分类号——密鲰劣j 凄程歹大署学位论文1 0 4 9 7题目基王业§Q Q 型塑旦的邀光测距硬往电路蝗匠L 英文—T h e —R e s e a r c ho fL a s e rR a n g i n gH a r d w a r eC i r c u i t ——题目B a s e do nA D 5 凶研究生姓名万小强 ⋯师茎一篓盖盖盅单位名称盍垫堡王盘鲎堡生堕堑垄整邮编垒亚盟尘一姓名副指导教师单位名称申请学位级别职称邮编硕±学科专业名称出堂论文提交日期2 Q1 2 生§旦论文答辩日期2 Q1 2 生亘且盟学位授予单位武这理工太堂学位授予日期答辩委员会主席猃晓苤评阅人鞋：硷—— 盔! 瞧，2 0 12 年5 月独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意签名：卫：! ! 兹日期：塑! 墨! 1- - > 1 丫k一发射1 僚熊熊保隙练_ ：二? ?￥≤￥／嵌／W ／W ／v ／一7图2 ．3 相位式测距原理假设激光调制的频率为厂，波长为九。
可知光波在量程内传播而产生的相位差为西：≯= ( 2 n 丌+ △妒) = ( n + A n ) 2 r c( 2 —2 )6武汉理工大学硕士学位论文式中，门为0 或者整数；△刀为小于1 的小数，且△力：竽则可推算出量程￡为：L = c t ：c ．生：( n + A n ) Z( 2 ．3 )2 万厂、式中，r 为光传播的时间，咖为传播的相位延迟，厂为调制的频率由上式可知，可以将激光调制信号的调制频率看作是一把“光尺”，激光的波长可以看作光尺中的一个单位刻度‘4 】【l0 1 在实际运用中，直接测量光程中激光信号所产生的相位差是很难实现的一方面，由于调制的是高频信号，直接测量相位差比较困难；另一方面，即使测量出相位差，由于相位测量技术无法测量出光波相位差中2 7 r 的整数倍，只能测量出相位差中的尾数△妒，即上式中的A n 【1 1 】因此，单用某种频率会遇到测量值的多值性问题，是无法测量出真实距离的选取合适的频率使，z = 0 ，则不存在多值性问题可以推导出待测目标的距离￡为：L - —c A —c p但．4 ) 4 z ' f从上式可以看出，可通过改变激光调制的频率来提高测量量程。
测量待测距离的精度与鉴相系统的误差有着紧密的联系，即所选择的调制频率越低，量程越大，误差也越大假设鉴相部分的测相精度为0 ．1 ％，可得到表2 ．1 表2 ．1 测尺长度和精度表由表2 ．1 可知，如果要测量5 3 2 ．4 m 的距离，我们需要～把“粗尺”和一把“细尺”来进行测量由调制频率1 5 0 k H Z 来决定测量值的整数部分，即米级的测量值；由调制频率1 5 M H Z 来决定测量值的小数部分，即厘米级的测量值最后将两个测量数据进行整合得到既能满足大量程，又能满足高精度的测量值在本文中，采用了频率为15 M H Z 和1 ．5 M H Z 的“粗尺”和“细尺”来对距离值进行7武汉理工人学硕士学位论文测量1 1 2 】2 ．2 ．2 差频测相原理由于对高频信号的相位测量较难实现，这里采用差频测相技术‘1 3 】其原理如图2 - 4 所示假设主控振荡器( 图2 - 4 中的主振) 的信号为：B l = A c o s ( O ) s t + 蛾)发射后经过一段光程返回接收机，接收的信号为：B 2 = B c o s ( o , t + 仍+ △妒)上式中，△妒为光程造成的相位变化。
