劉嬌月, 楊聚慶, 紀(jì)榮祎

(1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 南陽(yáng) 473009; 2. 北京工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用數(shù)理學(xué)院, 北京 100124;3. 中國(guó)科學(xué)院光電研究院, 北京 100094)

激光跟蹤儀相位法絕對(duì)測(cè)距研究與設(shè)計(jì)

劉嬌月1, 楊聚慶2,3, 紀(jì)榮祎3

(1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 南陽(yáng) 473009; 2. 北京工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用數(shù)理學(xué)院, 北京 100124;3. 中國(guó)科學(xué)院光電研究院, 北京 100094)

基于激光跟蹤儀對(duì)絕對(duì)測(cè)距的技術(shù)要求,敘述了系統(tǒng)的測(cè)量原理,設(shè)計(jì)了激光相位法測(cè)距的激光跟蹤儀ADM單元。闡述了基于混頻、外差探測(cè)和相位測(cè)量的差頻鑒相式激光測(cè)距系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和相關(guān)技術(shù),構(gòu)建了信號(hào)發(fā)射和接收測(cè)量總體系統(tǒng)構(gòu)架,對(duì)信號(hào)模塊、硬件電路實(shí)現(xiàn)和器件選用做了具體描述。進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試及相關(guān)測(cè)量實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該激光絕對(duì)測(cè)距單元達(dá)到了儀器整體設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

激光跟蹤儀; 絕對(duì)測(cè)距; 混頻; 差頻; 相位測(cè)量

激光跟蹤儀主要用于大尺寸目標(biāo)工件的尺寸和形位誤差測(cè)量,為大型部件的裝配和檢驗(yàn)提供實(shí)時(shí)測(cè)量基準(zhǔn),在大型工程安裝檢測(cè)、大型裝備建造、航空航天、船舶、汽車、軌道鋪設(shè)等零部件檢測(cè)和裝配過程中具有非常高的應(yīng)用價(jià)值[1]。一般激光跟蹤儀采用激光干涉法對(duì)空間點(diǎn)坐標(biāo)的距離進(jìn)行精確測(cè)量,但在測(cè)量過程中,由于測(cè)量靶標(biāo)的隨動(dòng)特性以及光束被擋、跟蹤系統(tǒng)瞬時(shí)失靈等原因,激光跟蹤干涉測(cè)量會(huì)產(chǎn)生斷光現(xiàn)象。激光干涉法屬于增量式相對(duì)測(cè)量,一旦中斷,系統(tǒng)將不能繼續(xù)跟蹤目標(biāo)，只能重新進(jìn)行測(cè)量[2]。因此,在激光跟蹤儀設(shè)計(jì)中一般還要同時(shí)配置絕對(duì)距離測(cè)量系統(tǒng)(ADM),在斷光瞬間快速切換,提供基準(zhǔn)距離測(cè)量數(shù)據(jù),保證激光干涉測(cè)量系統(tǒng)(IFM)恢復(fù)正常工作,實(shí)現(xiàn)斷光續(xù)接[3]。

常用激光ADM技術(shù)包括脈沖測(cè)距與相位測(cè)距兩種。激光脈沖測(cè)距是通過發(fā)射周期性脈沖,測(cè)量激光脈沖往返被測(cè)目標(biāo)所需時(shí)間差進(jìn)行測(cè)距。激光脈沖測(cè)距主要用于中遠(yuǎn)程快速距離測(cè)量,受激光發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)帶寬、脈沖寬度和脈沖激光大氣衰減等影響,其精度最高以厘米級(jí)為主,不能滿足本系統(tǒng)續(xù)接測(cè)量精度要求。激光相位法測(cè)距是通過對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)定調(diào)制光往返測(cè)線產(chǎn)生的相位延遲,間接測(cè)量目標(biāo)距離。測(cè)量精度可以達(dá)到亞毫米級(jí),具有測(cè)量精度高、速度快、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，適合于作為激光干涉測(cè)量基準(zhǔn)位置的斷光續(xù)接測(cè)量。

本課題依托激光跟蹤儀樣機(jī)(中科院光電研究院研制),對(duì)激光ADM絕對(duì)測(cè)距單元進(jìn)行技術(shù)研究與應(yīng)用設(shè)計(jì)。采用級(jí)聯(lián)式PLL(鎖相環(huán))高穩(wěn)定頻差技術(shù)、差頻數(shù)字鑒相技術(shù)和全相位傅里葉變換法,進(jìn)行高、低雙頻測(cè)量、差頻數(shù)字處理和相位差測(cè)量,實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字相位法絕對(duì)測(cè)距。

