（通信与信息系统专业论文）基于数字同步解调测相的激光测距系统研究.pdf

硕 士 论 文基于数字同步解调测相的激光测距系统研究 a b s t ra c t p h a s e 一 s h i f t1 a s e r r a n g e f 1 n d e rb a s e d o nd 1 g i t a 1s y n c h r o n o u sd e mod u l a t i o n t e c h n o l o g yn o to n 1 yi idpr o v e sp h a s em e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，b u ta l s oh i g h l y i n c r e a s e s用 e a s u r e m e n ts p e e d .c o 即a r e dw i t ht r a d i t i o n a ll a s e rr ang ef i n d e r ， t h en o v e 1 s y s t e mi sg r e a t 1 ys i m p l 1 f i e d .l ti n a u g u r a t sa w i d e l y n e ww a y f o r t h ea p p l i c a t l o no fl a s e rr a n g ef i n d e r .h o w e v e r ，d o m e s t i cr e s e a r c ha n dd e s i g n a b o u 七 p h a s e 一 s h i f t l a s e r r a n g e f i n d e r b a s e d o n d i g i t a l s y n c h r o n o u s d e m o d u l a t i o n t e c h n o l o g y i s f e w . 5 0 ， a p p l i c a t i o n r e s e a r c h i n g o f t h i s n o v e 1 k i n d l a s e rr a n g ef i n d e ri sv e r yi 呻o r t ant . t h i sa r t i c l ef i r s t 1 yp r e s e n t e dt h eg e n e r a ls i t u a t i o na n dt h eb a s i ct h e o r y a b o u tp h a s e 一 s h i f tl a s e rr a flgef i n d e r ，d e r i v e dl a s e rt r a n s m i te q u a t i o nf r o 爪 t h e o r ya n a l y s i sa n dd i s c u s s e dt h ee f f e c t so fe m i s s i o na n dr e c e i v i n gp o w e r ， v a 1 i dt arg e t r e f 1 e c t i o n a r e a a n d a t m o s p h e r e a b s o r bc o e f f i c i e n t e 七 c . s e c o n d l y ， t h i s a r t i c 1 ea 1 s oc o n c r e t e l y a n a 1 y z e dt h e p h a s ee s t i 用 a t i o n w a yo ft r a d i t i o n a l p h a s e 一 s h i f t1 a s e rr a n g ef i n d e ra n dd i s c u s s e dt h en o v e ld i g i t a ls y n c h r o n o u s d e m o d u l a t i o n a l g o r i t h m s w i 七 h e m p h a s i s . a f t e r t h a t ，s i mul a t i o ne x p e r i m e n th a d b e e ni m p l e m e n t e da n dt h er e s u 1 tp r o v e dt h es u p e r i o r i t ya n dt h ef e a s i b i l 1 t y o ft h e n o v e 1 d i g i t a 1 s y n c h r o n o u s d e m o d u 1 a t i o np h a s ee s t i 爬t i o 们 m e t h o d. f i n a l l y ，t h es t r u c t u r eo fh i g hd y