2010年10月第10期（总第143期）
广西轻工业
GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY
机械与电气
高精度激光测距接收系统的研究
赵倩
（南京理工紫金学院，江苏南京210046）
【摘
这种测距方法既适用于短距离的测量又适用于长距离的测要】主要讨论了高精度激光测距接收系统的实现方法，
首先介绍了相位式激光测距和脉冲式激光测距的原理，在此原理的基础上设计了高精度激光测距接收系统，并设计了信号接收量。
与滤波电路模块和相位差分离与计数电路模块。
接收系统；时间差；相位差【关键词】激光测距；【中图分类号】TH761.2【文献标识码】A
【文章编号】1003-2673(2010)10－77－02
１引言
距离信息在自动制造业领域内是必不可少的，测量距离的方法很多，主要有干涉法测距、三角法测距和TOF 法测距[1]等激光测距利用干涉法测距的原理，主要有以下两种方法：方法。
相位测距和脉冲测距。相位式激光测距是利用较低频率的电信号调制高频光信号，使光通量发生周期性的变化，通过测量调制光信号往返一次的相位改变量来实现距离的测量，具有测程近和需要合作目标等缺点。脉冲式激光测距是利用光脉冲往返于测距仪和目标之间的传播时间实现距离的测量，主要适用于大距离或超大距离的测量，且测量精度一般为米级。具有测量精度较低、体积大等缺点[2]。本文主要研究的脉冲—相位式激光测距系统，既适用于长距离测量，又适用于短距离测量，而且测量精度较高。
光尺。
图２光波经距离２Ｌ后的相位变化
2.2激光脉冲测距原理
由脉冲激光器发出—持续时间极短的脉冲激光，称之为主经过待测目的点后射向被测目标，被反射回来的脉冲激光称波。
之为回波。回波返回测距仪，由光电探测器接收见图3。根据主波信号和回波信号之间的时间间隔，就可算出被测目标的距离：
L=ct/2
（4）
式中c 为光速；t 为激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间；L 为待测距离。
２激光测距原理
2.1激光相位测距原理
相位测距是通过对光的强度进行调制来实现的[3]见图1。设调制频率为f ，波长λ=c/f，c 为光速。光波从发射点传播到接收点的相移可表示为
φ=2mπ+△φ=2π（m+△m ）m=0，1，2，…则发射和接收点之间的距离：为t ，
L=ct=cφ/2f=λ（m+△m ）
（2）
上式为激光相位测距公式。只要测出光波相移φ中周期2π的整数m 和余数△m ，便可由上式求出被测距离L 。所以，调制光波的波长λ是相位测距的一把“光尺”。
（1）
式中，△m=△φ/2π。若光从发射点传到接收点所用时间
图３激光脉冲测距原理图
３测距接收系统的实现
图4的电路能够实现高精度长短距离测量，当测量距离较小（L ＜c/2f）时，f 为主振频率，④部分电路工作，③部分电路不工作。当测量距离较大（L ＞c/2f）时，两部分电路同时工作，此测距接收系统主要由5个部分组成：①部分为发射部分，将基准信号调制成激光信号并发射，同时还分出一路基准信号与被测②部分为接收部分，接收被反射回来的信号，并对信号作比较。
图１激光相位测距原理图
信号进行滤波放大，变成可以利用的信号（接收信号经过滤波器和放大器会产生一定的延时，为了减小这一延时带来的误差，在第①部分加入延时单元以对基准信号作相应的延时）。③部分为脉冲测时部分，主要用于长距离测量时基准信号延时的
（3）
整数周期。④部分为相位测时部分，主要用于短距离或长距离测量时基准信号延时的非整数周期。⑤部分电路是将③部分所
假设测距仪的接收系统置于A ＇点（实际上测距仪的发射和接收系统都是在A 点），并且有AB=BA＇，AA ＇=2L，见图2。由式（2）得：2L ＝λ（m+△m ）
则L ＝λ（m+△m ）/2=Ls（m+△m ）
Ls=λ/2。这时，Ls 作为量度距离的式中Ls 为半波长度，
【作者简介】赵倩，女，硕士，研究方向：力学检测。
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测的整数周期与④部分所测得的非整数周期相加，得到发射信号和接收信号精确的相位差并保存。
与计数电路（图7）。
信号接收与滤波电路主要由信号接收电路（a ）与低通滤波电路[5]（b ）两部分组成。信号接收电路主要通过光电二极管将光信号转换为电信号，并对电流信号进行滤波放大转换为电压信号输出，其具体的传输函数为：
v 1=2Rf
（7）
得到信滤波器为二阶低通滤波器，它对信号v 1再次滤波，号v 0，v 0经过放大器放大后其幅度与发射信号的幅度相当。图6（b ）部分的传输函数如下：
R+R0v 0=
[1**********]2图４信号测量框图
（8）
则由式（7）和（8）得：v 0=2Rf （R+R0RfC+RR1R 2C 1C 2，C=RR1C 2+RR2C 2+RRfC-R 0R 1C 1，D=R
（9）
具体的实现方式如图5所示：
其中，A=Rf RR 1R 2C 1C 2C ，B=（RR 1C 2-R 0R 1C 1+RR2C 2）
图５信号波形图
基准信号经过延时单元后得到的信号为u 1，接收信号经过滤波放大后得到的信号为u 2。
设u 1=U1m sintw 0t ）正整数，且φ2＜2π
