基于LabVIEW的相位式激光测距系统的软件设计与实现

蔡薇，李昆

(1.中航发动机有限责任公司，北京100028;2.中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

无论是航空、航天、兵器等国防军工领域，还是大地、工程测量等民用领域，对长度和距离的测量都是必不可少的。工业中常见的是激光测距法。激光测距法按测量原理的不同，分为相位式测距法和脉冲式测距法两种［1］。较脉冲式测距法，在小于1 km的测量范围内，相位式测距法有着更出色的测量效果，工程应用中也能满足大部分测量要求。

传统的相位式激光测距系统，多采用CPLD，FPGA或ARM等嵌入式处理器配合相应的开发语言 (如Verilog HDL，VHDL，C，C++)完成程序控制和数据处理，但设计中往往有硬件电路复杂、工作量大等问题。

基于LabVIEW的相位式激光测距系统，将相关嵌入式控制器和硬件电路虚拟化，不仅可以灵活定制成相位式激光测距系统仪器化的操作界面，大大简化测量系统的硬件电路结构，节约研制过程成本，更是能缩小项目开发周期，提高研发效率。

1 相位测距法基本原理

相位测距法是一种利用被调制光信号在发射端与接收端间的相位差关系来定量分析出被测距离量的测量方法。具体计算公式［2］为

式中:c为光速;t为调制光在被测距离间往返时间;Δφ为发射端与接收端间的相位差;f为调制激光频率;λ为调制激光的波长。

相位式激光测距示意图如图1所示，A为调制光的发射端，B为探测单元的接收端。设发射光信号在A端的相位为φA，接收光在B端的相位为φB，则相位差Δφ =φB－ φA。Δφ 又可以表示为［3］

式中:N1为相位差中包含的的整数倍;Δφ1为非整周期相位的尾数;ΔN1=Δφ1/2π。

相位式激光测距可认为是用长度为λ的激光波长去测量距离L。ΔN1可由测量数据计算而来，但并不是一个定值，计算中常有多解，因此实际应用中采取用一组 (两个或者两个以上)调制频率，高频调制频率用来保证测量距离的精度，低频调制频率用来保证测量距离的范围，从而得到准确的测量值［4］。

图1 相位式激光测距示意图

2 基于FPGA的相位式测距系统的传统设计方案

基于FPGA的传统相位式激光测距系统结构如图2所示，DDS在FPGA的控制下产生主振信号和本振信号，从而控制激光发射单元发射出特定波长的连续光波信号，接收单元通过光电转换系统接收携带有距离信息的信号，经ADC变换后进入FPGA。

图2 基于FPGA的相位式激光测距系统示意图

两路接收回波信号进入FPGA后，先经FIR滤波器滤波，然后分别与本振信号A和本振信号B进行混频处理，再加上两路主振信号与本振信号混频，共四路混频信号，四路混频信号经低通滤波器滤波后，滤去高频信号，剩下的低频差频信号进入差频测相单元，最终结果送入FPGA，FPGA将处理数据传输至LCD显示。

传统相位式激光测距系统工作频率高，增益大，易自激和受干扰，尤其复杂的硬件所带来的各类噪声成为限制测距精度和稳定性的主要原因。

3 基于LabVIEW的相位式测距系统的设计方案

3.1 系统总体结构设计

利用LabVIEW易于开发和强大的数据处理能力，本测量系统采用图形化语言编写控制程序和数据处理程序，基于LabVIEW的相位式激光测距系统的总体结构设计方案如图3所示。

图3 基于LabVIEW的相位式激光测距系统示意图

该测距系统主要由发射单元、探测单元、外围电路单元和数据处理单元4部分组成。其中，发射单元、探测单元及其光学元件共同组成了光学测量头［5］;外围电路单元主要是由LabVIEW程序控制的电压输出模块和电压输入模块组成。发射单元在LabVIEW程序控制下，激光发光管发出连续光，经过距离2L后，光信号进入探测单元，经过信号调理电路后，由数据采集卡对检测信号采集，送入PC机，由LabVIEW软件进行差频测相，从而将携带有被测目标距离信息的信号计算出来，并将测量数据实时显示，总体程序流程图如图4所示。

图4 总体程序流程图

3.2 系统软件的实现

基于LabVIEW的相位式激光测距系统，是将相关嵌入式控制器和硬件电路虚拟化，用灵活可定制的软件来取代硬件的自动化综合应用系统。整个系统软件主要分为程序用户登录程序、测距系统应用程序和数据库管理程序三部分。

