激光相位測距儀的設計

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 課 程 設 計 說 明 書題目： 激光相位測距儀的設計 學院名稱： 機械工程學院 專業(yè)班級： 光信息 0901 學生姓名： 方瀟 指導教師姓名： 姚紅兵 2011年6月摘要：相位法激光測距儀是一種得到廣泛應用的激光測距儀，它既能保證大的測量范圍，又能保證較高的絕對測量精度。本文論述了相位式激光測距儀的實現(xiàn)原理，著重從直接測尺頻率和間接測尺頻率兩種情況進行討論了激光相位測距技術的實現(xiàn),深入探討了差頻測相原理，并進行了精度分析，以提高系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性。關鍵詞：激光測距；相位式；差頻測相目錄1. 激光相位測距儀的原理11

2、.1 概述11.2 相位法激光測距原理21.3 激光相位測距儀42. 激光相位測距技術的實現(xiàn)52.1 直接測尺頻率52.2 間接測尺頻率53. 相位測量技術的闡述73.1 差頻測相原理73.2 自動數(shù)字測相法簡介84. 測距精度的分析94.1 誤差分析94.2 精度分析95. 參考文獻111. 激光相位測距儀的原理1.1 概述激光測距儀是利用激光對目標的距離進行準確測定的儀器。它重量輕、體積小、操作簡單速度快而準確，誤差僅為其它光學測距儀的五分之一到數(shù)百分之一。一般可分為測量距離近、精度高的手持式激光測距儀和測量距離遠，但精度相對較差的望遠鏡式激光測距儀。激光測距儀廣泛用于地形測量，戰(zhàn)場測量，

3、坦克，飛機，艦艇和火炮對目標的測距，測量云層、飛機、導彈以及人造衛(wèi)星的高度等。它是提高坦克、飛機、艦艇和火炮精度的重要技術裝備。由于激光測距儀價格不斷下調(diào)，工業(yè)上也逐漸開始使用激光測距儀，可以廣泛應用于工業(yè)測控、礦山、港口等領域。在民用方面也有較大的市場和應用前景。激光測距系統(tǒng)的基本原理是測量激光脈沖在空間傳播的時間間隔(TOF) , 進而獲得測量距離。測量時間間隔的方法主要有三種: TOF法( time of flight, TOF ),脈沖式激光測距, 直接測量發(fā)射光束和接收光束之間的時間間隔; AMCW法( amplitude modulated continuous wave, AMC

4、W ) , 相位式激光測距, 通過測量調(diào)幅連續(xù)波發(fā)射光束和反射光束的相位差來測量時間間隔; FMCW法( frequency modulated continuous wave, FMCW ) , 通過測量調(diào)頻連續(xù)波發(fā)射光束和接收光束的頻率差來測量時間間隔。目前應用較廣的激光測距儀,主要為基于TOF法的脈沖式激光測距儀和基于AMCW法的相位式激光測距儀。相位式激光測距儀是用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返測線一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算出此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測定出光經(jīng)往返測線所需的時間。相位式激光測距儀一般應用在精密測距中。由于其精度高，

5、一般為毫米級，為了有效的反射信號，并使測定的目標限制在與儀器精度相稱的某一特定點上，對這種測距儀都配置了被稱為合作目標的反射鏡。相位測距儀既能保證大的測量范圍，又能保證較高的絕對測量精度，因此，得以廣泛應用。但是，相位測距儀的測量精度受到大氣溫度、氣壓、濕度等方面的影響，在使用時要引起注意。1.2 相位法激光測距原理 圖1 相位法激光測距原理圖相位法激光測距是通過測量相位延遲的方法，間接測定調(diào)制光信號在被測量距離上往返所需的時間t 來計算距離L，原理如圖1 所示，距離和光信號相位的關系可表示為式中：將 (2) 代入 (1) 得式中：c為光波在空氣中傳播的速度，為調(diào)制光信號經(jīng)過被測距離L所產(chǎn)生的

