基于正交混频技术的相位式激光测距系统研究-黄凯琦-15S001061

1、Harbin Institute of Technology光电测量技术课程报告题 目 基于正交混频技术的相位式激光测距系统研究院 系 自动化测试与控制系 学 号 15S001061 姓 名 黄凯琦 光电测量技术课程报告摘 要激光测距技术以其非接触测量、基准光速溯源等特点，在各种测距技术中脱颖而出，激光测距仪已成为日常生活，工业生产和科学研究中常备的测量仪器。目前，激光测距仪已有成熟的产品，但是，对测距仪的原理改进从未间断，各大厂家也没有松懈对工业用和手持式的激光测距仪的研究，尤其是既有一定精度又能达到比较大量程的相位式激光测距仪更是研究热点。本文从目前的相位式激光测距系统成本较高，系统复杂，

2、系统误差难于消除等等缺点出发，经过分析，提出一种新的基于正交混频输出激光调制信号的相位式激光测距仪的系统结构。通过分析本系统的结构，详细阐述了正交混频式相位激光测距系统优于传统的二次混频激光测距系统的原因。随后，对采用正交混频技术的相位式激光测距系统的精度和线性度进行了实验，最终实验证明正交混频相位式激光测距系统拥有良好的线性度和平稳的测量精度 ，验证了该方法的合理性和有效性。 关键词：激光测距；相位式；正交混频；测相方法I光电测量技术课程报告第1章 绪 论1.1 课题背景及研究的目的和意义人类在民用和军事领域，需要测量众多的距离量，伴随着测量范围和测量精度的不断提高，新的测量方法和

3、理论也被不断提出，从而推动了测距技术的发展。测距技术起源于接触式测量，显而易见它的局限性很大，于是非接触测量技术就随着时代应运而生了。激光测距，是指采用测量激光往返时间来测定距离的方法。激光较之普通光源，具有发散角较小、相干性好等优点，输出功率虽然有效，功率密度却很高，它的亮度甚至比太阳表面的亮度还要大。激光测距技术较早应用在军事上，目前，激光测距机已批量装备部队，能快速准确的测定目标距离；在火控系统中，激光测距技术的应用在很大程度上改善了武器的命中率；在激光制导武器领域，大大提高了炮弹、巡航导弹、地空导弹等武器的命中率，如图1-1所示；在民用测量中，激光测距技术具有量程远、非接触、测量快速等

4、优点，使其在房屋丈量、野外勘测等方面渐渐取代了人工测量1。图1-1 激光制导炮弹打击示意图相对于红外光和其它光源的测距仪，激光测距技术角分辨率高、抗干扰能力强，天线尺寸小、质量轻、结构小，可以避免微波贴近地面的地物干扰问题和多路径效应。由于具有以上优点，激光测距仪已成为当下对精度要求较高的测距场所最为理想的仪器，在测量领域广受青睐，得到快速推广，在国民经济和国防建设中具有非常重要的意义2。飞行时间法3是激光测距采用的主要方法，激光具有的方向性、单色性等特点使其更利于测距。测量光信号在测量距离之间往返飞行所需要的时间是区分不同测距方法的一个基准，脉冲法和相位法就是按此划分的。前者是对目标发射一个

5、或若干个光脉冲，从脉冲发出时开始计时，经过到达目标，返回接收机后计时结束，从而算出目标距离。后者通过测量发射的调制过的激光与接收的已调制激光之间的相位差来测量，由此得出测距目标的距离。 脉冲法测距可以达到的测距范围很大，但是由于时间间隔的测量误差以及激光脉冲上升沿时间的测量滞后，脉冲法测距很难达到较高的测距精度。相位法测距测量范围有限4，却可达到较高的精度。基于传统外差法的测量系统，通过调制不同的激光波长以及降低信号频率等方法，在一定程度上解决了测量范围和测距精度的矛盾问题，达到了比较高的测距精度和动态范围5。然而，传统的测距系统结构非常复杂，并且体积庞大，安装使用以及日后的保养维护都存在问题

