基于DDS的激光测距仪硬件研究与设计

1、国防科学技术大学硕士学位论文基于DDS的激光测距仪硬件研究与设计姓名：杨健申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：刁节涛20081201国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文摘要激光方向性强、单色性好、相干性好，这些特点使其成为测距的理想光源。随着电子技术的不断发展，激光测距也在各行各业得到了更为广泛的使用。本文首先介绍了激光测距的原理，然后通过分析针对现有几种激光测距方法，结合武警水电部队施工生产测量工作的需要，提出了相位激光测距仪代替现有的测量方式，可大幅提高施工中测量工作的效率。对于激光测距系统而言，系统信号源产生的激光器调制信号的频率大小、频率组合和频率稳定性直接决定着测距系

2、统的测程、测距精度和测量稳定性，是激光测距系统的重要组成部分。本课题重点研究了相位式激光测距系统信号处理相关模块的硬件电路设计，电路中的元器件的选用和软件的编制。论文完成了基本的硬件电路设计和软件设计。硬件设计方面，利用做主控制器及数据采集，通讯部分由提供了用户接口，采用（直接数字频率合成）技术替代（模拟锁相环）技术，产生主振和本振两路正弦信号对激光二极管进行调制，实现了中短距离内的高精度实时距离监测。本文最后还提出系统调试过程中需要注意的几点问题，为下一步工作总结了经验。关键词：激光测距，相位式，第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文，、）矿，也，趾，：；第页国防科学技术大学研究生院工

3、程硕士学位论文图目录脉冲式激光测距原理相位式激光测距原理。国内外几款常用激光测距仪实物图相位法测距原理图差频测相原理图锁相式频率合成模型基本结构图系统的结构框图的一个基本原理图取样系统信号的频谱噪声模型余弦波信号及其相位的内部结构串行口时序图信号产生系统原理框图位频率寄存器一异步寄存器一写入数据寄存器阶的低通滤波器低通滤波器频率响应图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图的性能图。信号调理电路内部结构图读数据时序图功能原理图一模块原理图一直接访问方式接口电路看门狗电路第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文图图图图图图图图看门狗时序图硬件连接图系统印刷电路板（部分）系统数据

4、流图系统流程图数据采集流程置中法数据组合程序流程用比较试探法数据组合程序流程第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文表目录表几种常用激光测距方法归纳表表测尺频率、间接测尺频率、相当测尺频率及精度对应表。表公司常用芯片性能表表经典双极性模拟输入对应的。、：的值。表对应各米位数值的调整数。表测距仪测距能力检测结果。第页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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

5、的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文题目：基王业墨鲍邀光型堕这亟佳盟究生遮土目期：学位论文作者签名：叁玺盆彬年汐月多日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可，保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；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。（保密学位论文在解密后适用本授权书。）学位论文题目：基王业墨鲍邀左型照邀亟住丑窒多遮让作者指导撕摊：；懈学位论文作者签名：趁垒呲嘶。月矿日期：移年护月形日国防科学技术大学

6、研究生院工程硕士学位论文第一章绪论引言随着科学技术的不断发展，人类在民用和军事领域，对距离量的测量要求非常广泛。测量范围和测量精度的要求都在不断增加，因此人类在不停研究新的测量方法和理论。近年来，激光技术迅速发展和完善，导致了光学及其应用技术的巨大革命，促进了物理学和相关学科的发展。激光器已被确认为世纪最重要的发明之一。而激光技术的发展，标志着人们掌握和利用光波进入了一个新阶段。激光技术出现后，很快被应用到各种测量（大地测量、地形测量、工程测量、航空摄影测量以及人造地球卫星的观测和月球的光学定位等航天测量）中。与此同时，现代电子技术的飞速发展和光电器件性能的不断提高，使激光测距仪成为距离测量的

7、主要仪器之一【。激光与普通光源有显著的差别，它利用受激发射原理和激光腔的滤波效应，使所发射的光束具有一系列新的特点：激光有小的发散角，即所谓的方向性好或准直性好；激光的单色性好，即相干性好；激光的输出功率虽然有限，但是功率密度很高，一般的激光亮度要比太阳表面的亮度大。激光测距技术最早和最成熟的应用是在军事上。现在，激光测距机已经批量装备部队，它能够迅速而准确地测定目标距离。在火控系统中，激光测距技术的应用极大地提高了武器的首发命中率；在激光制导武器中，大大改善了炮弹、地空导弹、巡航导弹等武器的命中精度。在民用测量领域，激光测量方法具有量程远，非接触，测量迅速等优点，因此在野外勘测，房屋丈量等方

