EDIT descrizione aggiornata (migliorata) del circuito di rilevamento di fase

Ci sono due principi usati in questi sistemi.

Il primo è il principio del tempo di volo. Come hai notato, se vuoi ottenere una precisione di 3 mm, hai bisogno di una risoluzione temporale di 20 ps (20, non 10, perché dovresti cronometrare il viaggio di andata e ritorno della luce). È una sfida, certamente non nel regno dell'elettronica di consumo a basso costo. Il problema non è solo la necessità di rilevare un fronte veloce: è necessario rilevare l'effettivo impulso riflesso e non ogni altro bit di rumore intorno. La media del segnale sarebbe tuo amico: inviare un treno di impulsi e cronometrare il loro tempo medio di andata e ritorno aiuta. Ciò suggerisce immediatamente che la modulazione continua probabilmente funzionerebbe meglio: ha una caratteristica di filtraggio intrinseca.

Questo porta al secondo modo per ottenere una misurazione accurata: confrontando la fase del segnale emesso e restituito. Se moduli il tuo laser a un modesto 300 MHz, la lunghezza d'onda di una "onda" completa è di 1 m; per misurare una variazione di distanza di 3 mm (6 mm round trip), è sufficiente rilevare uno sfasamento di $ \ frac {6} {1000} \ times 2 \ pi $. Questo è abbastanza banale con un circuito che quadra l'onda trasmessa e riflessa, quindi prende lo XOR dei due segnali e calcola la media del risultato. Un tale circuito fornirà la tensione minima quando i due segnali sono esattamente in fase e la tensione massima quando sono esattamente sfasati; e la tensione sarà molto lineare con lo sfasamento. Quindi aggiungi un secondo circuito che rileva se il segnale 2 è alto quando il segnale 1 ha un fronte di salita: questo distinguerà se il segnale 1 o il segnale 2 è in anticipo.

Mettere l'uscita delle porte logiche in un filtro passa basso (resistore e condensatore) e alimentarlo in un ADC a 12 bit a bassa velocità è sufficiente per determinare la fase con elevata precisione. Esistono circuiti già pronti che possono farlo per te, ad esempio AD8302

L'unico problema con il metodo delle fasi è che troverai la distanza modulo metà della lunghezza d'onda; per risolvere questo problema, usi più frequenze. C'è solo una singola distanza che ha la giusta lunghezza d'onda per tutte le frequenze.

Una possibile variazione di questo utilizza una sorgente di frequenza ampia e rileva i passaggi per lo zero della fase, ovvero, ogni volta che l'uscita del rilevatore di fase è zero (perfettamente in fase) si registra la frequenza di modulazione alla quale ciò si è verificato. Questo può essere fatto facilmente in modo molto accurato e ha il vantaggio che il "rilevamento della fase zero" non richiede nemmeno un ADC accurato. Un uomo saggio mi ha insegnato molti anni fa che "l'unica cosa che puoi misurare con precisione è zero". La distanza corrisponderebbe al tempo di andata e ritorno della frequenza più bassa che ha un passaggio per lo zero, ma non sai necessariamente quale sia quella frequenza (potresti non essere in grado di andare così in basso). Tuttavia, ogni successivo passaggio per lo zero corrisponderà allo stesso aumento di frequenza, quindi se si misura il $ \ Delta f $ tra gli incroci per lo zero per un numero di incroci, si ottiene una misura accurata della distanza.

Tieni presente che una tecnica del genere richiede pochissima potenza di calcolo e la maggior parte dell'elaborazione è il risultato di una media del segnale molto semplice nell'elettronica analogica.

Puoi leggere ad esempio domanda di brevetto USA US20070127009 per alcuni dettagli su come queste cose vengono implementate.

Una variazione di quanto sopra è in realtà la base di uno strumento incredibilmente sensibile chiamato amplificatore lock-in. Il principio di un amplificatore lock-in è che sai che c'è un segnale debole a una frequenza nota, ma con fase sconosciuta (che è il caso per noi quando guardiamo il segnale riflesso di un laser modulato). Ora prendi il segnale in ingresso e lo metti attraverso un rilevatore di IQ: cioè lo moltiplichi per due segnali della stessa frequenza, ma in quadratura (sfasamento di 90 °). E poi fai la media dell'output su molti cicli. Quando lo fai, accade qualcosa di interessante: il circuito agisce, in effetti, come un filtro passa-banda sensibile alla fase, e più a lungo aspetti (maggiore è l'uscita dei cicli su cui fai la media), più stretto diventa il filtro. Poiché hai entrambi i segnali I e Q (con il loro sfasamento), ottieni informazioni sia sull'ampiezza che sulla fase, con la possibilità di recuperare un piccolo segnale oltre a una quantità enorme di rumore, che è esattamente lo scenario che farai spesso avere con un telemetro laser. Vedi ad esempio l ' articolo wiki.

Il rilevamento della quadratura diventa piuttosto banale quando si utilizza un clock al doppio della frequenza di modulazione e si inseriscono due divisori: uno che si attiva sul fronte positivo e uno che si attiva sul fronte negativo. Un paio di interruttori analogici (veloci, elettronici) e un semplice circuito RC completano il progetto. Ora puoi spostare la frequenza di guida e guardare la fase sulle due uscite "avvolgere" - e ogni volta che fa un giro completo, hai aumentato la frequenza di un importo $ \ Delta f = \ frac {c} {2d} $ dove $ c $ è la velocità della luce e $ d $ è la distanza dal bersaglio. Il che ha trasformato una misurazione molto difficile in una molto facile.

