相位测距[五篇材料]

第一篇：相位测距

基于高精度测距的APD接收电路设计

相位式测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，间接地测定信号传播时间，从而得到被测距离的。这种方法测量精度高，通常在毫米量级。

2.1相位式激光测距技术

2.1.1基本原理

相位式激光测距的基本原理框图如图所示：

相位法激光测距基本原理图

它由激光发射系统、角反射器、接收系统、综合频率系统、混频鉴相系统和计数显示系统等组成。角反射器是一种三个反射面之间互成90°的光学棱镜，90°角要求有误差小于± 2 ''的加工精度；它可以把射来的光线按原方向反射回去，即一个入射光射入后，不论入射角如何，经角反射器棱镜反射后的光线与入射光线平行。

相位法激光测距技术就是利用发射的调制光和被目标反射的接收光之间光波的相位差所包含的距离信息来实现对被测目标距离量的测量。由于采用调制和差频测相技术，具有测量精度高的优点，广泛应用于有合作目标的精密测距场合。

基本原理如下：

相位式激光测距调制波形图

设调制频率为f，幅度调制波形如图 2.2 所示，波长为

式中c是光速，λ是调制波形的波长。由图可知，光波从A点传到B点的相移φ可表示为

式中，m 是零或正整数，Δm 是个小数，A,B 两点之间的距离 L 为

式中，t 表示光由A点传到B点所需时间。

给出(2-3)式时已利用了(2-1)式和(2-2)式。由(2-3)式可知，如果测得光波相移φ中2π的整数 m 和小数Δm，就可由(2-3)式确定出被测距离 L，所以调制光波被认为是相位式激光测距仪测量距离的一把度量标准，可以形象的称之为“光尺”。不过，用一台测距仪直接测量A和B两点光波传播的相移是非常困难的，因此采用在B点设置一个反射器(即所谓合作目标)，使从测距仪发出的光波经反射器反射再返回测距仪，然后由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量。图 2.3示意地表示光波在距离 L 上往返一次后的相位变化。

光波往返一次后的相位变化图

为分析方便，假设测距仪的接收系统置 A'，(实际上测距仪的发射和接收系统都是在A点)，并且AB = BA'，A A' = 2L，如图 2.3 所示，则有

或

式中，m是零或正整数，Δm是小数。这时，Ls表示相应于半个调制周期内光波的传输距离，称之为测距仪的“电尺长度”。

如果被测距离的概略值已经精确到电尺长度以内，即已经知道m的具体数值，则被测距离的精确值就要根据Δm 也就是Δφ来确定。然而实际上经常是不知道被测距离的概略值，而只根据一个调制频率又无法确定整周期数m，因而不能唯一地确定被测距离。这个问题称为测距仪的多值性。由于相位测相技术只能测量出不足2π的相位尾数Δφ，即只能确定小数Δm=Δφ/2π，而不能确定出相位的整周期数m，因此，当距离上大于Ls时，仅用一把“光尺”是无法测定距离的。因此采用单一频率测距时，由于只能在一个电尺长度内测量，测距范围为Ls。

图2.4光波经2L后的相位变化

当距离L < λ/2时，即m = 0时，可确定距离L为

由此可知，如果被测距离较长，可降低调制频率，使得Ls > L即可确定距离L。但是由于测相系统存在的测相误差，使得所选用的Ls愈大时测距误差愈大。例如，如果测相系统的测相误差为1‰，则当测尺长度Ls = 10m时，会引起lcm 的距离误差，而当Ls = 1000m时，所引起的误差就可达lm。所以，既能测长距离又要有较高的测距精度，解决的办法就是同时使用Ls不同的几把“光尺”。例如要测量584.76m 的距离时，选用测尺长度Ls为1000m 的调制光作为“粗尺”，而选用测尺长度Ls为10m的调制光作为“细尺”。假设测相系统的测相精度为1‰，则用Ls1可测得不足1000m的尾数584m，用Ls2可测得不足10m的尾数4.76m，将两者结合起来就可以得到 584.76m。

这样，用一组(两个或两个以上)测尺一起对距离L进行测量，就解决了测距仪高精度和长测程的矛盾，其中最短的测尺保证了必要的测距精度，最长的测尺则保证了测距仪的测程。

3.2激光发射部分

激光发射部分，包括激光调制信号（4MHz和40MHz两路信号）的产生、激光信号的产生和调制发射部分三个模块。

3.2.1激光调制信号的产生

发射部分最重要的是激光调制信号产生模块即电路中各个频率的产生模块，其中最主要部分包括锁相环的设计和基于 CPLD和VHDL语言的分频器的设计。

由总体框图可知，本系统中除了光频信号外，电路中一共出现五个不同频率的信号，即：主振1：fs1=40MHz，主振2fs2 =4MHz，本振1：ft1 =40.01MHz，本振2：ft2=4.01MHz和10KHz的混频输出信号，除了最后一个混频输出信号外，其他四个频率的信号都将在这个模块当中产生。

其中，主振1（fs1）：由40MHz的有源晶振直接产生，这是整个系统频率产生的源，由系统框图可以看到，这个信号有四个功能：

1)作为激光调制信号，用这个信号去调制激光器，产生40MHz的发射信号； 2)通过分频产生4MHz的主振2（fs2）信号；

3)通过分频提供给锁相环参考信号，从而获得本振1(ft1)信号；

4)给混频器2一个输入信号，与本振1混频后获得发射信号的相位信息，给测相器提供一个开门信号，开始记录相位差信号。

主振2（fs2）：由CPLD对主振1（fs1）信号10分频直接产生。由系统框图可以看到，这个信号的功能为：

1)作为激光调制信号，用这个信号去调制激光器，产生4MHz的发射信号； 2)通过分频提供给锁相环参考信号，从而获得本振2(ft2)信号；

3)给混频器3一个输入信号，与本振2混频后获得发射信号的相位信息，给测相器提供一个开门信号，开始记录相位差信号。

本振1(ft1)：由锁相环产生。由系统框图可以看到，这个信号的功能为：

1)给混频器2提供一个输入信号，与主振1混频后获得发射信号的相位信息，给测相器提供一个开门信号，开始记录相位差信号；

2)给混频器1提供一个输入信号，与回波的40MHz信号混频后获得回波信号的相位信息，给测相器提供测距相位信息。

本振2(ft2)：由锁相环产生。由系统框图可以看到，这个信号的功能为：

1)给混频器3提供一个输入信号，与主振2混频后获得发射信号的相位信息，给测相器提供一个开门信号，开始记录相位差信号；

2)给混频器4提供一个输入信号，与回波的4MHz信号混频后获得回波信号的相位信息，给测相器提供测距相位信息。

3.2.1.1锁相环（PLL）的设计

锁相环路是一个相位的负反馈控制系统。在电子线路系统设计中，锁相环有很广的用途。本系统用锁相环系统产生所需频率的信号，即40.01MHz和4.01MHz的本地振荡信号。