8、面逐渐替代人工测量。与其它测距技术相比，激光具有角分辨力高、抗干扰能力强，可以避免微波贴近地面的多路径效应和地物干扰问题，并且具有天线尺寸小、质量轻、结构小巧、和安装调整方便等优点，激光测距仪是目前高精度测距最理想的仪器之一。由于以上各方面的原因，使得激光测距在测量领域得到了青睐，并被迅速推广应用，在国民经济和国防建设中具有非常重要的意义。激光测距原理激光测距技术按原理分主要有以下三种方式：脉冲式激光测距第页国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文脉冲式激光测距儿】的工作原理是利用脉冲激光器向目标发射单次激光脉冲或激光脉冲串，计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间。由此运算目

9、标的距离。其工作过程是：首先瞄准目标，然后接通激光电源，起动激光器，通过发射光学系统，向瞄准的目标发射激光脉冲信号。同时，采样器采集发射信号，作为计数器开门的脉冲信号，起动计数器，钟频振荡器向计数器有效的输入脉冲，由目标反射回来的激光回波经过大气传输，进入接收光学系统，作用在光电探测器上，转变为电脉冲信号，经过放大器放大，进入计数器，作为计数器的关门信号，计数器停止计数。计数器从开门到关门期间，所进入的钟频脉冲个数，经过计算得到目标距离。脉冲式激光器测距机的特点是瞬时功率大，测量距离远，缺点就是绝对的测距精度不是很高。一般的脉冲激光测距机可测量数十甚至数万公里的距离，达到十几个厘米的测量精度。

10、目前，脉冲激光测距仪已经得到了广泛的应用，如地形测量，导弹运行轨道跟踪，以及地球到月球的距离测量等等。被测物：，一：图脉冲式激光测距原理相位法激光测距相位式激光测距仪【】是利用固定频率的高频正弦信号，连续调制激光源的发光强度并测定调制激光往返一次所产生的相位延迟。通过相位延迟计算测量的距离。这种方法测量精度高，通常在毫米量级，一般应用在精密测量中，因而在大地、工程和体育测量中得到广泛应用。本论文主要介绍这一测距方法，因此原理的详细叙述在后面的章节。第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文发射器、麟龋波八个回调幅波接收器矽被测物卜，一图相位式激光测距原理干涉测距法干涉测距法【】也是一种相位法

11、测距。它与上面的相位测距法的区别在于它不是通过测量激光调制信号的相位来测定距离，而是通过测量激光光波本身的干涉条纹变化来测定距离。由于光波波长很短，再加上激光的单色性使其波长值很准确，所以距离分辨率可达半个激光波长，通常在微米量级。利用现代电子技术还可以把干涉条纹细分到，因此干涉法测距的精度极高，这也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的动态位移量，所以它仅用于测量相对距离，而不能测量绝对距离。目前主要用于测量地壳形变、大陆漂移，地震火山爆发预报、侦察地下核爆炸等方面。表几种常用激光测距方法归

12、纳表测距方法测距范围精度应用领域脉冲式激光测距几十米到上万公里米量级军事、气象相位式激光测距儿米到数公里毫米量级跟踪、勘测干涉式激光测距厘米级微米量级地壳形变、地震火山预报第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文激光测距优点测距精度高激光测距的精度与操作者的经验和被测距离无关，误差仅取决于仪器本身的精度。战术激光测距仪的误差在以内，科学实验的测距仪精度更高，例如，在月球上安装角反射器（合作目标），最好的测距记录是，误差仅为。用激光测距对卫星进行精密测轨，精度已达，日本用于预防地震的长距离监测系统，全程，误差小于。体积小，重量轻，携带方便军事上装备的激光测距仪，重量一般为左右，最小的只有，体