Il circuito di temporizzazione non deve essere così veloce. Ha solo bisogno di un convertitore time-to-digital che abbia una risoluzione sufficientemente alta (0,1 ns è quasi banale con la tecnologia CMOS standard) e quindi può calcolare la media di molti impulsi (centinaia o migliaia) per ottenere la risoluzione migliorata di un altro ordine di grandezza. Queste sono tutte tecniche ingegneristiche abbastanza standard che sembrano complicate, ma in realtà sono piuttosto semplici da implementare. Potresti costruire qualcosa del genere a casa con un FPGA e componenti analogici economici.

Se vuoi vedere come può essere fatto, guarda gli schemi di un vecchio generatore di ritardo DG535 di una società chiamata Stanford Research Systems. È uno strumento che puoi trovare in quasi tutti i laboratori di fisica e che può generare impulsi con una risoluzione temporale di circa 5ps. Non c'è assolutamente niente di spettacolarmente veloce lì dentro, è solo un circuito davvero ingegnoso. Il DG535 è l'opposto del circuito che hai in mente, cioè è un convertitore digitale-tempo, ma nella mia mente un po 'più facile da capire rispetto al circuito del contatore di intervallo di tempo / frequenza SR620 della stessa azienda, che fa il tempo- conversione in digitale che stavi chiedendo. Probabilmente anche l'SR620 non è così comune, ma se riesci a procurarti un manuale su eBay, fallo. L'azienda pubblicava i propri schemi e si può imparare molto dai loro progetti.

Non devi far funzionare un orologio così velocemente e non hai nemmeno bisogno di nuovi principi fisici, solo un design elettronico intelligente, mescolando componenti analogici e digitali e realizzando alcune parti critiche (interruttori, in sostanza) molto veloce.

Una tecnica semplice, come descritta qui su wikipedia, è una rampa a due pendenze. All'inizio del tempo da misurare si inizia a caricare un condensatore con una corrente costante; alla fine del tempo da misurare, si interrompe la carica e si inizia a scaricarla con una corrente, diciamo, 1000 volte inferiore, il che significa che la scarica dura 1000 volte più a lungo della carica. Supponendo che tu cronometri la scarica con un clock molto ragionevole di 100 MHz, conosci il tempo di scarica entro 10 ns e quindi il tempo di ricarica entro 10ps, che è la precisione che stai chiedendo.

Esistono varie fonti di rumore ed errore che rendono la precisione di questo semplice progetto peggiore di quanto sarebbe idealmente, ma ci sono anche tecniche e trucchi più avanzati che aumentano la precisione e 100 MHz non è nemmeno il clock più veloce possibile. Non intendo entrare nei dettagli, ma mostrare che non è necessario nulla di troppo esotico. Conosco un dispositivo basato su un design di 6 anni che un hobbista può costruire con parti standard per circa \ $ 50 che fornisce una risoluzione di 125ps e un errore RMS di circa 500ps; se permetti che le cose migliorino un po 'negli ultimi anni, che un produttore che produce in serie sia più conveniente rispetto a un hobbista, e forse per un po' di esagerazione nelle specifiche dei prodotti di consumo, un dispositivo da $ 40 100ps nel regno della ragione.

Invece di tentare di cronometrare il viaggio di andata e ritorno di singoli impulsi (che dipende da un buon modo per separare gli impulsi riflessi dal rumore ambientale), puoi anche creare un anello ad aggancio di fase.

Controlla l'invio di impulsi in uscita da un oscillatore controllato in tensione, inviando un impulso ad ogni passaggio per lo zero in aumento.Ogni volta che vedi un impulso in arrivo appena prima del passaggio per lo zero, diminuisci leggermente la frequenza;se vedi un impulso in arrivo dopo il passaggio per lo zero, aumenta la frequenza.Quando la polvere si deposita, il tempo di andata e ritorno sarà un multiplo intero del periodo dell'oscillatore e puoi calcolare quale multiplo utilizzando misurazioni più grossolane.

Misurare il periodo ora è solo questione di contare quanti impulsi ci sono, diciamo, 100 ms, con una combinazione appropriata di divisori di frequenza e contatori digitali lenti.

Il laser è luce coerente, quindi con una tecnica chiamata interferometria puoi effettivamente misurare la distanza con una risoluzione di meno di un micrometro , indipendentemente dai tuoi tempi risoluzione.

Va ​​notato che la misura prodotta dall'interferometria ha una periodicità a mezza lunghezza d'onda (ad esempio 200-350 nm per la luce visibile). Ciò significa che per misurare in modo assoluto una distanza maggiore di mezza lunghezza d'onda, un dispositivo di misurazione deve impiegare anche altre tecniche di misurazione (ad esempio la tecnica di modulazione laser / rilevamento dello sfasamento spiegata nella risposta selezionata per questa domanda).

La combinazione delle due tecniche consente una misurazione della distanza assoluta con risoluzione sub-micrometrica, ma senza richiedere tempi estremamente precisi.

Sebbene questo approccio non sia utilizzato nei dispositivi portatili economici a cui si riferiva il poster originale, esistono dispositivi che utilizzano questo approccio.