n 胡i cl a s e rr a n g ef i n d e r sb a s e do n an o v e l m u l t i 一 m o d u 1 a t e df r e q u e n c y m e t h o d w a s d e s i g n e d a n d t h es o f t w a r e p r o g r 胡 i m p 1 e m e n t a t i o no ft h i ss y s t e mh a db e e nd i s c u s s e d i tm a yb ear e f e r e n c ef o r t h ef u r t h e r s y s t e md e s i g n . k e y w o r d s : d i g i t a l s y n c h r o n o u s d e m o d u l a t i o n ， p h a s e 一 s h i f t ， l a s e r r a n g e f i n d e r ， h e t e r o d y n e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知 ， 在 本学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同 工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已 在论文中 作了明确的说明。 研 究 生 签 名 :/扛血立 武 砂) 年 7 月 “ 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内 容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅 或上网公 布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 :似碱一 树 ” 产7 月 / 日 、 硕士论文基于数字同 步解调测相的激光测距系统研究 1 引言 1 . 1 研究背景和目的 激光 ( l a ser )是二十世纪六十年代开始发展起来的一门 科学技术，全称为受激 辐 射 光 放 大( 1 1 幼 t 娜1 i f i c a t i o n b y s t i mu l a t e d em i s s i o n o f r a d i a t i o n ) 1， 。 1 9 58年，美国物理学家肖 洛 ( a . l . s ch明1 叮) 和汤斯 (c. h . t 帅 es) 在 物理评论 ( p h y s r e v / 1 9 5 8 ， v o l . 1 1 2 ， 1 9 4 0 ) 杂 志 发 表t 一 篇 题为“ 红 外 与 光 学 激光 器” 的 论 文， 提出 了 研 制以 受 激 发 射 为 主 的 光 源 ， 即 激 光 器的 可 能 性 与 设 想 t2 。 此 后 ， 各国 科 学 家 纷纷提出各种实验方案， 试图制成这种光源。 其中， 美国休斯敦实验室的物理学家梅 曼 ( t . h . 池i man ) 捷足先登， 他采用掺铬的红宝石做发光材料， 应用发光很高的脉冲 氮灯泵浦， 在1 9 60年5 月25 日 正式宣布制成新光源红宝石激光器， 开创了激光 技术 的 先 河3 . 激光自 二十世纪六十年代诞后不久， 利用激光进行测距的系统就出现了， 激光测 距 技 术 普 遍 采 用 飞 行 时 间 法 t4) ， 利 用 激 光 具 有良 好 的 单 色 性 、 方 向 性 的 特 点 ， 通 过 测 量光 信 号 在测 线上 往返飞 行 所 需的 时 间与 来 测 量 距 离， 根 据测 量飞 行时间与的 方法 不同， 测距方法可以分为脉冲法和相位法两种基本方法， 脉冲法是对目标发射一个或 一列很窄的光脉冲， 通过测量自 发射光脉冲起始， 到达目 标， 并由目 标返回到接收机 的时间，由此计算出目 标距离; 相位法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 相位移来测量光波的 飞行时间，从而间 接测定目 标的距离。 脉冲法测距的精度受制于激光脉冲的上升沿和时间间隔测量精度的影响， 测距精 度不高， 但是可以 达到很大的测量范围。 相位法测距可以 达到 较高的测量精度， 但是 测 量 范 围 有限 阁 。 传 统的 基 于 外 差 法 的 测 量 系 统 ， 通 过 降 低 信 号 频 率 和 调 制 不 同 的 激 光 波 长 解 决 测 距 精 度 和 测 量 范 围 的 矛 盾问 题 ， 达 到 了 较 高 的 测 量 精 度 和 动 态范 围 te . 但是，采用传统测量方法的测距系统结构非常复杂，使用、维护都很不方便。