13、积只有香烟盒那么大，激光由于方向性好，所以可以不用巨大的天线就可以发射极窄的光束。分辨率高，抗干扰能力强窄的光束和短的脉冲宽度，不仅使横向和纵向目标分辨率大大提高，而且不受电磁干扰和地波干扰，例如在导弹的初始阶段，微波测距由于严重的地波干扰而不能使用，激光测距却能得心应手。激光测距研究的国内外概况国外概况激光测距技术是最早用于军事上的激光技术。世界上第一台激光测距机于年诞生在美国休斯飞机公司，称为柯利为型，年第一台军用激光测距机便成功地进行了示范表演，之后该公司相继研制成几种实验型军用激光测距机在部队进行试验和鉴定，结果证明激光测距机可作为一种新的测距仪代替原装备的光学测距机。年美国陆军首先装

14、备了型红宝石激光测距机。供炮兵前方观察员或观察所使用。此后，各种型号的侦察用激光测距机相继装备各国的军队年美国休斯公司相继研制成几种实验型军用激光测距机，年军用激光测距机首先装备军队。经过年的发展，军用激光测距机己更新了两代，研制发展了三代。第一代激光测距机采用发射红外红宝石激光器和光电倍增管探测器，是最早问世的激光测距机，世纪年代初期少量装备部队，如美国第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文的、日本的式，因其隐蔽性差、效率低、体积大、重量重、耗电多，很快便被第二代激光测距机取代。第二代激光测距机采用发射朋近红外钕激光器（主要是：激光器，少数为钕玻璃激光器）和硅光电二极管或硅雪崩光电二极

15、管探测器。第二代比第一代隐蔽性好、效率高、小巧、耗电少，因此第二代激光测距机的小型化研制进展迅速。年美国研制成功称之为型的第一个手持使用的小型：激光测距机，该机的外形结构首次采用了适宜手持使用的双目望远镜式结构，大小与一具标准的军用双目望远镜相当，总重量仅。该机在设计上采用组件结构，在技术上首次成功采用轻小、成本低、不耗电的被动染料片开关和工作电压为的低压硅雪崩光电二极管探测器，用大规模集成电路实现接收电路的固体组件化。此后，应用的研制成果，很多国家都相继研制成功类似于的各种型号的手持激光测距机装备部队，如挪威研制和英国改进生产的型被确定为北约部队的正式装备仪器。由于这些低成本、小型手持激光测

16、距机的研制成功，从世纪年代末到年代中，：激光测距机进入了大批生产装备和广泛应用阶段，成为军用激光市场上军方最大的采购项目，如、年，美国军方采购了台型激光测距机装备美陆军和出口。第三代激光测距机，即人眼安全的激光测距机。目前已研制成工作波长为朋和：的三种不同类型的各种型号的人眼安全激光测距机，己进入生产和应用阶段。与此同时，激光测距技术也逐渐应用到民事领域。从世纪年代初至今的近年，国外许多大学、研究机构和公司也开展了这方面的研究工作。研究内容从各分系统到整机及其应用研究，其产品涉及工业、航天、海洋及机器人视觉等多方面。美国有多家著名公司开展了这方面的研究，公司为美国国家数据中心研制了激光海浪测量

17、装置，用于无人看守的海浪测量站；为美国联邦政府高速公路管理局研制了激光自动传感系统，用于车辆速度和高度的测量。年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的手持式人眼安全激光二极管测距机，用于对车辆的测距和测速。近十几年来，又有关于几家美国公司开展这方面研究的报道。年，美国公司推出了测距能力的型激光测距机，年被评为世界项重要科技成果之一，随后又推出了测距能力系列激光测距机，该系列测距机的特点：利用对眼睛无害的透明红外线激光发射及接收；快速测距，测量精度高（±）；高倍液晶显示瞄准器；无声操作；即使在阵雨等恶劣天气条件下，亦能精确测量；目标与仪器间有障碍物如灌木林亦能如常测量：连续跟踪目标；防水

18、、防震；轻便和袖珍式设计便第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文于携带，广泛应用于建筑施工勘测设计、消防系统等领域【】【】【】。德国博世（）公司研制生产的手持式高精度激光测距仪，体积小巧，携带方便，广泛适用于房地产、室内装演、建筑施工、测量测绘等众多领域。该公司研制生产的激光测距仪不但可以测量、校正、计算，而且可以非常快速地进行探测。它的测量范围为，测量精度士，测量时间一般秒，测量分辨率为，它采用先进技术，能测量高度，面积，数量，角度或斜面；可持续测量，用于测定固定参考点的最大或最小距离；间接测量功能，能对一些不能直接测量的距离，例如，房屋的墙高等进行间接测量；存储检索，检索最新存储的资

