（光学工程专业论文）空间交会相位激光测距原理方案及发射接收技术研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 虱豳挝3日期：沙彤年厂月膨日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：衄导师签名：烨 曰期：洲年j 一月f 虹日 电子科技大学硕士学位论文 摘要 本文论述了空间交会对接用激光雷达的原理与性能，展望了相位测距机 在空间交会对接过程中的应用前景。对空间交会对接的相位测距机提出的特 殊指标，提出了一种新的测相方法，该方法不同于常用相位测距机所使用的 多波长测尺频率组合、差频数字测相的方法，而是采用单波长测尺频率，以 计算接收正弦波信号的波数得出粗略相位移，以接收信号为触发信号对内基 准f 弦波采样并处理得出精确相位移。应用该测距方法可以较大的提高测量 速率，满足系统对空间动态目标进行实时测量的要求。 分析了空间有合作目标情况下和漫反射情况下接收光功率和距离的关 系。 设计了半导体激光器调制驱动电路 i ：i a p d 光电检测电路，分析了a p d 光电 器件的探测噪声问题。采用了a p d 自动增益控制代替常用的减光装置以防止光 强饱和。 用v h d l 语言和小型c p l d 器件设计了一个单片可再编程的信号处理和控制 电路并进行了仿真，因此简化了信号处理电路，减小了体积，重量和功耗， 同时又具有很大的灵活性。 关键词：激光雷达相位测距a p d 光电检测c p l d 实时 测量 屯子科技大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sd i s c u s s e st h eb a s i ct h e o r ya n dp e r f o r m a n c eo f a s e r r a d a rf o r f r e e s p a c er e n d e z o u sa n dd o c k i n g ( r v d ) ，a n dd e s c r i b e st h e o u t l o o ko na p p li c a t i o no fp h a s e s h i f tr a n g ef i n d e rf o rf r e e s p a c er v d i na l l u s i o nt ot h es p e c i f i cr e q u e s t so fp h a s e s h i f tl a s e rr a n g e f i n d e rf o r f r e e s p a c er v d ，an e wp h a s e d e t e c t i v em e t h o do t h e rt h a n g e n e r a lp h a s e d e t e c t i v em e t h o d i s p u tf o r w a r d ，i t c a ni n c r e a s et h e m e a s u r es p e e db ya p p l y i n gt h i sm e t h o da n ds a t i s f yt h er e q u e s t so fs y s t e m f o rm e a s u r i n gd y n a m i ct a r g e ti nr e a l t i m ei nf r e e s p a c e t h et h e s i sa n a l y s e st h ec o n n e c t i o no fr e c e i v i n g1 i g h tp o w e ra n d d i s t a n c e 。 t h et h e s i sa n a l y s e st h ep r o b l e mo nt h en o i s eo fa p dp h o t o e l e c t r i c r e c e i v i n gs y s t e m a u t h o r d e s i g n s s e m i c o n d u c t o rl a s e rm o d u l a r i o n d r i v i n ge i r c u i t ，a p d l a s e r s i g n a lr e c e i v i n g a n d a m p l i f ys y s t e m a n da d o p t sa u t o g a i n - c o n t r o lt e c ht ok e e pf r o m1 i g h ti n d e n s i t y i o n t o s i m p l i f y t h e s i g n a lp r o c e s s c i r c u i ta n dd i m i n is ht h e h e i g h t ，h u l ka n dp o w e rc o n s u m p t i o n ，a u t h o rd e s i g n sc p l dd e v i c eb yv h d l l a n g u a g e k e yw o r d s ：l a s e rr a d a r ： p h o t o e l e c t r l0r e c e i v i n g p h a s e s h lf tr a n g ef i n d ：a p d o p l d ：m e a s u r el nr e a l t l m e 2 屯子科技大学硕i 学位论文 第一章绪论 1 。