目前， 基于数字同步解调测相的激光测距系统， 由于系统结构简单， 同时具有很高的测距精 度 和 动 态 范 围 ， 在国 外己 经 得 到 很 大 发 展 171 ， 而 国 内 相 关 研 究 还比 较 少， 本 文 的 主 要 目的就是对基于数字同步解调测相的激光测距技术的研究。 1 . 2 国内外发展概况 经过长时间的发展， 激光测距技术不断 进步， 已 产生了 大量的 测距产品， 主要分 为脉冲激光测距产品和相位法激光测距产品， 下面是本文关心的关于相位法激光测距 产品的发展概况。 20世纪60年代末期， 出 现了以 半导体激光管和发光管( 荧光管) 为光源的小型激 硕士论文基于数字同步解调测相的激光测距系统研究 光测距仪， 它应用广泛， 发展极为迅速。 1 9 68年， aga 公司研制成功h e 一 ne激光测距 仪a ga 一 8 型 ， 它 的 测 程 为60 km ， 精 度 达 到 为 士 s lnm 8 . 同 时 期 美 国 、 苏 联 等 国 也 研 制 出 多 种 型 号 的 激 光 测 距 仪 ， 它 们 完 全 淘 汰了 以 白 炽 灯 和 汞 灯 为 光 源 的 光电 测 距 仪 9 。 1 9 73年， 瑞士叭ld公司推出的d l 一 3 型激光测距仪， 测程达到i 0 00m ， 精度为士5 咖， 采用半导体激光器作为激光源， 双频直接内调制方式测距， 单次测量时间为105 。 此 后，瑞士a g a 公司推出的a g a 一 12型半导体激光器激光测距仪，测程为zkm 精度为士 s nnu。 美国h p 公司推出的3 8 1 以型半导体激光器测距仪， 采用双测尺频率结合测距， 侧 程 为1 . 6 腼精 度 达 到 士 5 咖 10 。 相位式测距系统的关键技术是相位差的测量，以 上列举的国外的相位式测距仪， 都是利用传统的自 动数字测相技术对脉冲直接计数的方法进行相位测量， 都是模拟测 相方法， 虽然达到了很高的测量精度， 但系统结构较复杂。目 前， 随着电 子技术的发 展 和 计 算 机 技 术 的 不 断 进 步 ， 基 于 全 数 字 化 正 交 解 调 测 相 法 的 测 距 系 统 tll 已 经 被 开 发出 来，它在达到士3 inln测距精度的同时，测距仪结构简单体积小巧。例如由 德国 ac曰 re c h 公司生产的 l rfs 一 0 0 4 0 一 1 /2型基于数字正交解调技术的激光相位测距仪， 采 用6 5 o n m 红色可见激光，固态二极管激光发射器，测距精度达到士3 mln，同时体积只 有1 8 2 咖x 9 6 mmx s o nun ， 。 我国从20世纪50年代后期开始先后研制了多种型号的激光测距仪， 以下列举的 是具有代表性的相位式激光测距仪。 1 9 72年，北京光学仪器厂与武汉地震大队 等联合研制成国内首台j cy一 1 型精密 气 体 激 光 测 距 仪 ls1， 1 9 74年 研 制出 了j c y 一 2 型 激 光 测 距 仪 ， 测 程 为巧 一 20公 里 ， 测 距精度士 1 0 mln， 光源采用h e 一 ne激光管， 2 . s mw， 调制方式为石英超声外调制， 并采 用 了 5 种 调 制 频 率 ， 测 相 采 用 手 动 方 式 ， 速 度 较 慢 l3 . 1 9 7 3 1 9 76 年，北京测绘仪器厂与北京大学、北京光学仪器厂、 清华大学、国 家测绘总局测绘科学研究所和北京市地质地形勘测处分别合作，先后研制成 h gc一 1 型及dch 一 1 型红外测距仪，精度分别为士1 . 5 厘米和土 5 毫米， 测程分别为1 公里和 1 . 5 公里，采用半导体激光器作为光源，直接内调制方式，2 种调制频率。 测量时间 分 别 为 6 . 65和10 511 3 . 1 9 88年12 月 ， 北 京 测 绘 仪 器 厂 与 清 华 大 学 合 作 ， 研 制 成 oc h z 一 e 型相位式红外光电测距仪，利用双频自 动数字测相原理，测程为 2 00如;精度为士 1 恤， 连 续 跟 踪 测 量 时 间 为5 秒 周 。 常 州 大 地 测 距 仪 厂 最 新 研 制 的d 3 0 0o系 列 激 光 测 距 仪 l4 ， 最 大 测 程 为4 . 5 腼 ， 精 度 为 士 3 mm ， 连 续 测 量3 秒 ， 跟 踪 测 量0 . 8 秒 . 国内生产的相位式测距仪都是传统的相位式激光测距仪， 对于采用数字正交解调 技术的测距系统并没有多少介绍。 硕士论文墓于数字同步解调测相的激光测距系统研究 1 . 3 本文的任务和主要工作 传统相位式激光测距仪由于采用外差法多频率测相的方法， 测距速率和精度普遍 较低， 外差法测距系统具有易于计算机处理的优点， 也能达到一定的测距精度。 但是 要想获得较高的 测距进度， 系统结构会非常复杂。 而基于数字化的正交解调测相技术 的激光测距系统， 不仅具有精度高和测距速率快的优点，同时整个系统结构简单， 非 常便于小型化。 因此， 研制基于数字正交解调技术的激光测距系统有很大的实际意 义。 本课题的主要任务就是对基于数字同步解调测相的激光测距技术进行研究， 并且， 在理论研究的基础上探讨相应的系统结构设计的问 题， 本文的主要工作是: 1 . 