激光相位测距仪的设计

江諌大爭JIANGSUUNIVERSITY本科课程设计说明书光学测试课程设计题目 激光相位测距仪的设计 学院名称： 机械工程学院专业班级： 光信息0901 学生姓名： 指导教师姓名： 姚红兵2011年6月摘要：本文论述了相位式激光测距仪的实现原理，从直接测尺频率和间接测尺频率两方面讨论了激光相位测距技术的实现，并就差频测相技术进行了深入的探讨分析，最后对测距仪的精度进行了相关的讨论，以提测距仪系统的测量精度和稳定性。关键词：激光测距，相位式，测尺频率，差频测相Abstract：Thisarticlemainlydiscussestheimplementationoftheprincipleofthephase-shiftlaserrangefinder,focusingonfrequencyofboththedirectandindirectmeasuringtapeofthetechnologyanddeeplystudyingthefrequencydifferenceofphasefindingwiththeoryandtheprecisionanalysisinordertoimprovesystemaccuracyandstability.Keywords:laserranging,phase-shift,measuringtape,frequencydifferenceofphasefinding目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"激光相位测距仪原理 1\o"CurrentDocument"激光测距仪简述 1\o"CurrentDocument"激光相位测距仪原理 1\o"CurrentDocument"激光相位测距技术实现 3\o"CurrentDocument"直接测尺频率 3间接测尺频率 3\o"CurrentDocument"相位测距技术阐述 6\o"CurrentDocument"差频测相原理 6\o"CurrentDocument"3．2其他测相技术简介 7\o"CurrentDocument"测距精度的分析 9误差分析 94.1．1相位测量误差 错误!未定义书签。4.1．2电子线路的干扰 错误!未定义书签。精度分析 9\o"CurrentDocument"参考文献 12激光相位测距仪原理激光测距仪简述在测距领域，激光的作用更是不容忽视，可以这样说，激光测距是激光应用最早的领域（1960年产生，1962年即被应用于地球与月球间距离的测量）。测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积小同时重量轻的激光测距仪受到了大多数有测距需求的企业、机构或个人的青睐，其市场需求空间大，应用领域广行业需求多，并且起着日益重要的作用。：当今市场上主流的激光测距仪是基于相位法的激光测距仪。这是因为基于相位法的激光测距仪轻易地就可以克服超声波测距的一个问题，经过许多科学工作者的努力，现在也有作用距离在几百米的相位法激光测距仪）。相位法激光测距技术，是采用无线电波段频率的激光，进行幅度调制并将正弦调制光往返测距仪与目标物间距离所产生的相位差测定，根据调制光的波长和频率，换算出激光飞行时间，再依次计算出待测距离。该方法一般需要在待测物处放置反射镜，将激光原路反射回激光测距仪，由接收模块的鉴波器进行接收处理。激光相位测距仪原理测距机发射钟形波激光脉冲（主播信号），入射被测目标后返回部分激光（回波信号）由测距机接收，测距机与目标的距离为1-1Lct

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1-1相位测距是通过对光的强度进行调制来实现的。设调制频率为f，调制波形如图1.1所示，波长九=c/f，c为光绪，光波从A点传播到B点的相移申可表示为：p=2m+Ap=X(m+Am) 1-2式中Am=Ap。若光从a点传到b点所用的时间为t,则a和b两点的距2兀离为L=ctL=ct=c=九(m+Am)1-3式式1-3为激光相位测距公式。只要测出光波相移申中周期2"的整数m和余数Am，便可有式1-3求出被测距离L。所以调制光波的波长是相位测距的一把米尺