l 空闻交会对接简介 靛天耩空闻交会对搂技术是发浸窒溺较零瓣关捷途径。它包懿嚣罄分稳 互衔接的空间操作：空间交会和空间对接。 所谓交会是指航天器之间在轨道上按预定鞭求相互接近的过秘，即两个 或两个以上航天器通过轨道参数的协调在同时间到达同一空f 闭位置的过 程。弼对接烈为在交会的然础上，通过专门的辩接装置将其结构上连成一个 整藩。 自从6o 年代以来，世界上已经进行了10o 多次的航天器空间交会对 接活动。由于载人航天技术逐步成熟和空间盘占的蓬勃发展，预计下世纪初国 际永久空间站将建成，这些都需要空间交会对接技术。因此，随祷人类空间 活动藏獭的不断扩大，空闽交会对接技术将会发挥越来越重要的 擘用。 交会耱对接按术在殛论霸工疆上螯是鞠警笺杂魏，整令交会对按过程大 致分为4 个阶段： 1 地面导引阶段 在此阶段地面参与对目标航天器和追踪航天器的跟踪和测量， 踪航天器进入其探测器能捕捉目标航天器的范围。 2 叁魂寻豹陵段 在蔬阶段追踪虢天器上盼深测器应能够鼹踩测量藩标靛天嚣， 航天器导引至距目标航天器1 0 0 - - i 0 0 0 米左右的距离。 3 最终逼近阶段 并引导追 并将追踪 两个航天器之间的距离逼近至1 0 米左右的距离，同时双方都在进行运动 姿态鹣调整。 4 。对接隆段 两个航天器开始接触，各自姿态和轨道控制系统停止工作，对接开始。 在这四个阶段中各个阶段的导航方式是不一样的。大致过程如下表1 1 所示。交会对接的过程如下：在交会对接过程开始时，追踪航天器和目标航 天嚣敬鼹褰进较远，蓑簧德瑟参与黯逵踪j l 踅天獯稠器蠡舷天器遴行鼹稼翻裁 量，在筑西溺量浆支持下，追踪航天嚣辊动飞入其敏感器能够擒获霹标航天 6 电子科技大学硕士学位论文 器的范围内，这时二者距离小于l o o k m ，般是用微波雷达和g p s 共同导航， 表1 1 交会对接过程与导航方式 阶段地面导引自动寻的最终逼近对接锁撞 距离 1 0 0 k m1 k m i o o k m 左右1 0 0 m 一1 k m1 0 0 m 1 0 m 范围 f 导航地面引导，g p s微波雷达，激光雷激光雷达激光雷达，光 1 方式 达，g p s学敏感器 将追踪航天器引导到距离目标2 0 3 0 k m 的范围内，然后启用激光雷达进行精 确导航定位，从此时到对接一直都要使用激光雷达作导航，在距离目标l o o m 2 0 0 m 时启用光学敏感器，一直到对接完成。 由上表和整个过程可以看出，激光雷达在整个交会对接过程中起着很关 键的作用，特别是在几十公里到几米这个范围内起着主分导航的作用。这是 由交会对接的实际要求和激光雷达的性能所决定的。因为在这个阶段，交会 对接的精度要求很高，很短的距离对于微波雷达来说是测量盲区，而且其精 度也远远不能满足要求。激光雷达由于自身的优点，如动态范围很宽，精度 极高等，是最适合于交会对接的。 1 2 激光雷达概述 传统雷达( r a d i od e t e c t i o na n dr a n g e ，r a d a r ) 是以微波和毫米波来作 为载波的雷达，激光雷达( l a s e rd e t e c t i o na n dr a n g e ，l a d a r ) 是以光作为 载波的雷达，其波长要比微波波长短四五个数量级，但在本质上二者没有差 别。都是由雷达发射信号，然后由雷达接收起收集被目标反射的信号，通过 测量发射信号的往返时间来确定目标的距离，目标的径向速度可以由反射光 的多普勒频移来确定，也可以通过两次或多次距离测量，计算距离变化速率 得到。 激光雷达可以工作于相干方式和直接探测方式，由发射、接收和后置信 号处理三部分和使此三部分协调工作的机构组成。由于激光本身独特的性质 决定了它能实现很多传统雷达达不到的性能要求。激光的发散角小、能量集 7 电子科技大学硕士学位论文 中，能够实现极高的探测灵敏度和分辨率；单色性好、频率高使得多普勒频 移大，可以探测从低速到高速的运动目标；极短的波长使得天线和系统尺寸 可以做的很小，这些都是传统雷达所不可比拟的。 激光雷达与传统微波雷达相比有许多优点： 1 角分辨率高，速度分辨率和距离分辨率高。采用距离一多普勒成像 技术可以得到运动目标高分辨率的清晰图像，而且测量没有盲区。 2 抗干扰能力强，隐蔽性好，不受无线电波干扰，能够穿透等离子鞘， 低仰角工作时对地面的多路径效应不敏感。 3 激光雷达波长短( 1 0 。脚一, u r n 量级) ，可以对极小的目标进行探测， 这是微波雷达无能为力的。 