本设计中，锁相环路的功能组成框图如图3.3示。锁相环路由压控振荡器（VCO）、环路滤波器、鉴相器、整形器、分频器和源振荡器组成。

图3.3锁相环系统框图

40.01MHz本地振荡信号的产生电路原理图如下：

图3.4 40.01MHz本地振荡信号产生电路图

MC4044鉴相器原理

MC4044是数字鉴相器芯片，内部由三部分组成:鉴相器(Phase Frequency Detector),电荷泵(Charge Pump),运算放大器(Amplifier)。如图 3.5 所示。

图3.5 MC4044的内部功能结构图

芯片中鉴相器2是一块标志鉴相结果模块，在本系统中没有使用。鉴相器1时序图为图3.6所示

图3.6鉴相器1的时序图

锁相环路的工作过程是一个动态的反馈过程。如上面的原理和电路系统图所讲，有源晶振产生的40MHz标准信号经过4000分频得到10KHz信号,送给MC4044（ST002）作参考信号，而压控振荡器产生的信号经过4001分频送给MC4044，作鉴相器的另一个输入信号。如果锁相环处于失锁状态，即锁相环不能自动的使 MC4044的两输入信号同频同相，也就是MC4044的输出电压不能调节变容二极管的电容使压控振荡器振荡在合适的频率。此时需要手动调节压控振荡器中的中周，即调节回路电感，使锁相环离开失锁状态，进入捕获状态。当进入捕获状态后，MC4044（ST002）通过两个输入信号的相位差产生电压误差信号，这个电压误差信号经过低通滤波器后去控制变容二极管的电容，进而控制振荡器的频率和相位，使鉴相器的相位误差变的更小。这个过程不断循环反复，最终达到锁定状态，即压控振荡器的输出信号经4001分频后能与有源晶振输出信号经4000分频后的信号同频同相，鉴相器的输出相差为0，即输出引脚（U1、D1）都为高电平，输出的电压误差信号为一定值，变容二极管的电容为一稳定值，压控振荡器的输出为频率和相位都稳定的信号。这个过程可以用图 3.7 来表示。

图3.7锁相过程示意图

3.2.1.2基于CPLD和VHDL语言的分频器的设计

CPLD是复杂的可编程阵列，专指那些集成规模大于1000门以上的可编程逻辑器件。CPLD是现代微电子技术发展的技术成果，用CPLD能大大的减小数字逻辑电路带来的需要芯片多，制板麻烦的困难，能把很多数字电路的功能缩小到一个小小的芯片内，而且随着电子技术的发展，速度也能达到设计要求。在本系统的设计中，要用到分频数为几千的分频器，采用数字芯片设计是很困难的事情，所以采用的Altera公司的MAX7064芯片设计分频器。

使用VHDL硬件描述语言对MAX7064芯片进行程序设计，一个完整的VHDL程序设计由以下几个部分组成：库，程序包，实体，结构体，配置。

库(LIBRARY)：用以存储预先完成的程序包和数据的集合体；

程序包(PACKAGE)：声明在设计或实体中将用到的常数、数据类型、元件及子程序等； 实体(ENTITY)：声明到其他实体或其他设计的接口，即定义本设计的输入/输出端口； 结构体(ARCHITECTURE)：定义实体的实现，即电路的具体描述。在结构体内部，如果有时序设计，常用到进程处理结构，即PROCESS()结构，在此结构中的语句具有顺序执行功能，为时序逻辑提供了方便。而在此结构外部的语句则是并行运行，能很方便的实现组合逻辑。在本系统设计中，分频器的设计用到进程结构，即PROCESS()结构； 配置(CONFIGURATION)：为实体选定某个特定的结构体，当实体中只有一个结构体时，默认配置为这个结构体配置。

在QUARTUS Ⅱ环境下，对MAX7064编写硬件描述语言。如图3.8所示，MAX7064的设计过程包括以下几步：

图3.8QUARTUS环境下的开发流程

在本激光测距系统中，需要五个分频器：

(1)40MHz十分频，产生4MHz的信号源，因为要用4MHz的信号去分频和作为主振信号去驱动激光器，所以4MHz信号必须占空比为1:1，而不同于传统的十进制计数器型的分频，即占空比为 9:1；

(2)40MHz经4000分频产生10KHz信号送到鉴相器1；

(3)40.01MHz的压控振荡器产生的本振信号经4001分频产生10KHz信号送到鉴相器1；(4)4MHz经400分频产生10KHz信号送到鉴相器2；

(5)4.01MHz的压控振荡器产生的本振信号经401分频产生10KHz信号送到鉴相器2； 对(2)、(3)、(4)、(5)的分频器，如果采用计数型分频器(占空比不为1：1)，则可能会出现鉴相器捕捉不到信号边沿的情况，所以在设计中，统一采用占空比为1：1((3)、(5)的约为1：1)的设计。

3.2.2调制发射部分

驱动电路的输入信号是40MHz和4MHz两个频率的信号的直接相加所得的和信号。电路原理图如下：

图3.10 调制发射模块电路图

综合以上，发射部分电路原理图如下图3.11所示

图3.11发射部分总电路图

测相原理就是对一定数目的测相脉冲进行积分，根据积分电平值来测算精测值。

图5-3表示CPLD中测相脉冲的产生时序。把15M的参考信号与测距信号同时输入CPLD，如图5-3，产生两者对应的上升沿之间为1，其余地方为零的脉冲，就是测相脉冲。这在CPLD中是比较容易实现的。显然，测相脉冲的占空比代表了测距信号与参考信号的相位差。然后，CPLD输出10个测相脉冲送入积分电路进行积分，由电路基础知识可以知道，若放电常数远大于脉冲周期，则对脉冲的理想积分图像如图5-4所示。

故易见，测相脉冲的占空比越高，即测距信号与参考信号相位差越大，积分电平越高，相位差为2时电平最高。设将最高电平量为Vmax，将其分配到2的相位差中，则单位弧度对应的电平值为:

设充电完毕的时间为。在时间处，也就是开始采样时间处，立即用A/D对电平值进行采样。采得的电平值的精确度直接关系着或者说决定着系统的测距精度，所以说非常关键。由于A/D的采样时间比起时间常数要小得多，所以可以对电平值多次采样以提高精度。采10次求平均，即得精测采样电平值。设采得的电平值为V，则由式(5-2)可知，此时的精测相位差应为:

数据衔接

测得粗测值和精测值即可得到最终的测距值。数据衔接是这样的:粗测填充用的脉冲频率为15M，由式(1.4)可得每计一个脉冲代表10m的距离。设计数值为n，由式(5-3)精测相位差为

