Самодельный фазовый лазерный дальномер / Хабр
В статье я расскажу о том, как я делал лазерный дальномер и о принципе его работы. Сразу отмечу, что конструкция представляет собой макет, и ее нельзя использовать для практического применения. Делалась она только для того, чтобы убедится в том, что фазовый дальномер реально собрать самому.Теория
Часто приходится встречать мнение, что с помощью лазера расстояние измеряют только путем прямого измерения времени «полета» лазерного импульса от лазера до отражающего объекта и обратно. На самом деле, этот метод (его называют импульсным или времяпролетным, TOF) применяют в основном в тех случаях, когда расстояния до нужного объекта достаточно велики (>100м). Так как скорость света очень велика, то за один импульс лазера достаточно сложно с большой точностью измерить время пролета света, и следовательно, расстояние. Свет проходит 1 метр примерно за 3.3 нс, так что точность измерения времени должна быть наносекундная, хотя точность измерения расстояния при этом все равно будет составлять десятки сантиметров.
Однако существуют и другие лазерные методы изменения расстояния, одним из них является фазовый. В этом методе, в отличие от предыдущего, лазер работает постоянно, но его излучение амплитудно модулируется сигналом определенной частоты (обычно это частоты меньше 500МГц). Отмечу, что длина волны лазера при этом остается неизменной (она находится в пределах 500 — 1100 нм).
Отраженное от объекта излучение принимается фотоприемником, и его фаза сравнивается с фазой опорного сигнала — от лазера. Наличие задержки при распространении волны создает сдвиг фаз, который и измеряется дальномером.
Расстояние определяется по формуле:
Где с — скорость света, f — частота модуляции лазера, фи — фазовый сдвиг.
Эта формула справедлива только в том случае, если расстояние до объекта меньше половины длины волны модулирующего сигнала, которая равна с / 2f.
Если частота модуляции равна 10МГц, то измеряемое расстояние может доходить до 15 метров, и при изменении расстояния от 0 до 15 метров разность фаз будет меняться от 0 до 360 градусов. Изменение сдвига фаз на 1 градус в таком случае соответствует перемещению объекта примерно на 4 см.
При превышении этого расстояния возникает неоднозначность — невозможно определить, сколько периодов волны укладывается в измеряемом расстоянии. Для разрешения неоднозначности частоту модуляции лазера переключают, после чего решают получившуюся систему уравнений.
Самый простой случай — использование двух частот, на низкой приблизительно определяют расстояние до объекта (но максимальное расстояние все равно ограничено), на высокой определяют расстояние с нужной точностью — при одинаковой точности измерения фазового сдвига, при использовании высокой частоты точность измерения расстояния будет заметно выше.
Так как существуют относительно простые способы измерять фазовый сдвиг с высокой точностью, то точность измерения расстояния в таких дальномерах может доходить до 0.
5 мм. Именно фазовый принцип используется в дальномерах, требующих большой точности измерения — геодезических дальномерах, лазерных рулетках, сканирующих дальномерах, устанавливаемых на роботах.
Однако у метода есть и недостатки — мощность излучения постоянно работающего лазера заметно меньше, чем у импульсного лазера, что не позволяет использовать фазовые дальномеры для измерения больших расстояний. Кроме того, измерение фазы с нужной точностью может занимать определенное время, что ограничивает быстродействие прибора.
Наиболее важный процесс в таком дальномере — это измерение разности фаз сигналов, которая и определяет точность измерения расстояния. Существуют различные способы измерения разности фаз, как аналоговые, так и цифровые. Аналоговые значительно проще, цифровые дают большую точность. При этом цифровыми методами измерить разность фаз высокочастотных сигналов сложнее — временная задержка между сигналами измеряется наносекундами (эта задержка возникает также, как и в импульсном дальномере).
