激光测距系统设计

0目录摘要引言........................................................................................................................................31.1国内外研究现状..................................................................................31.1.1国外研究现状....................................................................................................41.1.2国内研究现状...................................................................................................52.1课题主要研究内容...........................................................................................52.2相位法测距原理..........................................................................................................73.1ΔΦ的测定..........................................................................................................113.1.1差频法测多普勒频移.............................................................................114.1影响测量精度的因素及处理办法......................................................155.1大气折射率误差..............................................................................................18优点....................................................................................................................................19参考文献1激光测距系统设计摘要本文主要介绍相位法激光测距基本原理,详细论述了相位差的自动数字测量方法及其引起的误差.对单次检相的精度、频率漂移、大气折射率等对测距误差的影响进行了分析并提出了具体解决方法.实现结果表明,采用相位法测距精度可以达到±（5mm+5×10-6D）。关键词:激光测距;相位;精度AbstractTheauthorsintroducethebasicprincipleoflaserrangefindingtechnologybasedonphase,propoundindetailtheautomaticdigitalmeasurementtechniqueofphasedifferenceanditserrors,analyzetheeffectofsinglephase-pickingprecisionfrequencydriftandatmosphererefractiveindex，etc.onlaserrangingerrorsandputforwardsomespecialimprovementmethodsTheresultoflaserrangingrealizationshowthat2adoptingphaselaserrangingcanachievetheprecisionof±（5mm+5×10-6D）.Keywords:laserrangefinding;phase;accuracy1.1引言激光多普勒测速技术是伴随着激光器的诞生而产生的一种新的测量技术，它是利用激光的多普勒效应来对流体或固体速度进行测量的一种技术，广泛应用于军事，航空，航天，机械，能源，冶金，水利，钢铁，计量，医学，环保等领域。激光多普勒测速仪是利用激光多普勒效应来测量流体或固体运动速度的一种仪器，通常由五个部分组成：激光器，入射光学单元，接收或收集光学单元，多普勒信号处理器和数据处理系统或数据处理器，主要优点在于非接触测量，线性特性，较高的空间分辨率,快速动态响应及较宽的测量范围，由于采用近代光-电子学和微处理机技术的LDV系统，可以比较容易地实现二维，三维等流动的测量，并获得各种复杂流动结构的定量信息。正因为该技术有如此多的优点，因此近些年得到了人们的广发关注。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状20世纪中期，激光测距机是激光器在军事上最早应用的项目。世界上第一台激光测距机于1961年诞生在美国休斯飞机公司，称为柯利达I型.经过30年的发展，军用激光测距机已更新了两代，研制发展了三代。第一代激光测距机采3用发射0.6943,cun红外红宝石激光器和光电倍增管探测器，是最早问世的激光测距机.20世纪70年代初期少量装备部队，如美国的AN/GVS-3、日本的70式，因其隐蔽性差、效率低、体积大、重量重、耗电多，很快便被第二代激光测距机取代。第二代激光测距机采用发射1.06,tnn近红外钦激光器(主要是Nd:YAG激光器，少数为钦玻璃激光器)和硅光电二极管或硅雪崩光电二极管探测器。