Лазерный дальномер своими руками

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАЛЬНОМЕР

Сегодня мы рассмотрим очередное электронное вспомогательное устройство, которое обязательно пригодится на стройке (а стройкой рано или поздно занимается любой мужчина) — ультразвуковой измеритель расстояния с ЖК-дисплеем. Когда нужно замерять дистанцию между объектами или небольшой размер, сразу на ум приходит обычная рулетка. Это оправдано при работе с небольшими размерами — до пары метров. Но когда требуется замерять высоту дома, расстояние между соседними стенами в большом помещении, тут электронный УЗ дальномер будет просто незаменим. Особенно это относится к измерению высоты потолков — ведь не будете вы искать стремянку или лазить по стульям. В общем это один из тех инструментов, которые must have. А чтоб сэкономить — данный экземпляр был заказан на сайте Dealextreme.

  • ЖК-дисплей
  • Измерение расстояния — до 20 метров
  • Точность: ± 1,0 см
  • Лазерная подсветка
  • Единицы измерения: футы / метры
  • Работает от G6F22 батареи (в комплекте)
  • Цена на Дилэкстриме — 22 доллара

В технической спецификации описано, что точность измерения составляет 1 см. Если вы сравните ультразвуковые с лазерными дальномерами, то конечно они несколько проигрывают в точности, но учтите, что это разные ценовые категории. Если вам необходим дальномер до миллиметра — придётся потратить более 50 долларов, а это редко бывает оправдано.

Здесь лазер светит при измерении — при этом на секунду появится точка на поверхности. Измеритель может дать ложные показания при отражении сигнала от некоторых сложных криволинейных поверхностей, вы должны измерять каждую точку, в разных позициях примерно 3 раза, чтобы убедиться, что вы получаете хорошие и достоверные значения.

Ультразвуковой дальномер

Привет! Друзья. Сегодня я вам покажу и расскажу, как сделать ультразвуковой дальномер из не дорогих китайских комплектующих на Arduino.
Для него нам понадобиться.
1) Arduino Nano.
2) Корпус.
3) Пара переключателей.
4) Ультразвуковой датчик.
5) Дисплей с десятичными точками, на 95 микросхеме.
6) Батарейный отсек для трёх «пальчиковых» батареек.
7) Монтажный провод.
8) Паяльник, припой и т.д.
Изготовление:
1) Для начала рассмотрим схему ниже, по ней мы и будем собирать наш дальномер.
2) Так и прежде чем паять нужно, откусить и выпаять штырьки с модулей.
3) Для соединения всех компонентов я буду использовать восьми цветной китайский монтажный провод. Сначала припевам проводки к Arduino Nano.
4) Потом припаиваем все кроме переключателей.
5) С задней стороны корпуса откусываем ножки под печатную плату. Они нам не понадобятся да и будут только мешать.
6) Далее берём ультразвуковой датчик и снимаем с него все размеры.
7) И все размечаем на корпусе.
8) Сверлим сначала обычным сверлом среднего размера.
9) А затем ступенчатым.
10) Крепить ультразвуковой датчик будем на терма клей. Площадку, где будем склеивать зашкурившем мелкой наждачной бумагой, это даст нам более крепкое склеивание.
11) Заклеиваем.
12) Теперь нужно установить дисплей. Замеряем его и переносим метки на корпус как это изображено на фото ниже.
13) Для начала по краям выцарапанного треугольника высверливаем не большие отверстия.
14) Затем с помощь канцелярского ножа и линейки, по периметру делаем более глубокие надрезы как это показано на фото ниже.
15) Далее раскалённым ножом прорезаем диагонали.
16) Выламываем.
17) Доработаем напильником.
18) Затем высверливаем отверстия по обе стороны от дисплея под переключатели.
19) Теперь для установки дисплея. Прикладываем дисплей к заранее проделанному отверстию и крепим на скотч как на фото ниже.
20) И хорошо заливаем терма клеем.
21) Отклеиваем скотч.
22) Вставляем переключатели.И припаиваем их к схеме.
23) Наш ультразвуковой дальномер почти готов. Подключаем Arduino Nano к компьютеру.
24) На сайте проекта скачиваем скетч. Если это ваш первый опыт работы с Arduino то можете прочитать по шаговую инструкцию о тонкостях заливания скетча в Arduino.
25) Настройка тут всего одна это длина вашего корпуса. Ставим её по длине вашего корпуса, в нашем случае это 10.0 см сохраняем
26) Теперь можно вставлять батарейки в наш ультразвуковой дальномер. ВСЕ ГОТОВО!
Применение:
Сначала включим его правым выключателем.
И видим, что он сразу показывает расстояние.
Второй выключатель просто прибавляет к показаниям длинномера столько сантиметров, сколько вы указали в настройке. Это нужно для того чтобы отмерять расстояние не только от самого датчика но и от начала корпуса.
Сам прибор действует до 3.5 м, но при таком расстояние можно измерять расстояния для больших плоских поверхностей, такие как стены. Погрешность измерения не более 3 мм, но опять же все зависит от измеряемой поверхности. Можете посмотреть замеры на фото ниже.
Также мою видео сборку можете посмотреть ниже.

Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. .

Дальномер – это прибор, предназначенный для определения расстояния между наблюдателем и удаленным объектом без необходимости приближаться к нему. Он широко используется в геодезии, а также в строительстве, топографии и прочих сферах. Также дальномерами пользуются военные для корректировки огня со снайперского оружия и минометных установок.

Кому пригодится дальномер, и его преимущества над измерительной рулеткой

Применение дальномеров имеет массу преимуществ над традиционными измерительными линейками и рулетками, поскольку дает возможность получить точные данные о расстоянии к объекту за считанные секунды. При этом оператор использующий прибор может находиться на одном месте. Это намного удобней и быстрее. При этом получаются точные показатели с минимальной погрешностью. К примеру, если измерять расстояние между двумя объектами на ландшафте, то при применении обыкновенной измерительной рулетки может возникнуть большая погрешность в связи с наличием на траектории движения неровностей и углублений. Дальномеры проводят измерения по идеально прямой линии, сводя на нет факторы, влияющие на точность.

Применение подобного оборудования в быту неоправданно. Его могут использовать строители, но только те, которые занимаются возведением зданий, а не внутренней отделкой. Стоимость подобного инструмента, а также затраты времени на его выставление, делают его применение для монтажной разметки на стенах неактуальным. В том же случае если необходимо обозначить границы для заливки фундамента или рытья большого котлована для крупных зданий, тогда естественно дальномер будет намного удобнее, чем рулетка.

Также дальномеры часто используют фотографы, которые предпочитают снимать пейзажи. Интересует это оборудование и астрономов, геодезистов, военных и мореплавателей. Это сугубо профессиональный инструмент, который не стоит покупать любителю, планирующему его использование от случая к случаю.

Виды дальномеров по принципу работы

По принципу работы существующие конструкции дальномеров разделяют на две категории:

  • Активные.
  • Пассивные.

Активные наводятся объективом на точку, к которой необходимо измерить расстояние, после чего отправляют на нее световой или звуковой сигнал. Достигнув поверхности предмета, тот отражается и возвращается обратно. Чувствительный элемент прибора улавливает волну и рассчитывает расстояние к объекту на основе времени, которое ушло на ее передвижение.

Активные дальномеры бывают следующих видов:
  • Звуковые.
  • Световые.
  • Лазерные.

Что касается пассивных, то они не посылают никаких сигналов. Определение расстояния осуществляется по совершенно другому принципу. Такие инструменты работают по законам геометрии. С помощью пассивных приборов осуществляется вычисление построенного равнобедренного треугольника, по параметрам которого можно высчитать расстояние.

Пассивные дальномеры бывают:
  • Оптические.
  • Нитевые.

Является самым неточным устройством, работающим по активному принципу. Это оборудование имеет схожий метод с тем, что используют для ориентирования дельфины или летучие мыши. Прибор создает звуковую волну, направленную вперед на объект, к которому нужно померить расстояние. При достижении импульсом преграды создается эхо, которое отбивается и попадает на чувствительную часть ультразвукового устройства.

