0 引言

激光測(cè)距系統(tǒng)的最基本原理就是測(cè)量激光脈沖在空間傳播的時(shí)間間隔，從而獲得被測(cè)量的距離。針對(duì)相位法激光測(cè)距的基本原理與實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究，本文結(jié)合了嵌入式、差頻測(cè)相等相關(guān)技術(shù)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II 的優(yōu)點(diǎn)，硬件結(jié)構(gòu)合理，軟件實(shí)現(xiàn)方法靈活，滿足了網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)高速信息提取和傳輸?shù)囊蟆?/p>

避免了傳統(tǒng)測(cè)距系統(tǒng)中存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)采集慢、數(shù)據(jù)處理時(shí)間長(zhǎng)、計(jì)算準(zhǔn)確度低及數(shù)據(jù)不能直接輸出到其它系統(tǒng)等問(wèn)題。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定度好、速度快等優(yōu)點(diǎn)。在生產(chǎn)廠礦、科研學(xué)校、計(jì)量院所等有著很大的應(yīng)用空間，具有有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)的基本原理

1.1 相位式激光測(cè)距原理

對(duì)于連續(xù)波的激光測(cè)距一般采用相位式測(cè)距，主要是指用連續(xù)調(diào)制的激光波光束照射待測(cè)物體，從測(cè)量光束往返中產(chǎn)生的相位變化關(guān)系換算出激光傳感器與待測(cè)目標(biāo)物體間的距離D.

公式(1) 為相位式測(cè)距公式，其中C 為光波在空氣中的傳播速率，φ為調(diào)試的激光信號(hào)經(jīng)過(guò)反射后而產(chǎn)生的相位差，f 為信號(hào)的調(diào)制頻率。它可得到優(yōu)于脈沖式飛行時(shí)間測(cè)量法的測(cè)距精度，但是測(cè)距速度慢，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)物體存在多普勒效應(yīng)。

圖 1 為相位式激光測(cè)距原理圖，其中Δφ為信號(hào)往返時(shí)相位延遲不足2π 的部分，其中φ= 2Nπ + Δφ，N 為激光往返所包含的波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)。于是，在給定調(diào)制頻率的情況下，距離的測(cè)量就變成了對(duì)激光往返一次所包含整數(shù)個(gè)波長(zhǎng)數(shù)量的測(cè)量和不足于一個(gè)波長(zhǎng)的相位的測(cè)量。隨著現(xiàn)代無(wú)線電測(cè)相技術(shù)的發(fā)展，相位測(cè)量可達(dá)很高的精度，所以相位式激光測(cè)距也能達(dá)到很高的精度。

1.2 差頻測(cè)相原理

所謂差頻法測(cè)相的原理就是指通過(guò)主振頻率與本振頻率的乘法混頻，得到兩個(gè)新的頻率的信號(hào)分量的疊加，經(jīng)過(guò)低通濾波器后，變成了中低頻信號(hào)，由于差頻信號(hào)仍保持著原高頻信號(hào)相應(yīng)的相位關(guān)系，測(cè)量中低頻信號(hào)的相位就相當(dāng)于測(cè)量主振信號(hào)經(jīng)往返距離后的相位延遲。這樣可以降低電路復(fù)雜度，提高了測(cè)距精度。

將這兩路信號(hào)與外加的信號(hào)U3 = I3 cos(ω1 t +φ3)進(jìn)行乘法混頻后可得到：

再將新得到的這兩路信號(hào)1 W 和2 W 分別通過(guò)低通濾波器，濾除其高頻分量，得到包含(ω -ω1 )頻譜分量的低頻信號(hào)，并且相應(yīng)的相位信息 φ1和 φ2仍然保留在濾波后的信號(hào)中，而且不會(huì)導(dǎo)致相位信息的丟失，然后對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行AD 采樣，再由微處理器通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理算法得出相位差Δφ，進(jìn)而可以計(jì)算出發(fā)射激光與待測(cè)物體之間的距離。

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

系統(tǒng)的硬件組成如圖2 所示，包括基于ARM9(S3C2440A)處理器模塊、激光調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路、本振信號(hào)發(fā)生器、激光發(fā)射電路、激光接收電路、混頻濾波電路、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊等部分組成。S3C2440A 是SAM SUNG 公司推出的一款A(yù)RM 9 微控制器，內(nèi)核是32 bitARM920T,它的系統(tǒng)時(shí)鐘是由內(nèi)部PLL 產(chǎn)生的400MHz CPU 內(nèi)核工作頻率，同時(shí)具有64 MB Flash 及64 MB SDRAM外部存儲(chǔ)器。內(nèi)部集成SDRAM 和FLASH 控制器，功能接口豐富，是一款高速、低功耗、高性能的新型處理器，可廣泛應(yīng)用于通信、汽車、工業(yè)控制、PDA、醫(yī)療等系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。本文系統(tǒng)中采用ARM9核心板作為數(shù)據(jù)采集控制核心，由它來(lái)產(chǎn)生A/D 轉(zhuǎn)換器的各種控制信號(hào)、基本的數(shù)據(jù)處理等。