4 在功能相同的情况下，比微波雷达体积小，重量轻。 但是激光雷达也有它自己的缺点，那就是受天气影响极大，大气衰减大， 恶劣天气造成作用距离与测量精度的降低。由于其波束窄，难以搜索和捕获 目标，这需要辅助设备进行快速粗捕获目标，然后交由激光雷达对目标进行 精密跟踪测量。 尽管如此，由于外空间不存在大气的影响，激光雷达在空间交会对接中 有着传统雷达无可比拟的优势。 实际上美国在7 0 年代已经开始进行激光交会雷达和光学敏感器等自主交 会对接测量设备的研制。为使对接技术更加完善，性能更高，前苏联也将激 光技术用于空间交会对接，重点发展激光交会对接雷达。欧洲空间局从8 0 年 代初开始研究自主交会对接测量技术和敏感器，其中中短程就是采用激光雷 达。日本8 0 年代后期也开始研究交会对接测量技术和敏感器，主要使扫描式 激光雷达。各国在空间交会对接中无不使用激光雷达。下表是各国空间对接 系统使用的传感器。 可以看出，各国激光交会雷达一般具有以下特征： 1 光源采用连续半导体激光器； 2 探测器采用高性能半导体光伏探测器a p d 3 对接目标上安装立体角反射镜； 4 光学学天线采用卡塞格伦天线： 8 窀子群控天学联学位论文 裘1 2 各国空闻交会对接激光雷达 系统名称时闻国家 作用鼹离工作方式 激光对接系统1 9 8 6 生荑，约翰逊空远距：2 2 k m l o o m ，c w ，l d ，光电二 闻中心近距：1 0 0 o m极管，检流计式 扫攒，p s d 多目标和单目1 9 8 6 年荧，n a s a多目标：l o o m 6 m ，析像篱接收，相 标定向敏感器糖目标：6 m o m位式测距，远距 为援像管溅囊 空间交会对接1 9 8 7 焦圈，东京宇航远距：2 0 k m 2 0 0 m ：c w g a a l a s 式 激光雷达研究所近距：2 0 0 o ml d ，a p d ，相位 法测疑 i 自主交会对接1 9 8 3 定德，m b b 公司2 0 k m 接近e w g a a l a s 式 【光电敏感器l d ，a p d ，检流 计式扫撼 交会对接跟踪1 9 8 9 篷霸，日本电3 0 k m o 2 mg a a s l d ，p d 和 激光雷达器、三菱电机 近距离用c c d c c d ，音频测距 交会对接光学t 9 9 5 笠隧，n a s d a 公 6 0 0 m o 。3 m鼎一l d ，c c d 残像 敏感器系统 裔源传感器用1 9 9 7 钲夔，n a s al l o m o m8 5 0 h m 脉冲l d ， 于空间交会对安装角反射器， 狻c c d 袋像检澜 由于近期激光技术的继续发展，采用大功率半导体激光器和改进扫描机 稳往箍，提窝鞭踪精度，以及在蠢拣飞行器上设置浚俸蓦蠡，麸露傻复合式 激光雷达作为交会对接全过程的测量敏感器成为了可能。 1 3 激光雷达工作方式概述 激光雷达接王 警方式哥努为蹇谈( # 穰于) 搽嚣方式器穰于( 终菠) 搽溅方 式。从下图可看出探测系统由连续半导体激光器，故射接收天线，光电探测 9 电子科技大学硕士学位论文 器，接收放大电路，信号处理与判定5 个部分组成。 图1 一l 非相干检测系统原理图 图1 2 相干检测系统原理图 在非相干检测系统中，在发射端通过对光载波的强度进行直接调制而获 得调制光信号，在接收端利用光探测器直接将光信号转变成电信号，探测器 的光电流正比与接收光功率。 在相干检测系统中，信号可以通过调幅，调频或调相的方式调制到光载 波上，当信号光传输到接收端时，首先与一本振光信号进行相干混合，然后 由探测器探测，这样光电流与信号光场和本振光场的乘积成正比，从而大大 提高接收灵敏度。理论上可以达到探测器的量子噪声极限。但其优点的获得 是以其系统的复杂性为代价的，它要求严格的空间和时间相干条件，其光学 系统和电路系统的要求都比直接检测系统要复杂和严格得多，并且性能也没 有直接检测系统稳定。因此各国的空间交会对接用激光雷达多采用直接探测 系统。 用于测距的激光雷达主要有脉冲激光测距雷达和连续波相位测距雷达两 种。脉冲激光测距雷达的发射功率高，测距能力较强，体积小，多用在军事 上对非合作目标的测距。但其精度不高，一般在5 m 左右。 连续波激光测距雷达用相位法测距，即利用已调制的连续波激光器对准 1 0 电子科技大学硕士学位论文 目标发射一束已调制的连续波激光束。激光接收机接收由目标反射或散射的 回波，通过测量发射的调制激光束和接收的目标回波的已调制激光之间的相 位移来测量目标的距离。它只是对激光回波的强度敏感，故激光器常用幅度 调制，即光强按正弦规律变化： i = i o ( 1 + m s i n t o t ) ( 1 1 ) 半导体激光器的幅度调制是靠调制激励电源实现的，连续波激光测距雷 达测定相位偏移的方法主要有多波长法。 多波长法通过测定相位偏移来测定距离。激光器采用幅度调制，方框图 如图所示。在图中，用电光调制器调制连续波激光器输出光强，调制器用一 个高稳定的振荡器驱动，接收信号的相位偏移用相位计测出，其数量通常为 2 万的倍数。