激光相位测距仪的设计

1、题目：本 科 课 程 设 计 说 明 书 光学测试课程设计 激光相位测距仪的设计学院名称： 机械工程学院专业班级： 光信息0901 学生姓名： 刘艳冬 指导教师姓名： 姚红兵2011年6月摘要：本文论述了相位式激光测距仪的实现原理，从直接测尺频率和间接测尺频率两方面讨论了激光相位测距技术的实现，并就差频测相技术进行了深入的探讨分析，最后对测距仪的精度进行了相关的讨论，以提测距仪系统的测量精度和稳定性。关键词：激光测距，相位式，测尺频率，差频测相Abstract：This article mainly discusses the implementation of the principle o

2、f the phase-shift laser range finder, focusing on frequency of both the direct and indirect measuring tape of the technology and deeply studying the frequency difference of phase finding with theory and the precision analysis in order to improve system accuracy and stability.Key words: laser ranging

3、, phase-shift, measuring tape, frequency difference of phase finding目录1.激光相位测距仪原理 . 11.1 激光测距仪简述 . 11.2 激光相位测距仪原理. 12.激光相位测距技术实现 . 32.1 直接测尺频率 . 32.2 间接测尺频率 . 33.相位测距技术阐述 . 63.1 差频测相原理 . 632其他测相技术简介. 74.测距精度的分析 . 94.1 误差分析 . 94.11相位测量误差 . 错误！未定义书签。4.12电子线路的干扰. 错误！未定义书签。4.2 精度分析 . 95.参考文献 . 12 31.激光相

4、位测距仪原理1.1 激光测距仪简述在测距领域，激光的作用更是不容忽视，可以这样说，激光测距是激光应用最早的领域（1960年产生，1962年即被应用于地球与月球间距离的测量）。测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积小同时重量轻的激光测距仪受到了大多数有测距需求的企业、机构或个人的青睐，其市场需求空间大，应用领域广行业需求多，并且起着日益重要的作用。：当今市场上主流的激光测距仪是基于相位法的激光测距仪。这是因为基于相位法的激光测距仪轻易地就可以克服超声波测距的一个问题，经过许多科学工作者的努力，现在也有作用距离在几百米的相位法激光测距仪）。 相位法激光测距技术，是采用无线电波段频率的激光，进行

5、幅度调制并将正弦调制光往返测距仪与目标物间距离所产生的相位差测定，根据调制光的波长和频率，换算出激光飞行时间，再依次计算出待测距离。该方法一般需要在待测物处放置反射镜，将激光原路反射回激光测距仪，由接收模块的鉴波器进行接收处理。1.2 激光相位测距仪原理测距机发射钟形波激光脉冲（主播信号），入射被测目标后返回部分激光（回波信号）由测距机接收，测距机与目标的距离为L=ct2 1-11相位测距是通过对光的强度进行调制来实现的。设调制频率为f，调制波形如图1.1所示，波长l移j可表示为： =c/f，c为光绪，光波从A点传播到B点的相j=2m+Dj=l(m+Dm) 1-2 式中Dm=离为L=ct=cD

6、j2p。若光从A点传到B点所用的时间为t，则A和B两点的距j2pf=l(m+Dm) 1-3式1-3为激光相位测距公式。只要测出光波相移j中周期2p的整数m和余数Dm，便可有式1-3求出被测距离L。所以调制光波的波长是相位测距 的一把米尺图1.1相位的调制波形图22.激光相位测距技术实现2.1 直接测尺频率由侧尺量度Ls可得光尺的调制频率为fs=c/2Ls 2-1这种方法所选的测尺频率fs直接和测尺长度Ls相对应，即测尺长度直接由测尺频率决定，所以这种方式成为直接测尺 频率方式。若果测距仪测程为100km，要求精确到0.01m相位测量系统的测量不确定度为0.1%，则需要三八光尺，即Ls1=105