激光相位测距技术实现2.1直接测尺频率由侧尺量度Ls可得光尺的调制频率为fs=c/2Ls2-1这种方法所选的测尺频率fs直接和测尺长度Ls激光相位测距技术实现2.1直接测尺频率由侧尺量度Ls可得光尺的调制频率为fs=c/2Ls2-1这种方法所选的测尺频率fs直接和测尺长度Ls相对应，即测尺长度直接由测尺频率决定，所以这种方式成为直接测尺频率方式。若果测距仪测程为100km，要求精确到0.01m相位测量系统的测量不确定度为0.1%，则需要三八光尺，即Ls1=105m，Ls2=l°3m，Ls3=10m，相应的光调制频率分别为fs1=1.5kHz,fs2=150kHz,fs3=10MHz.。显然，要求相位测量系统在这么宽的频带内都保证0.1%的测量不确定度很难做到。所以直接测尺频率一般应用于短程测量如GaAs半导体激光短程相位测距仪。间接测尺频率在实际测量中由于测程要求较大，大都采用间接测尺频率方式。若用两个频率fs1和fs2调制的光分别测量同意距离L,可得L=Ls2(m+Am)222-22-3将式2-2两边乘以Ls2，式2-3两边乘以Ls1后做相见运算，可得：2-4式中Ls=Ls1Ls2_1c_1cLs1-Ls2 2fs1-fs2 2fs1 2"=叫一m2Am二Am厂Am?竺，二A申］—A申2式2-4中，Ls是一个新的测尺量度，fs是与Ls对应的新的测尺量度。这样，用fs1和fs2分别测量某一距离时所得相位尾数&1和&2之差，与用fs1和fs2的差频频率fs=fs1—fs2测量该距离时的相位尾数A®相等。这是间接测尺频率法测距的基本原理，即通过办1和fs2频率的相位尾数并取其差值来间接测定相位的差频频率的相位尾数。通常把fs1和fs2称为间接测尺频率，而把差频频率称为相当测尺频率。表2.1列出了间接测尺频率，相当测尺频率，相对应的测尺长度鸡测距不确定度：表2.1间接测尺频率，相当测尺频率及测尺长度间接测尺频率相当测尺频率fs二f—f测尺长度Ls测距不确定度fsif二15MHz15MHz10m1cmfs2f1=0.9f1.5MHz100m10cmf1二0.99f150kHz1km1mfi=0.999f15kHz10km10mfi=0.9999f1.5kHz100km100m由表可知，这种测距方式的各间接测距频率非常接近，最高的和最低之差仅为1・5MHz,5个间接测尺频率都集中在较窄的频率范围内，故间接测尺频率又称为集中测尺频率。这样，不仅可使放大器和调制器能够获得相接近的增益和相位稳定性，而且各对应的石英晶体也可统一。相位测距技术阐述3.1差频测相原理相位测量一般采用差频测相技术。差频测相的原理如图3.1所示3.1差频测相原理图示设主控振荡器的信号为e=Acos(wt设主控振荡器的信号为e=Acos(wt+申)s1 ss3-1经过调制器发射后经2L距离返回光电接收器，接收到的信号为e经过调制器发射后经2L距离返回光电接收器，接收到的信号为e=Bcos(wt+p+Ap)s2 ss3-2A申表示相位变化。设基准振动器信号为e1=e1=Ccos(wt+申J3-3把e把e1送到混频器分别与esi和es2混频，在混频器的输出端得到差频参考信号er和测距信号es，他们可分别表示为3-43-5e=Dcos(wt—wt+p-p)3-43-5ss1s1e=Ecos(wt一wt+p-p+Ap)ss1s1用相位检测电路测出这两个混频信号相位差Ap'=Ap。可见，差频后得到的两个低频信号的相位差Ap'直接测量高频调制信号的相位差Ap是一样的。通常选取测相的低频频率为几千赫兹到几十千赫兹。差频后得到的低频信号进行相位比较，可采用平衡测相法，也可采用自动数字测相法。平衡测相法结构简单，性能可靠，价格低，但准确度较低，通常会有15'~20'或更大的测相不确定度。此外，平衡测相法还有机械磨损。测量速度低，并难以实现信息处理等缺点。自动数字测相法测相速度高，测相过程自动化，便于实现信息处理，测相不确定度高，可达2'~4'。3．2其他测相技术简介数字测相（电子相位计）其特点是精确度高响应速度快容易实现数据的测量,记录和处理的自动化和微型化。其缺点是因闸门脉冲具有随机性，可能会引入±1个检相脉冲组的误差，大小角检相也会产生错误读书的情况，引入粗大误差。其原理框图如下图3.2.3．2数字测相原理图