在对激光测距进行理论分析的基础上， 推导激光传输方程， 讨论了各种因素对 测程的影响。 2 . 通过对各种测相算法的分析， 讨论基于数字同步解调的测相算法， 并进行了仿 真，证明了该方法的优越性和可信性. 3 .参考外差法相位式激光测距系统原理，设计了基于数字同步解调测相技术的 相位式激光测距系统的结构，并讨论了程序实现问题，为后续系统开发打下了基础。 硕士论文基于数字同步解调测相的激光侧距系统研究 2 激光测距的基本理论 2 . 1 激光技术简介 激光的问世堪称本世纪物理学的重大进展之一， 是光学领域具有革命意义的重大 突破。 基于激光的独特性质， 人们对于光的本质以及光与物质相互作用的认识都具有 了划时代的提高。 正如x 射线的发现， 人们普遍理解了x 射线的透射性质， 使其在医 疗及工程上得到应用。然而，x 射线的影响还远不止于此，更重要的是，x 射线为了 解物质的原子、 分子结构提供了探测手段， 促进了 材料及工程科学的进步。 基于激光 的特有性质， 人们已普遍将其应用于激光加工、 激光医疗， 等等: 而且， 正是因为激 光在 波长、 方向 性、 时间范围 所能达到的 极限 程度， 成为 研究物质在原子范围内结构 和运动规律的“ 探针” ， 特别是其能 用于 研究原子级的 动态程度，从而促进了 探测手 段的飞跃。 激光对现代科学技术所起的 作用， 促使激光作为精密测量( 探测) 手段而得到发展 及应用。 例如，由于稳频激光技术的发展和应用， 物理学上最基本的量值米，改 为 用 真 空 光 速 来 定 义 l53， 有 效 数 字 准 确 到 九 位 数( 真 空 光 速 为2 9 9 7 9 6 4 58 m / 5) ， 稳 频 激光的 稳定度已 达到1 13 ， 再现度达到1 犷 12 ， 超短脉冲激光的 脉宽达到4. 6 xl0- 1 ， s(相 当 于 在 一 个 光 脉 冲 中 只 有 屈 指 可 数 的 几 个 波 数 ) ， 几 何 尺 寸 的 微 细 测 量 可 以 达 到 生 原 l 0 子级的尺度或者更小这就使我们有条件来研究植物叶绿素的光合作用， 了解其分 子链的反应过程; 研究在地质年代才能显示出来的地壳板块运动; 用激光全息研究燃 料燃烧过程正是由于这些， 人类进一步认识了世界。 2 . 2 激光测距概述 激光测距是激光测量技术的一个方面， 是采用各种不同激光光源作为光电测距仪 的 光源， 利用激光良 好的 方向 性和相干性、 高亮度等 优点， 测量目 标距离的技术。 采 用激 光光源有利于提高测距精度， 缩小光学系统孔径， 从而缩小和减轻了 仪器的体积 和重量。 常 用 的 激 光 测 距 方 法 有 飞 行 时 间 法( t h e f l i g h t 一 t i 爬m e a s u r e 口 e n t m e t h o d s ) 和 干 涉 法 16 。 所 谓 飞 行 时 间 法 是 指 通 过 测 量 光 信 号 在 测 线 上 往 返 飞 行 所 需 的 时 间 来 测 量 距 离， 根 据 测 量枯的 方 法 不同 ，测 距 方 法 可以 分为 脉 冲 法和 相 位法 两 种 基 本 方 法 2 . 而 千 涉 法 则 是 通 过 测 量 激 光 光 波 本 身 的 相 位 叠 加 关 系( 干 涉 ) 测 定 距 离 f71 . 硕士论文墓于数字同 步解调测相的 激光测距系统 研究 2. 2. 1 脉 冲 测 距的 基 本 原 理 s11川 脉冲激光测距法是对目 标发射一个或一列很窄的光脉冲。测量自 发射光脉冲起 始， 到达目 标，并由目 标返回到接收机的时间，由 此计算出目 标距离。 设目 标距离为r ，光脉冲往返经过的时间为t ，光在空气中的传播速度为c ，则 d = 竺 2 ( 2 . 1 ) 式中， t 是从光脉冲发射到目 标， 然后从目 标返回到接收机的时间间隔。 它是通过计 数器计数这一时间间隔内， 进入计数器的钟频脉冲个数来测量距离的。 设在这段时间 里， 有n 个钟频脉冲进入计数器， 钟帧脉冲之间的时间间隔为r ，钟频脉冲的振荡频 率 为 f = 厂， 则 d = 工 cn-r=二 凡 = 1 n ( 2 . 2 ) 式 中 ， 1 = ， ， / j 2万 表示每一个钟频脉冲所代表的距离基准，计数得到 n 个钟频脉冲， 就 得 到 距 离“ 的 数 值 确 定 了 测 量 精 度 ， 例 如 取 f = 30 城， 。 二 ” x 1 0a 叼， 则 1 = ” m ; 若取f = 1 5 拟 万 2 ， 则1 = 土 l o m 。 测量距离的误差由 距离计数器的 量化误差、 逻辑电路的误差、 激光脉冲的上升时 间误差和钟频的频率误差造成。 前三者是随机， 不相关的， 后者是校准误差。 脉冲测 距仪的原理和结构较简单， 测程远， 功耗小， 而且一次测量就能得到单值距离， 主要 缺点是绝对测距精度较低。 2.2. 