7、m，Ls2=103m，Ls3=10m，相应的光调制频率分别为fs1=1.5kHz,fs2=150kHz,fs3=10MHz.。显然，要求相位测量系统在这么宽的频带内都保证0.1%的测量不确定度很难做到。所以直接测尺频率一般应用于短程测量如GaAs半导体激光短程相位测距仪。2.2 间接测尺频率在实际测量中由于测程要求较大，大都采用间接测尺频率方式。若用两个频率fs1和fs2调制的光分别测量同意距离L,可得L=Ls1(m1+Dm1) 2-2 L=Ls2(m2+Dm2) 2-3 将式2-2两边乘以Ls2，式2-3两边乘以Ls1后做相见运算，可得：L=式中Ls1Ls2Ls1-Ls2(m1+Dm1-m2

8、-Dm2)=Ls(m+Dm) 2-4 Ls=Ls1Ls2Ls1-Ls2=1c2fs1-fs2=1c2fs3fs=fs1-fs2,m=m1-m2Dm=Dm1-Dm2Dj=2p,Dj=Dj1-Dj2式2-4中，Ls是一个新的测尺量度，样，用用fs是与Ls对应的新的测尺量度。这fs1和fs2分别测量某一距离时所得相位尾数Dj1和Dj2之差，与fs1和fs2的差频频率fs=fs1-fs2测量该距离时的相位尾数Dj相fs1和fs2频率的相位尾fs1和fs2称等。这是间接测尺频率法测距的基本原理，即通过数并取其差值来间接测定相位的差频频率的相位尾数。通常把为间接测尺频率，而把差频频率称为相当测尺频率。表2

9、.1列出了间接测尺频率，相当测尺频率，相对应的测尺长度鸡测距不确定度：表2.1间接测尺频率，相当测尺频率及测尺长度4由表可知，这种测距方式的各间接测距频率非常接近，最高的和最低之差仅为1.5MHz，5个间接测尺频率都集中在较窄的频率范围内，故间接测尺频率又称为集中测尺频率。这样，不仅可使放大器和调制器能够获得相接近的增益和相位稳定性，而且各对应的 石英晶体也可统一。53.相位测距技术阐述 3.1 差频测相原理相位测量一般采用差频测相技术。差频测相的原理如图3.1所示3.1差频测相原理图示设主控振荡器的信号为es1=Acos(wst+js) 3-1经过调制器发射后经2L距离返回光电接收器，接收到

10、的信号为3-2 es2=Bcos(ws+tj+sDj )Dj表示相位变化。设基准振动器信号为3-3 e1=Ccos(w1+tj1 )把e1送到混频器分别与es1和es2混频，在混频器的输出端得到差频参考信号er和测距信号es，他们可分别表示为6es=Dcos(wst-w1t+js-j1) 3-4es=Ecos(wst-w1t+js-j1+Dj) 3-5用相位检测电路测出这两个混频信号相位差Dj'=Dj。可见，差频后得到的两个低频信号的相位差Dj'直接测量高频调制信号的相位差Dj是一样的。通常选取测相的低频频率为几千赫兹到几十千赫兹。差频后得到的低频信号进行相位比较，可采用平衡测

11、相法，也可采用自动数字测相法。平衡测相法结构简单，性能可靠，价格低，但准确度较低，通常会有15'20'或更大的测相不确定度。此外，平衡测相法还有机械磨损。测量速度低，并难以实现信息处理等缺点。自动数字测相法测相速度高，测相过程自动化，便于实现信息处理，测相不确定度高，可达2'4'。32其他测相技术简介数字测相（电子相位计）其特点是精确度高响应速度快容易实现数据的测量,记录和处理的自动化和微型化。其缺点是因闸门脉冲具有随机性，可能会引入±1个检相脉冲组的误差，大小角检相也会产生错误读书的情况，引入粗大误差。其原理框图如下图3.2.32数字测相原理图784

12、.测距精度的分析4.1 误差分析测距仪的误差有以下两大类：第一类是与距离远近有关的误差，如mc0,mn,mf及不变的误差如mK，称为系统误差，它们是构成了仪器精度指标中的比例误差。另一类是与距离远近无关，而且随即变化的误差，如mj,mg,mR称为偶然误差，即仪器精度指标中的固定误差部分。而周期误差虽属于系统误差，但却是一种特殊的误差。 以下讨论几种主要的误差：4.1.1主控晶体振荡器的频率误差mf测距仪中的主振频率误差，主要指精测频率误差而言，因为它决定了仪器的测距精度。此项误差包括两方面，即频率的校准误差和频率的飘移误差，前者取决于频率的准确度，后者则取决于频率的稳定度。当用高精度的频率计作

