激光相位测距仪的设计

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 课 程 设 计 说 明 书题目： 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： 方潇 指导教师姓名： 姚红兵 2011年6月摘要：相位法激光测距仪是一种得到广泛应用的激光测距仪，它既能保证大的测量范围，又能保证较高的绝对测量精度。本文论述了相位式激光测距仪的实现原理，着重从直接测尺频率和间接测尺频率两种情况进行讨论了激光相位测距技术的实现,深入探讨了差频测相原理，并进行了精度分析，以提高系统的测量精度和稳定性。关键词：激光测距；相位式；差频测相目录1. 激光相位测距仪的原理11

2、.1 概述11.2 相位法激光测距原理21.3 激光相位测距仪42. 激光相位测距技术的实现52.1 直接测尺频率52.2 间接测尺频率53. 相位测量技术的阐述73.1 差频测相原理73.2 自动数字测相法简介84. 测距精度的分析94.1 误差分析94.2 精度分析95. 参考文献111. 激光相位测距仪的原理1.1 概述激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。它重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。一般可分为测量距离近、精度高的手持式激光测距仪和测量距离远，但精度相对较差的望远镜式激光测距仪。激光测距仪广泛用于地形测量，战场测量，

3、坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。它是提高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪，可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。在民用方面也有较大的市场和应用前景。激光测距系统的基本原理是测量激光脉冲在空间传播的时间间隔(TOF) , 进而获得测量距离。测量时间间隔的方法主要有三种: TOF法( time of flight, TOF ),脉冲式激光测距, 直接测量发射光束和接收光束之间的时间间隔; AMCW法( amplitude modulated continuous wave, AMC

4、W ) , 相位式激光测距, 通过测量调幅连续波发射光束和反射光束的相位差来测量时间间隔; FMCW法( frequency modulated continuous wave, FMCW ) , 通过测量调频连续波发射光束和接收光束的频率差来测量时间间隔。目前应用较广的激光测距仪,主要为基于TOF法的脉冲式激光测距仪和基于AMCW法的相位式激光测距仪。相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算出此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高，

5、一般为毫米级，为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。相位测距仪既能保证大的测量范围，又能保证较高的绝对测量精度，因此，得以广泛应用。但是，相位测距仪的测量精度受到大气温度、气压、湿度等方面的影响，在使用时要引起注意。1.2 相位法激光测距原理 图1 相位法激光测距原理图相位法激光测距是通过测量相位延迟的方法，间接测定调制光信号在被测量距离上往返所需的时间t 来计算距离L，原理如图1 所示，距离和光信号相位的关系可表示为式中：将 (2) 代入 (1) 得式中：c为光波在空气中传播的速度，为调制光信号经过被测距离L所产生的

6、相位差，f 为信号的调制频率，为调制波的波长，m为正整数。由此我们设计出如下图所示的相位测距仪示意图。图2 相位测距仪示意图由式（3）可知，只要能测量出发射与接收信号之间的相位差，就可以确定距离L的值。 但是由相位法测距无法直接确定N。 因此，以下讨论只在N= 0条件下进行。 显然，当时，可确定距离L 为从式（4）中可看出，理论上影响测距精度的因素主要有光速、调制频率f、相位测量所带来的误差。 其中，光速可以忽略不计，其他2 项取决于电路系统的性能。 因此，在整个测距系统中，频率产生电路以及差频测相电路是设计的关键部分，它们直接影响测量精度。1.3 激光相位测距仪图3 相位测距仪原理框图图3是

7、采用两把测尺的差频相位测距仪的原理图。为便于驱动调制，通常采用GaAs系列的红外激光二极管作为光源。由开关控制光源分别以f1=15MHz，f2=150kHz的调制频率交替发射。选择基准信号频率分别为fl1=14.006MHz，fl2=146kHz。这样，无论采用哪一把光尺测量，混频信号均为4kHz，便于保证相位的检测精度。2. 激光相位测距技术的实现2.1 直接测尺频率有测尺量度Ls可得光尺的调制频率这种方法所选定的测尺频率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，所以这种方式称为直接测尺频率方式。如果测距仪测程为100km，要求精确到0.01m。若相位测量系统的精度为1，则

8、需要三把光尺，即Ls1=105m，Ls2=103m，Ls3=10m，相应光的调制频率分别为fs1=1.5kHz，fs2=150kHz，fs3=15MHz。显然，要求相位测量系统在这么宽的频带内都保证1的测量精度很难做到。所以，直接测尺频率一般应用于短程测距，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一距离L，由式(3)可得将式 (6) 两边乘以fs2，式 (7) 两边乘以fs1后做相减运算，可得式中，式 (8) 中，Ls是一个新的测尺长度，fs是与Ls对应的新的测尺频率。这样，用