Для того, чтобы упростить задачу, используют гетеродинное преобразование сигналов — сигналы от фотоприемника и лазера по отдельности смешивают с сигналом близкой частоты, который формируется дополнительным генератором — гетеродином. Частоты модулирующего сигнала и гетеродина различаются на килогерцы или единицы мегагерц. Из полученных сигналов при помощи ФНЧ выделяют сигналы разностной частоты.
Пример структурной схемы дальномера с гетеродином. М — генератор сигнала модуляции лазера, Г — гетеродин.
Разность фаз сигналов в таком преобразовании не изменяется. После этого разность фаз полученных низкочастотных сигналов измерить цифровыми методами значительно проще — можно легко оцифровать сигналы низкоскоростным АЦП, или измерить задержку между сигналами (при понижении частоты она заметно увеличивается) при помощи счетчика. Оба метода достаточно просто реализовать на микроконтроллере.
Есть и другой способ измерения разности фаз — цифровое синхронное детектирование.
Если частота модулирующего сигнала не сильно велика (меньше 15 МГц), то такой сигнал можно оцифровать высокоскоростным АЦП, синхронизированным с сигналом модуляции лазера. Из теоремы Котельникова следует, что частота дискретизации при этом должна быть в два раза выше частоты модуляции лазера. Однако, так как оцифровывается узкополосный сигнал (кроме частоты модуляции, других сигналов на входе АЦП нет), то можно использовать метод субдискретизации, благодаря которому частоту дискретизации АЦП можно заметно снизить — до единиц мегагерц. Понятно, что аналоговая часть дальномера при этом упрощается.
В первой статье указывается, что если частота дискретизации сигнала (fsp) связана с частотой модуляции (fo) следующим соотношением:
где p — целое число, то процесс вычисления фазы значительно упрощается.
Достаточно взять N выборок сигнала X[i], после чего разность фаз можно вычислить по следующим формулам:
Отмечу, что оба вышеуказанных метода часто применяются вместе — низкочастотные сигналы подаются напрямую на АЦП, высокочастотные переносятся в область более низких частот за счет гетеродинного преобразования, и также подаются на АЦП.
Именно второй вариант фазометра, с использованием частоты модуляции 10МГц я и решил реализовать в своем макете дальномера.
Практика
Структурная схема моего дальномера:
Фактически, вся конструкция состоит из 3 частей — отладочной платы с микроконтроллером, усилителя сигнала лазера с самим лазером, и фотоприемника с усилителем и фильтром.
В вышеописанной теории предполагалось, что излучение лазера модулируется синусоидальным сигналом. Сформировать такой сигнал частотой 10Мгц с использованием контроллера непросто, поэтому в своей конструкции я подаю на лазер меандр частотой 10МГц. После усиления сигнала с фотоприемника от полученного сигнала отсекаются лишние гармоники полосовым LC-фильтром, настроенным на частоту 10МГц, в результате чего на выходе фильтра возникает сигнал, очень близкий к синусоидальному.
Схема аналоговой части (усилителя лазера и приемной части):
Схема была взята из проекта лазерной связи Ronja, описание на русском.
Как видно из схемы — усилитель мощности для лазера простейший, собран на микросхеме 74HC04 (содержит 6 инверторов). Включение микросхемы не совсем корректное, но оно работает. Ток через лазер ограничивается резисторами (тоже не самое лучшее решение). Напряжение питания 5В для усилителя берется с отладочной платы.
Для того, чтобы сигнал с усилителя не наводился на остальную часть схемы, корпус усилителя сделан металлическим, все провода экранированы.
Сам лазер (красного цвета) взят из пишущего DVD-привода, его мощность можно установить достаточно высокой, и он гарантированно будет работать на частоте 10МГц.
Приемник состоит из фотодиода и усилителя, собранного на полевом транзисторе и микросхеме-высокоскоростном усилителе. Так как с увеличением расстояния освещенность фотодиода сильно падает, то усиление должно быть достаточно большим (в этой схеме оно примерно равно 4000).