13、频率校准时，频率的校准误差可忽略不计。产生频率漂移的原因有：震荡线路原件性能的变化，晶体老化或质量欠佳，有恒温装置的仪器，预热时间不够，恒温范围过大，无恒温装置的仪器，由于温度变化引起频率漂移，电源电压不足或不稳。可通过采用加恒温措施或晶体温度补偿以及电子线路设计上的锁频或锁相等办法来减弱频率漂移的影响4.1.2测相误差mj测相误差包括：移相器或数字相位计的原理误差，瞄准误差，幅相误差以及有信噪比决定的误差。以上误差是测距仪的瞄准误差，也是目前测距仪误差的主要来源，为了减小瞄准误差，一方面要提高调制器 9或发光管的制造工艺，一提高它的空间相位均匀性。也可在短程测距仪GaAs发光管前加混相措施一

14、提高发射的光束的相位均匀性。4.1.3周期误差mz1、 自动数字测距仪的周期误差这类误差主要来源于仪器内部固定信号的串扰。若果发射信号形成固定不变的串扰信号，使得相位计测得的相位差附加上了串扰信号的附加相位移。即相位计实际测量的是测距信号与串扰信号之合成信号的相位移，这就引起了差距误差。减小此类误差的措施主要有：在设计。制造时，采用合理的电子开关，发射和接受系统等的电子线路要单独设立电源：加强屏蔽，防止信号通过地线或空间发生耦合串扰。2、 移相-鉴相法测相测井愿意的周期误差这一类一起出了固定串扰信号能产生周期误差外，由感移相器的非线性RC网络失调以及输入信号的频率偏离移相器的固有频率等原因均可

15、引起周期误差。解决此类误差的措施有：使输入移相器的信号频率与移相器的固有频率相符（可通过校正晶体振荡器的振荡频率）之后校正RC网络，使得Rwc=1。4.2 精度分析4.2.1精度分析由于相位测量是影响其精度的主要原因，故而本文只讨论由相位测量引起的测量误差的精度分析。由第一主频f1测量时，其测距精度公式为DD1=D(Dj1)2pL1 4-1由第一辅频测量时，（因f2=0.9f1，有9L2=10L1）,其测距精度公式DD2=D(Dj2)2pL2=D(Dj2)2p(L1+19L1) 4-210显然，由同一相位测量仪测量时，测距精度DD2相当于原来的基础上提高了9倍，而此时测距范围为10L1扩大了1

16、0倍。同理，若再用第二辅频量时，（因f3测f3=0.99，精度公式为 f1，有99L3=100L1）DD3=D(Dj3)2pL3=D(Dj3)2p(L1+19L1) 4-3精度在原来基础上提高了99倍，测距范围为100L1，扩大了100倍。依此类推，依据主频和辅频的不同比例关系可以得到添加不同辅频时的精度公式。4.2.2测距精度的提高如某台仪器有两把测尺，精尺长 10 m，粗尺长1000 m，现各测得距离值为：精测（用 10 m测尺） 5.524 m粗测（用 1 000 m测尺） 866.6 m显示距离 865.524 m显示距离值是取粗测的百米、十米位与精测的米位及小数位组合而成。 但是由于

17、仪器本身存在各种误差，以及外界条件的影响，使得各测尺的测量值总带有误差，会造成距离衔接上的错误。a) 米位数值很大，而粗测米位又是偏大的正误差精测（用 10 m测尺） 9.958 m粗测（用 1000 m测尺） 270.0 m显示距离 279.958 mb) 米位数值很小，而粗测米位又是偏小的负误差精测（用 10 m测尺） 0.058 m粗测（用 1000 m测尺） 269.9 m显示距离 260.058 m为了防止粗差，可以用 “置中运算法” 和“比较试探法”来有效地处理测尺衔接的问题。115.参考文献1.张处武，胡学同，精密相位激光测距仪的设计，激光杂志1998年19卷6期,P39-492.张加良相位法激光测距仪的研究D西安：西安电子科技大学，200