精测用频率也为15M，测尺为10m，最终的距离值D为

内光为参考光，外光为接收光

APD接收电路

光电接收电路由 雪崩光电二极管APD、RC 滤波网络、LC 带通滤波器、两级放大和一个滞回比较器组成。反射回来的测距光波被光学接收系统接收，并会聚到APD。在测距光波的照射下，APD上产生了光电流，该光电流的大小随测距光波而变化，因此在负载上得到了与测距光波频率变化规律相同的电压信号。APD雪崩光电二极管采用负偏压工作方式，一端接地，一端接由 APD 高压偏置电路输出的反向高压；RC 滤波网络的主要作用是滤除调制信号的高频分量，以及压缩系统噪声带宽，从而抑制光电系统噪声，提高检测灵敏度；LC 带通滤波器是一个窄带滤波器，其主要作用是让中心频率为 15MHz的一定带宽的信号频带通过，而带宽以外的信号则被滤掉。放大电路由5U1(SA5211)和运放 TL072 构成，滞回比较器由运放 TL072 组成，作用是将放大后的接收信号转换成标准的连续脉冲信号

本系统APD采用日本滨松公司生产S2381，其重要的参数特性如下 光谱响应范围:400-1100nm;光灵敏度:0.5A/W（800nm）;暗电流:典型值为0.05nA，最大值为0.5nA;击穿电压:典型值为150V，最大值为200V;截止频率:1000MHz;温度系数:0.65V/℃;结电容:1.5pF;过剩噪声:0.3（800nm）;增益:100（800nm）。

第二篇：相位法激光测距的理论设计(综合最新版)

相位法激光测距的理论设计

摘要

本文介绍了半导体激光技术,并在传统的相位法激光测距原理的基础上, 参考激光测距光学系统设计,运用数字相关检测的测量方法，提出一种把直接数字频率合成(DDS)技术和数字信号处理(DSP)技术相结合的新的相位激光测距理论设计，这种设计有助于简化电路、提高相位测距的精度。

关键词： 相位激光测距，数字相关检测，数字信号

Phase Type Laser Ranging Theoretical Design This article introduced the semiconductor laser technology, and in the traditional phase laser ranging principle foundation, the reference laser ranging optical system design, Using digital correlation detection measuring technique,proposing one kind the new phase laser ranging theoretical design which(DDS)technical and the digital signal processing(DSP)the technology unifies the direct digital frequency synthesis, for could overcome in the traditional phase range finder method the precision to enhance, the measuring range with difficulty difficulty with increases, the electric circuittoo is complex and so on the shortcoming provides has been possible to supply the reference the theoretical design.Key word：PHASE LASER RANGING，DIGITAL CORRELATION DETECTION，DIGITAL SIGNAL

目录

第一章 引言.....................................................................................................................4 第二章 国内外研究状况.................................................................................................5 第三章 激光测距光学系统.............................................................................................7 3．1 激光测距仪的系统结构.........................................................................................7 3．2光学系统图示..........................................................................................................8 3．3 光学系统设计主要部件功能与作用.....................................................................9 3．4 主要参考性能数据...............................................................................................10 第四章 数字相关检测技术改进方法设计...................................................................11 4．1 激光相位式测距的基本原理.............................................................................11 4．2 数字信号处理(DSP)的简述.................................................................................13

4.2.1 数字信号处理的主要研究内容....................................................................14 4.2.2 测试信号数字化处理的基本步骤................................................................14 4.2.3 数字处理信号的优势....................................................................................15 4．3 直接数字频率合成技术.......................................................................................15

4.3.1 DDS的基本工作原理....................................................................................16 4．4 改进的数字测相的框图设计...............................................................................16 第五章 小结...................................................................................................................22 参 考 文 献.............................................................................................................23 致谢.................................................................................................................................24

第一章 引言

第一章 引言

激光，是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。物理学家把产生激光的机理溯源到1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时提出的假说，即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程[1]。

所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称。30多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，利用激光技术不仅研制了各个特色的多种多样的激光器，而且随着激光应用领域不断拓展，形成了激光唱盘唱机、激光医疗、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新兴产业。激光技术的飞速发展，使其成为当今新技术革命的先锋！

激光和普通光的根本不同在于它是一种有很高光子简并度的光。光子简并度可以理解为具有相同模式(或波型、位相、波长)的光子数目,即具有相同状态的光子数目。这些特性使激光具有良好的准直性及非常小的发散角,使仪器可进行点对点的测量,适应非常狭小和复杂的测量环境。激光测距仪就是利用激光良好的准直性及非常小的发散角度来测量距离的一种仪器。激光在A、B 两点间往返一次所需时间为t, 则A、B 两点间距离D 可表示为: D = c²t /2,式中, c为光在大气中传播的速度。由于光速极快, 对于一个不太大的D 来说, t是一个很小的量。如:假设D =15km, c = 3 ³105 km / s,则t = 5 ³10-5 s。由测距公式可知,如何精确测量出时间t的值是测距的关键。

由于测量时间t的方法不同,便产生了两种测距方法:脉冲测距和相位测距。其中相位测距更加精确[1]。

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第二章 国内外研究状况

相位式激光测距技术的研究起始于20 世纪60年代末,到80 年代中期陆续解决了激光器件、光学系统及信号处理电路中的关键技术,80 年代后期转入应用研究阶段,并研制出了各种不同用途的样机,90年代中期,各种成熟的产品不断出现,预计近期将是其应用产品大发展的阶段,在中、近程激光测距应用方面有取代YAG激光的趋势。随着激光技术的发展, 应用激光作精密光波测距系统的光源, 是现代测量仪器的一个显著特点。

据近年的资料, 国外用于大地测量、城市和工程测量的各类光电测距仪约15000多台。其中, 长程及中程各占1/4, 短程测距仪占1/2。许多工业发达国家已把各种激光测距仪红外测距仪作为标准设备, 装备测量作业队。

近年来，中长程激光测距仪的技术发展有以下特点:（1）普遍采用He-Ne激光光源, 功率为1～5mW;（2）普遍采用新颖的高效调制器, 如ADP(磷酸二氢铵NH4H2PO4), KDP(磷酸二氢钾(KH2PO4)), KD*P(磷酸二氘钾(KD2PO4))等；（3）向自动化和数字化方向发展。中远程激光测距仪的精度主要是受到比例误差的限制, 这是值得注意的。如美国的Geodolit-3G远程激光测距仪, 其数字测相的分辨力达±0.03 mm, 其固定误差为±0.03 mm, 但它的比例误差仍有1 mm/km[2]。为获得测线的平均气温, 气压、湿度误差影响￡1mm/km，还需要用飞机沿测线作气象测定, 这对作业无疑是不方便的。对比之下, ±0.03 mm的测相分辨力, 对于单色激光的远程测距, 并不必需。

短程的光波测距仪通常以砷化镓半导体(GaAs)红外波段激光源的红外测距仪为主, 实用上也有少量采用He-Ne激光作光源。这类仪器普遍在向自动化、数字化与小型化、一机多能的方向发展。按仪器的功能可分为单测距仪器, 测角与测距相结合的仪器, 测距、测角与计算三结合仪器(电子速测仪)及高精度的短程测距仪这四类。