2 相位法测距的 基本原 理 15【 l1叫 相位法测距是利用己 调制的连续波激光器对准目 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光波的飞行时间， 从而间接测定目 标的 距离。 一般激光器只对激光回波的强 度敏感， 故激光器通常用幅度调制， 即光强按正 弦规律变化: 1 = 几 (1 + m sin哪 )( 2 . 3 ) 偏振调制也可以 看作是幅度调制的一种形式， 偏振调制是改变两个互相垂直的偏 振分量的光强.幅度调制的调制器主要是利用克尔 (kerr) 或普克尔 ( p ock e ls) 效 应的电光调制器和利用衍射效应的声光调制器. 半导体激光器的幅度调制是靠调制激 励电 源实现的。 相位法激光测距的原理如图2 . 1 所示， 一般激光测距机是收发一体的， 光波强 度 随正弦规律. 为便于描述， 设调制信号初始相位为0 ， 并将回 波信号水平翻转到反射 硕士论文墓于数字同步解调测相的激光侧距系统研究 面的右侧。 显然， 调制波从左侧收发点发出， 经目 标反射面返回到收发点的相位偏移 为巾 。 。 则光波的飞行时间为: t 。 = 兰 么 2 叮 ( 2 . 4 ) 式中，f 为调制信号频率。 收发点 反射面 觅 一 调 制 波 长 ;d 一目 标 距 离 ; 护 一 2 万 以 内 的 相 位 偏 移 ;。 。 一 总 体 相 位 偏 移 图2 . 1 相位法测距原理图 再由d=毕可 得 : z = 三 . 2 中 d 2 汀 f ( 2 . 5 ) 必 须 指出 的 是， 对 于 相 位 偏移 大于2 二 的 情 况， 实 际。 。 应为。 。 = n 2 才 十 沪 。 鉴相电路只能测出2 厅以内的相移， 2 万的整数倍相位无法由 鉴相电路测出， 这就是相 位 模 糊。 所以 对 应于 调 制 频 率石， 唁 心 = 我们得到一个不 模糊距离 (n。 一 alnbiguityr ange) ( 2 . 6 ) 如 果 调 制 频 率 为10 拟 万 云 ， 那 么 相 应 的 不 模 糊 距 离 就 是1 腼 . 需 要 注 意 的 是， 不 模 糊 距离并不代表激光测距机的最大测量距离， 最大测量距离主要依赖于激光发射器的功 硕士论文 基于数字同 步解调测 相的 激光测距系统研究 率和目 标表面特性。 另外， 实际调制频率的选择和具体的应用场合以及测距精度有关， 这点我们在后面还将详细阐述。 2 . 2 . 3 干涉 法 测 距的 基 本原 理阁ts 干涉测距本质上也是一种相位测距， 它与前面所述的相位法测距的区别在于， 不 是通过测量激光调制信号的相位测定距离， 而是通过测量激光光波本身的相位叠加关 系( 干涉) 测定距离。图2 . 2 可以说明利用千涉方法测量距离的基木原理。 234 一l一 一l 一 一 一 1 激光器;2 风束器;3 ee反透射镜;喂 一反射镜:5 一光电器件。 图2 . 2 干涉法测距原理图 激光器 ( 1)发出的激光经分束器( 2)射向 半反半透镜( 3)， 反射一部分光， 部分光。 光叠加。 透过的部分射向全反射镜( 4)，经 (4)反射的光穿过 (3) ，和 ( 3) 当(3 ) 与(4 ) 的 距 离 等 于 激 光 光 波 半 波 长 的 整 数 倍 、 即 l = 。 .主 2 透过一 的反射 ( n是 花 整数，兄 是激光波长) 时， 经 ( 4) 反射的光比( 3) 反射的光多走了z l = n 兄、即n 个 整波长， 两个反射光相位差为2 厅的整数倍、即相位相同，两束光迭加后振幅增大， 、 . ， *、 . ，.，1 、又_ l._、 _ 一二 、 ， 一 . . ， _。 、二 _1 _， _.， _ 光 变 亮。 当l = (n + 勺 等时 ， 汇 和 在 一 起的 反 射光 相 位 差 是l 二 (n + 勺. 2 二 ， 相 位 相 2 2一一 一 一 - 一 ”一一 一、 一 2 /一 ” - 一 - 反，二者振幅互相抵消，光变暗。把两束光再经分束器反射到光电器件( 5)， 则其输 出信号与光线亮暗有关。假定初始 (3) 和 “)的距离是l ， 然后慢慢沿光线方向 移 动 反 射 镜 ( 4 ) ， 从 上 述 可 知 ， 每 移 动 一 个 粤 ， 两 束 光 的 相 位 关 系 从 相 同 到 相 反 变 化 一 z 个周期，出现一次亮光、一次暗光， 光电器件的输出信号也变化一次。 根据光电元件 读 出 信 号 变 化 的 次 数 ， 就 可 以 确 定( ; ) 移 动 了 多 少 个 粤 ， 从 而 ， 。 出 它 移 动 的 距 离 ， 艺 兄 即 此 二0 2 卜 二 。 2 由 于光波的 波长很短( 微米量级) ， 再加上激光的单色性使其波长值很准确， 所以 硕士论文荃于数字同 步解调测相的激光测距系统研究 用 干 涉 法 测 距 的 分 辨 率 起 码 可 以 达 至 ” 晋 ， 精 度 为 微 米 级 利 用 现 代 电 子 技 术 还 可 以 把 干涉条纹细分到1 %， 因 此干涉注测距的 精度极高， 这是任何测距方法都不能比拟的。 