19、料和最近个测量结果；“显示激光光束模式，激光光束会在测量过程中一直处于显示状态，可以快速准确地寻找测量目标；使用万能尾件可以对角落、平面和边缘进行测量；防尘防水设计。加拿大公司是著名的激光测量设备的研制生产厂家，研制成功多种类型、系列化的激光测量仪器。（单筒式）系列激光测距仪，它采用最新数字电路技术，可以透过绝大部分的玻璃进行测量：自动“最后目标测量功能，即可以穿过树枝、篱笆等稀疏障碍物直接测量后面的目标；自动“雨天”测量模式，消除落雨对测量的影响；目标反射质量指示：可以存储个测量值并可回调；可以清除以前测量值。激光类型：一级安全激光；测距范围：，测距精度：±。系列激光测距仪性能优越

20、，环境适应能力强，目前是加拿大军队的标准装备。超远距离激光测距仪（），其观测放大倍数：，视角：度，距离测量范围：，测量精度：，激光类型：饵玻璃激光。超远距离激光测距仪按照军用标准设计制造，内置双目观测望远镜，用于单个目标的测量和观测；测量距离最大可达公里；水平面内角度的测量，包括地磁方位角度的测量；垂直面内的角度测量；目标和标志物的极坐标系的建立；极坐标和直角坐标的相互转换；第一个和最后一个目标选择测量；夜间使用照明功能；数据输出接口。它广泛应用于军事行动、反恐行动、地质勘探、工程抢险、近海航行、气象学等。瑞士徕卡新型手持测距仪。主要包括简便型，经典型，智能型，智能增强型。它们的特点是测量快（

21、秒）、测量距离远（），测量精度高。其中，智能增强型测量范围：测量精度：±。最大值、最小值测量、勾股定理测量功能；一体化小泡，简化水平测量；一体化望远镜瞄准器；存储个测量值：数字字母键盘、计算器功能；菜单式功能键。新型手持测距仪主要用于工第页国防科学技术大学研究生院程硕士学位论文组成半站仪。国内概况我国激光测距仪的研究始于世纪年代，是在原固体、气体激光测距机基础上发展起来的。目前，基础技术己具备，主要是解决工程应用问题，开发各种应用产品。航天科工集团八三五八所研制出测程，精度，数据率的激光测距机。中科院上海光机所研制出便携式激光测距机，对漫反射水泥墙的测距达，采用计数方式，测距精度，重

22、复频率。中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距机，作用测距，精度，采用唧晶振，线性时间放大技术。常州莱塞公司研制了作用距离，钡距精度的半导体激光测距机。船舶重工集团第研究所研制的激光测距仪测量范围，精度±，重复频率。墼德国博世一加拿大、皤摩国产赛来国产图国内外儿款常川激光测距仪实物幽第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文发展趋势（）小型化标准化和固体组件化研究用半导体激光器代替现用的闪光灯泵浦技术，以提高激光器的效率，实现激光器的小型化和固体组件化。同时还研究用相位共轭技术提高激光束的质量，减少束散角和激光器的尺寸。（）激光测距机多功能化、系列

23、化激光测距机除具有测距的功能外，还具有目标指示，目标跟踪和测定云高等功能。目前研制和装备部队主要有激光测距批示器、激光测距跟踪器两类。这两种军用激光测距仪己开始装备部队。例：英国机载的以及机车的。除此之外，激光测距仪与其它仪器组装在同一个壳体内完成多功能的激光仪器，如美国的型激光夜视测距仪。（）与其他光电仪器集成化为提高激光测距机对多目标的测距能力，要求激光测距机与直接观察的光学仪器、电视跟踪器、前视红外成像系统、红外搜索和跟踪装置、激光目标指示器和激光跟踪器等光电仪器集成，研究有关集成的技术和最佳的集成方案是激光测距机发展的重要方面。（）研制远程激光测中距机在激光测距的很多实际应用当中，要求