距离r 和所测量的相位移之间的关系为 r ：鱼f _ v + 旦+ 堕、( 1 2 ) 22 n -2 z 式中，r 是目标距离；屯，是调制波长；n 是调制的波数；妒是激光测距 雷达本身固有的恒定的相移；是测量的相移；如果目标距离r 大于调制波 长五；在确定调制波长数时会产生不定解。为了得到较高的测距精度，又 不使测量距离产生不定解，可顺序的用几个波长去调制激光器，并测量每个 波长的的相移。在多个调制波长中，最短的调制波长将决定测距精度，称为 精测波长，所对应的频率称为精测频率。其它的调制波长称为粗测波长，对 应粗测频率。为了保证精度，精测波长必须足够短，即精测频率必须足够高， 其典型值为1 0 0 1 0 0 0 m h z ：其他的粗测波长逐渐加长，因为相位测量的极限 为o 5 。，故测距精度为 ne 0 a r = = 二二一a 。 ( 1 3 ) 3 6 0 0 ” 式中r 是测距精度；五。是精测波长。 连续波激光测距雷达平均发射功率较低，测距能力必相应的脉冲激光测 距雷达差很多，对非合作目标，相位测距的最大测程约为1 3 k m ，但测距精 度高，约为2 r a m ， 因而连续波激光测距雷达大多用于合作目标测距。典型的应用有：自动 电子科技大学硕士学位论文 目标跟踪系统中的精密距离跟踪；要求高精度的距离测量，比如大地测量等。 由于空间技术的特殊性，对空间交会对接用连续波相位激光测距雷达的 体积，重量，功耗提出了严格的限制，并要求能实现对空中高速动态合作目 标的实时距离测量。 1 4 本文的任务和工作 1 针对空间交会对接的激光相位测距仪提出的特殊指标，提出了种新 的测相方法，该方法不同于常用相位测距机所使用的多波长测尺频率组合、 差频数字测相的方法，而是采用单波长测尺频率，以计算接收正弦波信号的 波数得出粗略相位移，以接收信号为触发信号对内基准正弦波采样并处理得 出精确相位移。应用该测距方法可以较大的提高测量速率，满足系统对空间 动态目标进行实时测量的要求。 2 采用双接收电路同时接收内、外光路信号，a p d 自动增益控制等措施 从而取消了光路切换电机和减光控制电机，提高了测量速率，满足了系统不 准使用电机的特殊要求。 3 用v h d l 语言和小型c p l d 器件设计了一个单片可再编程的信号处理和 控制电路并进行了仿真，因此简化了信号处理电路，减小了体积，重量和功 耗，同时又具有很大的灵活性。 4 研制出了相应的半导体激光器调制驱动电路和a p d 光电检测电路。 1 2 电子科技大学硕士学位论文 第二章激光雷达的基本理论 2 1 激光雷达作用距离方程的标准形式口1 激光雷达分析中的一个基本问题是确定到达接收机孔径的光强总通量， 从而确定入射到探测器光敏元件上的总功率。激光雷达测距方程通常用来确 定激光雷达在特定条件下对某个特殊目标的接收功率。 激光雷达测距方程的标准形式为： r ：曼皂呈。一n - d 2 。r 。肌。 ( 2 1 ) b 2 赫。i 矛。t 。m r 町跏 蟛叫 式中只是接收光功率( w ) ；弓是发射光功率( w ) ；g ，是发射天线增 益；盯是目标散射截面；d 是接收孔径( m ) ；r 是激光雷达到目标的距离( m ) ： 玑。是大气传输系数；r s y 。是激光雷达的光学系统的传输系数。定义a 。= 7 r d 2 是有效接收面积( m2 ) 。式中还有 g ，：掣 ( 2 2 ) 妒 其中 ：k a 2( 2 3 ) d 式中k 。是孔径透光常数： k 是光束截面系数； 于是式( 2 1 ) 可变为 b k 4 册p t 0 2 - d 型r 4 叩即 ( 2 4 ) 目标的散射截面为 盯= 警p r d a ( 2 _ 5 ) 其中q 是目标的散射立体角；出是目标的面积；p ，是目标的平均反射 系数。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 激光雷达作用距离方程可以看成发射一定光功率艏的激光大气传输、目 标特憾、光学系统传输特性和接收视翻项因子的乘积形式。 2 。2 激光雷达作用距离方程的特殊形式”1 激光雷达要探测的目标不同，激光雷达作用距离方程又不阊的形式。 魏条激光莺达探溅裂兹麓量包含了从基拣上被熙龛款光堪点反射嚣豹所 有能精，那么在作用距离方程的计算中，要用目标上整个被照亮的区域来计 算。此时可以搜看成是点髫栋，计算时藏要翅到激光霆达照射目标时的散射 截面。 黯点彝标妻勺计舅公式可燧( 2 4 ) 式计簿。 如果按收到的目标的全部回波光束，就可认为怒个与目标大小有关的 扩爱嚣标，莠豆毙褒瓣透匏疆标爨鸯辐射都能反嚣。在近程攘潮时，一般番 成扩展目标。 对扩震翁朗糖教瓣基拣蠢 盯h = 矽r 2 妒2 ( 2 6 ) 予楚有 乓= ! 主：羹譬萃。警船 ( 。一z ) 式中，p 。是扩展目标的平均反射系数。 2 3 激光雷达的信嗓比 激光霉达最重要粒性熊参数是系绞的售蠛比( s n r ) ，对非相干接收机， 除了信号光功率只之外，还肖附加项，即背激光功率岛。，这是由于太阳光和 物 本瓣是身辐射，物体对辐射的反射、漫反射和闪烁等引起的不必器的噪声 信号。