激光相位測距儀的設(shè)計(jì)

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 光學(xué)測試課程設(shè)計(jì)題目： 激光相位測距儀的設(shè)計(jì) 學(xué)院名稱： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 光信息0901 學(xué)生姓名： 劉艷冬 指導(dǎo)教師姓名： 姚紅兵 2011年6月摘要：本文論述了相位式激光測距儀的實(shí)現(xiàn)原理，從直接測尺頻率和間接測尺頻率兩方面討論了激光相位測距技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，并就差頻測相技術(shù)進(jìn)行了深入的探討分析，最后對(duì)測距儀的精度進(jìn)行了相關(guān)的討論，以提測距儀系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：激光測距，相位式，測尺頻率，差頻測相Abstract：This article mainly discusses t

2、he implementation of the principle of 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 an

3、d stability.Key words: laser ranging, phase-shift, measuring tape, frequency difference of phase finding目錄1.激光相位測距儀原理11.1 激光測距儀簡述11.2激光相位測距儀原理12.激光相位測距技術(shù)實(shí)現(xiàn)42.1 直接測尺頻率42.2 間接測尺頻率43.相位測距技術(shù)闡述73.1 差頻測相原理732其他測相技術(shù)簡介94.測距精度的分析104.1 誤差分析104.11相位測量誤差104.12電子線路的干擾104.2 精度分析105.參考文獻(xiàn)121.激光相位測距儀原理1.1 激光測距儀簡述 在測

4、距領(lǐng)域，激光的作用更是不容忽視，可以這樣說，激光測距是激光應(yīng)用最早的領(lǐng)域（1960年產(chǎn)生，1962年即被應(yīng)用于地球與月球間距離的測量）。測量的精確度和分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)，體積小同時(shí)重量輕的激光測距儀受到了大多數(shù)有測距需求的企業(yè)、機(jī)構(gòu)或個(gè)人的青睞，其市場需求空間大，應(yīng)用領(lǐng)域廣行業(yè)需求多，并且起著日益重要的作用。：當(dāng)今市場上主流的激光測距儀是基于相位法的激光測距儀。這是因?yàn)榛谙辔环ǖ募す鉁y距儀輕易地就可以克服超聲波測距的一個(gè)問題，經(jīng)過許多科學(xué)工作者的努力，現(xiàn)在也有作用距離在幾百米的相位法激光測距儀）。相位法激光測距技術(shù)，是采用無線電波段頻率的激光，進(jìn)行幅度調(diào)制并將正弦調(diào)制光往返測距儀與目標(biāo)物

5、間距離所產(chǎn)生的相位差測定，根據(jù)調(diào)制光的波長和頻率，換算出激光飛行時(shí)間，再依次計(jì)算出待測距離。該方法一般需要在待測物處放置反射鏡，將激光原路反射回激光測距儀，由接收模塊的鑒波器進(jìn)行接收處理。 1.2 激光相位測距儀原理 測距機(jī)發(fā)射鐘形波激光脈沖（主播信號(hào)），入射被測目標(biāo)后返回部分激光（回波信號(hào)）由測距機(jī)接收，測距機(jī)與目標(biāo)的距離為 1-1 相位測距是通過對(duì)光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)調(diào)制頻率為f，調(diào)制波形如圖1.1所示，波長，為光緒，光波從A點(diǎn)傳播到B點(diǎn)的相移可表示為： 1-2式中。若光從A點(diǎn)傳到B點(diǎn)所用的時(shí)間為t，則A和B兩點(diǎn)的距離為 1-3式1-3為激光相位測距公式。只要測出光波相移中周期的整

6、數(shù)m和余數(shù)，便可有式1-3求出被測距離L。所以調(diào)制光波的波長是相位測距 的一把米尺 圖1.1相位的調(diào)制波形圖2.激光相位測距技術(shù)實(shí)現(xiàn)2.1 直接測尺頻率由側(cè)尺量度可得光尺的調(diào)制頻率為 2-1這種方法所選的測尺頻率直接和測尺長度相對(duì)應(yīng)，即測尺長度直接由測尺頻率決定，所以這種方式成為直接測尺 頻率方式。若果測距儀測程為100km，要求精確到0.01m相位測量系統(tǒng)的測量不確定度為0.1%，則需要三八光尺，即5m，3m，m，相應(yīng)的光調(diào)制頻率分別為。顯然，要求相位測量系統(tǒng)在這么寬的頻帶內(nèi)都保證0.1%的測量不確定度很難做到。所以直接測尺頻率一般應(yīng)用于短程測量如GaAs半導(dǎo)體激光短程相位測距儀。2.2 間