24、测程达到以上的远程激光测距机。几种激光测距机的对比研究表明：探测灵敏度高的外差探测激光测距机比直接探测激光测距机测量距离远。理论研究表明：外差探测倍频激光测距机（波长为）的外差探测同位素¨激光测距机（波长）测量距离超过其他激光测距机，但技术远不成熟。目前远程激光测距机还处于探索研究阶段，离实用阶段还有较远的距离【】。课题背景及本文主要工作本文紧扣武警水电部队在工程测距方面实际问题，提出通过激光测距仪代替传统工程测量方式，大大提高了复杂条件下工程测量精度和效率。中国武警水电部队部队的中心任务以从事艰苦地区水电建设为主，必要时根据中央军委与武警总部的命令执行处置突发事件、维护社会稳定的警

25、种部队。目前主要承担国内外大中型水利水电建筑安装工程、地质勘探、基础处理、地下工程施工和中小型水电站的设计，并能承担国内外公路、铁路、机场、桥梁、码头、港口、工业及民用建筑、金属结构制作安装和输电线路的架设等项目。在部队常的施工生产中，工程测量按其工作顺序和性质分为：勘测设计阶第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文段的工程控制测量和地形测量；施工阶段的施工测量和设备安装测量；竣工和管理阶段的竣工测量、变形观测及维修养护测量等。由此可见，测量工作是贯穿整个施工生产过程，工程建设的勘测、设计、施工和管理各阶段都要进行大量的测量工作。它是直接为各项建设项目的勘测、设计、施工、安装、竣工、监测以

26、及营运管理等一系列工程工序服务的。可以这样说，没有测量工作为工程建设提供准确的数据，并及时与之配合和进行指挥，任何工程建设都无法进展和完成。传统的现场工程测距是通过测量人员手持测量皮尺，通过立点放样来分段测量出数据。这种方法不仅效率不高（关键数据需要测量人员反复多次测量），而且由于测量现场地理环境复杂导致了所测得数据误差较大，数据的准确性即影响下一步施工工程质量。此外，这种传统的人工跑尺测量对于人无法到达的地方（如钻探后高温面以及刚结束的浇注面）都是无法进行安全测量的，失去对工程量的实时测量，对差错的控制也就无从谈起。在此次汶川大地震抗震救灾行动中，我部承担了对唐家山堰塞湖泄洪排险任务，在紧张

27、的抢险过程中，对堰塞湖堰塞体情况的实时监控测量数据是一项非常重要但又非常繁琐的工作，特别是抢险现场山体滑坡严重，传统测量方式根本无法提供所需数据的情况下，激光测距高效准确的优势就更为明显。随着激光测距技术的发展，其在工程测量方面的高效性已经得到越来越多人的认可。目前工程上用的激光测距仪多为国外进口产品，测量距离远并且测量精度较高，但产品价格动辄几千上万，不符合工程成本控制的要求，无法在施工项目中大量推广。国产测距仪虽然价格相对便宜，但又存在测距性能不足，以及设备体积较大，不方便现场人员操作等诸多问题。本课题研究的主要目的在于通过学习研究，了解和掌握相位式激光测距的基本原理；确定对于中短量程、较

28、高精度要求的相位式激光测距仪的工作实现方案；并且尝试寻找一种合适的电路形式作为激光测距的信号源电路，来提供具有一定频率稳定性的信号对激光器进行调制，以满足日常施工测量高精度（±）和最大量程（）的要求。本设计能实时显示测量结果，测距仪体积小巧，操作简单，可手持进行测量，适于在野外测量中使用。该项目在研制过程中硬件系统以为核心实现整体监控，涉及了信号源系统的设计，弱信号检测滤波与信号调理电路的设计及混频器的设计；系统软件则以汇编语言为主实现测试系统相关软件程序设计。本论文的结构安排为：第二章介绍了相位法激光测距仪的原理；通过比较分析测尺组合频率的选择方法，结合需求确定本课题设计方案；最后

29、还简单介绍了测向技术与频率合成技术的基本原理。第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文第三章提出相位法激光测距仪的系统总设计框图，简要介绍了测距系统的工作原理，然后详细介绍了测距系统各部分硬件电路组成及调试，最后绘制了印刷电路板图。重点介绍信号处理的相关电路设计过程与控制系统硬件的总体设计。第四章介绍了测距系统几个主要模块的软件设计和实现。第五章总结了系统设计调试过程中需要注意的几个方面，并对电路系统误差进行分析，提出减小误差的改进措施。最后，通过实验，对本系统数据的误差产生进行分析，为后续的进一步工作总结经验。第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文第二章相位法激光测距原理激光测距按