激光的单色性又使其光波带宽 极窄， 增加了 光的相干长 度， 从原理上讲测程将大大提 高。 然而，由 于这种方法只能测量反射镜动态位移量， 所以它仅用于测量相对距离， 而不能测量绝对距离.目 前， 在测量地壳形变、 大陆漂移以进行地球物理研究、 地震 和火山预报、 侦察地下核爆炸等方面， 相对的激光干涉测距以其特有的精度而获得了 应用 2 . 3激光测距方程 激 光 测 距 的 一 个 基 本问 题 是 测 程 的 确 定 ， 本 节 借 鉴 激 光雷 达l9的 原 理， 推 导 激 光传输距离方程， 通过激光传输方程来分析测程的确定以及各种环境因素对测程的影 响。 为简化起见， 将激光测距仪的光源视为理想的点光源， 它向空间立体角夕 内发射 光 功 率， 对 于 发 散 角为 召的 激 光 束， 距 离 光 源为r 的 照 射 面 积 可 视为 一 平 面圆 ， 它 的 面积5为: ( 天 叹 丫 j=万1 一1 zj ( 2 . 7 ) 因 此， 发 射功率 为弓， 空 间 立体 角为只 的 激 光 束， 在 距离光 源 为r 的 截 面上的 单位面积平均功率近似为: 尸二4 耳 t= 威2 只 2 4 界 e 一 朋 刀尺 _ nz乃 2 ( 2 . 8 ) 式中t 传 输 距 离r 上的 大 气 透 过 率， 由 描 述 大 气 衰 减的 朗 伯 定 律9 可 得 到 t = e 一 朋; 刀 大气 吸收 系 数， 它随 大 气的 温度， 湿 度， 气压 和组 成成 分以 及 光 波 长而不同; r 目 标距离光源的 距离; 材 激光束发散角。 设目 标 物 体 反 射面 积为凡， 则 反 射 光 功 率凡为 : 凡= 4 a 界 e 一 朋 凡 二 及 2 毋 ( 2 . 9 ) 式中a 目 标物体的反射系数。 目 标 反 射到 达 仪 器 接收 物 镜 被 接 收 的 光 功 率ps 与 接收 有效 面 积凡 有关， 硕士论文荃于数字同步解调测相的激光测距系统研究 _ 4 a 凡5 。 e 训 之 =一 一-份卜尸- 汀 r 9 4 e 一 朋 又 万左砚 二 16 a 耳 尽 凡 e 一 朋 ， 2 r 4 牙 以 式中 氏 反 射光束的 发散角， 况 接收 镜有效面积。 光波测距仪的测程， 就是满足仪器精度要求的最大可测距离， 光 功 率 值瑞 与 接 收 光功 率君 之间 应 满 足 君之 几加 把式(2 . 1 0)代入，得 ( 2 . 1 0 ) 仪器所需最小接收 16 a 君 又 凡 e 一 2 助 扩 蠕 牙 嚓 式中 天 橱 仪 器 最 大可 测 距离 。 之 几加 ( 2 . 1 1 ) 如 果 式(2 . n ) 中 的瑞 为 确定 的 ， 则 仪 器的 测 程五 为: 、 _ = (燮翼拿兰声 一 汀 9弓几. ( 2 . 1 2 ) 由式(2. 1 2)可见， 测程与许多参量的选择有关， 这些参量的正确选择将是一台测距仪 获得最佳设计的基础。下面分述这些参量的意义及其相互之间的关系。 2 ， 3 . 1 最小 接收 光 功 率瑞 这项值可根据仪器的光电转换系统及接收通道电子线路的设计要求计算得到。 经 过光电 转 换、 前置 放 大 等单 元， 瑞 值 最 终 表 现为电 路中 鉴 相 器的 灵 敏 度， 即 鉴 相 器 在保 证 其 一 定 的 测 相 精 度 条 件下 所需 要的 最小 信号 电 压 值k .， 更 确 切的 的 说 法 应该 是 满 足 一 定 信 噪比 夕 伏 . . 条 件 下 的 电 压 值k .， 因 为 鉴 相 电 路 对 微 弱 信 号 的 正 确 反 应 要 受 到 噪 声 扰 动的 限 制。 所以 最小 信 噪比 四 凡 运 与 最小 信号电 压k 二是 相 关的 。 对于 不同 的 电 路， k ，与夕 伏 响的 关 系 有 较大 的 差 异。 对于 带 宽 非 常 窄的 鉴 相系 统， 邵 伏 如 . 可 以 等 于 甚 至 形 ， 但 对 于 带 宽 较 宽 的 鉴 相 系 统 ， 如 数 字 测 量 系 统 ， 一 般 夕 伏 画 要 大于 2 。 k 。与 君 二的 关 系 一 般 由 下 式 表 示 19 几 k = 犬 况 几 。 = 龙 昭 g 君 . ( 毫 伏)( 2 ， 1 3 ) 式中 k 接收电 路放大倍数; 5 光电 管对光载波的响 应灵敏度， 单位为 微安/ 毫瓦; g光电管电流放大系数: 硕士论文 墓于数字同步解调测相的徽光测距系统研究 r 接收电路对光电 流中 信号分量的等效负载， 单位为千欧; 1， . 在 最小 光 功 率 接 收 时 光电 管 输 出 的 信 号 电 流 值， 单 位 为 微 安。 由 式(2 . 1 4)即 可 计 算出 所 需的 最小 接 收 光的 平 均功 率 值瑞 。孺 参 数的 选 择与 所采 用的 光电 管 性能、 接收电 路、 接收 光学系 统都 是 相关的. 为 加大测程需要 使兔 减小， 这就要求选用高增益， 低噪声的器件，接收电路应当为高放大倍数低噪声的。 