相位式激光測(cè)距原理及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1、編輯ppt1相位式激光測(cè)距原理及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)2005級(jí)光學(xué)工程 黃岑 (2005202089)編輯ppt2激光測(cè)距概覽 激光測(cè)距按實(shí)現(xiàn)機(jī)理可分為脈沖式和連續(xù)波相位式。 脈沖式的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)試距離遠(yuǎn)，信號(hào)處理簡(jiǎn)單，被測(cè)目標(biāo)可以是非合作的。但其測(cè)量精度并不太高，現(xiàn)在廣泛使用的手持式和便攜式測(cè)距儀大多采用這種原理，作用距離為數(shù)百米至數(shù)十千米，測(cè)量精度為五米左右。 連續(xù)波相位式激光測(cè)距儀是用無線電波段的頻率，對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)定調(diào)制光往返測(cè)線一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)，換算此相位延遲所代表的距離。連續(xù)波相位式的優(yōu)勢(shì)是測(cè)距精度高，相對(duì)誤差可保持在百萬分之一以內(nèi)，但被測(cè)目標(biāo)必須是合作的。編

2、輯ppt3相位式激光測(cè)距原理分析（1） 原理示意圖：編輯ppt4相位式激光測(cè)距原理分析（2）一、基本原理 若調(diào)制光角頻率為，在待測(cè)量距離LAB上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為，則對(duì)應(yīng)時(shí)間t 可表示為： t=(+)/ 其中+=2(m+m)m：表示激光往返LAB所經(jīng)歷的整數(shù)個(gè)波長(zhǎng)m：表示不足一個(gè)波長(zhǎng)的分量 則待測(cè)距離LAB可表示為 LAB =1/2 ct=1/2 c(+)/=1/2(m+m) =Ls(m+m)其中 Ls稱作“光尺”編輯ppt5相位式激光測(cè)距原理分析（3） 二、多尺度原理 目前任何測(cè)量交變信號(hào)相位的方法，都不能確定出相位的整周期數(shù)m，只能測(cè)出不足一個(gè)波長(zhǎng)的尾數(shù)部分=2m，由于m 值不確定，

3、故距離LAB就成為多值解。既然相位測(cè)量可以確定被測(cè)量的尾數(shù)，那么，利用兩種光尺同時(shí)測(cè)量同一個(gè)量，則可以解決多值問題。系統(tǒng)中用兩把相同精度的光尺，其中一把光尺的Ls1 LAB ，分別測(cè)量同一距離，然后把測(cè)得的結(jié)果，相互組合起來即可。比如：距離為2.047m，用Ls1 =0.1m的光尺測(cè)量得到不足0.1m的尾數(shù)0.047m，用Ls2=10m的光尺測(cè)量得到不足10 m 的尾數(shù)為2 m，把兩個(gè)光尺相加起來的讀數(shù)為2.047 m。 這樣就解決了大量程和高精度的矛盾。其中最長(zhǎng)的測(cè)尺決定了測(cè)距的量程，最短的測(cè)尺決定了測(cè)距的精度。編輯ppt6相位式激光測(cè)距原理分析（4）三、間接測(cè)尺原理（1） 上述的直接測(cè)尺頻

4、率方式在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到頻帶過寬，測(cè)相精度難以實(shí)現(xiàn)的問題。例如：要求測(cè)程100km，精度0.01m，測(cè)相精度為11000，則對(duì)應(yīng)的直接測(cè)尺長(zhǎng)度為100km，1km，10m，頻率分別為1.5kHz，150kHz，15MHz，頻帶寬近15MHz。在這么寬的頻帶內(nèi)保證11000的測(cè)相精度是很難實(shí)現(xiàn)的，故實(shí)際測(cè)量中采用間接測(cè)尺頻率方式。 用兩個(gè)頻率fs1和fs2的調(diào)制光去測(cè)同一距離得到： L=Ls1(m1+m1) L=Ls2(m2+m2) 等效形式為： L=Ls (m+m) 其中Ls=Ls1Ls2/（Ls2+Ls2）=1/2C/(fs1- fs2)=1/2C/ fs m=m1-m2 m=m1-m2 f

5、s =fs1- fs2 C為光速編輯ppt7相位式激光測(cè)距原理分析（5）三、間接測(cè)尺原理（2） 對(duì)于上例的測(cè)量要求，用間接測(cè)尺頻率方式，從表可以看出，各個(gè)間接測(cè)尺的頻率值非常接近，頻寬為150kHz，只有直接測(cè)尺方式的1100。在這樣窄的頻率范圍內(nèi)可以使放大器和調(diào)制器獲得相當(dāng)接近的增益和相位穩(wěn)定性，從而提高測(cè)量精度。編輯ppt8相位式激光測(cè)距原理分析（6）四、相位差測(cè)量原理 （1） 主控振蕩器信號(hào) es1 =Acos(s t+ s)本地振蕩器信號(hào) el =Acos(l t+ l)接受到的信號(hào) es2 =Acos(s t+ s +)編輯ppt9相位式激光測(cè)距原理分析（7）四、相位差測(cè)量原理（2）

6、 混頻后輸出： 參考信號(hào) er =Dcos(s l)t+(s- l) 測(cè)距信號(hào) es =Dcos(s l)t+(s- l)+ 取s l在幾kHz到幾十kHz，這樣包含相位差信息的正弦信號(hào)頻率大大降低，提高了下一步測(cè)相的精度。編輯ppt10相位式激光測(cè)距原理分析（8）四、相位差測(cè)量原理（3） 相位差測(cè)量原理圖：相位差測(cè)量原理圖： 兩路信號(hào)的相位差=360N/T=N(360 fc / fm ) 其中為頻標(biāo)脈沖周期； fm為頻標(biāo)脈沖頻率； fc為被測(cè)信號(hào)頻率；N為計(jì)數(shù)值。 如果令fm =360fc ，則計(jì)數(shù)值N直接表示了相位差，這時(shí)精度為1度。編輯ppt11相位式激光測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)（1）一、激光調(diào)制的

7、實(shí)現(xiàn) 由于采用多尺度測(cè)量，而且是運(yùn)用間接測(cè)尺頻率方式和差頻測(cè)相技術(shù)，這就要求系統(tǒng)必須有一套高性能的頻率發(fā)生裝置，實(shí)現(xiàn)多種頻率的高速切換。而且為保證測(cè)量精度，要求頻率發(fā)生器的精度很高。傳統(tǒng)的壓控振蕩器不僅頻率穩(wěn)定速度慢，而且頻率精度不高，不能勝任激光調(diào)制的任務(wù)。目前在電子工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的DDS(直接數(shù)字頻率合成)技術(shù)，非常適合作為這里對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制的頻率源。編輯ppt12相位式激光測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)（2）DDS的原理框圖 目前許多芯片公司都已生產(chǎn)了性能可觀的DDS芯片，如Standford公司的STEL2375，其最高工作頻率可達(dá)1GHz，輸出信號(hào)帶寬為400MHz，頻率分辨力為mHz級(jí)?？梢?，這些性能指標(biāo)完全可以滿足激光調(diào)制的需要。編輯ppt13相位式激光測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)（3）二、相位差測(cè)量的實(shí)現(xiàn)