Как работают лазерные дальномеры за пару тысяч

Попался мне в одной сети лазерный дальномер и увы он перестал заряжаться. Решил что это возможность поковырять его и припаялся к краевому разъему логическим анализатором(спойлер - ничего не было интересного). Поэтому решил изучить его принцип работы. Дальномер что мне попался построен на GM5351A + 25 МГц кварц и NM0022328 и т.д.

Немного теории

Фазовый лазерный дальномер измеряет не время пролёта отдельного импульса, а фазовый сдвиг между модулирующим сигналом, излучённым лазером, и сигналом, принятым после отражения от цели.

В архитектуре с GM5351A и NM0022328 генератор формирует несколько высокочастотных сигналов модуляции и гетеродина, а приёмный тракт переносит измерение фазы на низкую частоту (обычно единицы кГц), где её удобно оцифровать и вычислить микроконтроллером.

Лазерный диод излучает непрерывный луч, интенсивность которого модулируется синусоидальным или близким к нему сигналом частоты. Свет проходит до цели и обратно, поэтому фаза принятого сигнала отстаёт от опорной на величину, соответствующую удвоенному расстоянию.

Поскольку фаза определена только в пределах 0...360∘0...360∘, одна частота даёт неоднозначный результат: при 10 МГц однозначный диапазон составляет около 15 м, а 1° фазы соответствует примерно 4 см изменения расстояния. Для разрешения неоднозначности прибор поочерёдно использует несколько частот модуляции: низкая даёт грубую оценку и расширяет диапазон однозначности, высокие — точность.

GM5351A — это аналог программируемого тактового генератора Si5351A: микросхема с I2C-управлением, которая из опорной частоты кварца синтезирует несколько выходных частот. В лазерных рулетках её используют как источник двух близких высокочастотных сигналов: сигнала модуляции лазера и сигнала гетеродина.

Кварц 25 МГц задаёт опорную частоту синтезатора. Si5351-подобные генераторы принимают кварц 25 или 27 МГц и формируют выходы до 200 МГц; в описанной архитектуре один выход идёт на лазер, второй — в гетеродинный тракт.

Структура измерительного тракта

text25 МГц кварц
     │
     ▼
GM5351A (PLL / clock generator)
     ├──────────► Модуляция лазера: f_mod
     └──────────► Гетеродин: f_LO = f_mod − f_IF

Лазерный диод ──► объект ──► отражённый свет ──► APD
                                                     │
                     f_LO (через сумматор/модуляцию APD)
                                                     ▼
                                          НЧ-сигнал f_IF = f_mod − f_LO
                                                     │
                                              Фильтр + усилитель
                                                     │
                                     NM0022328 / АЦП / MCU
                                                     │
                                    Фаза относительно опорного сигнала
                                                     │
                                              Расчёт дальности

Гетеродинный принцип позволяет не измерять фазу на сотнях мегагерц напрямую. Вместо этого принятый оптический сигнал переносится на низкую промежуточную частоту,а опорный сигнал формируется смешением​. Затем микроконтроллер вычисляет разность фаз двух низкочастотных сигналов.

Как формируется сигнал на фотодиод

В распространённых схемах часто используется лавинный фотодиод (APD) работает не только как фотоприёмник, но и как смеситель. На его катод подаётся сумма постоянного высокого напряжения и переменного напряжения гетеродина; переменная составляющая модулирует коэффициент умножения APD. В результате фототок оказывается умножен на периодически меняющийся коэффициент, и на выходе появляется составляющая разностной частоты.

Далее сигнал проходит:

• полосовой фильтр, выделяющий и подавляющий гетеродинную частоту и паразитные продукты преобразования;
• малошумящий усилитель;
• при необходимости — управляемый усилитель/АРУ;
• АЦП микроконтроллера или специализированной микросхемы.

APD требует высокого обратного смещения — в лазерной рулетке формировалось более 80 В. Его усиление сильно зависит от напряжения и температуры, поэтому в схеме обычно есть высоковольтный DC-DC, терморезистор рядом с фотодиодом и программная коррекция фазовой ошибки.

Измерение фазы

Микроконтроллер получает два низкочастотных сигнала:

• REF — опорный, полученный смешением сигналов модуляции и гетеродина;
• SIG — измерительный, полученный после приёма отражённого света и гетеродинного преобразования.

Разность их фаз и содержит информацию о дальности. В одном из практических вариантов что я видел МК одновременно или с фиксированной задержкой оцифровывал оба канала АЦП через DMA, затем вычислял фазу каждого сигнала на частоте 5 кГц алгоритмом Гёрцеля и вычитал результаты.

Алгоритм Гёрцеля предпочтительнее полного FFT, когда нужна фаза только одной известной частоты: он вычисляет один частотный компонент, а не весь спектр.

Разрешение неоднозначности

Если использовать только одну высокую частоту, например 190 МГц, прибор не сможет отличить расстояния, различающиеся на целое число полуволн модуляции. Поэтому прошивка последовательно измеряет фазы на нескольких частотах и решает систему уравнений либо использует метод биений близких частот.

Кажется это всё