1 激光測(cè)距原理與測(cè)相方法

1.1 激光相位測(cè)距原理

激光相位測(cè)距以測(cè)量被調(diào)制的激光信號(hào)在待測(cè)距離d上往返傳播所形成的相移Δφ來獲得激光的飛行時(shí)間,從而獲得距離信息,基本原理見圖1。

圖1 相位測(cè)距基本原理示意圖

用調(diào)制頻率f對(duì)發(fā)射激光幅值調(diào)制,則激光光束經(jīng)過距離為d的目標(biāo)反射后信號(hào)的相位變化為:

式中C為光速。

由于相位位移是以2π為周期變化的,相移測(cè)量時(shí),相位變化的整周期數(shù)是無法確定的,利用上式解算距離值時(shí)存在模糊多解問題。為解決這一問題,可選擇較低的調(diào)制頻率,使調(diào)制周期大于激光在待測(cè)距離d上的往返時(shí)間td,使激光信號(hào)在待測(cè)距離上往返傳播形成的相移小于2π,因此不存在模糊多解的非模糊距離nar應(yīng)滿足[6-7]:

相位測(cè)距的距離分辨率由相位分辨率決定：

由上式可知,當(dāng)系統(tǒng)測(cè)相誤差不變時(shí),調(diào)制頻率越低,測(cè)距誤差越大。為了達(dá)到既能測(cè)長(zhǎng)距離,又有較高測(cè)距精度的要求,可以采用雙頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)距時(shí),可以先用較低的頻率進(jìn)行粗測(cè),然后用較高的頻率進(jìn)行精測(cè),最后將2個(gè)測(cè)量結(jié)果結(jié)合得到最終測(cè)量距離。其中,低頻保證測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)程,高頻保證測(cè)距精度,解決了測(cè)距精度和測(cè)程間的矛盾。

1.2 差頻測(cè)相的外差探測(cè)方法

由于測(cè)距信號(hào)頻率高,在數(shù)字處理時(shí)誤差較大,為此系統(tǒng)設(shè)計(jì)引入混頻環(huán)節(jié),采用參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)差頻處理的外差探測(cè)方法,以取下變頻的方式降低待測(cè)相位差信號(hào)頻率,進(jìn)行低頻信號(hào)相位測(cè)量。降頻后,相位信息不變,信號(hào)周期擴(kuò)大,相位測(cè)量分辨率提高,從而提高測(cè)距精度[8]。

設(shè)激光發(fā)射信號(hào)為Se(t)=Ecos(ω1t),光返回信號(hào)為Sr(t)=αEcos(ω1t+φd),參考光信號(hào)為Sl(t)=αEcos(ω2t+ψ)。

分別將光發(fā)射信號(hào)、光返回信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行混頻,可以得到以下2個(gè)信號(hào):

設(shè)ω1=ω2+ωm,ωm較小。Xref、Xmes通過低通濾波器后得:

式中:E為信號(hào)幅值,φd為相位差,ψ為參考光信號(hào)初相,α為衰減系數(shù)。信號(hào)Ymes和Yref之間的相位位移φd就是測(cè)距要測(cè)量的相差。外差相位測(cè)量的原理見圖2。

圖2 外差探測(cè)原理

2 激光跟蹤儀ADM單元設(shè)計(jì)分析

2.1 總體設(shè)計(jì)

激光跟蹤儀樣機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)：ADM測(cè)程最大為35 m,測(cè)距精度300 μm,測(cè)距分辨率為5 μm。由測(cè)程和測(cè)距精度要求,考慮到粗測(cè)和精測(cè)2個(gè)頻率差較大時(shí)鎖相環(huán)控制方便,回波濾波放大電路相互間干擾較小且容易分離,可同時(shí)接收和處理數(shù)據(jù),測(cè)量速度快,因此采用粗測(cè)和精測(cè)頻率組合測(cè)量方案。同時(shí),考慮到測(cè)相誤差引起的測(cè)距誤差與調(diào)制頻率有關(guān),采用差頻的外差探測(cè)法,降低測(cè)相信號(hào)頻率。對(duì)于相同的測(cè)相誤差,調(diào)制頻率越高相應(yīng)的測(cè)距誤差越小，但增加調(diào)制頻率會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的最大不模糊距離降低，調(diào)制頻率高對(duì)激光調(diào)制驅(qū)動(dòng)要求高,相應(yīng)的接收系統(tǒng)帶寬過寬,不利于后續(xù)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),接收系統(tǒng)帶寬增加會(huì)使電路噪聲和干擾增加,降低信號(hào)的信噪比[9]。