第二代比第一代隐蔽性好、效率高、小巧、耗电少，因此第二代激光测距机的小型化研制进展迅速。第三代激光测距机，即人眼安全的激光测距机。目前已研制成工作波长为10.6µm和1.54µm的三种不同类型的各种型号的人眼安全激光测距机，己进入生产和应用阶段。与此同时，激光测距技术也逐渐应用到民事领域。从20世纪70年代初至今的近30年，国外许多大学、研究机构和公司也开展了这方面的研究工作。1.2.2国内研究现状我国激光测距仪的研究始于20世纪50年代，是在原固体、气体激光测距机基础上，发展起来的。目前，基础技术已具备，主要是解决工程应用的问题，开发各种应用产品。1972年，北京光学仪器厂与武汉地震大队等联合研制成国内首台JCY-1型精密气体激光测距仪，1974年研制出了JCY-2型激光测距仪，测程为15-20km，测距精度±(10mm+1ppmxD)。4He-Ne激光管，2.5mW，调制方式为石英超声外调制，采用了5种调制频率，测相采用手动方式，速度慢。1973-1976年，北京测绘仪器厂与北京大学、北京光学仪器厂、清华大学、国家测绘总局测绘科学研究所和北京市地质地形勘测处分别合作，先后研制成HGC-1型及DCH-1型红外测距仪，精度分别为±1.5mm和±5mm，测程分别为lkm和1.5km。它们采用半导体激光器作为光源，直接内调制方式，2种调制频率。测量时间分别为6.6s和10s。2.1课题主要研究内容本文主要任务是完成相位式激光测距技术的研究、设计。整个研究过程，理论分析与实验工作相结合，采取的研究方法为:查阅并收集资料、选择合适的器件，测距理论总体设计和各个部分电路的研究设计，从而给出了整个相位式半导体激光测距系统的电路系统实现方案。整个电路系统包括了四大部分，它们分别是:(1)半导体激光器的调制驱动电路，这部分采用高频正弦信号对激光器的注入电流进行调制，使得激光器光强随注入电流而变化。(2)光电检测放大滤波电路，这部分采用P-I-N光电二极管对激光信号进行探测。5(3)锁相环频率综合电路，这部分先对锁相环原理作了简单介绍，然后应用高精度的频率计作频率校准,自动调节本机振荡频率,确保用作检相的低频信号的频率稳定不变.(4)利用数字测相系统进行测相，最后通过屏幕显示出来。相位式激光测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，间接地测定信号传播时间，从而得到被测距离的。这种方法测量精度高，通常在毫米量级。相位式激光测距的原理框图如图2-5所示。它由激光发射系统、频率调制系统、回波接收系统、混频鉴相系统和计数显示系统等组成。激光信号由调制系统调制后，经被测物反射，接收系统将反射的光信号转换为电信号并进行放大,后转到混频器中进行混频，混频结果又进测中进行测相，最后通过屏幕显示出来。62.2相位法测距原理设光源S相对观测者O以速度u移动，光源S所发出光波的固有频率为υ0，观测者O接收到的光波频率为υ。假设t时刻光源S在距离观测者O为r1处发出一组光信号，经传播，在t1时刻被观测者0所接收；tˊ时刻光源S在距离观测者O为r2处再次发出信号，经传播，在t2时刻被观测者O所接收〈见图1〉.按照光速不变原理，光的传播速度与光源相对观测者的运动无关，显然，由上述假设可以得到：将上式（3）式（2）相减得到需要明确的是，这里的t﹑tˊ﹑t1﹑t2均是观测者O所在的实验室坐标系的时钟所记录的时间。7其中，t1﹑t2是观测者O所在处的一只时钟所记录的时间；t、tˊ则分别是位于r1、r2处的两只时钟记录的时间。光源S在位置r1和位置r2连续两次发出光信号的时问间隔是一个周期T，即T=tˊ-t(这是分别位于r1、r2处的两只时钟所记录的时问)，观测者O所接收到的光信号周期为Tˊ，即Tˊ=t2-t1(这是位于观测者O处的一只时钟所记录的时间)，由于T很短，(r2-r1)为一小量，由图中可知有如下近似关系:将（5）式代到（4）式得到：根据狭义相对论，在实验室坐标系的时钟所记录的时间不同于固连在光源坐标系的时钟所记录的固有时间，将发生所谓“时间膨胀”效应。即位于r2、r1处的两只时钟记录的时间间隔T=tˊ-t相对于光源发光的同有周期T0而言是发生了“膨胀”的时间，按照相对论的“时间膨胀”效应，T与T0的关系为：将式(7)代入式(6)得到：8由于不同坐标系的观测者所观测光源发出光信号的数目是相同的。因此，由式(8)可得到对应的频率关系为:上式即是光波多普勒效应的数学表达式。其中，υ0是光源的固有频率，υ是观测者所接收的频率，u是光源相对观测者的运动速度，c是光在自由空间的传播速度。激光测距精度高,速度快.相位法激光测距是通过间接测定调制光信号在被测量距离上往返所需的时间t2D来计算距离D:D=(c/2)t2D=(c/2)(Φ/2πf)(l)式中:c为光波在空气中传播的速度;Φ为调制光信号经过被测距离D而产生的相位移;f为信号的调制频率。9在图1中,A表示调制光波的发射点,B表示安置反射器的地点,A’表示所发出的调制光波经反射器反射后的接收地点.A-A’两点间的距离即是待测距离D的2倍.如果调制光波长较短时,相位移为Φ=N1λ1+Δψ1(2)式中:N1表示相位移Φ中包含的2π的整数倍;Δψ1表示不是整周期2π的相位尾数,将上式代人式(l)得D=(c/2)×2π(N1+ΔN1)/2πf=N1×(c/2f1)+ΔN1×(c/2f1)=(N1+ΔN1)λ1/2=(N1+ΔN1)LΔ1式中ΔN1=Δψ1/（2π）为小数;LΔ1=λ1/2称之为侧尺长度在实际应用中,由于无法确定从而采用增大调制光波长的办法,如果所采用的调制光波长几大于被测距离D的2倍,式(2)中从将等于0,如图中虚线所示.则式(3)变为10D=LΔΔN=LΔΔψ/(2π)由式(4)可知,选定信号频率,则测尺长度LΔ即为已知,只要测出光信号经过2D距离后的相位移ΔΦ即可测得距离D的值.2.3ΔΦ的测定2.3.1差频法测多普勒频移多普勒频移通常用来测量粒子的速度，只要测得频移量20D，即可求得物体的运动速度。但