接收的光信号与这些外部附加噪声源在接收机内接收到的光信号功率 在非线性光搽测器中变为电信号和被放大，经匹配滤波器和其他抑制噪声的 措施偌，产生个有效电信号。 2 。4 鼍基相予接收枫信噪比的优化 为了优化非相干接收机的信噪比，需要从多种方案中，适当进行选择。 激光霉达的饶亿应驮探测嚣霹激光箍嚣个方甏考虑。毽是饪俺方案都要求裔 1 4 电子科技大学硕十学位论文 高的量子效率，才能使s n r 增加。在量子效率一定时，如果在匹配滤波器后， 影响信噪比的主要因素有背景噪声、等效噪声功率和热噪声。 为了降低背景噪声，应采用窄带滤光片、窄的视场和降低背景噪声功率。 采用比较小的光敏面的探测器，以降低暗电流；采用高的响应率探测器，以 降低等效噪声功率。选择低噪声系数的低温工作的前置放大器和高的负载电 阻。如果探测器的暗电流被限定，则可以选择印较小的探测器。这可以通 过减小光敏面的面积和提高探测器的响应率来实现。采用低噪声系数的前置 放大器和高负载电阻降低系统电路中的热噪声。 由激光雷达作用距离方程可知，激光雷达所接收的信号光功率最或b 与 激光在空间往返传播的距离的4 次方成反比，而非相干激光雷达的s n r 和信 号功率的平方成正比。如果非相干激光雷达系统的接收机的探测器暗电流和 热噪声功率已限定时。激光雷达的单程探测路程是发射的激光功率4 次方的 函数，对于点目标和扩展目标的田性相应的与距离的s 和1 r 一有关。 2 5 激光光束的性质 激光雷达的性能与发射的激光光束的性质有密切关系，激光光束的性质 主要有以下几个方面： 1 激光的发射功率： 2 光束的束宽或发散角； 3 激光光束的光强分布截面形状； 4 激光光束相对于目标的传输方向； 在这里我们主要讨论激光光束的束宽和光强分布截面。激光雷达主要使 用激光谐振腔的最低阶模为t e m 。模，这些模的光强是高斯分布的。波导激 光器产生的光束也可以近似看成高斯光束。高斯光束的分布函数为 k ( ，妒) ：2 e x p ( 一挲) ( 2 8 ) 式中：国2 = 彩。2 i 十( ；护x c 0 0 2 ) 2j ； 。为高斯光束的束腰半径5 1 5 电子科技大学硕士学位论文 为视线瞄准误差； 妒为激光光束束宽，其计算公式为： p ：2 _ 4 4 7 ( 2 9 ) 其中丑为发射激光波长，d 为通光孔径。 为简化对初始性能的估计，常假设光束为均匀分布，即，其光强在光束 内为常数，而在其他地方为零，这虽然不真实，但可提供一个初始估计雷达 性能、激光功率和接收机孔径的简单途径。这个方法提供了与假定发射机做 准确对准和具有真实光束截面分布时相比更保守的估算，另外，用此方法估 计性能要比详细分析快得多。 均匀光束的分布函数可用下式表达： k ( 妒，妒) 21 ，vc,o(2-10) k ( y ，妒) = 0 ，y 妒 式中为视线瞄准误差；妒为束宽。 2 6 目标反射截面 目标的激光雷达截面( l r c s ) 是描述目标对照射到它上面的激光的散 射能力的物理量，估算目标的激光雷达截面是研究目标激光特性的主要任务。 表面粗糙度均方根远小于激光波长的任何球状物体，都会产生镜面反射回波， 称为镜面反射目标，在这里我们重点讨论立体角反射镜，因为在空间交会对 接中激光雷达对准的目标上安装的是立体角反射镜。 立体角反射器不仅是镜面反射，而且可作为回射器，它在光学衍射极限 内，可将所有入射光沿照射瞄准线原路返回，角反射器的l r c s 近似正比于入 射角余弦( 小角度) ，这是因为反射器的投影面积随入射角的增加而减小。 立体角反射器的l r c s 是 盯= 4 ”订1 4 ( 2 1 1 ) 式中，是立体角反射器的边长； 是激光波长。 1 6 电子科技大学硕士学位论文 第三章激光相位测距仪的原理与方案 3 1 相位激光测距仪的原理 相位激光测距通过测量高频调制相位差来实现测距。仪器中的光源发出 连续光，通过调制器调制后成为调制光，调制光采用正弦波调制，光强随时 间作周期变化，通过发射镜射向目标。测定光波往返过程中的整周期数及不 足一个周期的正弦函数的相位，就可确定光波的往返时间的间隔，从而计算 出所测距离。 令中为接收光强调制光信号相对于发送光强调制信号的相位差，其值为： 中：!兰：!(3-1) 五。o 式中，f 为被测体距离，”为媒质折射率，九。为真空调制波长。 中短程相位式光波测距系统兼顾到测程与测距精度的要求，通常采用分 散的直接测尺频率的双频测距方法。这种方法选用高频和中频两个调制信号 仪器具有两把分散的测尺。其高频用于精测，保证测距精度，对应的半波长 称为精测测尺长度；中频用于粗测，保证测距量程，对应的半波长称为粗测 测尺长度。 精、粗测量结果再通过有效的精、粗测量衔接方法衔接为正确的测量结 果。典型的短程相位式双频光波测距仪中，精、粗测尺一般是这样选取的： 取精测测尺约l om ( 对应调制频率约1 5 m h z ) 左右，精测测尺决定测距 精度。考虑到精粗衔接的可靠性和测程的需要，粗测测尺一般取精测测尺的 l o o 倍左右，即取粗测测尺约l o o o 珊( 对应调制频率约1 5 0 k h z ) 左右。 由于电信号经过每个单元线路会产生附加相位移( 与距离无关的相位 移) ，这种相位移的大小与周围环境条件及元件质量和稳定性有关，并不是固 定值，而是随时变化的随机量，无法用加入改正数的办法加以消除。