Приемнику для работы требуется напряжение 12В, так что для его питания приходится использовать отдельный блок питания.
Усилитель очень чувствителен к внешним наводкам, так что он тоже должен быть экранированным. Я взял готовый корпус от нерабочего оптического датчика, и разместил усилитель в нем (белая полоска — фольга для дополнительного экранирования фотодиода):
Отмечу, что наводка сигнала от лазера на приемник довольно сильно ухудшает точность измерения разности фаз, так что нужно контролировать, чтобы такая наводка отсутствовала.
LC-фильтр, используемый в дальномере — взят от приемника. Так как фильтр отсекает постоянную составляющую сигнала, а АЦП отрицательные сигналы не воспринимает, то ее приходится добавлять при помощи резисторного делителя R15, R16. Постоянное напряжение, подаваемое на делитель, берется c отладочной платы (VCC).
Отладочная плата — STM32F4-DISCOVERY. Ее выбрал потому, что для формирования двух достаточно различающихся частот нужен генератор достаточно высокой частоты (PLL STM32F4 может давать частоты больше 100МГц).
В формуле, связывающей частоту модуляции и дискретизации, коэффициент «p» я принял равным 6, так что при частоте модуляции 10МГц частота дискретизации должна быть 1.6МГц.
Для формирования частоты 10МГц используется таймер TIM2, работающий в режиме формирования ШИМ сигнала. При системной частоте 160МГц его период — 16 «тиков».
АЦП получает запросы на запуск от таймера TIM8. Для формирования частоты 1.6МГц его период — 100 «тиков». Все данные от АЦП при помощи DMA сохраняются в массив, размер которого должен быть равен двойке в N степени.
Оба таймера, АЦП и DMA запускаются один раз при включении и больше уже не отключаются. Таким образом, так как таймеры тактируются от одного источника, а одному периоду измеряемого сигнала соответствуют четыре выборки данных, получается, что в массив всегда попадет целое число периодов сигнала.
Так как останавливать DMA не желательно (это упрощает управление захватом данных), при заполнении первой половины массива генерируется прерывание. Обнаружив, что половина массива заполнена, контроллер копирует ее содержимое в другой массив (в целях упрощения программы вторая половина основного массива при этом не используется). После этого полученные данные обрабатываются — вычисляется средняя амплитуда и фаза сигнала, проводится пересчет фазового сдвига в расстояние.
Полученные величины выводятся на ЖК индикатор от кассового аппарата, также подключенный к отладочной плате.
Дальномер должен знать где находится начало отсчета. Для его калибровки при включении на «нулевом» расстоянии от дальномера устанавливается объект, после чего на отладочной плате нужно нажать кнопку, при этом измеренное значение дальности записывается в память, после чего это значение будет вычитаться из измеренной дальномером дальности.
Как я уже отмечал выше, реализовать автоматическое управление усилением не удалось. При этом изменение амплитуды принятого сигнала приводит к изменению фазовых сдвигов в усилителе, и следовательно, к дополнительным ошибкам.
Поэтому мне пришлось регулировать освещенность фотодиода при помощи механической заслонки, поворачиваемой сервоприводом — при слишком большой освещенности заслонка перекрывает световой поток. ШИМ сигнал для управления приводом формируется таймером TIM3.
Про оптику. Без нее дальномер невозможен. Ее конструкция хорошо видна на фотографиях ниже. Лазер находится внутри пластиковой трубки, установленной вертикально. В нее вставлена небольшая втулка с зеркальной призмой. Втулку можно поворачивать, поднимать и опускать, перемещая таким образом луч лазера. Так как я догадывался, что усиления не хватит, то для приема сигнала использовал крупную линзу Френеля.
Так так лазер, линза и фотодиод установлены соосно, то на близких расстояниях лазер закрывает от фотодиода собственный луч.
