自家製位相レーザー距離計

この記事では、レーザー距離計の作成方法とその動作原理について説明します。 デザインはモックアップであり、実際の使用には使用できないことにすぐに気付きました。 これは、位相範囲ファインダーが実際に組み立てられるようにするためだけに行われました。

理論

多くの場合、レーザーを使用して、距離はレーザーから反射物体まで、またはその逆のレーザーパルスの「飛行」時間を直接測定することによってのみ測定されるという意見を満たす必要があります。 実際、この方法（パルスまたは飛行時間、TOFと呼ばれます）は、主に目的のオブジェクトまでの距離が十分に長い（> 100 m）場合に使用されます。 光の速度が非常に速いため、単一のレーザーパルスで光の飛行時間、したがって距離を高精度で測定することは非常に困難です。 光は約3.3 nsで1メートル進むため、距離の測定精度は数十センチメートルですが、測定時間の精度はナノ秒でなければなりません。 このような精度で時間間隔を測定するには、FPGAと専用の超小型回路を使用します。





ただし、距離を変更する他のレーザー方法があり、そのうちの1つは位相です。 この方法では、以前の方法とは異なり、レーザーは継続的に動作しますが、その放射は特定の周波数の信号によって振幅変調されます（通常、これらの周波数は500 MHz未満です）。 レーザーの波長は変わらないことに注意してください（500-1100 nmの範囲です）。

物体から反射された放射線は光検出器で受信され、その位相はレーザーからの基準信号の位相と比較されます。 波の伝播に遅延があると、位相シフトが発生し、これが距離計によって測定されます。

距離は次の式で決定されます。



ここで、cは光の速度、fはレーザー変調周波数、phiは位相シフトです。

この式は、対象物までの距離が変調信号の波長の半分（2 fに等しい）未満の場合にのみ有効です。

変調周波数が10 MHzの場合、測定距離は最大15メートルに達し、距離が0から15メートルに変化すると、位相差は0から360度に変化します。 この場合の位相シフトの1度の変化は、物体の約4 cmの変位に対応します。

この距離を超えると、あいまいさが生じます。測定された距離にいくつの波の周期が収まるかを判断することは不可能です。 あいまいさを解決するには、レーザー変調周波数を切り替えてから、結果の方程式系を解きます。

最も単純な場合は、2つの周波数を使用することです。低い場合は、対象物までの距離をほぼ決定します（ただし、最大距離は依然として制限されます）、高い場合は、必要な精度で距離を決定します-位相シフト測定と同じ精度で、高周波を使用すると、距離測定の精度がはるかに高くなります。



位相シフトを高精度で測定する比較的簡単な方法があるため、このような距離計の距離測定の精度は最大0.5 mmに達する可能性があります。 測地距離計、レーザールーレット、ロボットに搭載された走査距離計など、高い測定精度を必要とする距離計で使用されるのは位相原理です。

ただし、この方法には欠点もあります。常時動作するレーザーの放射パワーはパルスレーザーの放射パワーよりも著しく低いため、長距離の測定に位相範囲ファインダーを使用できません。 さらに、必要な精度での位相測定には一定の時間がかかり、デバイスの性能が制限されます。



このような距離計で最も重要なプロセスは、信号の位相差の測定であり、距離測定の精度を決定します。 アナログとデジタルの両方の位相差を測定するためのさまざまな方法があります。 アナログははるかにシンプルで、デジタルはより正確です。 この場合、デジタル方式で高周波信号の位相差を測定することはより困難です。信号間の時間遅延はナノ秒単位で測定されます（この遅延はパルス距離計のように発生します）。



タスクを簡素化するために、ヘテロダイン信号変換が使用されます-光検出器とレーザーからの信号は、追加のジェネレーター-局部発振器によって形成される近い周波数の信号と別々に混合されます。 変調信号と局部発振器の周波数は、キロヘルツまたはメガヘルツ単位で異なります。 ローパスフィルターを使用した受信信号から、差周波数の信号が分離されます。



局部発振器を備えた距離計の構造図の例。 M-レーザー変調信号発生器、G-局部発振器。



この変換における信号の位相差は変化しません。 その後、受信した低周波信号の位相差はデジタル方式で測定する方がはるかに簡単です-低速ADCで信号を簡単にデジタル化するか、カウンターを使用して信号間の遅延を測定できます（周波数が低下すると、著しく増加します）。 どちらの方法も、マイクロコントローラーに実装するのは非常に簡単です。