30、调制信号的不同主要可以分为：脉冲式激光测距与相位式激光测距。通过第一章的介绍可知，脉冲式激光测距虽然距离很远，但精度不高，而相位式激光测距在提供较高精度的同时也可测量较远的距离，适合本课题实际需求。本章主要讨论相位式激光测量的相关内容。激光测距测量精度高、作用距离大、广泛应用于国防建设和国民经济的各个领域。激光测距属于光波测距的一种，两点间距离可表示为：（）式中是光在空气中传播速度，是光往返一次所需时间。通常我们将光速视作一个常量，要得到两点间的距离实际上就是要测得光往返一次所需的时间，即可通过计算得到距离值。相位法测距的基本原理相位法激光测距是利用发射的调制光和被目标反射的接收光之间光波的相

31、位差包含的距离信息来实现对被测目标距离的测量。由于采用调制和差频测相技术，具有测量精度高的优点，广泛应用于有合作目标的精密测距场合。原理如下嗍：图相位法测距原理图根据波动方程知，光在传播过程中产生的相移矽可与被测距离有以下关系：一万厶等式中：无是正弦调制频率。通过测量相位差矽即可得到被测距离：第页（）国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文：旦三（）因为矽是以万为模数的，所以：矽（）式中，表示相位移矽中包含的石的整数倍；表示调制光波最后不足整数的尾数部分。由（）可知，当时，即，此时有唯一解，可测量的最大距离为：，÷（）式中，皿又称测尺长度。厶越高，忍越小；同时，在被测距离一定时，厶越

32、高，产生的相位差越大，测量越精确。需要指出的是，当矽时，被测距离大于测尺长度，即，而现有测量相位差的方法不能测出的值，所以测量结果就不是唯一，无法确定实际测量结果。对于既能测长距离又要有较高的测量精度问题，解决的方法就是同时使用不同的测尺长度。例如要测量的距离时，选用测尺长度珐为的调制光为“粗尺”，而选用测尺长度圾为的调制光作为“细尺。假设测相系统的测相精度为，则用可测得不足的尾数，用毡可测得不足的尾数，将两者结合起来就可以得到。这样，用一组（两个或两个以上）测尺一起对距离进行测量，就解决了测距仪高精度和长测程的矛盾，其中最短的测尺保证了必要的测距精度，最长的测尺则保证了测距仪的测程。测尺频率

33、的选择通常，测尺组合频率选择方法有两种：分散的直接测尺频率选择方式和集中的间接频率选择方式。分散的直接多测尺方式设置一组调制频率，使其相邻的两个频率的比值为倍，其中为下整数，通常根据可达到的频率稳定度和测相精度选择的值，根据测量范围的要求确定调制频率的下限，根据测量精度的要求确定调制频率的上限。利用这样一组调制第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文频率分别测距，然后组合成最后的距离值。因最高测尺频率和最低测尺频率之间相差较大，使得放大器和调制器难以对各种测尺频率具有相同的增益和相移稳定性，所以此方式多应用在中短程测距，选择的频率一般只需要两个，一个测尺频率确定量程，即“粗尺，一个测尺频率

34、确定精度，即“细尺。这种方式的优点为：第一，分散的两个频率差较大，在回波滤波放大时很容易把两个信号分开而没有相互的干扰，所以能把多个频率同时调制在激光器上，同时接收和处理数据，在测量时间上要快很多；第二，在电路中只存在一个较高的频率，电路中信号间的干扰会减小很多；第三，两个调制频率差很大，产生本地振荡器会容易的多。但这种方式在长距离测量时不适合，因为会存在很多组频率才能测量。例如：测距仪测程要求，精确到，而相位测量系统的精度仍为，则需要三把光尺，即取，圾，圾，相应的光的调制频率分别为，。显然，要求相位测量电路要在这么宽的频带内都保证的测量精度是难以做到的。因此，实际测量中，长距离的测距仪不采用