Для компенсации этого эффекта я установил вторую линзу (лупа с оправой), хотя полностью эффект не устраняется, поэтому максимальный сигнал наблюдается на расстоянии примерно 50-70 см от лазера.
А вот и фотографии получившейся конструкции:
На индикаторе первое число — амплитуда в единицах АЦП, второе число — расстояние в сантиметрах от края доски.
Видео работы дальномера:
Дальность работы у получившегося дальномера вышла достаточно небольшая: 1,5-2 м в зависимости от коэффициента отражения объекта.
Для того, чтобы увеличить дальность, можно использовать специальный отражатель, на который нужно будет направлять луч лазера.
Для экспериментов я сделал линзовый отражатель, состоящий из линзы, в фокусе которой расположена матовая бумага. Такая конструкция отражает свет в ту же точку, откуда он был выпущен, правда, диаметр луча при этом увеличивается.
Фотография отражателя:
Использование отражателя:
Как видно, расстояние до отражателя — 6.
4 метра (в реальности было примерно 6.3). Сигнал при этом возрастает настолько, что его приходится ослаблять, направляя луч лазера на край отражателя.
Точность получившегося дальномера — 1-2 сантиметра, что соответствует точности измерения сдвига фаз — 0,2-0,5 градуса. При этом, для достижения такой точности, данные приходится слишком долго усреднять — на одно измерение уходит 0.5 сек. Возможно, это связано с использованием PLL для формирования сигналов — у него довольно большой джиттер. Хотя я считаю, что для самодельного макета, аналоговая часть которого сделана довольно коряво, в котором присутствуют достаточно длинные провода, даже такая точность — довольно неплохо.
Отмечу, что я не смог найти в Интернете ни одного существующего проекта фазового дальномера (хотя бы со схемой конструкции), что и послужило причиной написать эту статью.
Программа контроллера: ссылка
UPD: Моя статья про реверс-инжиниринг лазерной рулетки, которая тоже использует фазовый метод измерения расстояния: habr.
com/ru/articles/327642
Лазерный дальномер CONDTROL Smart 40 ‘1-4-097
Каталог товаров
Каталог товаров
Оплата заказа по номеру
Введите номер заказа для оплаты
Описание
Лазерный дальномер CONDTROL Smart 40 1-4-097 предназначен для измерения длины, расчета площади и объема, вычисления по теореме Пифагора. Он подходит для работы как внутри, так и снаружи помещений на расстоянии до 40 метров. Прибор отличается ударопрочным корпусом, а также простым управлением с помощью всего лишь трех кнопок. Прибор имеет черно-белый дисплей, что позволяет легко считывать данные даже на ярком солнце.
Под заказ: доставка до 7 дней 3163 ₽
Бокситогорск
Выра
Заполье
Лосево
Морозова
Мурино
Ново-Токсово
Песочный
Романовка
Рощино МЦ
Токсово
Черемыкино
В наличии 3163 ₽
Васкелово (2)
Великий Новгород (2)
Волхов (2)
Выборг (1)
Вырица (4)
Гатчина (2)
Грузино (2)
Зеленогорск (2)
Кингисепп (2)
Кириши (2)
Кировск (2)
Колпино (2)
Колтуши (2)
Коммунар (2)
Лодейное Поле (2)
Луга (2)
Отрадное (2)
Приозерск (2)
Псков (2)
Рощино (1)
Всеволожск (2)
Сестрорецк (2)
Сиверский (2)
Сланцы (2)
Сосново (2)
Сосновый Бор (2)
Тихвин (2)
Тосно (2)
Ульяновка (2)
Характеристики
- Размеры
Длина:
110 мм
Ширина:
50 мм
Высота:
30 мм
- Размеры в упаковке
Длина упаковки:
110 мм
Высота упаковки:
30 мм
Ширина упаковки:
50 мм
- Вес, объем
Вес нетто:
0.
