如:假設(shè)D =15km, c = 3 105 km / s,則t = 5 10 5 s。30多年來，激光技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，利用激光技術(shù)不僅研制了各個(gè)特色的多種多樣的激光器，而且隨著激光應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，形成了激光唱盤唱機(jī)、激光醫(yī)療、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新興產(chǎn)業(yè)。激光技術(shù)的飛速發(fā)展，使其成為當(dāng)今新技術(shù)革命的先鋒！激光和普通光的根本不同在于它是一種有很高光子簡(jiǎn)并度的光。由測(cè)距公式可知,如何精確測(cè)量出時(shí)間t的值是測(cè)距的關(guān)鍵。 近年來，中長(zhǎng)程激光測(cè)距儀的技術(shù)發(fā)展有以下特點(diǎn): （1） 普遍采用He Ne激光光源, 功率為1～5mW。 mm的測(cè)相分辨力, 對(duì)于單色激光的遠(yuǎn)程測(cè)距, 并不必需。測(cè)角部分采用編碼度盤, 角度和距離一樣都能自動(dòng)數(shù)字顯示。由于采用調(diào)制和差頻測(cè)相技術(shù), 具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn), 廣泛用于有合作目標(biāo)的精密測(cè)距場(chǎng)合。為了克服這些困難,本文提出了一種把直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)相結(jié)合的激光測(cè)距方法,利用DSP強(qiáng)大的實(shí)時(shí)信號(hào)處理的特點(diǎn)和DDS 器件能在一定帶寬內(nèi)產(chǎn)生任意頻率的特點(diǎn),只需把調(diào)制頻率限制在10兆赫茲以內(nèi)就可以達(dá)到很高的測(cè)量精度和很大的量程,而且在工作量提供了一定的理論設(shè)計(jì)[6]。即用間接方法測(cè)定出光經(jīng)往返測(cè)線所需的時(shí)間,。最后由檢相電路來檢測(cè)相位差φ, 即可得到時(shí)間差t =φ/2πfs，距離L =cφ/2πfs。 差頻測(cè)相電路差頻測(cè)相電路的實(shí)現(xiàn)，既可以使用模擬鑒相電路也可以使用數(shù)字測(cè)相電路。兩信號(hào)的相關(guān)函數(shù)為：鑒相信號(hào)和噪聲信號(hào)是不相關(guān)的，且不同噪聲信號(hào)也是互不相關(guān)，因此可以得到：因此，可求得相位：根據(jù)自相關(guān)函數(shù)和信號(hào)幅值之間的關(guān)系，可得到如下關(guān)系式：因此兩信號(hào)相位差亦可表示為：相關(guān)分析鑒相法的離散時(shí)間可表示為：把上述公式可得到兩數(shù)字信號(hào)的相位差。（1）調(diào)制信號(hào)發(fā)生器 調(diào)制信號(hào)發(fā)生器采用低噪聲、低抖動(dòng)、雙鎖相環(huán)架構(gòu)的 PLL 時(shí)鐘發(fā)生器，可以有效的減小相位噪聲和時(shí)鐘抖動(dòng)，從而改善距離測(cè)量的精度。根據(jù)公式可知，測(cè)距精度隨調(diào)制信號(hào)頻率的增大而減小，并考慮到測(cè)量范圍以及測(cè)距最大不模糊距離等因素，系統(tǒng)選擇10MHz的主頻信號(hào)作為調(diào)制激光信號(hào)發(fā)射光束。第四章 鎖相環(huán)時(shí)鐘硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用美國(guó)TI公司的低抖動(dòng)、低噪聲雙鎖相環(huán)架構(gòu)時(shí)鐘發(fā)生芯片LMK04010，可以實(shí)現(xiàn)五路差分2VPECL/LVPECL 信號(hào)輸出。 第五章 相位式激光測(cè)距硬件電路設(shè)計(jì) 相位式測(cè)距硬件電路總體設(shè)計(jì)相位式激光測(cè)距硬件電路基本原理框圖如圖 所示，硬件電路主要由激光調(diào)制與發(fā)射、光電接收放大、自動(dòng)增益等信號(hào)調(diào)理電路、混頻選頻模塊、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理組成。以上就是硬件電路設(shè)計(jì)的整體思路及設(shè)計(jì)方案。 激光調(diào)制電路本系統(tǒng)中，對(duì)激光二極管進(jìn)行直接振幅調(diào)制，激光二極管是電流控制器件，并且系統(tǒng)使用 的高頻調(diào)制信號(hào)，必需使用高速跨導(dǎo)運(yùn)算放大器將電壓調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流調(diào)制信號(hào)，選用高速運(yùn)算跨導(dǎo)放大器 OPA860 實(shí)現(xiàn)把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)成電流調(diào)制信號(hào)以調(diào)制紅外激光二極管，激光二極管調(diào)制電路原理圖如圖 所示。 光電流放大電路激光發(fā)射后的調(diào)制光束經(jīng)過 PIN 光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，微弱的電信號(hào)需光電流前端放大電路把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路主要包括自動(dòng)增益控制電路和后級(jí)信號(hào)放大電路，使信號(hào)幅值達(dá)到混頻電路輸入信號(hào)幅值要求。由于之后還有一級(jí)放大電路且放大倍數(shù)為30 倍，自動(dòng)增益設(shè)置的調(diào)節(jié)范圍不大，使其可以壓縮信號(hào)，以滿足混頻電路的輸入信號(hào)幅度要求。圖 混頻及選頻電路原理圖 頻率的正弦波，經(jīng)過混頻電路后，頻率成分比較復(fù)雜，而我們需要的是低頻信號(hào)，因此需要選頻電路使6k Hz 信號(hào)通過而高頻信號(hào)被濾除。到此采集前端的硬件電路全部設(shè)計(jì)完成。 激光測(cè)量技術(shù)[M] 。[6] 高林奎,宋瑋同編。 現(xiàn)代電子技術(shù),2005 ,16 :114 – 115。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)與應(yīng)用[M] 。 [14] 章正宇,眭曉林。中國(guó)煤炭, 2002 (6) : 47 –49。 激光測(cè)距新方法研究[J ] 。中國(guó)激光, 2002 , A29 (7) :661～665。[12] 張以謨。精密相位激光測(cè)距儀的設(shè)計(jì)[J ]。 北京: 人民鐵道出版社,1977。[4] 張承銓。 激光超聲技術(shù)及其應(yīng)用[ J ]。multisim 。在設(shè)計(jì)中，考慮到寬帶高速放大電路后級(jí)輸入端的分布電容，分布電容成為放大電路的容性負(fù)載，很容易引發(fā)自激振蕩，因此，選用電流反饋型運(yùn)算放大器可以有效避免自激，其次，運(yùn)算放大器輸出端串聯(lián)50Ω耦合電阻能夠很好的起到相位補(bǔ)償避免產(chǎn)生自激。本文采用 TI 公司的低噪聲、寬頻帶的可變?cè)鲆娣糯笃?LMH6505，包含閉環(huán)輸入緩沖、電壓控制可變?cè)鲆婕拜敵鲞\(yùn)算放大器。該放大器有一個(gè)高速輸出級(jí)可以驅(qū)動(dòng)高負(fù)載，低噪聲、皮安級(jí)輸入電流使其特別適合與光電二極管前置放大器。調(diào)制電流信號(hào)和直流偏置疊加后驅(qū)動(dòng)紅外激光二極管，使用精密運(yùn)算放大器 OPA602 和PNP