位相差を測定する別の方法があります-デジタル同期検出。 変調信号の周波数がそれほど高くない場合（15 MHz未満）、そのような信号はレーザー変調信号と同期した高速ADCによってデジタル化できます。 Kotelnikovの定理から、サンプリング周波数はレーザー変調周波数の2倍でなければなりません。 ただし、狭帯域信号はデジタル化されるため（変調周波数を除き、ADC入力には他の信号はありません）、サブサンプリング方法を使用できます。これにより、ADCのサンプリング周波数がメガヘルツの単位に著しく低下します。 レンジファインダーのアナログ部分が簡素化されていることは明らかです。

より詳細に（必要なすべての式を使用して）このメソッドは、 ここ（英語）とここ（ロシア語） で検討されます 。

最初の記事では、信号のサンプリング周波数（fsp）が変調周波数（fo）に次の関係で関連付けられている場合：



pが整数の場合、位相計算プロセスは大幅に簡素化されます。

信号X [i]のN個のサンプルを取得するだけで十分です。その後、次の式で位相差を計算できます。



上記の両方の方法がよく併用されることに注意してください-低周波信号は直接ADCに供給され、高周波信号はヘテロダイン変換により低周波領域に転送され、ADCにも供給されます。



これは、位相計の2番目のバージョンであり、10 MHzの変調周波数を使用して、レイアウトレンジファインダーに実装することにしました。

練習する

私の距離計の構造図：





実際、構造全体は、マイクロコントローラを備えたデバッグボード、レーザー自体を備えたレーザー信号増幅器、および増幅器とフィルターを備えた光検出器の3つの部分で構成されています。

上記の理論では、レーザー放射は正弦波信号によって変調されると想定されていました。 コントローラーを使用して周波数10 MHzのこのような信号を生成することは容易ではないため、私の設計では、10 MHzの方形波をレーザーに供給します。 光検出器からの信号を増幅した後、10 MHzの周波数に調整されたLCバンドパスフィルターによって受信信号から過剰な高調波がカットされ、正弦波に非常に近い信号がフィルター出力に現れます。



アナログ部分のスキーム（レーザー増幅器と受信部分）：



回路はロシア語で記述されたRonjaレーザー通信プロジェクトから取った。 このプロジェクトでは、選択された変調周波数に対応する10Mbitの速度でのデータ転送が実行されます。

図からわかるように、レーザーのパワーアンプは最も単純で、74HC04チップ（6個のインバーターを含む）に組み立てられています。 チップの組み込みは完全に正しいわけではありませんが、動作します。 レーザーを流れる電流は抵抗によって制限されます（これも最適なソリューションではありません）。 アンプの5V電源は、デバッグボードから取得されます。

アンプからの信号が回路の残りの部分に誘導されないように、アンプのハウジングは金属製で、すべてのワイヤはシールドされています。

レーザー自体（赤）はDVDライターから取得され、その出力は十分に高く設定でき、10 MHzの周波数で動作することが保証されています。



レシーバは、フォトダイオードと、電界効果トランジスタ上に組み立てられたアンプと、高速アンプチップで構成されています。 距離が長くなるとフォトダイオードの照度が大幅に低下するため、ゲインは非常に大きくする必要があります（この方式では、およそ4000に等しくなります）。 さらに、周波数が高くなると、フォトダイオードの出力での信号が著しく減少します（その容量に影響します）。 このデザインのアンプは、最も重要で最も不機嫌な部分です。 結局のところ、そのゲインは明らかに十分ではありません。 最初は、ゲインを変更できると仮定しました（大きすぎる場合に信号を減衰させるため）。使用する回路では、トランジスタの2番目のゲートの電圧を変更することでこれを行うことができます。 しかし、ゲインを変更すると、アンプによって導入された位相シフトが非常に大きく変化し、距離測定の精度が低下することが判明したため、バッテリーからトランジスタのゲートに3Vの電圧を印加して、ゲインを最大に設定する必要がありました。

レシーバーの動作には12Vの電圧が必要なため、別の電源ユニットを使用して電力を供給する必要があります。

アンプは外部干渉に非常に敏感であるため、シールドする必要があります。 動作しない光学センサーから完成したケースを取り出し、その中に増幅器を配置しました（白いストリップ-フォトダイオードの追加スクリーニング用のフォイル）：



レーザーからレシーバーへの信号のピックアップは、位相差の測定精度をかなり悪化させるため、このようなピックアップがないことを制御する必要があることに注意してください。



距離計で使用されるLCフィルターは受信機から取得されます。 フィルタは信号の一定成分を遮断し、ADCは負の信号を認識しないため、抵抗分割器R15、R16を使用して追加する必要があります。 分周器に供給されるDC電圧は、デバッグボード（VCC）から取得されます。