6、相位差，f 為信號的調(diào)制頻率，為調(diào)制波的波長，m為正整數(shù)。由此我們設計出如下圖所示的相位測距儀示意圖。圖2 相位測距儀示意圖由式（3）可知，只要能測量出發(fā)射與接收信號之間的相位差，就可以確定距離L的值。 但是由相位法測距無法直接確定N。 因此，以下討論只在N= 0條件下進行。 顯然，當時，可確定距離L 為從式（4）中可看出，理論上影響測距精度的因素主要有光速、調(diào)制頻率f、相位測量所帶來的誤差。 其中，光速可以忽略不計，其他2 項取決于電路系統(tǒng)的性能。 因此，在整個測距系統(tǒng)中，頻率產(chǎn)生電路以及差頻測相電路是設計的關鍵部分，它們直接影響測量精度。1.3 激光相位測距儀圖3 相位測距儀原理框圖圖3是

7、采用兩把測尺的差頻相位測距儀的原理圖。為便于驅(qū)動調(diào)制，通常采用GaAs系列的紅外激光二極管作為光源。由開關控制光源分別以f1=15MHz，f2=150kHz的調(diào)制頻率交替發(fā)射。選擇基準信號頻率分別為fl1=14.006MHz，fl2=146kHz。這樣，無論采用哪一把光尺測量，混頻信號均為4kHz，便于保證相位的檢測精度。2. 激光相位測距技術的實現(xiàn)2.1 直接測尺頻率有測尺量度Ls可得光尺的調(diào)制頻率這種方法所選定的測尺頻率fs直接和測尺長度Ls相對應，即測尺長度直接由測尺頻率決定，所以這種方式稱為直接測尺頻率方式。如果測距儀測程為100km，要求精確到0.01m。若相位測量系統(tǒng)的精度為1，則

8、需要三把光尺，即Ls1=105m，Ls2=103m，Ls3=10m，相應光的調(diào)制頻率分別為fs1=1.5kHz，fs2=150kHz，fs3=15MHz。顯然，要求相位測量系統(tǒng)在這么寬的頻帶內(nèi)都保證1的測量精度很難做到。所以，直接測尺頻率一般應用于短程測距，如GaAs半導體激光短程相位測距儀。2.2 間接測尺頻率在實際測量中，由于測程要求較大，大都采用間接測尺頻率方式。若用兩個頻率fs1和fs2調(diào)制的光分別測量同一距離L，由式(3)可得將式 (6) 兩邊乘以fs2，式 (7) 兩邊乘以fs1后做相減運算，可得式中，式 (8) 中，Ls是一個新的測尺長度，fs是與Ls對應的新的測尺頻率。這樣，用

9、fs1和fs2分別測量某一距離時，所得相位尾數(shù)1和2之差，與用fs1和fs2的差頻頻率 測量該距離時的相位尾數(shù)相等。這是間接測尺頻率法測距的基本原理，即通過測量和頻率的相位尾數(shù)并取其差值來間接測定相應的差頻頻率的相位尾數(shù)。通常把fs1和fs2稱為間接測尺頻率，而把差頻頻率稱為相當測尺頻率。表1列出了間接測尺頻率、相當測尺頻率、相對應的測尺長及測距精確值。表1 間接測尺頻率數(shù)據(jù)表間接測尺頻率相當測尺頻率fs=f-fi測尺長度Ls精度fs1f=15MHz15MHz10m1cmfs2f1=0.9ff2=0.99ff3=0.999ff4=0.9999f1.5MHz150kHz15kHz1.5kHz10

10、0m1km10km100km10cm1m10m100m由表1可知，這種測距方式的各間接測尺頻率非常接近，最高和最低頻率之間僅為1.5MHz，5個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，而且各相對應的石英晶體也可統(tǒng)一。3. 相位測量技術的闡述相位的測量技術，直接影響到測距儀的實用性和應用范圍，也決定了整個系統(tǒng)的設計結構，是系統(tǒng)設計方案中的重點。3.1 差頻測相原理混頻器在廣播、通信、電視等外差式設備及頻率合成設備中具有廣泛的應用，它是用來進行信號頻率變換并可保持調(diào)制性質(zhì)不變的電路組件，其性能對整個系統(tǒng)有