为消除 这种附加相移，一般广泛采用的办法是利用内、外光路转换，分别测量来消 除电子线路的附加相移，这是因为内、外光路产生的电信号经过的是相同的 电子线路，产生的附加相移大致是相当的，将外光路产生的测距信号与内光 1 7 电子科技大学硕士学位论文 路产生的参考信号相减，可以消去附加相移，从而提高测距精度。 在测相方法上，目前的大部分测距机都采用差频数字测相。这是因为为 保证必要的测距精度，精测频率必须选得比较高，在这样高的频率下直接对 发射波和接收波进行测相，技术上比较困难，例如高频电路中的寄生参量的 影响将产生较大的附加相移，降低测相精度。 另外，因检相器的读数直接与频率有关，若对不同的测尺频率直接测相， 就必须有几套测相电路，这必然使电路结构复杂化，也不经济。因此，大多 数相位测距仪都使用差频来测相，即在测距仪内通过主振频率和本振频率的 混频将参考信号和测距信号变成中频或低频信号，然后对该差频进行相位比 较。 3 2 短程相位测距仪的工作流程 典型系统的工作流程框图如图3 一l 所示“1 厂翮 叵 高鲕都 慨鲕都 图3 1 典型相位测距仪工作流程图 1 8 耋 电子科技大学硕士学位论文 由主控振荡器产生的，：“1 5 m h z 和* 1 5 0 k - z 精、粗测频率，在开关 控制下，交替对半导体激光二极管进行调制，使之发出频率一定的调制光， 经发射光源至待测目标的反射镜，经反射后回到测距仪的接收光学系统，雪 崩光电二极管将光信号转换为电信号( 此信号携带光波两倍距离d 的相位延 迟) 。再分别与本地振荡器产生的一一t = 1 5 m h z 一1 5 k h z 及 一f = 1 5 0 k h z 一1 5 k h z 频率的信号混频，得到差频出来的低频 ( f = 1 5 k h z ) 测距信号p 。( 也称被测信号) ，将它送入检相单元与机内基准 混频得到的低频( f = 1 5 k h z ) 参考信号e ，( 也称基准信号，由内光路提供) 进行相位比较。比较的方法是将参考信号e ，和测距信号e 。进行放大整形，过 零触发变成方波，然后在两个方波的上升沿( 或者下降沿) 之间填充时标 脉冲，填入的时标脉冲( 此时标脉冲频率亦为1 5 m h z ) 数也就反映了两个信 号间的相位差。经运算和自动组合，直接显示所测距离。仪器中还设有单片 机指令控制单元，以控制各电路单元的工作。 差频测相的优点是由于频率的降低，相当于周期的扩大，在同一个周期 内可以填充更多的时标脉冲，这样必然意味着精度的提高。但其缺点是降低 了测相速度，这同样源于周期的扩大，使得每次测量的时间大大加大了。 一种典型的相位测距仪的光学系统如图3 2 所示，可见需要两个电机， 一个控制减光装置，而另一个控制波导板，当波导板处于水平状态时，外光。 组旨镜 棱 图3 2 - - , e e 相位测距仪的光学系统 1 9 毫子穗技大学疆圭学捷论文 路工作，当整直状态时，波导板从出襄于光线中取光并抟导至p i n 管内光路接 收上，霞霹波导板整往了外光路袈两a p d 酶竞。飘焉完成瘫羚光骆豹切按。 但差频测相的相位测距仪亦有其不足的地方，由于使用内、外光路切换 测量和混频，完成一次测量需一秒钟左右，对于静止的或慢速的物体比较合 逶，对窆闽懿数十寒每移速率运雩亍懿甥彝瑟言，要达到每秒镑5 次疆土的溅 量速率比较豳难。 3 3 新型短程相位测距仪系统的指标 1 工终渡长；0 8 0 9 ；搬 2 作用距离：1 0 m l k m 3 测距精度：0 1 m 4 。激光束发教建：5 m r a d 5 囡标最大速率：4 0 m s 4 0 m s 6 数据速率：5 l o h z ? 。羚形尺寸：4 0 4 0 1 2 0 强1 8 供电：d c 2 7 v 绒d c 1 2 v 9 功耗：小于2 w 1 0 。爨鲞：小于l 鸦 由以上指标可以看出，系统最主疆的特点是实现对最高速率为4 0 米每秒 的动态合作目标的测量，且数据速率大于5 王圮，并且战术指标对系统的重量 嚣程农功耗提出了较严格夔要求。雯癸，枣子该系统为空阗寂躅，要求不麓 使用电机系统来作为内、外光路的切换装置。但该系统对测距精度的要求并 不太高，所以可以考虑在牺牲一定精度的情况下实现战术指标对系统的特殊 要求，为此，我们提出了一辩耨型的耀位测距系统的方襄以安域上述要求。 3 4 测距方案 3 4 1 多普勒频穆对相位测躐系统的影响 被溅鬟物 搴酾掭溯潞之闻存在糖对运动，最赢接近速度达到4 0 m s ，测 距仪发出的调制光波发射蜀被溅量物体荐返回后，会产生多营勒频移，调制 频率的多潞勒频移为： 电子科技大学硕+ 学位论文 v ：三l v ( 3 5 ) c v 式中v ，为调制波频率1 5 m h z ；c 是光速；v 是被测量物体和探测器之间 存在相对运动速度，取4 0 m s 。由此可得调制波多普勒频移为4 h z ，这个频 移对于1 5 m h z 调制频率来说影响很小，和调制频率的抖动在同一个数量级， 也就是说对于低速运动的物体，我们仍然可以用相位法激光测距。 