6、。本文所提出的基于正交混频的相位式激光测距系统，其结构十分简单、测距精度高、动态范围广，对弥补传统方法的不足具有极大的价值。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状自上世纪70年代开始，国外众多的科研机构、公司和大学都开展了激光测距方面的研究，其产品主要涉及到工业、汽车、建筑以及机器人视觉等领域。以下是目前市场上常见的一些国外激光测距仪产品。（1）美国BUSHNELL公司生产的BUSHNELL ELITE 1500望远镜型脉冲激光测距仪，测量范围可达51370m，精度±0.914m，实物如图1-2所示：图1-2 美国BUSHNELL ELITE 1500激光

7、测距仪（2）美国Acuity公司生产的AcuityAR4000-LIR工业超高速相位激光测距仪，测量范围为016.5m，精度±2.5mm，实物如图1-3所示：图1-3 美国AcuityAR4000-LIR激光测距仪（3）由烟台莫顿代理的德国产品MES-D150激光测距仪就是采用的相位比较原理进行测量，由激光传感器发射不同频率的可见激光束，接收从被测物返回的散射激光，将接收到的激光信号与参考信号进行比较，最后用微处理器计算出相应位移偏移所对应的物体间距离。它也是基于正交混频的相位式激光测距仪，测距精度可达±2mm，尺寸仅为 212×96×55mm，实物如图

8、1-4所示。图1-4 德国ACETECH生产的MES-D150激光测距仪1.2.2 国内研究现状20 世纪70年代，我国开始了对激光测距技术的研究。相比国外，我们的起步时间不算太晚，虽然在该领域的基础技术研究已经比较完备，但还是存在工程应用问题。同国外同类产品相比，我们现有的激光测距仪产品性能上还存在一定的差距，性价比不够突出，竞争力不强5。我国首台激光测距仪由武汉地震大队和北京光学仪器厂于1972年联合研制成功，型号为JCY-1。随后的一年中，同编号的第二代激光测距仪取得了较大的进步，量程由15Km提高到20Km，精度也达到了±（10mm+1ppm×D），其中激光光源的发

9、生器选择了气体氦氖激光器，功率性能也提高到了2.5mW。73年到76年几年中，我国研制出两台采用半导体激光器作为光源的激光测距仪6，型号分别为HGC-1及DCH-1。航天科工集团研制出测量距离200m，测量精度0.5m，数据率100HZ的激光测距机。96年，我国首台工作波长为八百米至九百米的便携式激光测距机于中科院上海光机所研制成功。其对非合作目标最远的测量距离可达一百米，测距精度0.5m，采用300MHz频率，重复频率1KHz；99年，中国计量学院信息工程学院光电子所与国外共同合作成功研制出对人眼安全的半导体激光测距仪，且体积小巧，便于携带。它的工作波长为905nm，脉宽25ns，测距最远可

10、达一千米，精度<±1m，频率为4MHz。 总体来说，国内生产的相位式激光测距仪主要都是采用的传统的混频与解调技术，对正交混频及数字解调技术介绍的不多。1.3 测距方法简介激光测距指的是利用激光相干性好方向性强的特点来实现精度较高的计量检测。激光测距仪从工作原理上分为脉冲式、相位式和干涉式三种。脉冲式测距仪原理简单，通过脉冲激光器向目标发射瞬时功率很高的脉冲激光信号，精确测定激光从发射到被测距仪接收到这段时间，将往返时间与光速相乘并除以2即可得出测距仪到目标物体之间的距离。脉冲式激光测距仪，其作用距离可达数百上千米，测量精度为五米左右，精密应用在有合作目标的情况下可以到厘米量级。

11、相位式激光测距仪采用连续调制的光波照射被测目标，通过检测测量光束在往返中产生的相位差解算出测距仪与被测目标之间的距离。其作用距离与光波的调制频率相关，综合精度可以达到毫米量级7。干涉式属于相对测量，利用激光相干性好的特点，对激光的干涉条纹实施计数来确定被测物体的相对位移量。干涉法激光测距仪分辨率可以达到光的波长量级，综合精度在微米级，但由于原理上的限制，其只能输出相对位移而不是绝对距离。 不同方法之间的比较，见表1-1：表1-1 不同测距方法之间的比较测距方法测量距离测量精度应用领域脉冲激光测距几十米到上千米米量级军事、科研相位激光测距几米到上千米毫米量级大地、工程、体育干涉激光测距