Такие приборы используют звук с высокой частотой около 40 Кгц. Он неуловимый уху человека, поэтому применение подобного дальномера не вызывает никакого дискомфорта. Это сравнительно недорогие устройства, но чтобы ими воспользоваться, необходимо правильно направить импульс, на что уходит время. Конечно, рулеткой мерить намного дольше, но лазерные инструменты более совершенные, чем ультразвуковые.

Один из самых востребованных. Он направляет на объект пучок света, который отбивается и возвращается на чувствительный сенсор устройства. По тому времени, которое уходит на движение пучка света туда и обратно прибор автоматически рассчитывает дистанцию. Таким образом, оператор просто считывает готовые цифровые данные с дисплея.

Такие устройства могут комплектоваться лазером различной мощности. Дальность измерения зависит именно от яркости излучателя. В продаже можно встретить строительные дальномеры с диапазоном действия от 20 до 50 м. Также бывают более мощные устройства, которыми пользуются геодезисты. Лазерные приборы очень надежные, а главное могут ремонтироваться. Практически любая деталь, которая вышла из строя, может быть заменена в сервисном центре.

Лазерные дальномеры являются электронным устройством, которое нуждается в источнике питания. В качестве него может выступать встроенная аккумуляторная батарея или обыкновенные пальчиковые батарейки. В плане экономии лучшее устройство на аккумуляторе, которое можно заряжать от электросети. Себестоимость обеспечения его работы намного ниже, чем при периодической покупке батареек для смены.

Важным преимуществом, которым обладает лазерный дальномер, является возможность измерения расстояния к определенной точке. Инструменты прочих типов такой функции не имеют. Пучок лазерного луча очень тонкий, поэтому он доходит до требуемого участка объекта и отбивается от него обратно. Если поверхность является рельефной, к примеру отвесная скала, то только такое устройство даст возможность получить точные данные.

При использовании лазерного дальномера для измерения расстояния от очень удаленных объектом в несколько сотен метров устройство должно закрепляться на штативе. Дело в том, что дрожание рук при столь значительной дистанции не позволит оборудованию уловить отраженный сигнал, а также изначально направить его прямо в цель. Если же прибор будет закреплен неподвижно, то это позволит избежать подобных факторов влияющих на погрешность.

Точность измерения лазерным дальномером во многом зависит от условий, в которых осуществляется работа. Под открытым небом при хорошем солнечном освещении устройство теряет свою чувствительность, особенно если приходится действовать на большие дистанции. Также оно плохо работает в туман, но эта проблема присуща всем типам дальномеров, поскольку для них нужна прямая видимость.

Оптический дальномер

Работает по пассивному принципу. Такие устройства часто используют геодезисты, поскольку инструмент поддерживает измерения на дальние расстояния. При необходимости осуществлять топографические работы лучше выбрать оборудование этого типа. Такие приборы работают по всем известной теореме Пифагора, которая является одной из самых главных в геометрии.

Подобные инструменты не имеют датчика, который автоматически определяет расстояние. Смотря в окуляр оптического дальномера нужно визуально зафиксировать данные специальной шкалы, поэтому получение погрешности является неизбежной.

Хотя оптические дальномеры и весьма удачный вариант для дальних измерений, но если нужно померить дистанцию до отвесного объекта с рельефной поверхностью, к примеру отвесной скальной стены, то при взгляде через зрительную трубку данная поверхность будет выглядеть обычной плоскостью. В результате полученные параметры дистанции будут иметь значительную погрешность и показания расстояния в целом, а не к определенной точке отсчета.

Оптические дальномеры бывают монокулярными и стереоскопическими. Их принцип работы немного отличается, поскольку первые позволяют вычислять расстояние используя геометрические формулы для прямоугольного треугольника, а вторые для равнобедренного. Монокуляр стоит дешевле, чем дальномер с двумя зрительными трубками. Кроме этого он менее удобен, поскольку вызывает утомление оператора. Смотреть через стереоскопические дальномеры комфортнее, а кроме этого они способны определить расстояние до движущегося объекта.