綜合上述各種因素，選擇發(fā)射頻率分別為4 MHz和1 000 MHz,本振頻率為4.005 MHz和1 000.005 MHz,差頻信號(hào)頻率為5 kHz,計(jì)數(shù)脈沖頻率為300 MHz。測(cè)尺頻率為1 GHz,相位差的幅度擴(kuò)大了20萬倍,用300 MHz的計(jì)數(shù)時(shí)鐘對(duì)進(jìn)行測(cè)量,可滿足分辨率的設(shè)計(jì)要求。使用10 MHz恒溫晶振作為主振蕩器,其頻率穩(wěn)定度為±0.005 ppm,理想狀態(tài)下,它產(chǎn)生的距離抖動(dòng)為±3 μm,能夠滿足測(cè)量精度為300 μm的要求。

ADM測(cè)距單元系統(tǒng)組成見圖3,主要由激光調(diào)制發(fā)射、回波接收調(diào)理、信號(hào)處理等模塊組成。激光調(diào)制發(fā)射模塊包括多頻激光調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生、合成、激光器驅(qū)動(dòng)電路;接收調(diào)理模塊主要包括回波信號(hào)光電探測(cè)、前置及后級(jí)放大、濾波混頻;信號(hào)處理模塊包括并行 AD、CPLD數(shù)據(jù)采集與數(shù)字測(cè)相,接收主控信號(hào)并將測(cè)量結(jié)果傳送給主控單元。采用LVDS差分信號(hào)與主控單元通信,LVDS接口具有高速、低功率、抗干擾性能好等特點(diǎn),在差分 PCB導(dǎo)線對(duì)或平衡電纜上傳輸速率可以達(dá)到幾百M(fèi)bit/s，甚至上Gbps,總傳輸時(shí)間不大于100 μs。

圖3 激光相位測(cè)距系統(tǒng)框圖

此外,系統(tǒng)還包括激光光束的準(zhǔn)直、共光路和分光路。激光跟蹤儀跟蹤單元與ADM單元共用探測(cè)和返回光路。為了與跟蹤激光器發(fā)射的632 nm激光有效分束,相位測(cè)距激光器選擇與632 nm相差較大的1 550 nm通信波長(zhǎng),同時(shí)滿足高頻調(diào)制要求。選用Bookham的LC25W-A帶尾纖輸出半導(dǎo)體激光器,其調(diào)制頻率最高可達(dá)2.5 GHz,最大輸出功率可達(dá)10 mW,且集成TEC和熱敏電阻,便于進(jìn)行溫度控制。LC25W-A纖芯9 μm,數(shù)值孔徑NA=0.14。準(zhǔn)直器選用美國(guó)THORLABS公司的F810APC-1550,其焦距為37.13 mm,數(shù)值孔徑為0.24。

混頻器將攜帶相位信息的發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)分別與本振信號(hào)混頻,實(shí)現(xiàn)將發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)的相位信息搬移到中頻上,進(jìn)行外差探測(cè)。設(shè)計(jì)4路混頻器：混頻器1為回波信號(hào)1 000 MHz和本振1 000.005 MHz混頻;混頻器2為發(fā)射信號(hào)1 000 MHz和本振1 000.005 MHz混頻;混頻器3為回波信號(hào)4 MHz和本振4.005 MHz混頻;混頻器4為發(fā)射信號(hào)4 MHz和本振4.005 MHz混頻。經(jīng)過混頻后的信號(hào)為正弦信號(hào),采用LM293作為波形轉(zhuǎn)換器將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào),以便后續(xù)數(shù)字電路進(jìn)行相位差計(jì)算。

2.2 頻率合成

采用鎖相環(huán)進(jìn)行頻率合成，獲得穩(wěn)定且頻率相差5 kHz的頻率信號(hào)。基本的鎖相環(huán)電路框圖(見圖4)由鑒相器、環(huán)路濾波器及壓控振蕩器組成。利用2個(gè)電信號(hào)的相位誤差,通過環(huán)路自身的調(diào)整,實(shí)現(xiàn)頻率的鎖定。加入分頻器M及倍頻器N,使輸出頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)并鎖定。

圖4 鎖相環(huán)原理框圖

鎖相環(huán)輸出頻率為

式中，M為分頻器分頻次數(shù)，N為倍頻器倍頻次數(shù)。

設(shè)計(jì)使用CDCE706全數(shù)字鎖相環(huán)電路芯片頻率合成,一個(gè)輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘就可以輸出6路完全獨(dú)立的設(shè)計(jì)時(shí)鐘信號(hào)。其輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘既可以是LVCOMS信號(hào)，也可以是差分信號(hào),并通過SMBus總線的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行選擇。CDCE706集成鑒相器、環(huán)路濾波器以及壓控振蕩器在一個(gè)芯片,每一個(gè)PLL的分頻器M可設(shè)置為1～511間的任意值,倍頻器N可設(shè)置為1～4095間任意值[10]。