单测距的仪器都采用强制归心基座可与经纬仪交替使用, 以利于边角测量和导线测量的实施, 这类仪器也可采用激光光源。角、距结合的仪器有二种: 一种是测距系统作为经纬仪的附件, 积木式装在经纬仪上, 将自动测距与经纬仪测角相结合直接为水平距离并能作坐标差Dx、Dy的计算.如DI-3及DI-3S;另一种能将自动测距与光学测微器

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第三章 激光测距光学系统

3．1 激光测距仪的系统结构

激光电子测距仪一般由激光光源、激光调制及发射电路、光学系统、接收单元、高频放大电路、采样积分电路、逻辑电路、振荡电路和微处理器部分组成,系统框图如图3.1所示。激光光源采用半导体激光二极管。晶振部分包括主振单元和本振单元,通过频率合成电路分别产生发射频率信号和基准混频信号。发射频率信号经过一定的波形变换和功率放大后,作用于激光二极管,进行内调制,发出调制激光信号[3]。

图3.1 激光测距仪的系统结构

Fig.3.1 laser ranging equipment system structure 激光测距光学系统设计的方案及原理为：动目标指示,目标速度分辨力8km/ h ；主动成象,帧频为100～200 帧/ s；精确测距 ；以每秒1000 次的速率编排并记录方位、仰角、距离和时间数据；进行坐标变换,以便输出高精度的实时位置数据,便于绘图和数字显示；使用程序指出方位上几个区域,保证目标或其它关键区域在安全标准范围内安全控制。

连续波(GaA1As)激光发射机;2连续波(CO2)激光发射机;4、5声光调制器;8、9-前置放大器;10散热器;12、30-测距通道探测器;13二维电荷耦合器(CCD);15调准传感器;17本振通道;19后反射器;21、22、23气体池;25栅镜;27、33四分之一波片;29分束器;34、35方 位俯仰驱动器;37广东技术师范学院本科毕业论文（相位法激光测距的理论设计）

3．3 光学系统设计主要部件功能与作用

相位(GaA1As)激光发射机的作用是用于近场广角截获跟踪目标, 并进行目标的粗测;连续波(GaA1As)激光发射系统用于精确的测距;连续波(CO2)激光发射系统用于测量速度。微调反射镜有两对,分别用于GaA1As 激光束和CO2 激光束的偏转扫描,目标截获、跟踪探测器采用二维的电荷耦合器件CCD。

电荷耦合器件的传感功能是在光致信息电荷的存储和传输两个过程完成的。如果把被测目标的光学图象聚集在电荷耦合器件图象传感器的光敏区上,则其上个点所产生的光生载流子的数量,将与各象点上的图象亮度相对应。在一般称为光积分时间的时间间隔内,这些少数光生载流子分别被收集、存储在就近的势阱里,形成一个个的信息电荷包,每一个信息电荷包所储存的信息电荷与电荷耦合器件工作表面上相应位置的光强成正比,因而成为被测光学图象的诸点取样模拟。这样,就把光学图象转变成为由信息电荷所描绘的电子图象,完成了光电转换与储存信息的过程。为了按扫描顺序取出各电荷包的信息电荷,使被接收的图象以电信号的形式再现出来,可在各个电极上依次施加有规则变化的时钟脉冲电压,各个电极下的势阱深度也将作相应的变化,从而使电荷包能够沿半导体表面作定向运动。

二维电荷耦合器件的感光单元呈二维矩阵排列,组成感光区。由于传输和读出结构方式不同,面阵图象器件有多种形式。碲镉汞器件是目前性能最优良的最有前途的光电导探测器。它的光谱响应在8～4μm 之间,为大气窗口波段,其峰值波长为1016μm 与CO2 激光器的激光波长相匹配,响应时间约为10

第三章 激光测距光学系统

3．4 主要参考性能数据

作用距离0～30 ,000m 角度测量准确度< ±110″ 分辨距离0.115m 角度覆盖范围180° 扫描角速度2°/ ms 角度偏转范围0～20°

连续波(GaA1As)激光器波长 0185μm 连续波CO2 激光器波长 1016μm 相位(GaA1As)激光器波长 01905μm 峰值功率

15W 输出功率

15mW 重复频率

90pps(每秒钟的周期数)接收探测器 硅雪崩光电二极管 接收镜孔径 18～100mm

本文的相位测距数字检测系统是根据激光测距的工作原理及由激光测距原理继而发展的相位式激光测距的原理，并参考在激光领域所做的相关的光学系统而设计的。

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第四章 数字相关检测技术改进方法设计

相位法激光测距是利用发射的调制光与被测目标反射的接收光之间光强的相位差所含的距离信息来实现对被测目标距离的测量。由于采用调制和差频测相技术, 具有测量精度高的优点, 广泛用于有合作目标的精密测距场合。激光相位式测距仪由于其测量精度高而被广泛地应用于军事、科学技术、生产建设等领域。相位式测距仪的基本原理是通过测量连续调幅信号在待测距离上往返传播所产 生的相位延迟,来间接地测定信号传播时间,从而求得被测距离.因此,信号相位测量的精度也就决定了激光测距仪的精度[6]。

测距仪相关检测技术是信号检测领域里一种重要工具,它能在低信噪比的情况下提取出有用的信号,具有较强的抗噪声的能力,如同频域里的谱分析一样,时域里的相关分析几乎在信号的所有领域里都有应用,例如图像处理、卫星遥感、雷达及超声探测、医学和通信工程等。

在此本文设计一种新型的激光相位式测距仪,它将现代数字信号处理技术应用于测距系统,利用数字信号处理芯片的强大的数据运算功能,对采集的信号进行数字相关运算,计算出测量信号与参考信号的相位差,继而得到距离值。

4．1 激光相位式测距的基本原理

传统的相位法激光测距机,为了提高测量精度,通常需要把激光调制频率提高到几十兆甚至几百兆；为了增大量程,通常把激光调制频率降低到几兆甚至更低;为了提高测量相位的精度,通常把发射信号和回波信号与本振混频进行移相和鉴相测相。如要同时实现高精度和大量程,则需要多组激光调制频率,且随着测量精度的提高,调制频率会不断的提高,这些对电路性能要求会越来越高,电路的复杂度也会随之增大,各个信号之间的串扰会随之严重,这给高精度激光测距机的设计和制造带来很大的困难。为了克服这些困难,本文提出了一种把直接数字合成(DDS)技术与数字信号处理器(DSP)相结合的激光测距方法,利用DSP强大的实时信号处理的特点和DDS 器件能在一定带宽内产生任意频率的特点,只需把调制频率限制在10兆赫兹以内就可以达到很高的测量精度和很大的量程,而且在工作量提供了一定的理论设计[6]。本文就其基本原理, 系统框图和误差分析

