相位式激光測距原理及其技術(shù)實現(xiàn)

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1、相位式激光測距原理及其技術(shù)實現(xiàn)2005級光學(xué)工程黃岑(2005202089)tjuhuangjack@hotmail.com激光測距概覽激光測距按實現(xiàn)機(jī)理可分為脈沖式和連續(xù)波相位式。脈沖式的優(yōu)勢在于測試距離遠(yuǎn)，信號處理簡單，被測目標(biāo)可以是非合作的。但其測量精度并不太高，現(xiàn)在廣泛使用的手持式和便攜式測距儀大多采用這種原理，作用距離為數(shù)百米至數(shù)十千米，測量精度為五米左右。連續(xù)波相位式激光測距儀是用無線電波段的頻率，對激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返測線一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算此相位延遲所代

2、表的距離。連續(xù)波相位式的優(yōu)勢是測距精度高，相對誤差可保持在百萬分之一以內(nèi)，但被測目標(biāo)必須是合作的。相位式激光測距原理分析（1）原理示意圖：相位式激光測距原理分析（2）一、基本原理若調(diào)制光角頻率為ω，在待測量距離LAB上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為φ，則對應(yīng)時間t可表示為：t=(φ+Δφ)/ω其中φ+Δφ=2π(m+Δm)m：表示激光往返LAB所經(jīng)歷的整數(shù)個波長Δm：表示不足一個波長的分量則待測距離LAB可表示為LAB=1/2ct=1/2c·(φ+Δφ)/ω=1/2λ(m+Δm)=Ls(m+Δm)其中Ls稱作“

3、光尺”相位式激光測距原理分析（3）二、多尺度原理目前任何測量交變信號相位的方法，都不能確定出相位的整周期數(shù)m，只能測出不足一個波長的尾數(shù)部分Δφ=2πΔm，由于m值不確定，故距離LAB就成為多值解。既然相位測量可以確定被測量的尾數(shù)，那么，利用兩種光尺同時測量同一個量，則可以解決多值問題。系統(tǒng)中用兩把相同精度的光尺，其中一把光尺的Ls1LAB，分別測量同一距離，然后把測得的結(jié)果，相互組合起來即可。比如：距離為2.047m，用Ls1=0.1m的光尺測量得到不足0.1m的尾數(shù)0.047m

4、，用Ls2=10m的光尺測量得到不足10m的尾數(shù)為2m，把兩個光尺相加起來的讀數(shù)為2.047m。這樣就解決了大量程和高精度的矛盾。其中最長的測尺決定了測距的量程，最短的測尺決定了測距的精度。相位式激光測距原理分析（4）三、間接測尺原理（1）上述的直接測尺頻率方式在實際應(yīng)用中會遇到頻帶過寬，測相精度難以實現(xiàn)的問題。例如：要求測程100km，精度0.01m，測相精度為1／1000，則對應(yīng)的直接測尺長度為100km，1km，10m，頻率分別為1.5kHz，150kHz，15MHz，頻帶寬近15MHz。在這么寬的頻帶

5、內(nèi)保證1／1000的測相精度是很難實現(xiàn)的，故實際測量中采用間接測尺頻率方式。用兩個頻率fs1和fs2的調(diào)制光去測同一距離得到：L=Ls1(m1+Δm1)L=Ls2(m2+Δm2)等效形式為：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為光速相位式激光測距原理分析（5）三、間接測尺原理（2）對于上例的測量要求，用間接測尺頻率方式，從表可以看出，各個間接測尺的頻率值非常接近，頻寬為150kH

6、z，只有直接測尺方式的1／100。在這樣窄的頻率范圍內(nèi)可以使放大器和調(diào)制器獲得相當(dāng)接近的增益和相位穩(wěn)定性，從而提高測量精度。相位式激光測距原理分析（6）四、相位差測量原理（1）主控振蕩器信號es1=Acos(ωst+φs)本地振蕩器信號el=Acos(ωlt+φl)接受到的信號es2=Acos(ωst+φs+Δφ)相位式激光測距原理分析（7）四、相位差測量原理（2）混頻后輸出：參考信號er=Dcos[(ωs–ωl)t+(φs-φl)]測距信號es=Dcos[(ωs–ωl)t+(φs-φl)+Δφ]取ωs–ω

7、l在幾kHz到幾十kHz，這樣包含相位差信息的正弦信號頻率大大降低，提高了下一步測相的精度。相位式激光測距原理分析（8）四、相位差測量原理（3）相位差測量原理圖：兩路信號的相位差Δφ=360Nτ/T=N(360fc/fm)其中τ為頻標(biāo)脈沖周期；fm為頻標(biāo)脈沖頻率；fc為被測信號頻率；N為計數(shù)值。如果令fm=360fc，則計數(shù)值N直接表示了相位差，這時精度為1度。相位式激光測距技術(shù)實現(xiàn)（1）一、激光調(diào)制的實現(xiàn)由于采用多尺度測量，而且是運(yùn)用間接測尺頻率方式和差頻測相技術(shù)，這就要求系統(tǒng)必須有一套高性能的頻率發(fā)生裝置

8、，實現(xiàn)多種頻率的高速切換。而且為保證測量精度，要求頻率發(fā)生器的精度很高。傳統(tǒng)的壓控振蕩器不僅頻率穩(wěn)定速度慢，而且頻率精度不高，不能勝任激光調(diào)制的任務(wù)。目前在電子工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的DDS(直接數(shù)字頻率合成)技術(shù)，非常適合作為這里對激光進(jìn)行調(diào)制的頻率源。相位式激光測距技術(shù)實現(xiàn)（2）DDS的原理框圖目前許多芯片公司都已生產(chǎn)了性能可觀的DDS芯片，如Standford公司的STEL2375，其最高工作頻