测距精度的分析4.1误差分析测距仪的误差有以下两大类：第一类是与距离远近有关的误差，如mc0,mn,mf及不变的误差如mK，称为系统误差，它们是构成了仪器精度指标中的比例误差。mmm另一类是与距离远近无关，而且随即变化的误差，如"仏g,m称为偶然误差，即仪器精度指标中的固定误差部分。而周期误差虽属于系统误差，但却是一种特殊的误差。以下讨论几种主要的误差：m4.1.1主控晶体振荡器的频率误差f测距仪中的主振频率误差，主要指精测频率误差而言，因为它决定了仪器的测距精度。此项误差包括两方面，即频率的校准误差和频率的飘移误差，前者取决于频率的准确度，后者则取决于频率的稳定度。当用高精度的频率计作频率校准时，频率的校准误差可忽略不计。产生频率漂移的原因有：震荡线路原件性能的变化，晶体老化或质量欠佳，有恒温装置的仪器，预热时间不够，恒温范围过大，无恒温装置的仪器，由于温度变化引起频率漂移，电源电压不足或不稳。可通过采用加恒温措施或晶体温度补偿以及电子线路设计上的锁频或锁相等办法来减弱频率漂移的影响4.1.2测相误差m测相误差包括：移相器或数字相位计的原理误差，瞄准误差，幅相误差以及有信噪比决定的误差。以上误差是测距仪的瞄准误差，也是目前测距仪误差的主要来源，为了减小瞄准误差，一方面要提高调制器或发光管的制造工艺，一提高它的空间相位均匀性。也可在短程测距仪GaAs发光管前加混相措施一提高发射的光束的相位均匀性。4.1.3周期误差mz1、 自动数字测距仪的周期误差这类误差主要来源于仪器内部固定信号的串扰。若果发射信号形成固定不变的串扰信号，使得相位计测得的相位差附加上了串扰信号的附加相位移。即相位计实际测量的是测距信号与串扰信号之合成信号的相位移，这就引起了差距误差。减小此类误差的措施主要有：在设计。制造时，采用合理的电子开关，发射和接受系统等的电子线路要单独设立电源：加强屏蔽，防止信号通过地线或空间发生耦合串扰。2、 移相-鉴相法测相测井愿意的周期误差这一类一起出了固定串扰信号能产生周期误差外，由感移相器的非线性RC网络失调以及输入信号的频率偏离移相器的固有频率等原因均可引起周期误差。解决此类误差的措施有：使输入移相器的信号频率与移相器的固有频率相符(可通过校正晶体振荡器的振荡频率)之后校正RC网络，使得Roc二1。4.2精度分析4.2.1精度分析由于相位测量是影响其精度的主要原因，故而本文只讨论由相位测量引起的测量误差的精度分析。由第一主频f1测量时，其测距精度公式为AD=A(Ap)2兀L 4-1111由第一辅频测量时，(因f2二0.9f］，有9L2=10L1)，其测距精度公式4-2AD=A(Ap)2兀L=A(Ap)2兀(厶+19厶)4-22222显然，由同一相位测量仪测量时，测距精度AD2相当于原来的基础上提高了9倍，而此时测距范围为10L扩大了10倍。同理，若再用第二辅频f3测13量时，（因f3二0.99f］，有99L亍100厶），精度公式为4=A（A^）2兀L=A（A^）2兀（L1+19L1） 4-3精度在原来基础上提高了99倍，测距范围为100L，扩大了100倍。依此类1推，依据主频和辅频的不同比例关系可以得到添加不同辅频时的精度公式。4.2.2测距精度的提高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:精测（用10m测尺）5.524m粗测（用1000m测尺）866.6m显示距离 865.524m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精测（用10m测尺） 9.958m粗测（用1000m测尺） 270.0m显示距离 279.958mb） 米位数值很小，而粗测米位又是偏小的负误差精测（用10m测尺） 0.058m粗测（用1000m测尺） 269.9m显示距离 260.058m为了防止粗差，可以用“置中运算法”和“比较试探法”来有效地处理测尺衔接的问题。参考文献1.张处武，胡学同，精密相位激光测距仪的设计，《激光杂志》1998年19卷6期,P39-49张加良•相位法激光测距仪的研究[