35、上述直接多测尺方式，而采用集中的间接多测尺方式。集中的间接多测尺方式假定用两个频率和调制的光分别测量同一距离，根据（）式有：（川）（）（）圾（哦）由（）式和（）式经过简单的运算，可得形式为：（）的表示式，其中（）：三三及：垒！堡三！一（）（）（）（）川一毗因为办，红，痧，则有么一欢（）在以上公式中，可以认为是一个新的测尺频率，皿是新测尺频率所对应第页国防科学技术大学矽究生院工程硕士学位论文的测尺长度。这样，用。和的差频频率。一：测量该距离时的相位尾数矽相等。间接频率方式正是基于这一原理进行测距的。他是通过测量和频率的相位尾数并取其差值来间接测定相应的差频频率的相位尾数。通常把、称为间接测尺频率

36、，而把差频频率称为相当测尺频率。这种方式的各间隔测尺频率值非常接近，故间接测尺频率又可称为集中测尺频率。这样，电路对各调制信号具有相同的增益和相移稳定性，此方法常应用于中长距离测量，例如：测距仪测程要求，精确到，而相位测量系统的精度仍为。则测尺频率、间接测尺频率、相当测尺频率及精度对应表为表所示。表测尺频率、间接测尺频率、相当测尺频率及精度对应表间接的测尺相当测尺频率：。测尺长度精度瑚毗舭舭龇这种方式的缺点为：第一，两个频率。和，太接近，所以在锁相产生本地振荡器时电路设计难度加大；第二，在电路中同时存在四个或更多个高频频率，相互之间的干扰会增大，电路设计难度增加，给相位测量带来困难；第三，由于

37、各间接测尺频率值非常接近，在设计滤波放大器时不可能把这些频率分开，所以在测距时只能是先用一个频率去调制接收处理再用另一个频率去调制接收处理，不能同时多个频率去调制接收，这会造成测量时间的增长。因此，在本课题研究中短距离测量系统中，选择采用分散的直接多测尺方式。测尺的频率在常用的直接中短程相位式双频光电测距仪中，精、粗测尺大多这样选取：取精测测尺约左右，精测测尺决定测距精度，按一般数字式相位测量分辨率第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文为左右来算，仪器测量分辨率可以达到左右，测量精度能达到毫米量级；考虑到精粗尺衔接的可靠性和测程的需要，粗测测尺一般取精测测尺的倍左右，即取粗测测尺约左右。

38、由式（）可知，当测尺长度为时：，一上卫妥：×一一，ר。廿胁×当测尺长度为时：。厂上三兰！：×，日×也就是说，对于一个测程最大值为米，测量精度要求为的激光测一一、距系统，测距的精测测尺信号的频率为，粗测测尺的频率为。差频测相技术在相位式激光测距中，最后的相位测量一般采用差频测相技术【】【】。对一高频信号进行相位测量，其误差往往比较大。所谓采用差频测相就是将高频信号变到低频信号而相位信息不变，然后对该低频信号进行测相。在频率降低后，信号的周期扩大了几十倍甚至几千、几万倍，这样的就大大提高了测相的分辨率，即提高了测相精度。同时，多个测尺频

39、率转换为统一低频信号测相后，对接收机的频响要求降低，即对不同的调制频率，其接收信号差频后的滤波放大频率始终固定，这样有利于接收机获得高增益与高选择性。差频测相的原理如图所示。第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文目标图差频测相原理图设主控振荡器信号为乞（），发射后经距离返回接收机，接收到的信号为气（统），矽表示相位的变化。设本地振荡器信号为乞（，办），把吃送到混频器和，分别与和咚混频，在混频器的输出端得到差频参考信号巳和测距信号巳，它们分别表示为：巳（，一弘（唬一破）】（歹，一）（唬一谚）】（）（）用相位检测电路测出这两个混频信号的相位差矽。可见，差频后得到的两个低频信号的相位差矽与直接

40、测量高频调制信号的相位差是一样的，这就是混频器只变频率不变相位的原理。通常选取测相的低频频率约为几千赫到几十千赫。经过差频后得到的低频信号进行相位差测量，可采用自动测相法。频率合成技术影响相位法测距精度的因素主要有调制信号的稳定度所引起误差、相位差测量所引起的误差和传输光波因大气媒质温度等因素变化导致折射率变化所引起的第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文光速误差，其中两项是主要的，它们都取决于信号产生与处理电路的性能。随着电子技术的发展，在通信、仪表、宇航、雷达等应用领域，信号的产生往往应用频率合成的方法，在一个频率范围内提供一系列的高准确度和高稳定度的频率，这需要应用频率合成。频率合