12、厘米级微米量级地壳形成、地震第2章 相位式激光测距系统工作原理及总体设计2.1 引言考虑系统的可靠性和需留有一定的冗余，在满足测量范围，测量精度的指标要求下，一般选择技术相对成熟的激光返回相位式测距方法进行测距8。2.2 相位式激光测距系统的工作原理2.2.1 相位激光测距的基本原理激光测距系统是基于激光良好的方向性和相干性设计的测量仪器。测距仪发出激光信号并到达目标物体，经目标物体反射后回到测距仪器。仪器通过计算信号从发射时间点到接收时间点的时间差，然后与光速相乘后得到信号经过的距离9。基本测距公式为 ： (2-1)式中，为测距仪光路起点与目标物体间的距离，为激光在空气中的传播速度

13、 ，为激光束往返一次所需要的时间。相位式激光测距仪采用射频波段频率，对激光束的光强进行幅度调制并测定调制光束往返于被测物体与测距仪之间的所需时间，如图2-1所示：图2-1 相位式激光测距仪基本原理示意图相位式激光测距仪主要应用于精密测距领域，其精度一般为毫米级别10。有的测距系统为了有效地反射测量信号并使被测目标的表面精度限制在同一标准上，一般会配有全反射棱镜作为合作目标。 假设激光发射单元发出角频率为的正弦波，被接收光路捕捉到，收到的正弦信号与发射的正弦波信号进行比较。发射信号有一个初始相位，则发射信号为：  (2-2)式(2-2)中为激光强度的振幅，为调制信号

14、角频率，为初始时间，为发射信号初始相位。当光信号返回设备时，若不考虑振幅的变化，接收信号为： (2-3)其中，是正弦信号在二倍被测距离上传播所引起的相位差。 (2-4)将式(2-4)带入(2-1)可得： (2-5)式(2-5)中为信号往返一次产生的总相位延迟 ，为高频调制信号的角频率，为测距过程中产生的半波长个数，测距过程中包含的调制波不足半波长的小数部分 。则： (2-6)式(2-6)中为测距过程中信号往返一次产生的相位延迟不足的部分。 由上述推导可知，只要测量出信号从发射器往返回接收器而产生的相位差就能够求出测距仪与被测物体之间的距离11。2.2.2 差频测相

15、技术如上文所述，相位式激光测距系统的整体精度关键在于对往返接收器产生的测距相位差进行高精度的测量。而在高频情况下，直接测量信号的相位差比较困难，且精度不好保证。经典的相位式激光测距仪设计一般采用差频法进行相位测量12。差频法可以降低信号的频率，扩展信号的相位周期，因此可以大大提高测相分辨率。下图2-2表示了差频测相法的测量原理。其中，光发射信号为 ： (2-7)式(2-7)中，A为振幅，为角频率，为初始相位 。激光束发射后经过距离，接收器接收到的信号为： (2-8)发射与接收产生的相位差为： (2-9)图2-2 差频测相法原理框图其中本振信号为 ： (2-10)式

16、(2-10)中，为本振信号振幅，为本振角频率，为本振信号初始相位。将本振信号与接收器接收到的信号进行混频，可得 ： (2-11)上式中是高频信号，经过低通滤波器可以被滤除，于是得到低频测距信号如下： (2-12)将发射信号与本振信号进行混频，得 ： (2-13)经低通滤波器滤除高频成分后，得到低频参考信号为： (2-14)由式(2-12) (2-14)可以得出参考信号与测距信号的相位差为： (2-15)即： (2-16)从原理推导看，差频前后，混频得到的低频信号的相位差跟直接测量高频信号的相位差结果是一样的13，但测试频点降低了倍，测相精度相应提升倍。2.2.3 正交同步解