11、著舉足輕重的作用。為了保證一定的測距精度，激光信號的頻率必須選得很高，一般為十幾MHz幾百MHz。如果在這樣高的頻率下直接對發(fā)射波和接收波進行相位比較，電路中的寄生參量的影響將產(chǎn)生顯著的附加相移，降低測相精度。為此采用差頻來測相，即通過主振頻率與本振頻率混頻，變成中低頻信號。由于差頻信號仍保持著原高頻信號的相位關系，測量中低頻信號的相位就等于測量主振信號經(jīng)2L距離后的相位延遲。圖4 差頻測相原理框圖差頻測相原理如圖4所示，圖中設主振蕩器信號，經(jīng)調(diào)制器發(fā)射單元后經(jīng)2L距離返回光電接收單元，接受到的信號，表示相位變化。設本機振蕩器2信號，把e1送到混頻器1和2中分別與es1和es2混頻，在混頻器中

12、輸出端得到差頻參考信號er和測距信號es，它們分別表示為用相位檢測電路測出這兩個混頻信號相位差'=.可見，差頻后得到的兩個低頻信號的相位差'和直接測量高頻調(diào)制信號相位差是一樣的。通常選取測相的低頻頻率f=fs-f1為幾千赫茲到幾萬赫茲。差頻后得到的低頻信號進行相位比較，可采用平衡測相法， 也可采用自動數(shù)字測相法。平衡測相結構簡單、性能可靠、價格低，但精度較低，常會有15'20'或更大的測相誤差，此外，平衡測相法還有機械磨損、測速低、并難以實現(xiàn)信息處理等缺點。自動數(shù)字測相法測相速度高，測相過程自動化，標語實現(xiàn)信息處理，且其測相速度高，可達2'4'。

13、3.2 自動數(shù)字測相法簡介測相單元的方法很多，可分為模擬測相法和數(shù)字測相法兩大類。傳統(tǒng)的模擬激光相位檢測電路為了保證測相精度小于千分之一，選用的基本測尺的頻率，一般高達十幾兆赫到幾十兆赫，甚至是幾百兆赫。在這樣高的頻率下進行相位差測量，對電路的要求很高，使精確測相變得十分困難。而提高測距精度和測距速率的關鍵之一在于測相方法的改進，傳統(tǒng)的測相方法也就很難達到要求。 自動數(shù)字測相也稱差頻數(shù)字測相，這是現(xiàn)在被廣泛應用的一種測相方法。它不僅提高了測距速率和測距精度，而且便于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量、記錄和處理的自動化。不足之處是它的電路復雜、成本高。4. 測距精度的分析4.1 誤差分析頻率漂移誤差，系統(tǒng)需要設置

14、主振、本振信號、調(diào)制信號和參考信號的頻率。如果這些頻率都由單獨的振蕩器產(chǎn)生，由于各自的漂移不同，導致混頻電路產(chǎn)生的差頻信號發(fā)生漂移，從而產(chǎn)生測量誤差；因此，選用高穩(wěn)定度、高精度的溫度補償晶體振蕩器可以得到穩(wěn)定的主振信號，采用鎖相環(huán)頻率合成的方法得到穩(wěn)定的本振信號及其他所需要的頻率。相位測量誤差，相位的測量和計算影響測距系統(tǒng)的測距精度。而影響相位測量的因素很多，其中主要的就是過零檢測不準和脈沖計數(shù)。在理想情況下，使用過零比較后，得到的是占空比為50%的方波；但是在實際應用中，由于存在零點漂移，使得比較后的方波的占空比發(fā)生了變化。經(jīng)過異或門鑒相后所得的相位差比實際的小或大，從而產(chǎn)生測量誤差。所以，

15、在波形變換電路中，要選擇高速、高精度的專用電壓比較器芯片。4.2 精度分析 以下主要考慮由相位測量引起的測量誤差。由第一主頻f1測量時，其測距精度公式為由第一輔頻f2測量時，（因f2=0.9f1，有9L2=10L1），其測距精度公式顯然，由同一測相儀測量時，測距精度D2相當于在原來的基礎上精度提高了9倍，而此時測距范圍為10L1，擴大了10倍。同理，若再用第二輔頻f3測量時，（因f3=0.99f1，有99L3=100L1），精度公式為精度在原來的基礎上提高了99倍，測距范圍為100L1，擴大了100倍，依此類推。依據(jù)主頻和輔頻的不同比例關系可得到添加不同輔頻時的精度公式。5. 參考文獻1. 徐恒梅,付永慶.相