2 . 3 . 2 目 标反 射 有 效面 积又和 接收 镜的 有 效 面 积又 由式( 2 . 1 0)可知， 接收光功率与接收物镜有效通光面积和目 标反射有效面积成正 比 。 因 此， 一 般 来说，况 和凡越 大 则 测 程也 越 大。 但 是尽 和凡的 选 择 关系 到 整 机 尺 寸重量的指标以及大气湍流运动的影响， 因此应当综合其他合理要求进行选择。 同时， 当 式(2 ， 10 ) 其 它 各 量 都 确 定 的 时 候 ， 叹 和凡成 反 比 ， 即况 大 则凡可 小 些 。 一 般 仪 器 的 接 收 物 镜 直 径 多 在1 00毫 米 侧以 下 ， 这 样 仪 器 的 体 积 和 重 量 不 至 于 太 大， 而目 标 反射有效面积与探测目 标的 特性，如现状、大小及表面反射率等有很大关系。 2. 3. 3 光 发 射 功 率界 发 射 光 功 率 一 般是 从 仪 器 射出 的己 调 制 激 光的 平 均 功 率， 因 此界与 调 制器 有关. 为增 大 仪器发 射功率弓， 就必须 增加激光器的 输出 功 率， 但是激光器 输出 功率的 增 大又受限于激光器的尺寸， 而激光器的尺寸与整机设计有关。 一般使用的半导体激光 器输出 功 率多 在2 一 5 毫瓦 之间 121. 2 ， 3 . 4 发 射 光 束 发 散角0， 和反 射 光 束 发 散 角久 接收光功率与发射光束和反射光束的发散角平方成反比， 所以为增大测程， 应考 虑设计发射光束有尽可能小的发散角。 发 射 光 束 的 发 散 角 叹 依 赖 于 发 射 望 远 系 统 的 放 大 倍 率 戈 l91. 设 激 光 器 输 出 发 散 角为氏， 则 一般久= 5 一 9 . 为了 使只 减小， 则戈将增大， 但凡的 增大受大气湍流 作用及主 机安 装 位 置的 机 械 稳 定 性所限 制， 因 此只 的 减小 也 受 到 限 制。 通常 仪器的氏多 在2 0 一 2 5 之间。 2 . 3 . 5 大 气吸收 系数夕 一大气对于电 磁波的衰减作用主要是大气分子的 吸收、 散射、 以 及其它微粒如电 磁 硕士论文墓于数字同步解调测相的激光测距系统研究 波的 频率 ( 或波长) 不同 而有差异。 对于波长为6 3 28埃附 近的红光， 大气衰减主要 是散射，特别是水蒸气团及蒸发气流的散射。对于6 3 28 埃附近的红光，当距离d = 20公 里 时 ， 透 过 率 为。 . 05 t19 ， 可 见 大 气 的 衰 减 作 用 是 相 当 大 的 . 当 大 气 条 件比 较 恶 劣， 如有雾、 多尘、 剧变的气流等情况时， 将是衰减大大增加，以至使长距离的测量 成为不可能。 综上所述， 仪器的测程与仪器的 其它许多参量的设计相关， 通常的设计程序是先 根据具体的需要确定测程， 再综合考虑设计其余参量， 最后依据式(2 . 1 2)验算是否成 立，如果不符合则再做部分修改，直到距离方程得到满足为止。 2 . 4 激光测距的信噪比 激光测距系统最重要的性能参数是信噪比( s n r)， 通过了 解激光测距系统噪声产 生的物理机理，可以求出信噪比的表达式。 激光 信号 接收 机的 结 构 如图2 . 3 所 示， 接 收 机 除 了 信号 光 功 率君 之外， 还 有附 加 项， 即 背 景 光 功 率份 。 这是由 太阳 光 和 物 体的自 身 辐 射， 物 体 对 辐 射的 反 射f 漫 反 射和闪烁等引起的不必要的噪声信号。 接收的光信号与这些外部附加噪声源在接收机 图2 . 3 激光测距系统接收机结构框图 内接收到的光信号功率在非线性光探测器中 变为电信号并放大， 经匹配滤波器和其它 抑制噪声的措施后，产生一个视频带宽的有效电信号。 2. 4.1 背 景 噪 声爪 光学接收机和微波接收机有显著的不同。 光学接收机的背景噪声包括从星体、 地 球、 太阳、 大气、 云或者任何不应有的辐射源照射到或发射到接收机上的信号。 还包 括激光能量在大气中的 各种组分粒子和烟雾的散 射，它们的 后向 散射是无效的 信号。 地面的各种辐射， 也是不需要的信号。 激光在晴天、 有雾、 云等的大气中传播时， 也 产生无用信号。 这些都可以 认为是背景噪声。 背 景 噪 声 有 物 体 的 黑 体 辐 射 1 几 _ 拼t4 舰r 人 标 刀 加 ( 2 . 1 盛 ) 硕士论文 基于数字同步解调测相的激光测距系统研究 阳 光 的 后向 散 射 1 几= 么 5155 走 q : p 标心( 2 . 巧 ) 阳 光 的 大 气 散 射 l 爪= 权 凡 朋 舰r 寿 标么( 2 . 16) 以上三式中，e 目 标的辐射系数; p 目 标的反射系数; t 目 标温度( k); 从 光波长范围伽脚 ) ; 今 接收机探测 器敏感 面 面积( m z ) ; 人 太阳 光 通过大 气的 透过系数; 蝙一 太 阳 的 辐 射 度 ( 平m 刁 卿一 ，) ; 15 大气散射系 数; 殊 系统 光学效 率; 。 ， 辐 射 体 辐 射 的 能 量 的 立 体 角 ; 价 玻尔兹曼常数。 