從鎖相環(huán)得到的頻率信號(hào)為方波信號(hào),而后續(xù)電路需要處理的均為正弦波信號(hào),因此需要設(shè)計(jì)濾波器濾除方波中的奇次諧波信號(hào)。考慮到所需設(shè)計(jì)的濾波器只對(duì)衰減特性有要求,選用七階切比雪夫型濾波器(chebyshev filter)。其特點(diǎn)是通帶內(nèi)衰減特性具有等波紋起伏,截止特性陡峭。因?yàn)樾枰玫降氖钦也?因此波紋起伏不會(huì)引起波形的失真。

2.3 激光信號(hào)發(fā)射、調(diào)制與接收

設(shè)計(jì)將1 000 MHz和4 MHz信號(hào)同時(shí)加在激光器上,在接收端用濾波器將其分開。驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)是1 000 MHz和4 MHz直接相加的信號(hào),功率驅(qū)動(dòng)晶體管選用寬帶寬的微波管2N5109、2N5109和2N3904，對(duì)1 000 MHz和4 MHz信號(hào)進(jìn)行緩沖及隔離作用。其中2N5109和2N3904的截止頻率本別是1.2G Hz和300 MHz,能很好地起到信號(hào)隔離和電流放大作用，輸入阻抗高,對(duì)信號(hào)源影響很??；而輸出阻抗低,可以減小負(fù)載變動(dòng)對(duì)電壓增益的影響。

光電接收電路由PIN光電二極管、RC濾波網(wǎng)絡(luò)和兩級(jí)放大組成。返回光波被會(huì)聚到光電二極管PIN上。PIN光電流的大小隨測(cè)距光波而變化,獲得與測(cè)距光波頻率變化規(guī)律相同的電壓信號(hào)。光電探測(cè)器選用日本濱松公司G6854-01型InGaAs PIN光電探測(cè)器,峰值波長(zhǎng)為1 550 nm,峰值響應(yīng)率0.95 A/W。PIN光電二極管采用負(fù)偏壓工作方式,一端接地,一端接反向電壓。

2.4 數(shù)字測(cè)量相差

精測(cè)和粗測(cè)得到的信號(hào)經(jīng)LM293整形后,得到四路占空比1∶1的方波信號(hào)。1 000 MHz發(fā)射信號(hào)和1 000.005 MHz本振信號(hào)經(jīng)混頻、濾波、整形后的5 kHz中頻信號(hào),記做“S1000M”;1 000 MHz回波信號(hào)和1 000.005 MHz本振信號(hào)經(jīng)混頻、濾波、整形后的5 kHz中頻信號(hào),記做“R1000M”;4 MHz發(fā)射信號(hào)和4.005 MHz本振信號(hào)經(jīng)混頻、濾波、整形后的5 kHz中頻信號(hào),記做“S4M”;4 MHz回波信號(hào)和4.005 MHz本振信號(hào)經(jīng)過混頻、濾波、整形后的5 kHz中頻信號(hào),記做“R4M”。數(shù)字測(cè)量相差原理見圖5。

圖5 數(shù)字測(cè)相原理圖

其中,R1000M方波或R4M方波的下降沿滯后S1000M方波或S4M方波的下降沿多少,代表了精測(cè)信號(hào)或粗測(cè)信號(hào)在測(cè)量距離上非整周期的相位差的多少。所以,數(shù)字法測(cè)量相位差的過程就是測(cè)量R1000M下降沿滯后S1000M下降沿的時(shí)間過程和測(cè)量R4M下降沿滯后S4M下降沿的時(shí)間過程。采用自動(dòng)數(shù)字鑒相法進(jìn)行信號(hào)相差的計(jì)算,采樣頻率為300 MHz。由于參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)為同頻、同相信號(hào),則分別與本振信號(hào)混頻后經(jīng)相差檢測(cè),原理上各個(gè)通道對(duì)應(yīng)相差檢測(cè)結(jié)果應(yīng)為 0。當(dāng)調(diào)制頻率增加時(shí),固定相差的標(biāo)準(zhǔn)差有增加的趨勢(shì),這是由于信號(hào)串?dāng)_造成的,在高頻時(shí)串?dāng)_的影響尤為明顯。不同頻率測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的通道不匹配相差可作為系統(tǒng)誤差,可在測(cè)量結(jié)果中進(jìn)行修正[7-8]。