7、接測尺頻率 在實(shí)際測量中由于測程要求較大，大都采用間接測尺頻率方式。若用兩個(gè)頻率和調(diào)制的光分別測量同意距離L,可得 2-2 2-3將式2-2兩邊乘以，式2-3兩邊乘以后做相見運(yùn)算，可得： 2-4式中式2-4中，是一個(gè)新的測尺量度，是與對(duì)應(yīng)的新的測尺量度。這樣，用和分別測量某一距離時(shí)所得相位尾數(shù)和之差，與用和的差頻頻率測量該距離時(shí)的相位尾數(shù)相等。這是間接測尺頻率法測距的基本原理，即通過和頻率的相位尾數(shù)并取其差值來間接測定相位的差頻頻率的相位尾數(shù)。通常把和稱為間接測尺頻率，而把差頻頻率稱為相當(dāng)測尺頻率。表2.1列出了間接測尺頻率，相當(dāng)測尺頻率，相對(duì)應(yīng)的測尺長度雞測距不確定度： 表2.1間接測尺頻率

8、，相當(dāng)測尺頻率及測尺長度間接測尺頻率相當(dāng)測尺頻率測尺長度測距不確定度由表可知，這種測距方式的各間接測距頻率非常接近，最高的和最低之差僅為，5個(gè)間接測尺頻率都集中在較窄的頻率范圍內(nèi)，故間接測尺頻率又稱為集中測尺頻率。這樣，不僅可使放大器和調(diào)制器能夠獲得相接近的增益和相位穩(wěn)定性，而且各對(duì)應(yīng)的 石英晶體也可統(tǒng)一。3.相位測距技術(shù)闡述 3.1 差頻測相原理 相位測量一般采用差頻測相技術(shù)。差頻測相的原理如圖3.1所示3.1差頻測相原理圖示設(shè)主控振蕩器的信號(hào)為 3-1經(jīng)過調(diào)制器發(fā)射后經(jīng)2L距離返回光電接收器，接收到的信號(hào)為 3-2 表示相位變化。設(shè)基準(zhǔn)振動(dòng)器信號(hào)為 3-3把送到混頻器分別與和混頻，在混頻器

9、的輸出端得到差頻參考信號(hào)和測距信號(hào)，他們可分別表示為 3-4 3-5用相位檢測電路測出這兩個(gè)混頻信號(hào)相位差?？梢?，差頻后得到的兩個(gè)低頻信號(hào)的相位差直接測量高頻調(diào)制信號(hào)的相位差是一樣的。通常選取測相的低頻頻率為幾千赫茲到幾十千赫茲。差頻后得到的低頻信號(hào)進(jìn)行相位比較，可采用平衡測相法，也可采用自動(dòng)數(shù)字測相法。平衡測相法結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，價(jià)格低，但準(zhǔn)確度較低，通常會(huì)有或更大的測相不確定度。此外，平衡測相法還有機(jī)械磨損。測量速度低，并難以實(shí)現(xiàn)信息處理等缺點(diǎn)。自動(dòng)數(shù)字測相法測相速度高，測相過程自動(dòng)化，便于實(shí)現(xiàn)信息處理，測相不確定度高，可達(dá)。32其他測相技術(shù)簡介數(shù)字測相（電子相位計(jì)）其特點(diǎn)是精確度高響應(yīng)

10、速度快容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量,記錄和處理的自動(dòng)化和微型化。其缺點(diǎn)是因閘門脈沖具有隨機(jī)性，可能會(huì)引入個(gè)檢相脈沖組的誤差，大小角檢相也會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤讀書的情況，引入粗大誤差。其原理框圖如下圖3.2.32數(shù)字測相原理圖 4.測距精度的分析4.1 誤差分析測距儀的誤差有以下兩大類：第一類是與距離遠(yuǎn)近有關(guān)的誤差，如及不變的誤差如，稱為系統(tǒng)誤差，它們是構(gòu)成了儀器精度指標(biāo)中的比例誤差。另一類是與距離遠(yuǎn)近無關(guān)，而且隨即變化的誤差，如稱為偶然誤差，即儀器精度指標(biāo)中的固定誤差部分。而周期誤差雖屬于系統(tǒng)誤差，但卻是一種特殊的誤差。 以下討論幾種主要的誤差：4.1.1主控晶體振蕩器的頻率誤差測距儀中的主振頻率誤差，主要指精測