2 кгВес брутто:
0.2 кг
- Другие параметры
Страна происхож.:
Китай
Торговая марка:
CONDTROL
Производитель:
CONDTROL
2 кгОтзывы
Пока никто не оставил отзыв о товаре.
Авторизуйтесь! И будьте первым!
Характеристики
Торговый дом “ВИМОС” осуществляет доставку строительных, отделочных материалов и хозяйственных товаров. Наш автопарк — это более 100 единиц транспортных стредств. На каждой базе разработана грамотная система логистики, которая позволяет доставить Ваш товар в оговоренные сроки. Наши специалисты смогут быстро и точно рассчитать стоимость доставки с учетом веса и габаритов груза, а также километража до места доставки.
Заказ доставки осуществляется через наш колл-центр по телефону: +7 (812) 666-66-55 или при
заказе товара с доставкой через интернет-магазин.
Расчет стоимости доставки производится
согласно тарифной сетке, представленной ниже. Точная стоимость доставки определяется после
согласования заказа с вашим менеджером.
Уважаемые покупатели! Правила возврата и обмена товаров, купленных через наш интернет-магазин регулируются Пользовательским соглашением и законодательством РФ.
- Возврат товара надлежащего качества
- Возврат и обмен товара ненадлежащего качества
ВНИМАНИЕ! Обмен и возврат товара надлежащего качества возможен только в случае, если указанный товар не был в употреблении, сохранены его товарный вид, потребительские свойства, пломбы, фабричные ярлыки, упаковка.
Доп. информация
Цена, описание, изображение (включая цвет) и инструкции к
товару Лазерный дальномер CONDTROL Smart 40 ‘1-4-097 на сайте носят информационный
характер и не являются публичной офертой, определенной п.
2 ст. 437 Гражданского
кодекса Российской федерации. Они могут быть изменены производителем без предварительного
уведомления и могут отличаться от описаний на сайте производителя и реальных характеристик
товара. Для получения подробной информации о характеристиках данного товара обращайтесь
к сотрудникам нашего отдела продаж или в Российское представительство данного
товара, а также, пожалуйста, внимательно проверяйте товар при покупке.
Купить Лазерный дальномер CONDTROL Smart 40 ‘1-4-097 в магазине Всеволожск вы можете в интернет-магазине “ВИМОС”.
Сертификаты
ДС Smart, XP.pdf
Лазерные дальномеры для любых задач
Дом Продукты Лидарные технологии
РекомендоватьFacebook Twitter LinkedIn
Наши лазерные дальномеры быстро и точно измеряют дистанцию до несговорчивых целей даже в самых сложных условиях измерения и видимости.
Лазерные дальномеры от Jenoptik предоставляют быстрые и точные данные о расстоянии, в то же время предлагая большой диапазон измерения — даже в сложных условиях измерения. Даже в условиях плохой видимости и при экстремальных температурах приборы быстро и надежно измеряют дистанцию до несговорчивых целей. Это позволяет вам немедленно оценивать ситуации и реагировать на угрозы быстро и надлежащим образом.
Чрезвычайно маленькие и легкие модули диодного лазерного дальномера из серии DLEM идеально подходят для интеграции в портативные устройства, а мощные твердотельные лазерные дальномеры из серии ELEM могут использоваться в ваших стационарных и мобильных системах, охватывающих большие расстояния измерения в несколько километров. Благодаря компактной конструкции и стандартным интерфейсам все модули могут быть легко интегрированы в системы заказчика .
Наши лазерные дальномеры работают с длиной волны 1,54 – 1,55 мкм.
Устройства безопасен для глаз и не может быть обнаружен обычными приборами ночного видения, оснащенными усилителями изображения. Все устройства DLEM, ELEM и NYXUS Rangechecker отличаются легкой, компактной и прочной конструкцией .