17、调技术测量信号的相位，近年来流行采用正交同步解调技术14，由于有成熟的正交解调器器件的支持，其测相精度普遍优于传统的基于双平衡混频器的激光测距仪。更大的优势在于，正交同步解调技术易于数字化15，在保证精度的同时，通过高速数字器件达到很高的相位测量速度，有很好的应用前景。下面介绍正交同步解调测相法原理。假设用来调制激光发射的信号为，令其初始相位为0，则： (2-17)其中，为发射信号幅度，为本振提供的调制频率。发射出的激光束，经过传播，目标反射达到达测距仪的接收器时，能量会衰减，若衰减系数为，则接收到的信号的表达式为： (2-18)设是与发射信号同频率同相位的信号，是与发射信号正交的同频率信号。

18、假设这一对信号的幅度都为1，则： (2-19) (2-20)将接收到的信号分别与、相乘，可得： (2-21) (2-22)再将 、分别进行低通滤波，则可以得到包含相位信息的 、。 (2-23) (2-24)从而得出相位差 如下： (2-25)正交解调法原理框图表示如下：图2-3 正交同步解调测相法原理框图2.3 正交混频相位测距方法2.3.1 传统相位测距仪测量方法的不足上文已经介绍了传统的二次混频式相位激光测距仪的原理以及正交同步解调测相技术。但在实际的测距仪设计中，由于电子元器件的参数的离散性和外界环境（如温度）的不确定性，会大大影响测距系统的综合精度。由于系统设计复杂，每一个环节都会产生

19、额外的相位误差。这些缺陷对输出绝对距离的相位激光测距仪来说会是致命的16。 目前有一些方法可以部分克服上述缺陷。比如参考光路法，设计一段长度已知的参考光路，并在光路上使用一块机械控制的反射镜进行测量光路和参考光路的切换，执行两次测量，再对数据做差就可以消除光电转换和电路系统产生的额外相位误差。但内光路设计不易，而且每一次需要电控机械结构进行切换，会使测距仪本身产生一些抖动；并且机械结构容易磨损，因为磨损而造成的参考光路的距离变化也会影响最后的测距精度。也有一些测距仪设计避开了机械切换装置，而采用了一路冗余的接受电路进行测相误差的抵消，但另外使用一路冗余的接受电路意味着电路成本的倍增，不利于成本

20、控制。 无论采用何种相位信息的解调方法，测量信号总要在电路中的一个点分两路进入不同的信号通路，这也必将导致系统相移的细微差别从而大幅度降低测距系统的测相精度17。如果要进一步提高测距仪的精度，需要在方法和器件应用上下功夫，在尽量减小系统复杂度的同时，让测量信号从始至终的走同一条信号通路。根据上述缺点将测距系统加以改进，也就是要把信号通路尽早缩减为一条，而且尽量在发射部18。于是，最终的目标是精简信号解调部分，将正交解调过程转移到发射电路上，通过两次测量做差取得精度的大幅提高。于是便引入了以下的基于正交混频技术的相位式激光测距方法。2.3.2 正交混频相位测距方法相位式激光测距仪的距离表示和分辨

21、率由以下二式决定（为光速）19,20： (2-26) (2-27)测距系统需要一个高精度高稳定的本振信号作为测量基准。设本振信号频率为，角频率，则本振信号可以表示为： (2-28)将本振信号移相90度后，成为两路正交高频信号，为区别于本振信号，待混频的两路正交信号表示为： (2-29)并且从这里开始计算系统附加相移。 系统附加相移由信号通路中每一个功能电路模块的相频特性曲线决定，具体关系非常复杂，本文对信号通路中产生的附加相移的值做一个梳理，只考虑相移值的符号随角频率值的变化。 系统还需要两路正交的低频测量信号做相位鉴别的载体，设这两路信号角频率为，则两路正交低频信号表示为： (2-30)两路

22、低频测量信号分别与高频测量信号混频后相加（正交调制过程），混频的过程如下式所示21： (2-31)考虑调制过程的插入损耗和附加相移，最终信号为： (2-32)其中，是依附于角频率的附加相移分量，是依附于角频率的附加相移分量。从而得到频率为的高频信号。 该信号被调制发射，打在目标物上发生反射，被接收器接收到，整个过程的相移反映了被测距离的大小，即： (2-33)将此信号与先前的其中一路待混频正交信号进行第二次混频，完成下变频过程（变频后系统附加相移变为，衰减系数为）： (2-34)下变频使得相位差转移到低频上，为鉴相创造了便利条件。 经过低通滤波后的信号（经过滤波器附加相移变为，衰减系数变为）：

