相位式激光测距原理及其技术实现

相位式激光测距原理及其技术实现2005级光学工程黄岑(2005202089)[e-mail]激光测距概览•激光测距按实现机理可分为脉冲式和连续波相位式。•脉冲式的优势在于测试距离远，信号处理简单，被测目标可以是非合作的。但其测量精度并不太高，现在广泛使用的手持式和便携式测距仪大多采用这种原理，作用距离为数百米至数十千米，测量精度为五米左右。•连续波相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。连续波相位式的优势是测距精度高，相对误差可保持在百万分之一以内，但被测目标必须是合作的。相位式激光测距原理分析（1）原理示意图：相位式激光测距原理分析（2）一、基本原理•若调制光角频率为ω，在待测量距离LAB上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t可表示为：t=(φ+Δφ)/ω其中φ+Δφ=2π(m+Δm)m：表示激光往返LAB所经历的整数个波长Δm：表示不足一个波长的分量则待测距离LAB可表示为LAB=1/2ct=1/2c·(φ+Δφ)/ω=1/2λ(m+Δm)=Ls(m+Δm)其中Ls称作“光尺”相位式激光测距原理分析（3）二、多尺度原理目前任何测量交变信号相位的方法，都不能确定出相位的整周期数m，只能测出不足一个波长的尾数部分Δφ=2πΔm，由于m值不确定，故距离LAB就成为多值解。既然相位测量可以确定被测量的尾数，那么，利用两种光尺同时测量同一个量，则可以解决多值问题。系统中用两把相同精度的光尺，其中一把光尺的Ls1LAB，另一把光尺Ls2LAB，分别测量同一距离，然后把测得的结果，相互组合起来即可。比如：距离为2.047m，用Ls1=0.1m的光尺测量得到不足0.1m的尾数0.047m，用Ls2=10m的光尺测量得到不足10m的尾数为2m，把两个光尺相加起来的读数为2.047m。这样就解决了大量程和高精度的矛盾。其中最长的测尺决定了测距的量程，最短的测尺决定了测距的精度。相位式激光测距原理分析（4）三、间接测尺原理（1）上述的直接测尺频率方式在实际应用中会遇到频带过宽，测相精度难以实现的问题。例如：要求测程100km，精度0.01m，测相精度为1／1000，则对应的直接测尺长度为100km，1km，10m，频率分别为1.5kHz，150kHz，15MHz，频带宽近15MHz。在这么宽的频带内保证1／1000的测相精度是很难实现的，故实际测量中采用间接测尺频率方式。用两个频率fs1和fs2的调制光去测同一距离得到：L=Ls1(m1+Δm1)L=Ls2(m2+Δm2)等效形式为：L=Ls(m+Δm)其中Ls=Ls1Ls2/（Ls2+Ls2）=1/2×C/(fs1-fs2)=1/2×C/fsm=m1-m2Δm=Δm1-Δm2fs=fs1-fs2C为光速相位式激光测距原理分析（5）三、间接测尺原理（2）对于上例的测量要求，用间接测尺频率方式，从表可以看出，各个间接测尺的频率值非常接近，频宽为150kHz，只有直接测尺方式的1／100。在这样窄的频率范围内可以使放大器和调制器获得相当接近的增益和相位稳定性，从而提高测量精度。相位式激光测距原理分析（6）四、相位差测量原理（1）主控振荡器信号es1=Acos(ωst+φs)本地振荡器信号el=Acos(ωlt+φl)接受到的信号es2=Acos(ωst+φs+Δφ)相位式激光测距原理分析（7）四、相位差测量原理（2）混频后输出：参考信号er=Dcos[(ωs–ωl)t+(φs-φl)]测距信号es=Dcos[(ωs–ωl)t+(φs-φl)+Δφ]取ωs–ωl在几kHz到几十kHz，这样包含相位差信息的正弦信号频率大大降低，提高了下一步测相的精度。相位式激光测距原理分析（8）四、相位差测量原理（3）相位差测量原理图：两路信号的相位差Δφ=360Nτ/T=N(360fc/fm)其中τ为频标脉冲周期；fm为频标脉冲频率；fc为被测信号频率；N为计数值。如果令fm=360fc，则计数值N直接表示了相位差，这时精度为1度。相位式激光测距技术实现（1）一、激光调制的实现由于采用多尺度测量，而且是运用间接测尺频率方式和差频测相技术，这就要求系统必须有一套高性能的频率发生装置，实现多种频率的高速切换。而且为保证测量精度，要求频率发生器的精度很高。传统的压控振荡器不仅频率稳定速度慢，而且频率精度不高，不能胜任激光调制的任务。目前在电子工程领域得到广泛应用的DDS(直接数字频率合成)技术，非常适合作为这里对激光进行调制的频率源。相位式激光测距技术实现（2）DDS的原理框图目前许多芯片公司都已生产了性能可观的DDS芯片，如Standford公司的STEL2375，其最高工作频率可达1GHz，输出信号带宽为400MHz，频率分辨力为mHz级。可见，这些性能指标完全可以满足激光调制的需要。相位式激光测距技术实现（3）二、相位差测量的实现为简化相位差计电路的设计，减小系统的体积和功耗，采用FPGA(现场可编程门阵列)配合少量地外围电路实现相位差的测量，换算和显示功能。[e-mail]