由 式(2 . 14) 黑体辐射方程可知黑 体的 总 辐 射功率氛还是是 辐射强 度凡 和在视 场内 的黑 体 辐射体的 表面积凡的 乘 积. 这里给出 的 是 全波 段的黑体 辐射。 照射到 探 测 器 上 的 背 景 噪 声 可以 用 光 学 滤 波 方 法 抑 制 掉 22 。 2 . 4 . 2 信噪比 表达式 信 噪比( s n r ) 的 定 义 式， j 为 左 四 天= 矛 弓+ 嘴十 碳+ 吸 ( 2 。 1 7 ) 式 中 ， 于 - 一刁 言 号 电 流 的 均 方 值 ; 弓 散 弹 噪 声电 流 的 均 方 值; 嘴 热 噪 声 电 流 的 均 方 值 ; 碳 背 景 噪 声电 流的 均 方 值; 吸 暗电 流的 均 方 值。 从背景接收到的光子或辐射的能量引起探测器中载流子激发的数量起伏和浓度 的 随 机 变 化， 引 发 了 散 弹 噪 声 。 噪 声 电 流 的 均 方 值 19 为 碳= ze 几r 声 式中，。 电 子电 荷1 .6 o z x l o 一 ，9 ( c ) ; 毛 背景 光 功率 ( 卿: r ， 电 流响 应度 (a邝) ; 硕士论文基于数字同 步解调测相的 激光测距系统研究 b 电子带宽 ( h : ) 。 同 样 ， 随 机 进 入 探 测 器 的 信 号 光 子 仪 器 探 测 器 输 出 的 散 弹 噪 声 电 流 创 为 : 弓= 2 叱尺 bg， 式中，g 探测器增益; 只 接收信号光功率。 探 测 器暗电 流侧 吸= z e 饭b 热噪 声电 流119 刀 = 竺 工 些 里 凡 ，入 华 ， 接收机的噪声系数: 凡 探 测 器的 等 效 负 载电 阻。 信 号 电 流 仁 19) 为 i. = 乳epsg hv 因 子 呱 与 光 功 率 和 探 测 器 输 出 电 流 之 间 的 转 换 有 关 ， 并 以 尺 表 示 ， 单 位 为 它可以看成探测器的响应率. 将以 上电 流 代 入 信 噪 比s nr方 程 ， 可 得 到 激 光 测 距 系 统 的 信 噪 比s nr方 程 2l。 冲/. 式a/ 吕 n 天= % 砂 hvz b ( 君+ 气) + 凡几 + k z 凡 ( 2 . 1 8 ) 式中，s n r 激光测距系统的信噪比; % 探测 器的 量 子 效 率; h 普朗克常数; v 激光频率: b 电 子带宽; 只 接收 信 号 光 功 率: 几 背 景 光 功 率 ; 几 探测 器 暗电 流 功 率; 凡 等效 热 噪 声 功 率， 且为4 k 几 扒 下 / 凡; 系 数 戈= 凡= %/ 对。 在背景噪声限的激光测距系统中，方程式 (2. 1 8) 变为 snr= 或2里 一 z hvb 几 ( 2 . 1 9 ) 由 式( 2 . 1 8 ) 可知， 信噪比 主要与探测器和激光器两方面因素有关， 如果进行匹 配滤波， 则影响 信噪比 的主要因素有背景噪声、 等效噪声功率和热噪声. 硕士论文基于数字同 步解调测相的激光测距系统研究 为了降 低背景噪声， 应采用窄带 滤波片、 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1211。 如果探测器的暗电流被限定，则可以选择等效噪声功率较小的探测器， 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。 硕士论文 基于数字同步解调测相的激光测距系统研究 3 相位式激光测距的测相方法 前面对激光测距的方法以 及激光传输距离方程做了介绍， 这里主要是对我们感兴 趣的相位法激光测距的测相方法做进一步的探讨。 首先， 相位差信号依附于电 压、电流信号中， 如何剔除电 压、电流、 频率变化对 相位差测量的影响是相位差测量中很重要的一个方面;其次，相位差是一个比 较量， 测量两路信号之间的相位差不仅需要保证两路信号的频率相同， 而且要排除由于两路 信号的幅值等其它因素不一致而对测量造成的影响。 因此， 如何准确可靠地测量相位 差是值得研究的课题。 3 . 1 基于过零检测的测相方法 基于过零检测的测相方法， 其基本思路是两路同 频信号经过零比 较后， 得到两路 同 周期的 方波。 通过 对方 波信 号的 处理 求出 相位差 阁。 根据对方波信号处理方法的 不 同， 通常又可以将基于过零检测的测相方法分为电 压测量法和自 动数字测相。 3 . 1 . 1 电压测量法 电 压测量法的原理如图3 . 1 所示， a 信号和b 信号分别是同频率的接收信号和参 考信号， 将a 、b 两信号整形成方波后，首先让两方波信号经过一个异或门，经异或 信号 幅值 信号 幅值 较器后 信号 幅值 b 信号经比 较器后 信号 幅值 a 、b 两信号 异或后 图3 . 1 基于异或门 测量方法的原理图 硕士论文墓于数字同步解调测相的激光测距系统研究 处理后得到的脉冲宽度与信号周期的比 值 ( 占空比) 即对应为两信号的相位差， 这里 的异或门相当于鉴相器， 然后再通过对脉冲宽度