Нитевый дальномер

Работает схожим принципом с оптическим. Для осуществления измерения применяются геометрические вычисления. Устройство применяется со специальной рейкой с нанесенной на нее шкалой делением в 2 см. Она переносится к той точке, до которой необходимо измерить расстояние. Планка устанавливается горизонтально. Она укапывается в грунт или поддерживается специальными подставками. В крайнем случае ее может удерживать напарник руками. После того как рейка установлена необходимо вернуться к точке от которой нужно провести измерение и посмотреть на шкалу планки через объектив устройства. Его зрительная труба имеет установленные тонкие горизонтальные нити. Просматривая через глазки дальномера нужно подсчитать, сколько делений на шкале планки помещается между двумя линиями. После получения данных остается провести расчет по специальной табличке или формуле, в зависимости от желания.

Такое оборудование является довольно точным, но весьма неудобным. Дело в том, что при его применении в любом случае придется отправиться к объекту, к которому нужно померить дистанцию, чтобы установить рейку со шкалой. После необходимо будет вернуться к устройству и посмотреть через зрительную трубку. Если речь идет о расстояниях в несколько сотен метров, то подобные переходы заберут много времени и сил. В связи с этим специалисты, которые пользуются подобными дальномерами, обычно действуют с напарником. Оборудование других типов позволяет работать одному.

>Денисюк Роман Эдуардович

1. Лазерный дальномер из веб-камеры

1.1. Принцип работы

Лазерная точка проектируется на возможное препятствие, лежащие в поле зрения камеры, расстояние до этого препятствия может быть легко вычислено. Математика здесь очень простая, обработку данных лучше всего производить в компьютерных приложениях. (см. рис. 1.1)

Рисунок 1.1 – Принцип действия дальномера

Итак, вот как это работает. Лазерный луч проецируется на объект в поле зрения камеры. Этот луч должен быть идеально параллелен оптической оси камеры. Лазерная точка захватывается вместе с остальной сценой. Простой алгоритм ищет на изображении яркие пиксели. Предполагая, что точка лазера является яркой на фоне более тёмной обстановки (я использовал обычную лазерную указку купленную в магазине за доллар), изначально положение точки в кадре не известно. Затем нам нужно рассчитать дальность до объекта, основываясь на том, где вдоль оси Y находится лазерная точка, чем ближе она к центру изображения, тем дальше находится объект.

Как мы видим из рисунка выше, расстояние (D) может быть рассчитано по формуле:

Конечно, для решения этого уравнения, вы должны знать, h – фиксированное расстояние между лазерной указкой и камерой. Знаменатель высчитывается так:

Для калибровки системы, мы будем собирать серию измерений, где нам известно, дальность до цели, а также количество пикселей центра изображения до точки лазера.

Используя следующее уравнение, мы можем вычислить угол наклона в зависимости от значения h, а также фактическое расстояние до каждой точки.

Теперь у нас есть расчётные значения, мы можем придумать отношения, что позволяет нам рассчитывать, дальность, зная количеством пикселей от центра изображения. Можно использовать линейную зависимость.

Зная калибровочные данные, можно посчитать:

1.2. Компоненты

Для сборки дальномера требуется не так много деталей: веб-камера и лазерная указка. Для соединения лазерной указки и камеры необходимо вырезать раму из жести или фанеры:

Собранный дальномер должен выглядеть примерно следующим образом:

1.3. Программное обеспечение

Программа-обработчик написана на двух языках: Visual C&nbsp++ и Visual Basic. Вы, вероятно, подумаете, что программа на Visual Basic проще, чем на VC&nbsp++ в плане кода, но во всём есть компромисс. Код на VC&nbsp++ можно собрать бесплатно (при условии, что у вас есть Visual Studio), в то время как код VB требует приобретение программных пакетов сторонних производителей (в дополнение к Visual Studio).

Коды программ написанных на Visual Basic и Visual C&nbsp++ можно найти по ссылке: www.cxem.net

1.4. Дальнейшая работа

Одним из конкретных улучшений, которые могут быть внесены в этот дальномер, является проекция горизонтальной лазерной линии, вместо точки. Таким образом, мы сможем вычислять расстояние до цели, для каждого ряда пикселов на изображении .

2. Фазовый лазерный дальномер

В даном разделе описаны натуральные испытания макетного образца фазового лазерного дальномера, полученного собственными силами.