图2 - 4 系统原理图假设本地振荡器( 即图2 ．4 中的本振) 的信号为：历= 爿c o s ( 卿，+ 仍)目 标将本振信号E l 送入混频器I 和I I 中，分别与E s j 和E s 2 进行混频器的输出端得到差频参考信号E R 和E s ，它们分别为：峨= D c o s [ ( o , 一q ) f + ( 见一仍) 】( 2 - 5 )( 2 - 6 )( 2 —7 )在混频( 2 - 8 )B = E c o s [ ( 6 0 , 一c o t ) t + ( ％一仍) + △妒】( 2 - 9 )差频处理后的低频信号E R 和E s 的相位差△≯与直接测量高频调制信号的相位差△妒是一样的，即混频器的只变频率不变相位原理【1 4 】8武汉理T 大学硕上学位论文2 ．3 相位式激光测距系统总体方案通过比较脉冲式激光测距原理和相位式激光测距原理可知，在近程测距、对测距精度要求高的场合，相位式激光测距较为合适【1 5 J 目 标图2 ．5 相位式激光测距系统原理框图相位法激光测距的系统构成如图2 —5 所示系统由三个部分组成：I ，激光调制发射模块；I I ，激光信号接收模块；I I I ，鉴相模块。
激光调制发射模块主要由D D S 频率合成电路、激光调制电路组成；激光信号接收模块主要由本振和主振信号发生电路、A P D 前置放大电路、A P D 信号滤波电路、A P D 高压偏置电路和自动增益控制电路组成鉴相模块主要由混频器、有源滤波电路、整形电路和高精度时间测量电路组成本方案中，采用D D S 芯片A D 9 8 3 4 产生稳定的1 5 M H Z 和1 ．5 M H Z 主振信号，以及1 4 ．9 9 9 M H Z 和1 ．4 9 9 M H Z 本振信号主振信号分别由L C 椭圆滤波器滤去噪声后，经过信号调理电路放大并抬升至2 ．5 V 左右、峰峰值为l V 的电压信号驱动激光器发射连续调制激光信号一方面，主振信号和本振信号送入以A D 8 3 1 作为混频器的混频电路进行混频，经过椭圆低通滤波器后输出l k H Z 的混频输出l k H Z 的混频输出信号I 另一方面，A P D 接收到激光回波信号后产9～，I“一，U1 l旷；u∥；埋k∥；；参；；矽；，；徊鼠武汉理1 = 大学硕士学位论文生微弱光电流，经由信号处理电路后与本振信号进行混频，输出l k H Z 的混频输出信号I I 。
首先，将两路l k H Z 混频输出信号送入M A X 2 7 4 的有源滤波器中进行滤波处理；其次，将滤波后的信号送入基于M A X 9 1 3 的整形电路中；最后，将两路整形后的信号送入时间测量单元计时，即可根据相位差△妒推算距离值址J O武汉理工大学硕：L 学位论文第3 章相位式激光测距发射和接收电路设计3 ．1 基于D D S 的激光调制发射电路3 ．1 ．1 激光管选型使用半导体激光器作为激光光源有诸多优点：封装体积小、发光效率高、发射频率高波长为6 5 0 n m 的红色点状半导体激光器是一种常用的半导体激光光源，其波长处于可见光内，适于近程探测出于激光安全性和成本考虑，选用H L M l 2 3 0 型半导体激光器该激光器功率为5 m w ，波长范围为6 4 5 ．6 5 5 n m 操作电压为3 ．5 v - 4 ．5 V ，工作电流小于2 5 m A 实物如图3 一l 所示图3 ．1H L M l 2 3 0 型点状激光器3 ．1 ．2D D S 工作原理和特点由于相位式激光测距技术需要采用多测尺测量，这就要求系统必须有一套高性能的频率发射装置，以实现多种频率的低损耗发射和高速切换【l 引。