9、fs1和fs2分别测量某一距离时，所得相位尾数1和2之差，与用fs1和fs2的差频频率 测量该距离时的相位尾数相等。这是间接测尺频率法测距的基本原理，即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fs1和fs2称为间接测尺频率，而把差频频率称为相当测尺频率。表1列出了间接测尺频率、相当测尺频率、相对应的测尺长及测距精确值。表1 间接测尺频率数据表间接测尺频率相当测尺频率fs=f-fi测尺长度Ls精度fs1f=15MHz15MHz10m1cmfs2f1=0.9ff2=0.99ff3=0.999ff4=0.9999f1.5MHz150kHz15kHz1.5kHz10

10、0m1km10km100km10cm1m10m100m由表1可知，这种测距方式的各间接测尺频率非常接近，最高和最低频率之间仅为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，而且各相对应的石英晶体也可统一。3. 相位测量技术的阐述相位的测量技术，直接影响到测距仪的实用性和应用范围，也决定了整个系统的设计结构，是系统设计方案中的重点。3.1 差频测相原理混频器在广播、通信、电视等外差式设备及频率合成设备中具有广泛的应用，它是用来进行信号频率变换并可保持调制性质不变的电路组件，其性能对整个系统有

11、着举足轻重的作用。为了保证一定的测距精度，激光信号的频率必须选得很高，一般为十几MHz几百MHz。如果在这样高的频率下直接对发射波和接收波进行相位比较，电路中的寄生参量的影响将产生显著的附加相移，降低测相精度。为此采用差频来测相，即通过主振频率与本振频率混频，变成中低频信号。由于差频信号仍保持着原高频信号的相位关系，测量中低频信号的相位就等于测量主振信号经2L距离后的相位延迟。图4 差频测相原理框图差频测相原理如图4所示，图中设主振荡器信号，经调制器发射单元后经2L距离返回光电接收单元，接受到的信号，表示相位变化。设本机振荡器2信号，把e1送到混频器1和2中分别与es1和es2混频，在混频器中

12、输出端得到差频参考信号er和测距信号es，它们分别表示为用相位检测电路测出这两个混频信号相位差'=.可见，差频后得到的两个低频信号的相位差'和直接测量高频调制信号相位差是一样的。通常选取测相的低频频率f=fs-f1为几千赫兹到几万赫兹。差频后得到的低频信号进行相位比较，可采用平衡测相法， 也可采用自动数字测相法。平衡测相结构简单、性能可靠、价格低，但精度较低，常会有15'20'或更大的测相误差，此外，平衡测相法还有机械磨损、测速低、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，标语实现信息处理，且其测相速度高，可达2'4'。

13、3.2 自动数字测相法简介测相单元的方法很多，可分为模拟测相法和数字测相法两大类。传统的模拟激光相位检测电路为了保证测相精度小于千分之一，选用的基本测尺的频率，一般高达十几兆赫到几十兆赫，甚至是几百兆赫。在这样高的频率下进行相位差测量，对电路的要求很高，使精确测相变得十分困难。而提高测距精度和测距速率的关键之一在于测相方法的改进，传统的测相方法也就很难达到要求。 自动数字测相也称差频数字测相，这是现在被广泛应用的一种测相方法。它不仅提高了测距速率和测距精度，而且便于实现数据的测量、记录和处理的自动化。不足之处是它的电路复杂、成本高。4. 测距精度的分析4.1 误差分析频率漂移误差，系统需要设置

14、主振、本振信号、调制信号和参考信号的频率。如果这些频率都由单独的振荡器产生，由于各自的漂移不同，导致混频电路产生的差频信号发生漂移，从而产生测量误差；因此，选用高稳定度、高精度的温度补偿晶体振荡器可以得到稳定的主振信号，采用锁相环频率合成的方法得到稳定的本振信号及其他所需要的频率。相位测量误差，相位的测量和计算影响测距系统的测距精度。而影响相位测量的因素很多，其中主要的就是过零检测不准和脉冲计数。在理想情况下，使用过零比较后，得到的是占空比为50%的方波；但是在实际应用中，由于存在零点漂移，使得比较后的方波的占空比发生了变化。经过异或门鉴相后所得的相位差比实际的小或大，从而产生测量误差。所以，

15、在波形变换电路中，要选择高速、高精度的专用电压比较器芯片。4.2 精度分析 以下主要考虑由相位测量引起的测量误差。由第一主频f1测量时，其测距精度公式为由第一辅频f2测量时，（因f2=0.9f1，有9L2=10L1），其测距精度公式显然，由同一测相仪测量时，测距精度D2相当于在原来的基础上精度提高了9倍，而此时测距范围为10L1，扩大了10倍。同理，若再用第二辅频f3测量时，（因f3=0.99f1，有99L3=100L1），精度公式为精度在原来的基础上提高了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得到添加不同辅频时的精度公式。5. 参考文献1. 徐恒梅,付永庆.相