第四章 数字相关检测技术改进方法设计

做详细的论述。

光以速度c 在大气中传播，在A、B 两点间往返一次所需时间与距离的关系可表示为：L= ct/2。

上式中L ─— 待测两点A、B 间的直线距离；c ─— 光在大气中传播的速度；t ─— 光往返AB 一次所需时间。由上式可知，距离测量实质是对光在AB 间传播时间的测量。由于对时间测量不够精确，所以将对时间的测量转化为对相位差的测量。相位差的测量可以达到很高的精度，故而距离的测量也就达到了很高的精度[7]。

激光测距是用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟,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经往返测线所需的时间,如图4.1所示。

图4.1 测距相位示意图

Fig.4.1 range finder phase schematic drawing 相位式激光测距一般应用在精密测距中。由于其精度高,一般为毫米级,为了有效地反射信号,并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上,对这种测距仪大多配置了被称为合作目标的反射镜。

图4.2为典型的模拟测相电路的原理图[8]：

wо)t ] , E2 = Ecos[(ws

第四章 数字相关检测技术改进方法设计

经成为一个新的技术领域和独立的学科体系，当前已经形成了有潜力的产业和市场，在现代光电通信中也得到十分广泛和成功的应用。

广义来说，数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调以及快速算法的一门技术学科。但很多人认为：数字信号处理主要是研究有关数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法。随着数字电路与系统技术以及计算机技术的发展，数字信号处理技术也相应地得到发展，其应用领域十分广泛。数字滤波器 数字滤波器的实用型式很多，大略可分为有限冲激响应型和无限冲激响应型两类，可用硬件和软件两种方式实现。在硬件实现方式中，它由加法器、乘法器等单元所组成，这与电阻器、电感器和电容器所构成的模拟滤波器完全不同[9]。

4.2.1 数字信号处理的主要研究内容

数字信号处理主要研究用数字序列或符号序列表示信号，并用数字计算方法对这些序列进行处理，以便把信号变换成符合某种需要的形式。数字信号处理的主要内容包括频谱分析、数字滤波与信号的识别等。

数字信号处理中常用的运算有差分方程计算、相关系数计算、离散傅里叶变换计算、功率谱密度计算、矩阵运算、对数和指数运算、复频率变换及模数和数值转换等。很多数字信号处理问题，都可以用这些算法加上其它基本运算，经过适当的组合来实现[10]。

4.2.2 测试信号数字化处理的基本步骤

随着微电子技术和信号处理技术的发展，在工程测试中，数字信号处理方法得到广泛的应用，已成为测试系统中的重要部分。从传感器获取的测试信号中大多数为模拟信号，进行数字信号处理之前，一般先要对信号作预处理和数字化处理。而数字式传感器则可直接通过接口与计算机连接，将数字信号送给计算机（或数字信号处理器）进行处理[11]。

(1)预处理是指在数字处理之前，对信号用模拟方法进行的处理。把信号变成适于数字处理的形式，以减小数字处理的困难。如对输人信号的幅值进行处理，使信号幅值与A／D转换器的动态范围相适应；衰减信号中不感兴趣的高频成分，减小频混的影响；

1-广东技术师范学院本科毕业论文（相位法激光测距的理论设计）

隔离被分析信号中的直流分量，消除趋势项及直流分量的干扰等项处理。(2)A／D转换是将预处理以后的模拟信号变为数字信号，存入到指定的地方，其核心是A/V转换器。信号处理系统的性能指标与其有密切关系。

(3)对采集到的数字信号进行分析和计算，可用数字运算器件组成信号处理器完成，也可用通用计算机。目前分析计算速度很快，已近乎达到“实时”。

(4)结果显示一般采用数据和图形显示结果。

4.2.3 数字处理信号的优势

数字信号处理能广泛应用于现代光电通信中，是因为DSP与模拟信号处理相比，具有以下优点[12]：

(1)信号处理的动态范围大，有比模拟信大30dB的动态范围，因而有更高的精度。(2)数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响，处理过程不产生其它噪声，具有更高的信噪比。

(3)具有高度的灵活性，能够快速处理、缓存和重组，可以时分多用、并行处理，还可以灵活地改变系统参量和工作方式，并以利用系统仿真。(4)具有极好的重现性、可靠性和预见性。(5)算法具有直接的可实现性。

(6)对白噪声、非平衡干扰和多径干扰，可以有相应的最佳化的实现方法去进行特有的信号处理。

以上优点是DSP(数字信号处理)在现代光电等通信中应用的重要保证。

4．3 直接数字频率合成技术

直接数字频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)，是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。和传统的频率合成技术相比，他具有频率分辨率高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等突出优点。DDS将先进的数字处理技术与方法引入信号合成领域，成为现代频率

2广东技术师范学院本科毕业论文（相位法激光测距的理论设计）

图4.4 改进的数字测相框图

Fig.4.4 The improvement numeral measures the diagram

改进的测量系统与原测量系统相比主要有以下区别：

1)主频率信号与参考频率信号都由直接数字频率合成器(简称DDS)产生，这种方法不仅输出频率的分辨率高，而且可以通过编程改变输出频率，很容易改变光尺,提高测距的精度。

2)经过混频、低通滤波器后的2 路信号进入模数转换电路(ADC)，由DSP 控制在同一时刻启动2 路ADC 进行数据采集,并由DSP利用数字相关检测的方法测量相位差,得到距离值。

由于DSP 具有强大的实时处理特点和DDS 器件的宽带特性,可将DSP 和DDS 结合起来设计的一种新的激光测距方法。利用DSP 和DDS 器件产生一定带宽范围内的任意频率f ,在这任意频率中,用一定的扫频方法,找到相邻的两个使相位法激光测距的基本公式:L =mc/2f+Δφ/2πc2f 式中Δφ = 0的频率fs1整和fs2整计算L[14]。其系统结构框图为图4.5所示。

图4.5 基于DDS 和DSP 的激光测距机结构图

Fig.4.5 Based on DDS and DSP laser range finder structure drawing

415-广东技术师范学院本科毕业论文（相位法激光测距的理论设计）

图4.6 DSP 内部的软件流程图 Fig.4.6 DSP interior software flow chart

4．5 数字相关检测的原理及在本系统中的实现

互相关函数可以理解为2个信号的乘积的时间平均,这是一个很有用的统计量,一方面它可以用来了解2个未知信号之间的相似程度,或者2个已知信号的时间关系，另一方面它有很强的抗噪声能力，这是因为噪声信号的相关系数几乎为零,在微弱信号中经常使用相关检测的方法提取有用的信号[16]。信号x(t)和y(t)的互相关函数的严格定义如下：

式中: T 是平均时间,如果x(t)和y(t)是周期为T0 的周期信号,则只需要在它的1 个周期里作相关计算即可,即

, 通常直接称为时差, T 为采样时间间隔。

在本系统中为了分析方便, 先在模拟域中分析,由上面的分析可知经过混频器和低通滤波器输出的信号分别为[17]：

E1 = Dcos[(wsw0)t + φ] + n2(t)。

式中: n1(t)和n2(t)分别是随机噪声干扰项.由互相关的定义可知,信号E1 与E2 的互相关函数应是φ的函数,其表达式如下:

