相位法激光测距的误差修正

相位法激光测距的误差修正

相法激光测距是利用接收光强相位差中含光强的相位差对应的光强距离信息来测量测量对象之间的距离。由于采用调制和差频测相技术,具有测量精度高的优点,广泛用于有合作目标的精密测距场合。本文提出了用两个频率进行相位激光测距的方法及其误差修正方法,不仅提高了测量精度,同时也扩大了测量范围,对激光测距仪的开发与研制有一定的指导作用。1ab间传播时间的测量光以速度c在大气中传播,在A、B两点间往返一次所需时间与距离的关系可表示为:式中D─—待测两点A、B间的直线距离c─—光在大气中传播的速度t─—光往返AB一次所需时间由上式可知,距离测量实质是对光在AB间传播时间的测量。由于对时间测量不够精确,所以将对时间的测量转化为对相位差的测量。相位差的测量可以达到很高的精度,故而距离的测量也就达到了很高的精度。设频率为f的调制波,在待测距离AB上往返时间为t2D,其相位为ϕ,图1为其波形展开图。设在起始时刻1t发射的调制光光强为:接收时刻调制光的强度为:则接收与发射时刻的相位差为:代入可得测距方程:N─—整波数ΔN─—不足整波数的尾数2材料的测距方案由测距方程可知距离是相位差Δϕ的周期变化的多值函数,单值区间为[0,π],相应一个尺长。D随Δϕ呈线形变化,每经一个尺长的距离或2π相位差,发生一次跃变。所以如遇到测程长超过尺长,就要产生距离模糊。解决这一问题的办法之一是选择调制波长,使Ls稍大于最大测程就行了,这就是所谓一把尺的设计。对于一台仪器来说,相位计的测相精度是一定的,如10-4,那么测尺越长,误差就越大,如为1km,在测相精度为1/1000的情况下,精度仅为lm,就失去相位测距精度高的优点。所以一把测尺很难同时满足测距精度和测程的要求,所以在测距仪上,往往要设置一组测尺。为此再增加一个测长Ls’即用双尺的相位测距方案,用调制频率较低,尺长稍大于测程的粗尺Ls和一把调制频率较高的精尺Ls’。频率与测尺长的关系如表1所示:3各测尺的测量值总带误差如某台仪器有两把测尺,精尺长10m,粗尺长1000m,现各测得距离值为:显示距离值是取粗测的百米、十米位与精测的米位及小数位组合而成。但是由于仪器本身存在各种误差,以及外界条件的影响,使得各测尺的测量值总带有误差,会造成距离衔接上的错误。a)米位数值很大,而粗测米位又是偏大的正误差b)米位数值很小,而粗测米位又是偏小的负误差为了防止粗差,可以用以下的“置中运算法”和“比较试探法”来有效地处理测尺衔接的问题。3.1有条件误差的情况下,责所谓置中运算法,也称“凑5”运算法。就是以精测的高位(如10m测尺的米位)作为对粗测米位进行处理的依据。米位不同的数值的调整数列于表2。如上例中,精测为:9.958m,精测米位为9是正确的,所以粗测米位的正确值应为9,则实测粗测为270.0m,若直接用精粗测值组合,则得到的距离值有粗差。若根据精测米位的9,对粗测值作减4运算(称为置中运算,这里的4称为调整数)则得270.0m-4m=266.0m。然后用调整后的粗测值和精测值组合,就能保得证得到正确的距离值如下:置中运算的实质是以不含误差的精测米位为准,对粗测值加减相应的调整数,将粗测值应有的米位调整到“5”,这时,即使粗测有±4m的误差,也不会产生距离粗差。如上例的粗测值应为269.9m,如不经过置中运算,只要有±0.1m的误差,就将产生粗差,如经过了置中运算,即269.9m-4m=262.9m,这时,即使有+4m的误差(265.9m+4m=269.9m),也不会产生粗差。这说明,经过置中运算,粗测允许误差可达±4m。如仪器有多把测尺则以相邻测尺中较短测尺测量结果的最高位来控制较长测尺测量结果的相应位数作加减运算,保证较长测尺的理想值为中值“5”,从而保证测距的正确性。3.2粗测值与精测值的关系比较试探法是先在精测最高位(如米位)所对应的粗测同位数值上“加5”或“减5”,使之成为具有单方向误差的距离值,然后将此距离值逐次递减或递加某一数,并逐次与精测最高位数值比较,直到精测最高位和粗测同位相等为止。这时,取粗测的高于精测最位的数值,与精测值结合,就成为正确的距离值。例如用测距仪测量距离为219.216m的测线,精尺测量结果为9.215m,粗尺测量结果为220m。将粗测结果的米位加5得225m,然后每次减0.8m,直至米位与精测最高位相等时为止,于是取处理后的粗测的百米、十米位与精测组合,即为结果距离值219.215m,见表3。其处理过程虽然要进行多次减法及比较运算,但由于这些都是由测距仪的微处理机自动进行,所以运算很快,且不会出错。5激光测距仪的开发与研制通过前面的理论分析和推导可以看出,用两个频率进行相位激光测距可以提高测距精度,而且同时能够扩大测量的范围,解决了单一频率测量时的矛盾,能同时达到测距时高精度,大范围的工程应用的要求,文中给出了测距公式和误差修正方法,对激光测距仪的开发与研制有一定的指导作用。时间差为:式中(即sL)─—测尺长度精测(用10m测尺)5.524m粗测(用1000m测尺)866.6m显示距离865.524m精测(用10m测尺)9.958m粗测(用1000m测尺)270.0m显