3 4 2 基本原理 通常的多波长相位法的采用多种频率分别进行精、粗值的测量，而本系 统采用一种频率即1 5 m h z 频率测相。由式( 卜2 ) 可看出目标距离 r ：鱼f + 旦+ 堕1( 3 6 ) 22 n2 万 所以通过计算波数可得出粗略值，再通过对右式的剩余部分鉴相得出 精确值。 3 4 3 内外光路的设计 本系统的内外光路不同于常用相位测距机的内外光路切换的方法，而是 以一根光纤从出射光束边缘取光，直接送至p i n 管上，内外光路是同时工作 的，因此不需要进行切换，取消了切换电机。如图3 3 所示： 一口一 p i n 图3 3 发射接收天线简图 3 4 4 粗值的获取 当半导体激光器在发射调制电路的驱动下发出一束调制频率为1 5 m h z 的正弦光波，将在发射天线中被分成分别进入内、外光路的两束光波信号。 2 1 电了科技大学硕十学位论文 内光路光波在p w 光电二极管上产生同频率的参考信号，经放大后过零 触发成方波信号进入可编程逻辑器件c p l d 中的内光路计数器进行计数。 外光路光波在经目标反射回来后在a p d 雪崩光电二极管上产生同频率 的测量信号，经放大后过零触发成方波信号进入可编程逻辑器件c p l d 中的外 光路计数器进行计数。 然后两个计数器的数值由c p l d 中的一个减法器相减得出差值，显然此差 值即为波数。此值将送单片机处理。 3 4 5 精值的获取 外光路信号在转化为测量方波信号送入c p l d 后，由单片机控制指令选 通，该信号的上升沿可作为a d 转换器的触发信号，a d 转换器对内基准正弦 波信号采样，得出采样值送单片机。内基准正弦波信号是由发射电路提供给 a d 转换器的。再在c p l d 中对测量方波信号移相，即对其延送迟四分之 一个周期即1 7 m 的方波信号送a d 转换器作为触发信号，a d 转换器再次对 内基准正弦波采样，得出采样值送单片机。在单片机中用特定的算法对两个 采样值计算可得出外光路测量信号的精测相位。 同理可由内光路的参考方波信号得到参考信号的精测相位，根据两个信 号的相位差可得出精测值。这种方法有别于常用的采用混频后采用移相器和 鉴相器鉴相的方法。 所有这些步骤由单片机发出控制指令，由c p l d 和a d 转换器共同完成 参考信号移相! ll _ r “。“。t “ ；一一 、- t 图3 4 四路采样信号图 2 2 电子科技大学硕士学位论文 3 4 6 可行性的分析 粗测的可行性：采用1 5 m 调制频率时，每个脉冲相当于l o r e 的距离长度， 测量距离为1 k i n 时，粗测计数脉冲为1 0 0 个左右，完成1 0 0 个脉冲的计数在 硬件上是非常容易达到的。 精测的可行性：采用1 5 m 调制频率时，每个脉冲相当于l o r e 的距离长度， 利用爿d 的高速采样，我们可以对每个脉冲周期内的信号进行细分。 我们制定转换基准电压2 v ，转换信号的幅值为2 v ，采用1 2 位爿d ， 在满量程之内转换值为4 0 9 6 ，在一个周期内可以采集到8 1 9 2 个数值点，对信 号严重非线性部分进行剔除，可以有效利用的点值为5 7 9 1 点，那么每个点的 单位值为1 7 2 晰坍，如果通过多次采样，对数据进行有效处理得到更稳定的 数据，分辨率可提高到1 m m 以内。 同时，由单片机发出指令依次选通c p l d 中的四路采样信号，每个指令 周期约为3 加，而目标最高运动速度为4 0 m s ，在一次选通周期内可看作位 置基本不变的静止物体。 3 4 7 该方案的特点 本方案还具有如下特点： 1 采用双接收电路，内光路和外光路都有各自独立的接收电路。 双接收电路可以提高测距的数据速率。传统的相位测距法为了消除附加 相移的影响，设置了内、外光路。内、外光路经过同一个接收电路，这样由 于电子线路产生的附加相移可以抵消。但必须通过机械装置来切换内外光路， 使得接收电路在依次处理内外光路送过来的光信号。 但机械切换的速度很缓慢的，这是传统相位测距数据速率低的一个重要 原因。双接收电路的内外光路同时接收信号，不需要切换，因此可以提高测 距的数据速率。采用双接收电路的另一个原因是机械切换要用到电机，这是 空间交会对接系统所不允许的。由于取消了转换内外光路的机械装置，简化 了系统的结构和重量，增加了可靠性。 这种方法的缺点是由于两套接收电路的有可能带来不同的附加相位移。 因此我们的尸，和a p d 接收电路几乎完全相同，以尽可能消除采用两套接收 系统带来的不利影响。这种方法的另一个缺点是多采用一套接收电路会增加 2 3 电子科技大学硕士学位论文 成本和体积。 2 自动控制a p d 的放大倍数。 用单片机对a p d 出来的信号采样，当信号过弱( 强) 的时候，通过倍压 电路加大( 减小) a p d 的反向电压，提高( 降低) a p d 的增益，从而避免了光 强过强而导致探测器饱和。在传统的相位测距中一般都是采用减光板来控制 回光的光强，自动控制a p d 的放大倍数和这种方法有相同的效果，但是不需 要减光电机，因此电机线圈引起的电源电流扰动可以避免。并且可以简化结 构和重量。 3 不需要混频。 