На протяжении десятилетий Jenoptik является экспертом в области лазерных технологий, оптики, электроники и механических систем, составляющих лазерный дальномер. С нашими модулями лазерного дальномера мы поставляем основные компоненты компактных военных мультисенсорных решений и, благодаря нашему объединенному опыту, мы являемся одним из ведущих производителей в этом секторе. Наша продукция успешно используется во всем мире.
Преимущества
- Уникальный ассортимент продукции: Ручные лазерные дальномеры, а также модули лазерных дальномеров для интеграции в ваши портативные, мобильные и стационарные системы, например, оптические системы наблюдения, прицелы, мультисенсорные платформы.
- Технически совершенный: Более 40 лет опыта в области военного лазерного дальномера.
- Мощный, точный и надежный: лазерные дальномеры обеспечивают быстрые и точные результаты измерений в любое время.
- Простота интеграции : Благодаря компактной конструкции и стандартным интерфейсам вы можете легко интегрировать лазерные дальномеры в существующие устройства и системы.
Области применения
- Защитная техника: Наблюдение и измерение расстояний, напр. для корректировщиков.
- Пограничная служба и полиция: Идентификация и измерение расстояния.
- Производители сенсорных платформ и оптоэлектроники для оружия: Сенсорные системы для самолетов и дронов, дистанционно управляемые системы защиты, системы управления огнем, военные наземные транспортные средства и корабли.
- Производители прицелов: Лазерные дальномеры для дополнения или модернизации оптических прицелов и навесных систем.
- Производители приборов наблюдения: Интеграция в портативные системы наблюдения.
Выберите лазерный дальномер, соответствующий вашим задачам и требованиям:
Модули лазерного дальномералегко интегрируются в вашу систему и наиболее надежно измеряют большие расстояния до цели.
узнать больше
Модули твердотельного лазерного дальномера для быстрого и точного измерения расстояния до объектов до 40 километров.
узнать больше
Компактные энергосберегающие диодные лазерные дальномеры, идеально подходящие для интеграции в портативные электрооптические устройства.
Узнать больше
Лазерный дальномер TruPulse® 200X | Laser Tech
Обзор Видео Загрузки Основные приложения Ключевая особенность Характеристики
Обзор
Лазерный дальномер TruPulse ® 200X обеспечивает высокоточные измерения для профессионалов, работающих в сложных полевых условиях. Измерьте расстояние по склону и угол наклона и рассчитайте горизонтальное расстояние, вертикальное расстояние, высоту и значения недостающих линий 2D.
Модель 200X оснащена встроенным светодиодным дисплеем, который легко адаптируется к изменяющимся условиям освещения. Повышенная точность наклона и расстояния делают этот лазерный дальномер самым прогрессивным продуктом в линейке TruPulse.
Воспользуйтесь расширенными режимами наведения Laser Tech (самый близкий, самый дальний, непрерывный и фильтр) и технологией TruTargeting, чтобы точно знать, какой уровень точности достигается.
TruPulse 200X может выдерживать суровые условия благодаря прочному водонепроницаемому корпусу и беспроводной связи Bluetooth ® с большинством iPhone, устройств Windows и/или операционных систем Android™.
iPhone ® является зарегистрированным товарным знаком Apple Inc. Android является товарным знаком Google LLC. Bluetooth 9Словесный знак 0097 ® и логотипы являются зарегистрированными товарными знаками, принадлежащими Bluetooth SIG, Inc., и любое использование таких знаков компанией Laser Tech осуществляется по лицензии. Другие товарные знаки и торговые наименования принадлежат их соответствующим владельцам.
×
Видео
Откройте для себя: модели лазерных дальномеров TruPulse
Изучите и проанализируйте различия каждой модели лазерного дальномера TruPulse и раскройте расчеты и процедуры, которые вы можете производить в полевых условиях.
Возможности лазерного дальномера TruPulse
Откройте для себя многочисленные измерения и процедуры, которые вы можете выполнять прямо в полевых условиях с помощью лазерного дальномера TruPulse.
