相位式激光尺設(shè)計(jì)

《相位式激光尺設(shè)計(jì)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、相位式激光尺設(shè)計(jì)一、引言相位法激光測(cè)距就是通過測(cè)量連續(xù)的調(diào)制信號(hào)在待測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位變化來間接地測(cè)定信號(hào)傳播時(shí)間，從而求得被測(cè)的距離。利用光速來測(cè)量距離時(shí)，要求測(cè)量范圍大、測(cè)距精度高，但是由于光的速度極快，因而要求精確測(cè)量極短的時(shí)間間隔。相位式激光測(cè)距儀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)制光往返測(cè)線一次所產(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。即用間接方法測(cè)定出光經(jīng)往返測(cè)線所需的時(shí)間，相位式激光測(cè)距儀一般應(yīng)用在精密測(cè)距中。若調(diào)制光角頻率為ω，在待測(cè)量距離LAB

2、上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為φ，則對(duì)應(yīng)時(shí)間t可表示為：t=(φ+Δφ)/ω其中φ+Δφ=2π(m+Δm)m：表示激光往返LAB所經(jīng)歷的整數(shù)個(gè)波長(zhǎng)Δm：表示不足一個(gè)波長(zhǎng)的分量則待測(cè)距離LAB可表示為L(zhǎng)AB=1/2ct=1/2c·(φ+Δφ)/ω=1/2λ(m+Δm)=Ls(m+Δm)其中Ls稱作“光尺”。二、總體設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)圖如圖一所示。圖一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)由激光調(diào)制發(fā)射電路、光電檢測(cè)電路、頻率綜合電路以及數(shù)字測(cè)向電路構(gòu)成。接下來將分別介紹這幾部分的具體設(shè)計(jì)。三、激光調(diào)制發(fā)射電路采用波形發(fā)生芯片MC12

3、061產(chǎn)生單頻正弦波信號(hào)，與穩(wěn)壓源產(chǎn)生的直流偏置通過恒流源驅(qū)動(dòng)電路對(duì)激光二極管進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，使得激光二極管的光強(qiáng)隨調(diào)制信號(hào)頻率變化，出射光通過光學(xué)系統(tǒng)(主要是透鏡)，聚焦于目標(biāo)點(diǎn)。激光的調(diào)制發(fā)射主要由電源，直流偏置電路，調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路，恒流驅(qū)動(dòng)電路，激光二極管(LD)組成。電路圖如圖二所示：圖二激光調(diào)制發(fā)射電路10MHz高頻調(diào)制信號(hào)由晶體振蕩器MC12061外接10MHz晶體產(chǎn)生，它能精確產(chǎn)生正弦波與方波，只需少量外部元件就能實(shí)現(xiàn)2.0-20MHz的頻率輸出，且有高達(dá)±0.001%的頻率穩(wěn)定度，在頻率8MHz

4、下只有-0.08ppm/℃的溫度漂移，結(jié)合(2-7)進(jìn)行分析，誤差很小，完全可以忽略，能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。另外，市面上的信號(hào)發(fā)生芯片不多，且通常價(jià)格較為昂貴，MC12061可以說是價(jià)廉物美的選擇。其電路工作原理如圖三所示：圖三正弦波發(fā)生器穩(wěn)定的直流偏置電壓由三端可調(diào)電源芯片LM317產(chǎn)生，其溫度穩(wěn)定系數(shù)在工作溫度范圍內(nèi)約為1%，長(zhǎng)期穩(wěn)定性約為0.3%，1%的電壓漂移引起的注入電流變化約為0.5mA，滿足LD對(duì)閾值電流穩(wěn)定性的要求。另外后續(xù)電路很多芯片都需要穩(wěn)定的±5V電壓，LM317擁有高達(dá)1.5A的輸出電流，利

5、用此處產(chǎn)生的直流電壓可以簡(jiǎn)化整個(gè)電路設(shè)計(jì)。LM317的工作電路見圖四。圖四LM317工作電路四、光電檢測(cè)電路本系統(tǒng)需要接收光強(qiáng)以10MHz作正弦變化的激光，頻率高，光電探測(cè)器必須具備很短的響應(yīng)時(shí)間，PIN光電二極管的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)ns級(jí)，并且不需要像雪崩管那樣提供很高的反向偏壓，比較合適。然而PIN管不足之處是輸出電流比較小，只有數(shù)微安，因而需要合理的設(shè)計(jì)前置放大電路。完整的光電接收電路如圖五所示。圖五光電接收電路五頻率綜合電路設(shè)計(jì)為了得到高穩(wěn)定度低漂移的頻率信號(hào)，采用了時(shí)下較為熱門的鎖相環(huán)技術(shù)。本系統(tǒng)采用鎖相環(huán)

6、集成塊74HC4046進(jìn)行頻率綜合電路的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)框圖如圖六所示。圖六頻率綜合電路結(jié)構(gòu)框圖主振是由MC12061產(chǎn)生的10MHz正弦波信號(hào)，經(jīng)過整形變?yōu)?0MHz方波信號(hào)，經(jīng)過2000分頻產(chǎn)生5kHz的參考信號(hào)進(jìn)入鎖相環(huán)。鎖相環(huán)將輸入的5kHz參考信號(hào)進(jìn)行1999倍頻，產(chǎn)生了9.995MHz的本振信號(hào)。本振與主振頻率差鎖定為5kHz，以便進(jìn)行混頻。由于所有信號(hào)均由同一信號(hào)源分頻產(chǎn)生，頻率飄移帶來的誤差可忽略不計(jì)。鎖相環(huán)采用74HC4046，分頻電路采用計(jì)數(shù)器分頻，選用74HC4040，74HC30，74HC08

7、和74HC04構(gòu)成，74HC4040是帶異步清零的12位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，74HC30為8輸入與非門，74HC08為四個(gè)兩端輸入與門，74HC04為6反相器。電路如圖七所示。74HC4046的外接電阻R1和電容C1選擇R1=3k，C1=100pF。圖七頻率綜合電路六、數(shù)字測(cè)向電路由前述混頻電路得到的差頻信號(hào)通過低通濾波后，最終進(jìn)入數(shù)字測(cè)相環(huán)節(jié)進(jìn)行相位差解算，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖八所示。圖八數(shù)字測(cè)相電路結(jié)構(gòu)圖經(jīng)過混頻后的兩路信號(hào)re和se送入比較器轉(zhuǎn)化為方波，兩方波經(jīng)或非門，輸出一個(gè)占空比與兩信號(hào)相位差相關(guān)的方波，此方

8、波輸入至單片機(jī)進(jìn)行占空比測(cè)量并計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算出兩信號(hào)相位差，測(cè)相電路波形圖如下圖所示：圖九側(cè)向電路波形圖完整的測(cè)相電路原理圖如圖十所示。圖十?dāng)?shù)字測(cè)相電路原理圖七、總結(jié)激光測(cè)距有精度高，速度快，聚焦能力強(qiáng)等卓越性能，因而得到廣泛應(yīng)用。近年來相位式激光測(cè)距法成為了激光測(cè)距領(lǐng)域里研究的熱門，無合作目標(biāo)相位激光測(cè)距儀的研究對(duì)于激光精密測(cè)量領(lǐng)域有著重要的意義。相位差測(cè)距作為光電測(cè)距的主要方式之一