3 信號(hào)測(cè)試調(diào)整

對(duì)ADM測(cè)距信號(hào)板進(jìn)行實(shí)際信號(hào)測(cè)試,ADM合成頻率發(fā)射信號(hào)見圖6,差頻探測(cè)信號(hào)見圖7。由圖6和圖7可知,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大及帶通濾波后,得到了穩(wěn)定的參考信號(hào)6(b)和測(cè)量信號(hào)6(a),且不同調(diào)制頻率對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)間分別包含與被測(cè)距離相關(guān)的相位差,實(shí)現(xiàn)了不同頻率接收信號(hào)的分離,為高精度激光測(cè)距的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

圖6 ADM頻率合成結(jié)果

圖7 ADM差頻測(cè)量信號(hào)5 kHz輸出

進(jìn)行信號(hào)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)以下實(shí)際問題并給以解決。

(1) 在LM293過零檢測(cè),將正弦信號(hào)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)的過程中,由于電源或是地電平的不穩(wěn)定而引起下降沿的抖動(dòng),給測(cè)量帶來誤差。解決方法:多次測(cè)量取平均值。即計(jì)算多個(gè)測(cè)量周期的相差,使插入的計(jì)數(shù)脈沖成倍增加,再取平均值,可以有效減小電源或是地電平的抖動(dòng)帶來的測(cè)量誤差。

(2) 當(dāng)測(cè)量相差大于0但很接近0或測(cè)量相差小于2π又很接近2π時(shí),如果此時(shí)脈沖計(jì)數(shù)器稍有抖動(dòng),就很有可能使這兩種情況相互混淆,從而使測(cè)量的數(shù)據(jù)有很大的跳躍,測(cè)量結(jié)果誤差大且使系統(tǒng)不穩(wěn)定。解決方法:在CPLD內(nèi)部將回波信號(hào)反相,達(dá)到將相位移π的目的。此時(shí),將0或是2π附加的相位移動(dòng)到π附近,在內(nèi)部處理數(shù)據(jù)時(shí)把平移的半個(gè)周期的脈沖數(shù)加上或是減去。

4 實(shí)測(cè)結(jié)果及結(jié)論

在近距離測(cè)量中,以3 m精密三維電動(dòng)平移臺(tái)為基準(zhǔn)。3～35 m遠(yuǎn)距離測(cè)量中,以激光跟蹤儀干涉測(cè)量為基準(zhǔn)。分別設(shè)置多個(gè)方位測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量,測(cè)距實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表1。測(cè)得測(cè)量點(diǎn)測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)差均不超過0.09 mm,表明測(cè)量精度達(dá)到亞毫米量級(jí),具有較高的測(cè)量穩(wěn)定性和較高的測(cè)距精度,該激光絕對(duì)測(cè)距單元滿足儀器整體設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表1 測(cè)距實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果 mm

References)

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Research and design of absolute distance measurement by using laser tracker’s phase range finding technology

Liu Jiaoyue1, Yang Juqing2,3, Ji Rongyi3

(1. Henan Polytechnical Institute,Nanyang 473009,China;2. Collage of Applied Science,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;3. Academy of Opto-Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China)

Measuring principle of the absolute distance measurement(ADM) system is analyzed and the laser tracker’s ADM unit of laser phase range finding is designed based on its technical requirements.Difference frequency phase laser ranging system’s overall design and related technical analysis are elaborated based on frequency mixing,heterodyne detection and phase measurement, the overall measurement system architecture of signal transmitting and receiving is built, and the implementation of signal modules,hardware circuit and devices’ selection are described in details.System’s debugging and related measuring experiments are carried on. The results show that laser’s absolute distance measurement unit has achieved equipment’s overall design indexes.

laser tracker; absolute distance measurement(ADM);frequency mixing; difference frequency; phase range finding

2014- 12- 14 修改日期：2015- 03- 23

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2011YQ120022)；中國(guó)科學(xué)院科研裝備研制項(xiàng)目(090206A01Y)；北京工業(yè)大學(xué)研究生科技基金項(xiàng)目(ykj-2014-11443)

劉嬌月(1974—)，女，河南南陽(yáng)，碩士，副教授，河南省高等學(xué)校青年骨干教師，研究方向?yàn)榫軆x器、機(jī)電一體化技術(shù)及應(yīng)用.

E-mail：15838706952@139.com

TP216

A

1002-4956(2015)6- 0079- 05