41、成是从一个高稳定度和准确度的参考频率，经过各种技术处理，生成若干离散的输出频率，频率合成技术是非常适合相位式激光测距中的测尺频率的产生的。频率合成器经过几十年的发展，形成了四种主要技术，即：直接频率合成技术、锁相频率合成技术、直接数字频率合成技术和混合式频率合成技术。变模锁相频率合成技术满足移动通信需求的低功耗、低成本、大容量高频频率合成芯片，大多采用变模技术的锁相环频率合成技术，以实现在输出较高频率的同时又能获得较小的输出频率间隔。该种技术的工作原理如图所示【引。图锁相式频率合成模型这类频率合成器己被广泛地应用在与移动通信的基站和手持设备、无线扩频中继设备及无线局域网络中。锁相式频率合成器能

42、达到很高的输出频率；具有低相位噪声、低杂散、易于集成、体积小、生产相对较简单、成本低等特点。但其难以实现很小的输出频率间隔，频率转换时间较长，目前最快达微秒级。直接数字频率合成技术直接数字合成（）技术是随着集成电路技术、计算机技术和数字处理技术的迅速发展而诞生的一种频率合成方法。典型的直接数字频率合成器的构成如图所示【】【】。第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文图基本结构图受变换器的限制。利用正弦信号的相位与时间呈线性关系的特性，通过查表的方式得到信号的瞬时幅值，从而实现频率合成。具有超宽的相对宽带，超高的捷变速率，超细的分辨率以及相位的连续性，可编程全数字化，以及可方便实现各种调制等

43、优越性能。但存在杂散大的缺点，而且限于数字电路的工作速度，的频率上限目前还只能达到数百兆，限制了在某些领域的应用。当单独采用一种合成方法不能满足频率合成器的性能要求时，可考虑将两种或三种方法结合使用。目前最常用的混合方法是将直接数字合成（）和锁相频率合成相结合即与混合实现频率合成的技术，此外还有与（即直接频率合成）相混合等合成方法。输出频率为锁相环和各自的输出频率之和。锁相环的作用主要是将频率抬高至微波波段。该合成器的输出频率精度和频率切换时间均由决定。由于频率切换时间可达到纳秒级，频率和相位精度很容易达到毫赫兹级，因此系统性能得到显著改善。综合直接数字合成技术超高的改变速率，超细的分辨率以及

44、相位的连续性，可编程全数字化，以及可方便实现各种调制等优越性能，所以选择在本次信号源系统设计中采用这种方式合成信号，在下章将做详细的介绍。第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文第三章基于相位式激光测距仪设计总体设计图系统的结构框图本设计电路的结构如图所示。首先由单片机写入频率和相位控制字，再由产生两个频率相近相位相同的正弦波，一路信号通过低通滤波电路变成标准正弦波送给激光调制电路，由激光器发出测距信号，测距信号遇到反射体返回由激光接受电路接受并放大，放大后的信号经过带通滤波电路后与产生的两路信号同时送入混频器生成两路包含测距信号相位偏差的低频信号。低频信号便于信号处理。同时由单片机控制对

45、两路同时采样的高速转换器来完成两路信号的数据采集，并将数据送给实时显示。系统有三个时钟都是由晶振产生，两片由同一块晶振提供时钟，这样就保证了两片产生的信号是同相位的。直接数字频率合成技术由于采用多尺度测量，这就要求系统必须有一套高性能的频率发生装置，来实现多种频率的高速切换。而且为保量精度，要求频率发生器的相位精度很高。采用模拟振荡电路产生调制信号，电路体积大，信号精度低，且振荡频率改变困难，不能胜任激光调制的任务。近年来发展起来的直接数字频率合成器（）采用高速数字电路和高速转换技术，具有以往频率合成器难以达到的优点，第页国防科学技术大学研究生院程硕士学位论文如频率转换时间短（）、频率分辨率高（）、频率稳定性高（。至。）、输出信号频率和相位可快速程控切换等，因此可以很容易对信号实现全数字式调制，而且，由于是数字化高密度集成电路产品，芯片体积小、功耗低，因此非常适合作为这里对激光进行调制的信号源。基本原理或是的简称。通常将此技术视为第三代频率合成技术。它突破了前两种频率合成法的原理，从“相位”的概念出发进行频率合成。这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波形