相位式激光测距仪全套方案

描述：

相位式激光测距仪与脉冲式激光测距仪功能是一样的，都是为了测距，但是应用的原理却不一样。相位法原理：从物体反射的辐射被光电探测器接收，其相位与来自激光的参考信号的相位进行比较。波传播中存在延迟会产生相移，由测距仪测量。
距离由以下公式确定：
 

其中c是光速，f是激光的调制频率，phi是相移。
这个公式只有在到物体的距离小于调制信号波长的一半时才有效，这等于c/2f.

如果调制频率为10MHz，那么测得的距离可以达到15米，当距离从0到15米变化时，相位差将从0到360度变化。在这种情况下，将相移改变1度对应于物体的运动约4厘米，

当超过该距离时，会产生模糊性 - 无法确定测量距离中适合多少波周期。为了解决歧义，切换激光器的调制频率，然后求解所得方程组。

最简单的情况是使用两个频率，在低频下大致确定到物体的距离（但最大距离仍然有限），在高频率下确定距离以期望的精度-与测量相移的精度相同，当使用高频时，测量距离的精度会明显更高。

由于有相对简单的方法可以高精度地测量相移，因此在这种测距仪中测量距离的精度可以达到0.5 mm.这是测距仪中使用的相位原理，需要高精度的测量仪 - 大地测量仪，激光卷尺测量仪，安装在机器人上的扫描测距仪。然而，该方法有缺点 - 持续工作的激光器的辐射功率明显小于脉冲激光器的辐射功率，这不允许使用相位测距仪来测量长距离。此外，以所需精度测量相位可能需要一些时间，这限制了设备的速度。激光测距仪（Laser rangefinder）是利用激光的飞行时间（ToF）实现对目标距离测量的仪器，可以满足日常生活和工业自动化等基本测量要求，例如距离测量、面积测量、体积测量、高度追踪等。

方案：

本套方案包含原理图+pcb+源代码+光学部分资料+元件供应商+bom+调试指南等。激光测量比超声波测量更加精准，且较不易受到外界干扰，但需要复杂且快速的计算，因此需搭配32位Arm Cortex-M0+核心的STM32F030C8T6 MCU。

图1. 激光测距原理框图

方案采用相位法，测量激光往返所産生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光往返测线所需的时间，理论测量精度可达到mm量级。

本方案采用3.3V电源供电，精度+-1.5mm，量程0.2m~60m，带TTL/RS485接口。

硬件设计

激光测距仪由主控板、激光接收板和光学部分组成，主控板MCU爲STM32F030C8T6，负责控制激光发射与接收，并计算出测距仪与物体之间的距离，激光接收板主要负责激光回波信号的接收与放大，将放大后的信号送回主控MCU。本激光测距仪采用相位测量法，因此使用两颗激光发射头(内、外光路)，并由同一接收头接收激光的回波信号，通过内、外两路不同的激光信号相位差可推算出测距仪与物体之间的距离，当测距仪与物体之间距离较短时，内、外光路的相位差值较小，反之若物体较远时，内、外光路的相位差值会增加。相位计算需使用到快速傅里叶变换(FFT算法已集成在软件工程里面)，并使用多个不同频率对同一距离的待测物进行测量，才可取得准确的距离。

图2发射板原理图

图3发射板PCB正面

图4发射板PCB反面

图5发射板3D效果图正面

图6发射板3D效果图反面

图7接收板原理图

图8接收板PCB

图9光学结构架子

审核编辑 黄昊宇