相位法激光測距的誤差修正

相位法激光測距的誤差修正

相法激光測距是利用接收光強(qiáng)相位差中含光強(qiáng)的相位差對應(yīng)的光強(qiáng)距離信息來測量測量對象之間的距離。由于采用調(diào)制和差頻測相技術(shù),具有測量精度高的優(yōu)點,廣泛用于有合作目標(biāo)的精密測距場合。本文提出了用兩個頻率進(jìn)行相位激光測距的方法及其誤差修正方法,不僅提高了測量精度,同時也擴(kuò)大了測量范圍,對激光測距儀的開發(fā)與研制有一定的指導(dǎo)作用。1ab間傳播時間的測量光以速度c在大氣中傳播,在A、B兩點間往返一次所需時間與距離的關(guān)系可表示為:式中D─—待測兩點A、B間的直線距離c─—光在大氣中傳播的速度t─—光往返A(chǔ)B一次所需時間由上式可知,距離測量實質(zhì)是對光在AB間傳播時間的測量。由于對時間測量不夠精確,所以將對時間的測量轉(zhuǎn)化為對相位差的測量。相位差的測量可以達(dá)到很高的精度,故而距離的測量也就達(dá)到了很高的精度。設(shè)頻率為f的調(diào)制波,在待測距離AB上往返時間為t2D,其相位為?,圖1為其波形展開圖。設(shè)在起始時刻1t發(fā)射的調(diào)制光光強(qiáng)為:接收時刻調(diào)制光的強(qiáng)度為:則接收與發(fā)射時刻的相位差為:代入可得測距方程:N─—整波數(shù)ΔN─—不足整波數(shù)的尾數(shù)2材料的測距方案由測距方程可知距離是相位差Δ?的周期變化的多值函數(shù),單值區(qū)間為[0,π],相應(yīng)一個尺長。D隨Δ?呈線形變化,每經(jīng)一個尺長的距離或2π相位差,發(fā)生一次躍變。所以如遇到測程長超過尺長,就要產(chǎn)生距離模糊。解決這一問題的辦法之一是選擇調(diào)制波長,使Ls稍大于最大測程就行了,這就是所謂一把尺的設(shè)計。對于一臺儀器來說,相位計的測相精度是一定的,如10-4,那么測尺越長,誤差就越大,如為1km,在測相精度為1/1000的情況下,精度僅為lm,就失去相位測距精度高的優(yōu)點。所以一把測尺很難同時滿足測距精度和測程的要求,所以在測距儀上,往往要設(shè)置一組測尺。為此再增加一個測長Ls’即用雙尺的相位測距方案,用調(diào)制頻率較低,尺長稍大于測程的粗尺Ls和一把調(diào)制頻率較高的精尺Ls’。頻率與測尺長的關(guān)系如表1所示:3各測尺的測量值總帶誤差如某臺儀器有兩把測尺,精尺長10m,粗尺長1000m,現(xiàn)各測得距離值為: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,會造成距離銜接上的錯誤。a)米位數(shù)值很大,而粗測米位又是偏大的正誤差b)米位數(shù)值很小,而粗測米位又是偏小的負(fù)誤差為了防止粗差,可以用以下的“置中運算法”和“比較試探法”來有效地處理測尺銜接的問題。3.1有條件誤差的情況下,責(zé)所謂置中運算法,也稱“湊5”運算法。就是以精測的高位(如10m測尺的米位)作為對粗測米位進(jìn)行處理的依據(jù)。米位不同的數(shù)值的調(diào)整數(shù)列于表2。如上例中,精測為:9.958m,精測米位為9是正確的,所以粗測米位的正確值應(yīng)為9,則實測粗測為270.0m,若直接用精粗測值組合,則得到的距離值有粗差。若根據(jù)精測米位的9,對粗測值作減4運算(稱為置中運算,這里的4稱為調(diào)整數(shù))則得270.0m-4m=266.0m。然后用調(diào)整后的粗測值和精測值組合,就能保得證得到正確的距離值如下:置中運算的實質(zhì)是以不含誤差的精測米位為準(zhǔn),對粗測值加減相應(yīng)的調(diào)整數(shù),將粗測值應(yīng)有的米位調(diào)整到“5”,這時,即使粗測有±4m的誤差,也不會產(chǎn)生距離粗差。如上例的粗測值應(yīng)為269.9m,如不經(jīng)過置中運算,只要有±0.1m的誤差,就將產(chǎn)生粗差,如經(jīng)過了置中運算,即269.9m-4m=262.9m,這時,即使有+4m的誤差(265.9m+4m=269.9m),也不會產(chǎn)生粗差。這說明,經(jīng)過置中運算,粗測允許誤差可達(dá)±4m。如儀器有多把測尺則以相鄰測尺中較短測尺測量結(jié)果的最高位來控制較長測尺測量結(jié)果的相應(yīng)位數(shù)作加減運算,保證較長測尺的理想值為中值“5”,從而保證測距的正確性。3.2粗測值與精測值的關(guān)系比較試探法是先在精測最高位(如米位)所對應(yīng)的粗測同位數(shù)值上“加5”或“減5”,使之成為具有單方向誤差的距離值,然后將此距離值逐次遞減或遞加某一數(shù),并逐次與精測最高位數(shù)值比較,直到精測最高位和粗測同位相等為止。這時,取粗測的高于精測最位的數(shù)值,與精測值結(jié)合,就成為正確的距離值。例如用測距儀測量距離為219.216m的測線,精尺測量結(jié)果為9.215m,粗尺測量結(jié)果為220m。將粗測結(jié)果的米位加5得225m,然后每次減0.8m,直至米位與精測最高位相等時為止,于是取處理后的粗測的百米、十米位與精測組合,即為結(jié)果距離值219.215m,見表3。其處理過程雖然要進(jìn)行多次減法及比較運算,但由于這些都是由測距儀的微處理機(jī)自動進(jìn)行,所以運算很快,且不會出錯。5激光測距儀的開發(fā)與研制通過前面的理論分析和推導(dǎo)可以看出,用兩個頻率進(jìn)行相位激光測距可以提高測距精度,而且同時能夠擴(kuò)大測量的范圍,解決了單一頻率測量時的矛盾,能同時達(dá)到測距時高精度,大范圍的工程應(yīng)用的要求,文中給出了測距公式和誤差修正方法,對激光測距儀的開發(fā)與研制有一定的指導(dǎo)作用。時間差為:式中(即sL)─—測尺長度精測(用10m測尺)5.524m粗測(用1000m測尺)866.6m顯示距離865.524m精測(用10m測尺)9.958m粗測(用1000m測尺)270.0m顯