在上文的分析中可以看到，混频提高检相精度，但同时也降低了数据速 率。混频还有一个缺点就是对回光信号的波形要求严格，回光信号必须是很 标准的正弦信号才能和本振正弦信号混频，得到正弦低频信号。不需要混频 也就意味着对信号的形状没有严格要求，方波或正弦波可以，只要信号是良 好的周期信号就行。而且取消了混频电路，简化了结构，降低了功耗。 4 采用单一测尺频率 由于采用了新的测距方法，与传统的多波长相位测距法相比，只使用单 一的测尺频率，使发射电路得到了简化。另外，使用多种测尺频率需要分别 用各测尺频率依次进行测量，然后将数值叠加得出测量值，而本系统只需用 一把测尺测量即可。从而大大节省了单次测量所需的时间，有利于提高数据 速率。 5 不同于常用相位测距仪的鉴相方法 常用相位测距仪采用接收信号经混频后由数字脉冲填充的方法，而本系 统将内外光路信号做为触发信号，由a d 转换器对内基准正弦波进行采样， 采样的时间差即为外光路信号往返路程所经历的时间，由此得出的相位差即 代表着精测相位。这种方法简化了系统，提高了集成度。 如上所述，本系统为了满足空间相位测距系统对测距速率、重量、体积 和功耗等特殊要求，采用了一系列不同与传统相位测距系统的原理和方法。 3 5 电路原理与结构 主要电路结构如图3 4 所示： 2 4 电子科技大学颅十学位论文 各电路模块作用如下 1 发射部分 薄 赣 莛 孽 图3 5 电路原理与结构图 发射部分由发射天线、半导体激光器、调制驱动电路组成。由调制驱动 电路输出的测距调制信号直接控制通过半导体激光器的电压，而使发出的光 强随测距信号频率而变化，所以半导体激光器发出的是调制光波，经发射天 线出射。 2 内光路接收部分 内光路接收部分安置于测距机内部，避免了背景光辐射和其他杂散光的 不利影响，光程十分短，光强也非常稳定，因此采用p 刷光电二极管，放大 倍数较为固定，噪声很小。内光路的参考信号将送至a d 转换进行采样，和 送入c p l d 进行计数。 3 外光路接收部分 外光路接收部分接收的是远距离回光信号，光强较弱，并夹杂着杂散的 光信号，需要采用高灵敏度、高增益的a p d 雪崩光电二极管作为光敏器件。 由于光强随目标的距离发生变化，为防止光电流的饱和，需要采用自动增益 控制技术，以获得有效的回光信号。 4 放大整形部分 放大整形部分对前置放大部分和后继放大部分，并通过过零鉴别器将正 弦波信号转换为方波信号。 5 c p l d 部分 c p l d 部分作为单片机的辅助部分，承担了一定的信号处理和控制功能。 2 5 电子科技大学硕士学位论文 其作用在第四章详尽介绍。 6 爿d 转换部分 a d 转换部分在精测测量中起着重要的作用，为此我们采用带采样保持 和自校准的1 2 位高速a d 转换器件，并采用精密的基准电源。对四路采样 信号进行采样并保持，转换为数字量送单片机处理。 7 单片机部分 由单片机的控制指令控制c p l d 的工作，从而间接控制系统其他部分的 工作，并读取c p l d 和4 d 转换器的数据进行处理得出距离值。 8 电源部分 采用四路电源，其中单片机等数字部分为一路电源，发射部分为一路电 源，内光接受部分为一路电源，外光接收部分为一路电源，均受控于单片机。 此种电源格局可使整机处于待机状态时，关掉大部分线路的电源，降低功耗。 3 6 数据速率的估算 本系统的战术指标要求达到5 一i o z 的数据速率，即要求本系统得出一 次测量数据的时间小于o 2 s 。本系统主要的耗时环节为指令的控制，数据的 采集，信号处理和电路延迟等。 数据采集时间： 米日测的计数时间由测距频率和距离有关系，当距离为1 0 0 0 米时计数1 0 0 个，测尺频率为1 5 m h z ，尺长l o m ，计1 6 次的时间为0 1 m s 。 因为a d 的采样频率低于测尺频率，精测采集相位信息的时间由a d 的 采样频率决定，a d 的采样频率为5 m h z ，四路信号采样1 0 0 次的时间为o 8 m s 。 指令执行时间： 指令执行速度和单片机的主频和指令的长度有关，m s p 4 3 0 的m c l k 的周期 由外接的高速振荡器决定，指令的长度则与指令的格式和寻址模式密切相关， 实际运行指令的多少和循环程序( 如a p d 增益控制子程序，排序子程序) 执 行次数有关，而且还有些指令是和数据采集时间同时进行的，所以这里只能 估算。取时钟周期为3 2 s ，指令的平均长度为2 ，指令1 0 0 0 条的执行时问为 6 m s 。电路延迟时间也只能估算，大概为1 0 2s 数量级。 因此整个系统的总耗时不会超过1 0 j 数量级，应远远满足系统要求。 2 6 电子科技大学硕士学位论文 3 7 测距精度的估算 相位式光波测距仪的误差主要分为固定误差( 与距离无关的误差) 和比 例误差( 与距离有关的误差) 。固定误差包括测相误差、仪器的对中误差、仪 器常数误差、以及周期性误差。常用的相位测距仪的误差分配如下： 1 测相误差 ( 1 ) 数字测相误差，主要是由相位计的分辨率和噪声干扰引起，其误差 分配为1 0 m 聊。 ( 2 ) 幅相误差，主要是由接收信号的幅度大