11、頻率誤差而言，因?yàn)樗鼪Q定了儀器的測距精度。此項(xiàng)誤差包括兩方面，即頻率的校準(zhǔn)誤差和頻率的飄移誤差，前者取決于頻率的準(zhǔn)確度，后者則取決于頻率的穩(wěn)定度。當(dāng)用高精度的頻率計(jì)作頻率校準(zhǔn)時(shí)，頻率的校準(zhǔn)誤差可忽略不計(jì)。產(chǎn)生頻率漂移的原因有：震蕩線路原件性能的變化，晶體老化或質(zhì)量欠佳，有恒溫裝置的儀器，預(yù)熱時(shí)間不夠，恒溫范圍過大，無恒溫裝置的儀器，由于溫度變化引起頻率漂移，電源電壓不足或不穩(wěn)。 可通過采用加恒溫措施或晶體溫度補(bǔ)償以及電子線路設(shè)計(jì)上的鎖頻或鎖相等辦法來減弱頻率漂移的影響4.1.2測相誤差測相誤差包括：移相器或數(shù)字相位計(jì)的原理誤差，瞄準(zhǔn)誤差，幅相誤差以及有信噪比決定的誤差。以上誤差是測距儀的瞄準(zhǔn)誤

12、差，也是目前測距儀誤差的主要來源，為了減小瞄準(zhǔn)誤差，一方面要提高調(diào)制器或發(fā)光管的制造工藝，一提高它的空間相位均勻性。也可在短程測距儀GaAs發(fā)光管前加混相措施一提高發(fā)射的光束的相位均勻性。4.1.3周期誤差1、 自動(dòng)數(shù)字測距儀的周期誤差 這類誤差主要來源于儀器內(nèi)部固定信號(hào)的串?dāng)_。若果發(fā)射信號(hào)形成固定不變的串?dāng)_信號(hào)，使得相位計(jì)測得的相位差附加上了串?dāng)_信號(hào)的附加相位移。即相位計(jì)實(shí)際測量的是測距信號(hào)與串?dāng)_信號(hào)之合成信號(hào)的相位移，這就引起了差距誤差。 減小此類誤差的措施主要有：在設(shè)計(jì)。制造時(shí)，采用合理的電子開關(guān)，發(fā)射和接受系統(tǒng)等的電子線路要單獨(dú)設(shè)立電源：加強(qiáng)屏蔽，防止信號(hào)通過地線或空間發(fā)生耦合串?dāng)_。2

13、、 移相-鑒相法測相測井愿意的周期誤差這一類一起出了固定串?dāng)_信號(hào)能產(chǎn)生周期誤差外，由感移相器的非線性RC網(wǎng)絡(luò)失調(diào)以及輸入信號(hào)的頻率偏離移相器的固有頻率等原因均可引起周期誤差。解決此類誤差的措施有：使輸入移相器的信號(hào)頻率與移相器的固有頻率相符（可通過校正晶體振蕩器的振蕩頻率）之后校正RC網(wǎng)絡(luò)，使得。4.2 精度分析 4.2.1精度分析由于相位測量是影響其精度的主要原因，故而本文只討論由相位測量引起的測量誤差的精度分析。由第一主頻測量時(shí)，其測距精度公式為 4-1由第一輔頻測量時(shí)，（因，有）,其測距精度公式 4-2顯然，由同一相位測量儀測量時(shí)，測距精度相當(dāng)于原來的基礎(chǔ)上提高了9倍，而此時(shí)測距范圍為1

14、0L1擴(kuò)大了10倍。同理，若再用第二輔頻測量時(shí)，（因，有），精度公式為 4-3精度在原來基礎(chǔ)上提高了99倍，測距范圍為100L1，擴(kuò)大了100倍。依此類推，依據(jù)主頻和輔頻的不同比例關(guān)系可以得到添加不同輔頻時(shí)的精度公式。4.2.2測距精度的提高如某臺(tái)儀器有兩把測尺，精尺長 10 m，粗尺長1000 m，現(xiàn)各測得距離值為： 精測（用 10 m測尺） 5.524 m 粗測（用 1 000 m測尺） 866.6 m 顯示距離 865.524 m顯示距離值是取粗測的百米、十米位與精測的米位及小數(shù)位組合而成。 但是由于儀器本身存在各種誤差，以及外界條件的影響，使得各測尺的測量值總帶有誤差，會(huì)造成距離銜接上

15、的錯(cuò)誤。 a) 米位數(shù)值很大，而粗測米位又是偏大的正誤差 精測（用 10 m測尺） 9.958 m粗測（用 1000 m測尺） 270.0 m 顯示距離 279.958 mb) 米位數(shù)值很小，而粗測米位又是偏小的負(fù)誤差 精測（用 10 m測尺） 0.058 m粗測（用 1000 m測尺） 269.9 m 顯示距離 260.058 m為了防止粗差，可以用 “置中運(yùn)算法” 和“比較試探法”來有效地處理測尺銜接的問題。 5.參考文獻(xiàn)1.張?zhí)幬?，胡學(xué)同，精密相位激光測距儀的設(shè)計(jì)，激光雜志1998年19卷6期,P39-492.張加良相位法激光測距儀的研究D西安：西安電子科技大學(xué)，2006P4-53. 張 慧，提高相位激光測距精確度的研究,精密