激光相位测距仪的设计

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：刘艳冬指导教师姓名：姚红兵2011年6月2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,frequencydifferenceofphasefinding3目录1.激光相位测距仪原理....................................................................................................................11.1激光测距仪简述............................................................................................................11.2激光相位测距仪原理...................................................................................................12.激光相位测距技术实现................................................................................................................32.1直接测尺频率................................................................................................................32.2间接测尺频率....................................................................................................................33.相位测距技术阐述........................................................................................................................63.1差频测相原理................................................................................................................63．2其他测相技术简介..........................................................................................................74.测距精度的分析............................................................................................................................94.1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。4.2精度分析........................................................................................................................95.参考文献......................................................................................................................................1211.激光相位测距仪原理1.1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。1.2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2ctL1-12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/cf，c为光绪，光波从A点传播到B点的相移可表示为：2()mmm1-2式中2m。若光从A点传到B点所用的时间为t，则A和B两点的距离为()2Lctcmmf1-3式1-3为激光相位测距公式。只要测出光波相移中周期2的整数m和余数m，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图1.1相位的调制波形图32.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/2fscLs2-1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110Ls5m，210Ls3m，310Lsm，相应的光调制频率分别为11.5,2150,310.kHzkHzMHzfsfsfs。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。2.2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1fs和2fs调制的光分别测量同意距离L,可得111()mmLLs2-2222()mmLLs2-3将式2-2两边乘以2Ls，式2-3两边乘以1Ls后做相见运算，可得：112212(12)()LsLsLsLsmmmmLLsmm2-4式中1211122122LsLsccLsLsfsfsfsLs41212,mmmfsfsfs1212,2mmm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1fs和2fs分别测量某一距离时所得相位尾数1和2之差，与用1fs和2fs的差频频率12fsfsfs测量该距离时的相位尾数相等。这是间接测尺频率法测距的基本原理，即通过1fs和2fs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1fs和2fs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ifsff测尺长度Ls测距不确定度1fs15fMHz15MHz10m1cm2fs10.9ff1.5MHz100m10cm10.99ff150kHz1km1m10.999ff15kHz10km10m10.9999ff1.5kHz100km100m5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。63.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1cos()ssseAwt3-1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2cos()ssseBwt3-2表示相位变化。设基准振动器信号为111cos()eCwt3-3把1e送到混频器分别与1se和2se混频，在混频器的输出端得到差频参考信号re和测距信号se，他们可分别表示为711cos()ssseDwtwt3-411cos()ssseEwtwt3-5用相位检测电路测出这两个混频信号相位差'。可见，差频后得到的两个低频信号的相位差'直接测量高频调制信号的相位差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894.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0,,cnfmmm及不变的误差如Km，称为系统误差，它们是构成了仪器精度指标中的