2.1. Выбор метода измерений

Принцип действия дальномера физического типа заключается в измерении времени, которое затрачивает посланный дальномером сигнал для прохождения расстояния до объекта и обратно. Способность электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта.

Существует несколько методов измерения дальности:

1. Метод триангуляции.

2. Частотный.

3. Импульсный метод.

4. Фазовый метод.

Разрабатываемый лазерный дальномер предлагается выполнить но основе фазового метода. Фазовый метод измерения расстояний основан на определении разности фаз посылаемых и принимаемых модулированных сигналов.

Режим работы устройства зависит от его температуры, с изменением которой незначительно изменяется фаза сигнала. Вследствие этого точное начало отсчета фазы определить нельзя. С этой целью фазовые измерения повторяются на эталонном отрезке (калибровочной линии) внутри прибора. Главное преимущество фазового метода измерения – более высокая точность, которая может достигать единиц миллиметров .

2.2. Создание макетного образца

Для проверки теоретических положений на практике, проверки устойчивости усилительных каскадов и предварительной оценки чувствительности и уровня шумов измерительного канала отраженного лазерного излучения был разработан и исследован его макетный образец.

В качестве излучателя при разработке макетного образца использован стандартный модуль красного лазерного светодиода (см. рис. 2.1) мощностью 5&nbspмВт длиной волны 650&nbspнм.

Рисунок 2.1 – Модуль лазерного светодиода

Для регистрации отраженного лазерного излучения в качестве фотоприемника использован pin-фотодиод bpw24r (см. рис. 2.2). К преимуществам данного фотодиода следует отнести высокую чувствительность в красной области видимого спектра, узкую диаграмму направленности и малую емкость р-п-перехода (5&nbspпФ). Максимальная рабочая частота 35&nbspМГц.

Рисунок 2.2 – PIN-фотодиод bpw24r

Для генерации рабочего и опорного сигналов использован модуль DDS генератора сигналов на базе микросхемы AD9850 (см. рис. 2.3). Рабочий диапазон генерируемых синусоидальных колебаний лежит в пределах от 1&nbspГц до 40&nbspМГц, шаг перестройки 1&nbspГц, относительная нестабильность частоты 10-5.

Рисунок 2.3 – Модуль AD9850 DDS генератора сигналов

В качестве микропроцессорного модуля управления использована стандартная плата Arduino Uno (см. рис. 2.4) на базе современного микро-контроллера ATmega328 c тактовой частотой 16&nbspМГц.

Рисунок 2.4 – Микропроцессорный модуль Arduino Uno

На рисунке 2.5 приведена схема модулятора лазерного излучения. Гармоничный сигнал частотой 10 МГц и амплитудой 0,5 В с выхода DDS генератора поступает на электронный усилитель с коэффициентом усиления по напряжению KU&nbsp=&nbsp3, построен на базе операционного усилителя DA1 AD8042. С помощью подстроечного резистора R1 обеспечивается выбор оптимального положения рабочей точки по постоянному току.

Рисунок 2.5 – Функциональная схема модулятора лазерного излучения

На рисунке 2.6 представлена схема отраженного лазерного сигнала, состоящий из фотоусилителя на DA1, смесителя и двухкаскадного избирательного усилителя на DA2 и DA3. Фотопидсилювч превращает измерительный оптический сигнал в электрический. На выходе смесителя формируется низкочастотный разностный сигнал с частотой 1 кГц, который после фильтрации двухзвенный фильтром нижних частот (R3, R4, C4, C5) поступает на избирательный усилитель с коэффициентом усиления около 10000.

Модулятор лазерного излучения и измерительного канала отражен-ного сигнала собраны на отдельных беспаечних монтажных платах (см. рис. 2.7 и 2.8). Программное обеспечение модуля разработано в среде Arduino 1.0.5. Для управления DDS генератором использована стандартная библиотека AH_AD9850.h.

Рисунок 2.6 – Функциональная схема измерительного канала отраженного лазерного излучения

В результате испытаний макетного образца получили:

– Уровень шумов на выходе избирательного усилителя составляет 5&nbspмВ;

– Уровень полезного сигнала на выходе избирательного усилителя при расстоянии до объекта 2 м составляет 200&nbspмВ;

– Самовозбуждение усилителя отсутствует;

– Внешняя засветка фотодиода на результаты измерений не влияет.