通过③部分的计数器1得到的数值为N 1，在⑤部分进行相位差相加时，将N 1-1即可得到N 。
φ2可通过④部分的电路得到。主要方法是通过脉冲形成模块和相位差分离电路时将φ2所对应的正弦信号转换成脉冲信号，其对应的时间为一个周期的m 倍，即（且0＜m ＜1）。利用数值为N 2，设高频脉冲信号的频高频脉冲信号对T 1进行计数，率为f ，即T 1=N ，则φ2=2πT =2πN 总相位差φ1=2πN+φ2=2πN+2πN =2π（N+N （5）
在式（5）中N 和T 均为精确值，其误差主要表现在N 2与f 上。
其误差可表示为ω%=
1=2π（N+222π（6）
图７相位差分离与计数电路
u 2=U2m （sinw 0t+φ1）
图６信号接收与滤波电路
φ1为接收信号与发射信号的相位差，且φ1=2πN φ（2N 为
相位差分离与计数电路（图7）主要用于短距离或长距离测量时基准信号延时的非整数周期部分的测量。U7为基准信号，U8为测量信号。具体分析过程如图8所示，通过两个D 触发器和一个与门电路将非整数周期部分分离出来，然后利用计数器进行计数，将得到的时间与图4中③部分得到的时间相减，即可得到被测信号与基准信号的时间差。在进行相位差分离的过程中，为了提高测量精度，需要添加一些延时单元以减小误差。
由式（6）中可以看出，通过增大高频脉冲信号的频率f 可减少误差。
在计算φ2时，可通过混频器降低基准频率来增大周期T
[4]
图８相位差分离波形
以减少误差，而且从式（6）中也可以看出，测量长距离的精度明显高于短距离的测量精度。
５结论
本文简明扼要地介绍激光相位测距和脉冲测距的基本原理，在此基础上设计了可应用于长距离和短距离测量的激光接收系统的基本电路图，通过对激光测距接收系统的研究分析，
４具体电路的实现
以下给出了信号接收与滤波电路（图6）以及相位差分离
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（下转第82页）
就必须取得自检的同步信号来决定机器在什么时候对接近开关进行自检。我们在堆叠提升动作驱动电机的转轴上安装凸轮NEB6-12GM50-E2V1）取自检触并加装一个接近开关（型号：发信号，我们调整凸轮的角度，当堆叠提升后，新的烟条还没有进入堆叠区时，凸轮转到缺口向上，就是检测器取得自检信号的时候。
变频器
三相电源
Ｍ４９
封箱机的控制系统是由西门子S7-300PLC 和一个西门子OP17操作面板组成的，我厂还另外配备数采系统。
数采PC 通过在PLC 指定通讯区域读取统计和故障数据。而数采软件的底层库驱动SIMATIC Prodave 软件会以指定的刷新速度不断的从PLC 中读取到故障报警信息，并保存到指定数据库中，供数采软件读取，然后优先显示在数采PC 显示屏中，原理图如图7。
不满5条
5条烟是否到位
是
检测
满5条
堆叠提升
自检
检测到烟条
停机报警
K49
U V W
三相电源
FR DCM
K49
R
T S
U V W
Ｍ４９
没有检测到烟条
该烟箱到提升处剔除给与显示机构通迅的指定数据块的对应位置位
改造前电路
改造后电路图
图４变频改造前后比较图
A1
烟条检测
图６程序设计流程图
烟条
烟条输送方向
A2
烟条到位检测烟条检测
图５缺条检测装置
４．３．２修改ＰＬＣ程序
我们在PLC 中修改并增加程序，自检原理和思路为：当自检信号输入的时候，检测器还检测到烟条，说明该检测器发生了故障或者已经失效。故障发生后停机报警，并再重新运行起来后，在烟箱提升处将该烟箱剔除。其程序结构流程图如图6。４．３．３增加报警提示显示
能够在缺条检测的电容式接近开关出现故障的情况下，显示出是哪一个检测器在报警，这样才是一个完整的自检系统，才能方便操作和维修，提高工作效率。目前SENZANI 公司装
图７ＰＬＣ与数采通讯报警原理图
参考文献
[1]德国西门子自动化驱动集团.ProTool_Pro运行系统用户指南V6.0,2003.
[2]德国西门子自动化驱动集团.ProTool 应用于SIMATIC S7,2003. [3]德国西门子自动化驱动集团.S7-300和S7-400梯形逻辑（LAD ）编程参考手册,2003.
（上接第78页）
可以看出以上的测量结果精确度比较高，误差相对比较低。设计了信号接收与滤波电路和相位差分离与计数电路，电路的仿真结果还在进一步的验证当中，其他电路模块的设计也在进一步的研究当中。参考文献
[1]T.Bosch,M.Lescure,B.J.Thompson.SelectedPapers on Laser Dis －
tance Measurements.SPIE Milestone Series,1995,115:736-1476.[2]朱相磊, 王寸记. 脉冲-相位式激光测距仪[J].仪器仪表用户,2004,11(5):3-4.
[3]孙长库, 叶声华. 激光测量技术[M].天津:天津大学出版社,2001. （非线性部分）[M].北京:高等教育出版[4]谢嘉奎, 宣月清, 冯军. 电子线路社,2000.
[5]李刚, 林凌. 现代测控电路[M].北京:高等教育出版社.2004.
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