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
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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