Рисунок 2.7 – Макетная плата модулятора

Рисунок 2.8 – Макетная плата измерительного канала отраженного сигнала

Самодельный фазовый лазерный дальномер


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. Для измерения временных интервалов с такой точностью используют ПЛИС и специализированные микросхемы.

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.
Более подробно (с всеми нужными формулами) этот метод рассматривается и .
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, 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. В этом проекте как раз реализована передача данных со скоростью 10Mbit, что соответствует выбранной частоте модуляции.
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). Кроме того, с ростом частоты заметно падает сигнал на выходе фотодиода (сказывается его емкость). Отмечу, что усилитель в данной конструкции — важнейшая и наиболее капризная часть. Как оказалось, его усиления явно не хватает. Изначально я предполагал, что коэффициент усиления можно будет менять (чтобы ослаблять сигнал при его слишком большой величине), используемая схема позволяет это делать, меняя напряжение на втором затворе транзистора. Однако оказалось, что при изменении усиления достаточно сильно изменяется вносимый усилителем сдвиг фаз, что ухудшает точность измерения расстояния, так что пришлось установить коэффициент усиления на максимум, подавая на затвор транзистора напряжение 3В с батарейки.
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 TIM2. 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:

Лазерный дальномер

См. также: Лидар Лазерный дальномер RB20000 Купол лазерного дальномера АЗТ-28 («Большая сажень»)

Лазерный дальномер — прибор для измерения расстояний с применением лазерного луча.

Широко применяется в инженерной геодезии, при топографической съёмке, в военном деле, в навигации, в астрономических исследованиях, в фотографии. Современные лазерные дальномеры в большинстве случаев компактны и позволяют в кратчайшие сроки и с большой точностью определить расстояния до интересующих объектов.

Лазерные дальномеры различаются по принципу действия на импульсные и фазовые.

Импульсный лазерный дальномер — это устройство, состоящее из импульсного лазера и детектора излучения. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно, и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Импульсные лазерные дальномеры обладают большой дальностью работы, т.к. импульс можно выдать с большой мощностью и повышенной скрытностью, включаясь только на время импульса. Поэтому импульсные лазерные дальномеры обычно применяются в военных прицелах.

Фазовые лазерные дальномеры на короткий промежуток времени включают подсветку объекта с разной модулированной частотой и по сдвигу фазы вычисляют расстояние до цели. Они не имеют таймера замера отражённого сигнала, поэтому дешевле, но имеют меньшую дальность (до 1 км) и поэтому обычно используются в бытовых целях или как прицелы стрелкового оружия.

Лазерный дальномер — простейший вариант лидара.

Фазовые лазерные дальномеры

Фазовые лазерные дальномеры имеют ошибку на доли длины фазы модуляции, поэтому намного точнее импульсных, а также дешевле, т.к. не имеют сверхточного таймера. Однако необходимость более длительной подсветки цели уменьшает мощность лазера и, как следствие, дальность работы прибора.

Фазовый лазерный дальномер не меняет длину волны самого лазера (это сложно), а управляет его мощностью, накладывая модулирующий сигнал частотой не выше 500 МГц.

Принцип действия фазового лазерного дальномера заключается в том, что при отражении от цели отражённая волна придет в другой фазе. Иными словами, если в данный момент лазер излучает сигнал определённой мощности, то отражённый сигнал будет возвращаться так, как будто мощность излучения была другая, поскольку за время прохождения света до измеряемого объекта и обратно изменяется фаза (мощность сигнала) на самом устройстве. Поскольку неизвестно, сколько целых длин волн уложилось при одном измерении, то дальномер меняет частоту модуляции и повторяет замер. Далее процессор в дальномере решает систему линейных уравнений и вычисляет расстояние до цели. Точность результата определяется точностью измерения сдвига фаз и достигает 0,5 мм.

> Примечания

  1. Самодельный фазовый лазерный дальномер. Дата обращения 7 августа 2016.