23、 (2-35)接下来的思路是，为求出测距相移，需要计算。为达到这个目的，可以对低频测量信号的相位进行一些改变： (2-36)将两路信号与两路正交高频信号进行正交混频，依据式 (2-6)，得混频后的信号为： (2-37)同样经过发射和接收，根据式(2-6)，二次混频的过程与第一次一致： (2-38)低通滤波后得： (2-39)根据式(2-35) (2-39)采用傅立叶变换的方法以为基准直接求出两次独立测量过程的相位。 (2-40) (2-41)两式相加，消掉，得出测距相移。根据式 (2-26)，求出被测距离。2.3.3 正交混频相位测距系统的优势正交混频式相位激光测距方法相比传统的信号调制解调方

24、法优势如下： 1. 信号的接收通路只有一条，完全免去了使用多个接收通路而造成的系统附加相位误差。2. 信号的发射通路也只有一条，正交混频器的作用在不同时间段生成两个精确的频率差很小的信号，而采用正交混频技术，使用单一的高频本振时钟源作为参考信号，小频差由正交调制器生成，大大减小了因为其他生成小频差信号的方法造成的频差不稳定等负面影响。3. 可以使用成熟的集成正交调制器，简化了系统的硬件设计的同时还能提高系统性能。4. 与正交同步解调测距法相比，仅仅是增加了一倍的测量时间，整个系统依旧可以使用数字系统进行设计，同样可以使用欠采样等技术，在同等条件下精度优于正交同步解调的测距精度，也可以做到与正交

25、同步解调技术相似的高速测量设备。2.4 本章小结本章先对相位激光测距系统的基本原理做了总体概述，并阐述了目前传统的相位激光测距系统的原理，介绍了二次混频法，正交同步解调法测相的原理。通过分析传统方法的弊端，提出了正交混频调制发射的相位式激光测距新方法，介绍了本方法的原理，并分析了其对于传统方法的优势。第3章 正交混频相位激光测距系统的实验与结论3.1 引言为了测试基于正交混频技术的相位式激光测距方案的合理性和有效性，并评估系统的整体性能，在所有硬件模块测试完毕后，组合成为统一的系统，并选定合理的信号调理方案。软硬件部分由于篇幅有限且多基于电路设计故本文不做介绍。系统搭建好后，要采用精度更高的测

26、量仪器作为距离基准，利用简便合理的手段测试激光测距仪的综合性能。以下详细论述实验设计和结果分析。3.2实验方法在直线导轨上放置一个可以滑动的安放有漫反射砧板的光具架，如图3-1所示。使用橡皮泥固定测量光学系统使测量光学系统的主光轴和漫反射砧板共线。采用精度较高的Leica AT901-LR激光跟踪仪(10m内精度优于0.02mm)对目标砧板进行距离测定。为了表征相位式激光测距仪本身的溯源性，在线性度测试中，激光跟踪仪先仅对砧板和激光测距仪间的“被测长度”进行一次测定，通过这一次测定，将测得数据和相位激光测距系统测得的相位差相联系，从而推算出相位式激光测距系统光学系统外缘基准到目标砧板的距离，这

27、样测距系统以后的每一次测量都可以输出绝对距离，将这个绝对距离和激光跟踪仪输出的绝对距离相比对，得出精度和实验结论。图3-1 测量目标物（砧板）实验分以下两个部分： a) 验证调制频率和系统测量精度的关系，以及绝对精度 为改变调制频率并且使PLL（锁相环）电路工作在设计输出范围内，系统采用HP8644A高精度射频时钟源，产生3种基准频率，使PLL电路最终输出为50MHz，62.5MHz，75MHz，使用这三种频率进行三组实验，顺次标记为A，B，C组。正对锁在光学直线导轨上距离为1m的两个漫反射屏（使用激光跟踪仪先期标定）分别进行两次测量，两次测出的相位差相减，根据光尺长度推算出本次测量的输出。分