式中: T1 为差频信号的周期,由于随机噪声的相关性较差,由式(1)可得： R12(φ)= DEcosφ/2。(2)由式(2)可知, 要想得到相位差φ, 必须要知道D 和E 的值, D 和E 的值受外界的干扰比大,所以相关运算要做归一化处理.。经过模数转换电路的2 路信号分别表示为：

E1(n)= Dcos[(wsw0)n T + φ] + n2(n T)。在数字域内的相关函数为：

r12(φ)=1/N ∑E1(n)E2(n)。信号E1(n)和E2(n)的均方根值为：

除非输入信号幅度非常小，否则FFT运算结果可能导致溢出，为防止溢出的发生，FFT运算提供了归一化功能（可选择），就是输出结果被运算长度N所除。在FFT

71819300。

021-

第三篇：相位怎么造句

相位拼音

【注音】： xiang wei

相位解释

【意思】：作正弦变化的物理量，在某一时刻（或某一位置）的状态可用一个数值来确定，这种数值叫做相位。

相位造句：

1、在偶然情况下该短句强调了相位对于激光的重要性。

2、研究人员预计，这些相位应该表现为所观测到的光线在亮度上的微弱变化。

3、典型的智能度量设计包括来用户端的电流、相位和频率数据向电力调配公司的周期传送。

4、如果你在这条路径上，你就会看见日环食，在它的最大相位，一个环状阳光会包围着月球。

5、在赝能隙相位期间，铜氧化物半导体中电子发生了改变，那里的电子隧穿能力在不同的氧原子中有所区别。

6、轮廓调制结合了一种相位调制信号的波形和放大器的输出阻抗，可在某个较大型输出电源关闭后保持更高的效率。

7、在2011年一月，北半球其他地方温度降低的一部分原因是北极涛动处于负相位。

8、四百年前，伽利略第一次观察到金星具有类似的相位。

9、如果卫星们位置相近，它们还会显示出相似的相位。

10、上个月，在土星轨道上的宇宙飞船卡西尼号拍的这张照片，捕捉到土星著名的卫星中的两个，呈凸圆相位。

11、如果两个相位不相符合，就不能成键。

12、这等到我们之后讲到成键时是非常重要的，现在先要记住，我们有两个节点，不好意思，是两个叶瓣，每个都是不同的相位。

13、他们认为这可能与在所谓的赝能隙相位期间的电子活动有关，而室温处在这段超导电性受到破坏的温度范围内。

14、因为相位偏移有四种可能，所以每一个符码可以对两比特位的数据进行编码。

15、并发相位包括技术开发、工程、制造、产品和后续支持等将影响未来竞争采购。

16、传统上，数码单反相机使用一个单独的对焦感应器进行相位侦测。

17、关于它们我要指出的是,它们有两个节点，你们可以看到在这里,这些节点的颜色不同，它们的相位不一样。

18、时的夏季相一致。当夏季北极震荡处于正相位时，就会导致沙漠地区形成强风并刮向湖区北部以及喜马拉雅山脉南麓。

19、在计算相位角时,用不到多少物理知识。

20、这不是指正负电荷，它是指相位，这是从波函数中得来的。

21、信号相位的必要相移通过专用波束调节控制器或集中安排的处理器进行控制。

22、在几年的时间里，伽利略对月球，金星的相位变化，木星的卫星的观测，粉碎了我们认识中的太阳系古老的托勒密模型。

23、此图拍摄点距土星526,000英里，太阳-土星-飞船夹角(相位)为74度，图像比例尺为每个象素31英里。

24、这幅景观是在太阳-恩克拉多斯-太空船这样的角度下拍摄完成的，或者用相位来讲，以73度角拍摄。

25、我们可以说我们在这,有正相位而这有负相位。

26、那么这样,就有相位角，我会回过去讲它。

27、下一个看见这么又大又亮的满月的机会，将出现在明年的5月6日，而且它最圆的相位出现的时间只有近地点附近的数分钟而已。

28、每一个符码都通过相对于上一个符码的相位偏移（也即调制方案的差分部分）来进行编码。

第四篇：红外测距总结报告

红外测距电路总结报告

学 院：机电工程学院班 级：学 号：姓 名：刘丰源

11电气1班 1100103139 摘要

本次实验是设计一个红外测距电路，它由软件和硬件两部分组成。软件部分包括信号产生、AD接收、数据处理、液晶显示；硬件部分包括发射模块和接收模块。此电路可以测较短的距离，精度在0~5mm之间。

关键词

STC8051单片机；红外测距；

一、方案设计

1、发射模块

采用用单片机产生一个1khz的信号经红外发射管发射这样设计既简单又方便，电路也更加简单。

2、接收模块 放大电路：

采用5v电源供电，利用lm358芯片进行单电源放大。由于放大倍数在20到40倍之间，经过一级放大即可。

滤波电路：

由于经过放大以后的信号还有很多杂波，而我们需要的是接收到的1khz的信号，一般的滤波器很难解决干扰问题，所以直接选用有源二阶带通滤波器。

峰值检波电路：

根据要求的精度为5mm，最简单的峰值检波电路即可胜任，出于节约成本的考虑，决定不用带运放的高精度检波电路，假如还要进一步提升测量精度，就需要选用更好的峰值检波电路。

AD转换电路：

AD转换选用0809芯片，它是并行传输的，占用的IO口太多，但是软件编写非常简单。

单片机控制电路：

AD转换的数字信号传入单片机，通过软件自动求出所测的距离，显示正确的距离。

二、电路分析

1.发射模块

由8051的定时器产生一个1khz的方波，用一个三极管驱动，将信号加载到红外发射管上。2.接收模块电路设计

因为红外接收管接收到的信号只有一百毫伏左右，而且还有很多干扰，需要先放大再带通滤波，单片机只能接受数字信号，所以还需要通过峰值检波输出一个直流电压，经TLC1543芯片转换成数字信号输入单片机进行处理。

考虑到题目测量范围和接收到的信号大小，选取放大倍数为40倍左右，倍数太大回出现波形失真，使测量的最短距离变小，倍数太小信号强度不够，则能测量的最远距离会变小，放大倍数B=R4/R3=40； 关于有源二阶带通滤波器的设计：

令C=C3=C4，则req=R5//R6=(R5*R6)/(R5+R6)品质因数Q等于中心频率除以带宽

即Q=fc/BW=1/2*R7/req

由上边的公式，取中心频率f=1khz，增益A=2，品质因数Q=10，则令C=C3=C4=50nf，可以得到电阻值为R5=16K,R6=160，R7=64K;关于峰值检波电路的设计：