デバッグボード-STM32F4-DISCOVERY。 十分に異なる2つの周波数を生成するには、十分に高い周波数のジェネレーターが必要であるため、彼女はそれを選択しました（PLL STM32F4は100 MHzを超える周波数を与えることができます）。

変調周波数とサンプリング周波数に関する式では、6に等しい係数「p」を使用したため、10 MHzの変調周波数ではサンプリング周波数は1.6 MHzになります。



10 MHzの周波数を生成するには、PWM信号を生成するモードで動作するTIM2タイマーが使用されます。 160 MHzのシステム周波数では、その周期は16ティックです。

ADCは、TIM2タイマーから開始要求を受信します。 1.6 MHzの周波数を形成するには、その周期は100ティックです。 DMAを使用するADCからのすべてのデータは、サイズがN度で2に等しいアレイに格納されます。 両方のタイマー、ADC、およびDMAは、電源投入時に一度開始され、オフにはなりません。 したがって、タイマーは1つのソースからクロックされ、4つのデータサンプルが測定された信号の1つの周期に対応するため、整数の信号周期が常に配列に入ることがわかります。

DMAを停止することはお勧めできません（これによりデータキャプチャ制御が簡素化されます）ので、アレイの前半がいっぱいになると割り込みが生成されます。 アレイの半分がいっぱいであることが検出されると、コントローラーはその内容を別のアレイにコピーします（プログラムを簡素化するために、メインアレイの後半は使用されません）。 その後、受信データが処理されます。信号の平均振幅と位相が計算され、位相シフトが距離に再計算されます。

取得した値は、キャッシュボードからLCDインジケーターに表示され、これもデバッグボードに接続されます。



距離計は、参照がどこにあるかを知っている必要があります。 キャリブレーションするには、オンにすると、オブジェクトがレンジファインダーから「ゼロ」の距離に設置されます。その後、デバッグボード上のボタンを押す必要があり、測定されたレンジ値がメモリに書き込まれます。



前述したように、自動ゲイン制御を実装することはできませんでした。 この場合、受信信号の振幅が変化すると、増幅器の位相シフトが変化するため、追加のエラーが発生します。

そのため、サーボドライバーによって回転される機械的なダンパーを使用してフォトダイオードの照明を調整する必要がありました。照明が高すぎると、ダンパーが光束をブロックします。 ドライブを制御するためのPWM信号は、TIM3タイマーによって生成されます。



光学について。 それなしでは、距離計は不可能です。 そのデザインは下の写真ではっきりと見えます。 レーザーは垂直に取り付けられたプラスチックチューブ内にあります。 ミラープリズムの付いた小さなスリーブが挿入されます。 スリーブは回転、上昇、下降することができ、レーザービームを動かすことができます。 十分なゲインがないことがわかっていたため、信号を受信するために大きなフレネルレンズを使用しました。

レーザー、レンズ、フォトダイオードが整列しているため、レーザーはフォトダイオードからの独自のビームを近い距離で閉じます。 この効果を補うために、2番目のレンズ（フレーム付きの虫眼鏡）を取り付けましたが、この効果は完全には除去されないため、レーザーから約50-70 cmの距離で最大信号が観察されます。



そして、結果のデザインの写真は次のとおりです。



インジケータでは、最初の数値はADC単位の振幅、2番目の数値はボードの端からのセンチメートル単位の距離です。











距離計操作ビデオ：





結果として得られる距離計の動作範囲は非常に小さくなりました：オブジェクトの反射係数に応じて、1.5-2 m。

範囲を広げるために、特別なリフレクターを使用できます。このリフレクターはレーザービームを向ける必要があります。

実験のために、焦点がマット紙であるレンズで構成されるレンズ反射板を作成しました。 この設計は、光が放出された場所から同じポイントに光を反射しますが、ビーム径は大きくなります。

リフレクターの写真：





リフレクターを使用する：



ご覧のとおり、反射板までの距離は6.4メートルです（実際には約6.3メートルでした）。 この場合、信号は非常に大きくなるため、レーザービームをリフレクターのエッジに向けることで信号を弱める必要があります。



結果として得られる距離計の精度は1〜2センチメートルで、これは位相シフトの測定精度-0.2〜0.5度に相当します。 同時に、そのような精度を達成するには、データの平均化が長すぎる必要があります。1回の測定に0.5秒かかります。 これはおそらく、PLLを使用して信号を生成しているためであり、かなり大きなジッタがあります。 私は、アナログ部分がかなり不細工に作られている自家製のレイアウトでは、かなり長い配線があり、そのような精度であってもかなり良いと信じています。

私は、インターネット上で位相設計の既存のプロジェクトを（設計図があっても）見つけることができなかったことに注意します。これがこの記事を書く理由でした。



コントローラープログラム： リンク