28、析输出数据得出测距动态范围值，查看性能的拐点是否落在这个频率范围内，若不在，更改输出的频率继续测定。b) 验证系统的测距线性度暂不考虑最大不模糊距离的问题，使用定频率的TCXO设置系统工作频率为62.5MHz，对应的光尺长度为4.8m，以系统接收光路前端为基准0点进行标定后，漫射砧板分别使用激光跟踪仪和本系统进行测量并比对差值，从0.2m至6m，以0.2m为步进进行重复测量，共30个数据，描绘曲线并分析测距系统的线性度和是否有精度恶化的相位区域。3.3实验数据与结果分析表格中数据为在相应的本振调制频率下，进行100次重复测量输出的结果。表3-1 不同调制频率下测距精度实验结果调制频率平均值极差

29、标准差动态范围50MHz9.931.850.628955（0.040°）62.5 MHz10.041.520.578421（0.042°）75 MHz9.802.460.775194（0.070°）图示为三个频率下进行所有测量的数据波动，其中标出了误差最大点。图3-2 三种测量频率下测量结果波动图测距系统的综合性能由测相动态范围表征，定义为24： 测相动态范围 = 相位差测量范围（0360°）/相位差测量分辨率 在原始数据中，平均值反映了标定后系统的溯源精度，而标准差反映了系统的分辨率和动态范围。可以看出，测相精度随调制频率的增加而降低。从最大偏差看系统

30、绝对精度可达±1.52mm。从测相动态范围可以看出基于正交混频技术的测相动态范围明显优于目前二次混频式激光测距仪普遍能达到动态范围（30003600）。对于最佳测距频点问题，通过简单的3组实验，从测距结果的标准差可以看出，标准差经历了一个先降后升的过程，而这个拐点就在5075MHz中间。对这个频点的进一步寻找可以做大量的实验并最终通过定制晶振频率来完成。系统线性度测量的结果如图3-3所示：图3-3 相位测量线性度测试图下图为相位激光测距系统的测量结果相对激光跟踪仪的差值波动图。图3-4 相位线性度误差波动图线性度测量结果可以看出，在较短的距离内并且激光准直良好时，基于正交混频的相位测

31、距方法在原型机的硬件实现上不存在测相精度恶化的区域，在光尺范围内拥有良好的线性度和平稳的测量精度。3.4本章小结本章先对最终的实验装置的搭建与测相方案进行了简单分析并确定。为了验证测距方法的有效性，分别针对非接触距离测量的两个重要的评估方法绝对精度与线性度进行了实验方案设计，同时性能拐点也在实验中得到了证明。结 论本文主要着眼于目前相位式激光测距仪的设计趋势。首先，集中了解了目前相位式激光测距仪的国内外发展趋势，找出了目前比较典型的测距产品，分析其技术参数和实现方法，从而充分了解现在的激光测距技术的发展方向和主要面临的问题。通过阅读前人的研究成果与论文，分析了相位式激光测距仪提升精度的瓶颈，对

32、这个瓶颈进行分析，经过理论的推演，提出了采用正交混频技术来改进相位式激光测距仪的性能，并对本方法改进测距仪精度性能的原理做了详细说明与方案对比。最后，对已有的采用正交混频技术的相位式激光测距系统进行了精度和线性度实验。经过实验验证，本文所搭建的激光测距系统可以拥有良好的线性度和平稳的测量精度，同时具备一定的时间稳定性。证明了整个方案合理，简洁，有效。参考文献1 胥俊丞. 新型相位激光测距仪的研究D. 西安：电子科技大学，2008.2 殷甲青，孙胜利. 相位式激光测距仪的改进设计J. 激光与红外，2006,36(4)：12. 3 c.GBachma著，胡桂兰（译）. 激光雷达系统与技术M. 北京：国防工业出版社，1982. 4 M.Koskinen,J.Kostamovaara,R.Myllyla. Comparison of the continuous wave and pulsed time-of-flight laser