考虑到电容值越大检波效果越好，但是放电速度越慢，经过测试，选取了20uf的电容和100k的电阻以及1n4148构成最简单的峰值检波电路。

电路图及元件参数如下：

3.单片机控制模块

接收模块处理好的数据传入单片机，程序自动计算出此时的距离，再在1602液晶上显示。

三、软件分析

软件由4部分组成，信号产生模块、AD接收模块、数据处理模块和LCD显示模块，利用单片机的定时器0可以持续不断的产生1khz信号并输出，由于输出信号是稳定的，而接收管接收到的信号随着障碍物距离的变远而变小，所以我们可以通过检测信号的强弱来判断距离，我采用提前把正确的距离和信号强弱的关系先测量好，建成一张信号距离表,然后利用exelc将得到的数据汇成一条曲线，得到一个函数关系式，在程序中插入这个关系式，单片机得到一个信号，程序就会算出相应的距离，这样既简单又方便。处理好的数据直接传送到1602液晶屏显示即可。

四、调试和测试

调试中所用到的仪器设备主要有：有示波器，函数信号发生仪，稳压电源。数字万用表。调试过程如下：

首先调试发射部分，直接用示波器测量单片机输出的信号，为1khz；

再调试接收部分的放大模块：先用函数发生仪模拟一个接收信号，把放大电路和滤波电路断开，测量358芯片的1脚，输入信号为1khz，100mv的正弦信号，用示波器测量1脚为1khz，2.8v的正弦信号，放大倍数为28倍，由于有信号衰减，放大部分正常；

接下来调试带通滤波：把放大电路和滤波电路连好，输入函数发生仪产生的模拟信号，测量358芯片的7脚，得到一个稳定的正弦波，通过调节输入信号的频率，测得带通滤波器的中心频率为1.8khz，带通滤波器不正常。由于电阻自身的误差比较大，电容也有误差，再加上计算出来的电阻值没有刚好合适的，取得是相近的电阻元件，所以照成了较大的误差，我再在C3，C4上分别并联了一个相同容量的电容，再次测量中心频率变为880hz，截止频率400hz，这次滤波器可以满足要求了。然后接着测量整个电路的输出端，示波器打到直流档，调节信号强弱，发现检波电路工作良好。

最后我修改程序将输出信号改为880hz，接入红外发射和接收管，直接进行最终的整合调试，解决一些电路连接上的问题后，将电压再液晶上显示出来，用米尺画出一张标准距离图，测量出电压和距离之间的关系并做成表，最终填入程序中，再验证距离和长度的关系是否正确。整个红外测距电路到此结束。

五、心得总结

该电路设计简单，精度为5mm，但还可以进一步提高。虽然测量距离和超声波比起来短很多，但是精度高，适合短距离的高精度测量。但是当测量距离从近到远变化时，距离测量变化的灵敏度比较低。需要一个更好的峰值检波电路才能提高响应速度。

六、参考文献和资料

1.郭天祥编著《新概念51单片机c语言教程—入门、提高、开发、扩展全攻略》 2.TLC1543编程实例——百度文库 3.《运算放大器电路设计手册》

4.《有源带通滤波器的设计和计算》 5.《单片机C语言程序设计》

第五篇：超声波测距总结

超声波测距

超声波传感器用于超声控制元件，它分为发射器和接收器。发射器将电磁振荡转换为超声波向空气发射，接收器将接受的超声波进行声电转换变为电脉冲信号。实质上是一种可逆的换能器，即将电振荡的能量转换为机械振荡，形成超声波；或者有超声波能量转换为电振荡。常用的传感器有T40-XX和R40-XX系列，UCM-40T和UCM-40R系列等；其中T代表发射传感器，R代表接收传感器，40为中心频率40KHZ。

超声波的传播速度

纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性常数以及介质的密度。

1.液体中的纵波声速：

C1=

k/

2.气体中的纵波声速：

C2=

P·/

式中：K——体积弹性模量

——热熔比

P——静态压力

——密度

注：气体中声速主要受温度影响，液体中声速主要受密度影响，固体中声速主要受弹性模量影响；一般超声波在固体中传播速度最快，液体次之，气体中传播速度最慢。超声波测距原理

通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S = v·△t /2

这就是所谓的时间差测距法 或：

由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0.6 米/ 秒。如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为：

V = 331.45 + 0.607T

声速确定后, 只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。

超声波发生器可以分为两类：

1、使用电气方式产生超声波；

2、用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型，磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各有不同，因而用途也各有不同。目前较为常用的是压电式超声波发生器，其又可分为两类：（1）顺压电效应：某些电介物质，在沿一定方向上受到外力作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷；当外力去掉后，又从新回到不带电的状态，这种将机械能转换为电能的现象称顺压电效应（超声波接收器的工作原理）。（2）逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场，会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种将电能转化为机械能的现象称逆压电效应（超声波发射器的工作原理）。

系统框图

超声波发射电路 方案一

利用555定时器构成多谢振荡器产生40KHz的超声波。如下图为555定时器构成的多谢振荡器，复位端4由单片机的P0.4口控制，当单片机给低电平时，电路停振；当单片机给高电平时电路起振。接通电源后，电容C2来不及充电，6脚电压Uc=0，则U1=1,555芯片内部的三极管VT处于截止状态。这时Vcc经过R3和R2向C2充电，当充至Uc=2/3Vcc时，输出翻转U1=0，VT导通；这时电容C2经R2和VT放电，当降至Uc=1/3Vcc时，输出翻转U1=1.C2放电终止、又从新开始充电，周而复始，形成振荡。其振荡周期t1和放电时间t2有关，振荡周期为:

T=t1+t20.7(R3+2R2)C2

f=1/T=1/(t1+t2)1.43/(R3+2R2)C2=40KHz 有上面公式可知，555多谐振荡器的振荡频率由R2，R3，C2来确定。所以在电路设计时，先确定C2,R2的取值，即C2=3300pf,R2=2.7K。再将R2和C2的值代入上式中可得：

R3=1.43/C2·f-2R2 为了方面在实验中使用555芯片的3脚输出40KHz的方波，在这里将其用10K的电位器代替。

为了增大U1的输出功率，将555芯片的8脚接+12v的电压，同时将其复位端4脚接高电平，使用示波器观察555芯片3脚的输出波形，通过调节电位器R3的阻值，使其输出波形的频率为40KHz。

方案二

该超声波发射电路，由F1至F3三门振荡器在F3的输出为40KHz方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。F3的输出激励换能器T40-16的一端和反相器F4输出激励换能器T40-16（反馈耦合元件）的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。电容C2、C3平衡F3和F4的输出使波形稳定。电路中的反相器用CC4069六反相器中的四个反相器剩余两个不用（输入端应接地）。电源用9V叠层电池；测量F3输出频率应为40KHz,否则应调节RP，发射波信号大于8m。

方案三

该超声波发射电路由VT1、VT2组成正反馈振荡器。电路的振荡频率决定于反馈元件的T40-16，其谐振频率为40KHz；频率稳定性好，不需做任何调整，并由T40-16作为换能器发出40KHz的超声波信号；电感L1与电容C2调谐在40KHz起作谐振作用。本电路电压较宽（3v至12v），且频率不变。电感采用固定式，电感量5.1mH，整工作电流约25mA，发射超声波信号大于8m。