为保证精度和频率切换速度，本文采用直接数字频率合成器( D i r e c tD i g i t a lF r e q u e n c yS y n t h e s i s ，D D S ) D D S 实际上是一种分频器：通过编程频率控制字来分频系统时钟( S Y S T E MC L O C K ) 以产生所需要的频率D D S 有两个特点，一方面，D D S 一旦更新频率控制字，输出的频率就相应改变，其跳频速率高；另一方面，由于频率控制字的宽度宽( 4 8 b i t 或者更高) ，频率分辨率甜1 7 J 3 ．1 ．2 ．1D D S 原理和特点D D S 技术是通过把一系列数字量形式的信号通过D A C 转换成模拟量形式武汉理T 大学硕t 学位论文的信号合成技术目前使用最广泛的一种D D S 方式是利用高速存储器作为查找表，然后通过D A C 产生已用数字形式存入的正弦波常见的D D S 结构如图3 ．2所示，分为3 个部分：相位累加器；相位幅度转换；数模转换器( D A C ) 图3 - 2D D S 内部结构图( 1 ) 在相位累加器中，一个正弦波的幅度不是线性的，而相位累加器中的相位是线性增加的。
D D S 正是利用这一点来产生正弦信号如图3 ．3 ，根据D D S的频率控制字的位数N ，把3 6 0 0 平均分成了2 N 等份假设D D S 的系统时钟为．层，输出的频率为厶沂每次转动一个角度3 6 0 ／2 Ⅳ，则可以产生一个频率为f c ／2 Ⅳ的正弦波的相位递增量只需选择合适的频率字M ，使得f o 沂／尼= M ／2 ‘Ⅳ即可得出所需的输出频率厶w ，如式3 一l 所示： 锄：雩尝( 3 - 1 )t Z E )图3 —3 相位累加器与f o u r 的关系图( 2 ) 在相位幅度转换器中，由于通过相位累加器可获得合成输出频率所需的相位信息，相位幅度转换器把0 0 - 3 6 0 的相位通过查找表得到相应的幅值 3 ) 在数模转换器中，代表幅度的二进制数字信号进入D A C 中，转换成相应的模拟信号输出：1 2武汉理T 大学硕士学位论文∞) = A s i n ( 2 兀等0可通过改变相应的设置电阻来调整D A C 输出电流的大小，电压为输出电流和设置电阻的乘积在设计中使用D D S 有以下优点：( 1 ) 具有极高的频率分辨率：( 3 - 2 )则D A C 的输出D D S 的频率决定于相位累加器的位数和时钟频率。
当以时钟频率为1 0 0 M H Z 、相位累加器为2 8 位的D D S 芯片A D 9 8 3 4 为例，其频率分辨率为：厂= 1 0 8 ／2 2 8 = 0 ．3 7 2 H Z 2 一一输出任意波形： D D S 的相位累加器输出的数据所寻址的波形数据并非一定是正弦信号，只要满足奈奎斯特定律，那么这个波形就可以产生D D S 输出的波形仅由波形存储器中的数据决定 3 ) 高输出频率带宽：D D S 可以输出输入时钟信号频率的1 ／3 ，实际运用中，可以输出O ．4 尼K 4 ) 极短的频率转换时间：D D S 由于其内部结构中无反馈系统，决定了D D S 的频率转换时间是由频率控制字的传输时间、内部数字电路的延迟时间、D A C 的延迟时间和内部低通滤波器的频率响应时间决定的 5 ) D D S 在频率转换时相位保持：改变D D S 的频率，实质上是改变了了相位增长率，并没有改变相位，只是频率发生了突变3 ．1 ．2 ．1D D S 频谱分析在此分析理想情况下的D D S 输出的频谱特性，只有满足以下条件才是理想的D D S ：( 1 ) 相位累加器的位Ⅳ◆O O ，并且所有输出位用于寻址R O M ；( 2 ) R O M 地址线位数Ⅳ一o o ，并且每个单元波形采样数据位数D 专O O 。
3 ) D A C 由理想的D A C 转换特性，且输入数据位数D 趋于无穷大；( 4 ) L P F 具有理想的低通滤波特性；( 5 ) 参考时钟频率稳定且趋于无穷大，无相位抖动假定N 位相位累加器在理想情况下输出的相位序列≯( 船) 为：武汉理工大学硕士学位论文妒( 刀) = n kr o o d 2 Ⅳn = l ，2 ，⋯式中：r o o d 为模除运算理想D D S 输出的波形样本序列为：咖) ⋯s ( 等嘲⋯s ( 2 石石哪式中：( 3 。