1)程序用户登录程序

世人皆好责人而非责己。在“异常人”的眼中：别人都是豆腐渣，唯有自己是一朵花。“正常人”则不然。他宽以待人，严于律己。金无足赤，人无完人。“正常人”敢于解剖自己，善于反省自己。他做人的信条是：只有敢于袒露自己心声的人，才值得信赖，也才有资格评判他人！

程序用户登录界面作为程序的原始入口，主要是方便管理员对操作人员的监督和管理。

2)测距系统应用程序

测距系统的应用程序是系统的核心部分，主要实现对频率信号产生单元的控制和完成对原始信号的差频测相处理，界面及LabVIEW程序框图分别如图5、图6所示。

图5 测距系统应用界面

图6 测距系统应用界面LabVIEW程序框图

电压输出模块在LabVIEW频率信号产生程序控制下，产生高精度方波主振信号，用于光调制。在相位式激光测距中，通过比较发射端的初始信号与接收端的反馈信号，取得两者间的相位差信息，然后用高频填充脉冲对相位差信号进行计数，最后通过计算脉冲数得到准确的相位差信息。设调制光频率为f，高频填充脉冲频率为fc，假设一个周期内的计数脉冲值为M，则相位差为:Δφ=2πMf/fc。实际应用中，通常采用多个周期计数求平均的方法，用来减小偶然误差，提高鉴相精度［6］。差频测相原理如图7所示，若N个周期的计数脉冲值为M'，则Δφ=2πM'f/(Nf)c。

图7 差频测相原理图

差频测相单元是相位式激光测距系统数据处理的关键部分，整个数据处理由LabVIEW程序完成，差频测相单元组成框图如图8所示。

图8 差频测相单元组成框图

3)数据库管理程序

图9 数据库管理系统框图

4 实验仿真结果与分析

在理想状态下，整个系统的测距分辨力主要由调制激光频率、混频输出频率和数字测相过程的高频填充频率决定。其估算公式［6］为

式中:Δ为测距分辨力;c为光速;fs为激光发射波调制频率 (主振频率);f1为混频信号频率;fp为填充的高频脉冲 (测相脉冲)频率。由公式 (3)可得激光调制频率与测距系统理论分辨力的关系，表1中给出了两种激光调制频率对应的测距分辨力。

表1 激光调制频率与系统理论分辨力

本仿真实验中，主振频率为40 MHz，本振频率为40.04 MHz，根据公式 (1)可得相应的测距模糊距离(可测量距离最大值)为3.75 m;用于测相的差频信号频率为10 kHz，高频填充测相脉冲频率为10 MHz，由表1可知，本实验系统在理想条件下测量分辨力为3.75 mm。

实际应用中，由于电子元器件特性限制、各类噪声影响以及现实环境因素的干扰，使得应用效果不可能达到理想精度。为验证本系统的控制程序和数据处理功能，本仿真实验选取了4组不同相位差，仿真实验软件界面如图10所示，仿真实验数据表如表2所示。

图10 相位式激光测距系统仿真实验界面

表2 仿真实验数据表

根据仿真实验对比数据可知，基于LabVIEW的相位式激光测距系统不仅可以独立有效的执行信号处理和解调的全部功能，同时测量也非常精确、可靠。

5 结论

本文依据相位式激光测距原理，运用LabVIEW软件编写控制和数据处理程序，完成了相位式激光测距的仿真实验，并且能够有效地解决传统相位式激光测距系统的硬件电路复杂、工作量大的问题。

与开发复杂的信号处理程序相比，LabVIEW软件本身有多种专用信号处理函数模块，灵活调用应用函数模块，使得开发更加简便、高效。准确、直观、便捷的显示和操控界面，可大大降低测试人员的工作量和业务难度。

本文所论述的基于LabVIEW的相位式激光测距系统是一个初步方案，为提高系统的性能，在LabVIEW程序优化和测试数据误差分析等方面还需做进一步的研究。

［1］王秀芳，王江，杨向东，等.相位激光测距技术研究概述［J］.激光杂志，2006，27(2):4－5.

［2］施金钗，黄元庆.相位式半导体激光测距关键技术的研究［D］.厦门:厦门大学.2008.

［3］ Poujouly S，Joumet B，Miller D．1aser range finder based onfully digital phase－shift measurement［C］ //Proceedings of the 16th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference. ［s.l.］:1999，3:1773－1776．

［4］李中方，李新碗，杨潘，等.相位式光纤测量电路系统的设计与实现 ［J］.电子技术，2011(2):1－3.

［5］胥俊丞，曾晓东.新型相位激光测距仪的研究［D］.西安:西安电子科技大学，2008.

［6］张志勇，张靖等.一种快速、高精度激光相位测距方法的研究 ［J］.仪器仪表学报，2005，26(8):51－52.