方案四

该发射电路主要有四与非门电路CC4011完成谐振及驱动电路功能，通过超声波换能器T40-16辐射出超声波去控制接收器。其中门YF1和门YF2组成可控振荡器，当S按下时，振荡器起振，调整RP改变振荡器频率为40KHz；振荡信号分别控制由YF3、YF4组成的差相驱动器工作，当YF3输出高电平时，YF4输出低电平，当YF3输出低电时，YF4输出高电平。此电平控制T40-16换能器发出40KHz超声波。电路中YF1至YF4采用高速CMOS电路74HCOO四与门电路，该电路特点是输出驱动电流大（大于15mA），效率高等；电路工作电压9V，工作电流大于35mA，发射超声信号大于10m。

方案五

本电路采用LM386对输出信号进行功率放大，LM386多用于音频放大，而在本电路中用于超声波发射。如图所示，LM386第1脚和第8脚之间串接的E1和R1，使电路获得较大的增益；TO为单片机输入口的脉冲信号，经功率放大后由5脚输出，驱动探头发射超声波。

超声波接收器模块 方案一

超声波接收传感器通过压电转换的原理，将由障碍物返回的回波信号转换为电信号，由于该信号幅度较小（几到几十毫伏），因此须有低噪声放大、40kHz带通滤波电路将回波信号放大到一定幅度，使得干扰成分较小，其电路如下所示。在此电路中，为了防止在超声波接收器上始终加有一直流信号让其工作导致传感器的寿命缩短，从而加上一隔直电容C4,从而C4和R5构成滤波电路。

在电路中，放大部分采用的是高速型运放TL084。综合考虑了反相放大器、同相放大器和测量放大器的优缺点后，最终选择了同相放大电路。因为同相放大器的理想输入阻抗为无穷大，理想输出阻抗为零，其带负载能力较强等因素。在此电路中，根据同相放大器的闭环增益公式：Af=1+Rf/Rr 由于接收到的信号幅度为几到几十毫伏，所以需要将其放大400多倍使得其接收到的40KHz信号不会被干扰信号给掩盖。为了防止引起运算放大器的自激振荡，在第一级的放大电路中，R7取值为470 K,R8取值为10K，其增益放大： Af1=1+R7/R8=48 在第二级放大电路中，R11的取值为100K，R12的取值为10K，其放大增益： Af2=1+R11/R12=11 两级增益为：Af=Af1·Af2=528 同相放大器的平衡电阻R6和R10的取值均为10K。平衡电阻公式为：

Rp=Rf/(Rf+Rr)C5和R9构成了一阶滤波电路。

方案二

该电路主要有集成电路CX20106A和超声波换能器TCT40-10SI构成。利用CX20106A做接收电路载波频率为38KHz；通过适当的改变C7的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

工作原理：当超声波接收探头接收到超声波信号时，压迫压电晶体做振动，将机械能转化成电信号，由红外线检波接收集成芯片CX20106A接收到电信号后，对所接信号进行识别，若频率在38KHz至40KHz左右，则输出为低电平，否则输出为高电平。

方案三

双稳式超声波接收电路

电路中，由VT5、VT6及相关辅助元件构成双稳态电路，当VT4每导通一次（发射机工作一次），触发信号C7、C8向双稳电路送进一个触发脉冲，VT5、VT6状态翻转一次，当VT6从截止状态转变成导通状态时，VT5截止，VT7导通，继电器K吸合•••调试时，在a点与+6V（电源）之间用导快速短路一下后松开，继电器应吸合(或释放)，再短路一下松开，继电器应释放（或吸合），如果继电器无反应，请检查双稳电路元件焊接质量和元件 参数。

方案四

单稳式超声波接收电路

本电路超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ，经R40-16选频后，将40kHZ的有用信号（发射机信号）送入VT1至VT3组成的高通放大器放大，经C5、VD1检出直流分量，控制VT4和VT5组成的电子开关带动继电器K工作。由于该电路仅作单路信号放大，当发射机每发射一次超声波信号时接收机的继电器吸合一次（吸合时间同发射机发射信号时间相同），无记忆保持功能。可用作无线遥控摄像机快门控制、儿童玩具控制、窗帘控制等。电路中VT1β≥200，VT2≥150，其他元件自定。本电路不需要调试即可工作。如果灵敏度和抗干扰不够，可检查三极管的β值与电容C4的容量是否偏差太大。经检测，配合相应的发射机，遥控距离可达8m以上，在室内因墙壁反射，故没有方向性。电路工作电压3V，静态电流小于10mA。

方案五

在本接收电路中，结型场效应VT1构成高速入阻抗放大器，能够很快地与超声波接收器件B相匹配，可获得较高接收灵敏度及选频特性。VT1采用自给偏压方式，改变R3的阻值即可改变VT1的工作点，超声波接收器件B将接收到的超声波转换为相应的电信号，经VT1和VT2两极放大后，再经VD1和VD2进行半波整流为直流信号，由C3积分后作用于VT3的基极，使VT3由截止变为导通，其集电极输出负脉冲，触发器JK触发D，使其翻转。JK触发器Q端的电平直接驱动继电器K，使K吸合或释放；由继电器K的触点控制电路的开关。

盲区形成的原因及处理

1、探头的余震及方向角。发射头工作完后还会继续震一会，这是物理效应，也就是余震。余震波会通过壳体和周围的空气，直接到达接收头、干扰了检测；通常的测距设计里，发射头和接收头的距离很近，在这么短的距离里超声波的检测角度是很大的，可达180度。

2、壳体的余震。就像敲钟一样，能量仍来自发射头。发射结束后，壳体的余震会直接传导到接收头，这个时间很短，但已形成了干扰。（注：不同的环境、温度对壳体的硬度和外形会有所变化，导致余震时间会略有改变）

3、电路串扰。超声波发射时的瞬间电流很大，瞬间这么大的电流会对电源有一定影响，并干扰接收电路。通常这三种情况情况在每次超声波发射时都会出现，即超声波在发射的时候,是一个高压脉冲,并且脉冲结束后,换能器会有一个比较长时间的余震,这些信号根据不同的换能器时间会有不同,从几百个uS到几个mS都有可能,因此在这个时间段内,声波的回波信号是没有办法跟发射信号区分的.因此,被测物体在这个范围内,回波和发射波区分不开,也就无法测距,从而形成了盲区.。

在硬件方面通常将超声波转换器之间的距离适当增大来减少盲区的范围；如果发射探头和接收探头分开，收发不互相影响，必须要求发射电路和接收电路的地线隔离很好，发射信号不会通过地线串扰过去，否则也是不能减小盲区的。

在软件中的处理方法就是，当发射头发出脉冲后，记时器同时开始记时。我们在记时器开始记时一段时间后再开启检测回波信号，以避免余波信号的干扰。等待的时间可以为1ms左右。更精确的等待时间可以减小最小测量盲区。（注：超声波探头方向角越小、发射头和接收头位置越远，盲区就越小，测量距离也就越小）