基于正交混频技术的相位式激光测距系统研究-黄凯琦-15S001061

HarbinInstituteofTechnology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I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，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；测相方法光电测量技术课程报告1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，在国民经济光电测量技术课程报告2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dt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dt，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。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BUSHNELLELITE1500望远镜型脉冲激光测距仪，测量范围可达5～1370m，精度±0.914m，实物如图1-2所示：图1-2美国BUSHNELLELITE1500激光测距仪光电测量技术课程报告3（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0～16.5m，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，我国研制光电测量技术课程报告4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。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、体育干涉激光测距厘米级微米量级地壳形成、地震光电测量技术课程报告5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t，然后与光速c相乘后得到信号经过的距离[9]。基本测距公式为：2ctD(2-1)式中，D为测距仪光路起点与目标物体间的距离，c为激光在空气中的传播速度，t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0，则发射光电测量技术课程报告6信号为：)sin(0TASmT(2-2)式(2-2)中mA为激光强度的振幅，为调制信号角频率，T为初始时间，0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：)sin(0tTASmR(2-3)其中，t是正弦信号在二倍被测距离上传播所引起的相位差。tt(2-4)将式(2-4)带入(2-1)可得：)(4422NNfcfccctD(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，N为测距过程中产生的半波长个数，N测距过程中包含的调制波不足半波长的小数部分。则：N(2-6)式(2-6)中∆φ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D[11]。2.2.2差频测相技术如上文所述，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：)cos(0tAus(2-7)式(2-7)中，A为振幅，为角频率，0为初始相位。激光束发射后经过L2距离，接收器接收到的信号为：)cos(02LrttBu(2-8)发射与接收产生的相位差为：光电测量技术课程报告7LLftt222(2-9)图2-2差频测相法原理框图其中本振信号为：)cos(ccctCu(2-10)式(2-10)中，C为本振信号振幅，c为本振角频率，c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：CLcCLcsrttttBCuuU02021)(cos)(cos2(2-11)上式中CLcttBC02)(cos2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：CLclttBCU021)(cos2(2-12)将发射信号与本振信号进行混频，得：cccccsttACuuu002)(cos)(cos2(2-13)经低通滤波器滤除高频成分后，得到低频参考信号为：ccltACu02)(cos2(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：光电测量技术课程报告8LLftt222