激光測距系統(tǒng)方案設計書

1、目錄摘要引言31.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.1.1國外研究現(xiàn)狀4 1.1.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀52.1課題主要研究內(nèi)容52.2相位法測距原理73.1A的測定113.1.1差頻法測多普勒頻移114.1影響測量精度的因素及處理辦法155.1大氣折射率誤差18優(yōu)點19 參考文獻激光測距系統(tǒng)設計摘要本文主要介紹相位法激光測距基本原理，詳細論述了相 位差的自動數(shù)字測量方法及其引起的誤差.對單次檢相的精 度、頻率漂移、大氣折射率等對測距誤差的影響進行了分 析并提出了具體解決方法.實現(xiàn)結(jié)果表明，采用相位法測距 精度可以達到土( 5mm+5xl0-6D )。關鍵詞:激光測距。相位。精度AbstractThe autho

2、rs introduce the basic principle of laser range finding technology based on phase, propound in detail the automatic digital measurement technique of phase difference and its errors,analyze the effect of single phase-picking precision frequency drift and atmosphere refractive index， etc.on laser rang

3、ing errors and put forward some special improvement methods The result of laser ranging realization show that adopting phase laser ranging can achieve the precision of 土(5mm+5xl0-6D ).Keywords:laser range finding。 phase。 accuracy1-1引言激光多普勒測速技術是伴隨著激光器的誕生而產(chǎn)生 的一種新的測量技術，它是利用激光的多普勒效應來 對流體或固體速度進行測量的一種技術，廣

4、泛應用于 軍事，航空，航天，機械，能源，冶金，水利，鋼 鐵，計量，醫(yī)學，環(huán)保等領域。激光多普勒測速儀是利用激光多普勒效應來測量流體或 固體運動速度的一種儀器，通常由五個部分組成：激 光器，入射光學單元，接收或收集光學單元，多普勒 信號處理器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或數(shù)據(jù)處理器，主要優(yōu)點 在于非接觸測量，線性特性，較高的空間分辨率，快速 動態(tài)響應及較寬的測量范圍，由于采用近代光-電子學 和微處理機技術的LDV系統(tǒng)，可以比較容易地實現(xiàn)二 維，三維等流動的測量，并獲得各種復雜流動結(jié)構的 定量信息。正因為該技術有如此多的優(yōu)點，因此近些 年得到了人們的廣發(fā)關注。1-2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀20世紀中

5、期，激光測距機是激光器在軍事上最早應用 的工程。世界上第一臺激光測距機于1961年誕生在美國休 斯飛機公司，稱為柯利達I型.經(jīng)過30年的發(fā)展，軍用激 光測距機已更新了兩代，研制發(fā)展了三代。第一代激光測 距機采用發(fā)射0. 6943,cun紅外紅寶石激光器和光電倍增管 探測器，是最早問世的激光測距機.20世紀70年代初期少 量裝備部隊，如美國的AN/GVS-3、日本的70式，因其隱蔽 性差、效率低、體積大、重量重、耗電多，很快便被第二 代激光測距機取代。第二代激光測距機采用發(fā)射1. 06,tnn 近紅外欽激光器（主要是Nd:YAG激光器，少數(shù)為欽玻璃激光 器）和硅光電二極管或硅雪崩光電二極管探測器

6、。第二代比 第一代隱蔽性好、效率高、小巧、耗電少，因此第二代激 光測距機的小型化研制進展迅速。第三代激光測距機，即 人眼安全的激光測距機。目前已研制成工作波長為10. 6頗 和1. 54麗的三種不同類型的各種型號的人眼安全激光測距 機，己進入生產(chǎn)和應用階段。與此同時，激光測距技術也 逐漸應用到民事領域。從20世紀70年代初至今的近30 年，國外許多大學、研究機構和公司也開展了這方面的研 究工作。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國激光測距儀的研究始于20世紀50年代，是在原固 體、氣體激光測距機基礎上，發(fā)展起來的。目前，基礎技 術已具備，主要是解決工程應用的問題，開發(fā)各種應用產(chǎn) 品。1972年，北京光學

7、儀器廠與武漢地震大隊等聯(lián)合研制 成國內(nèi)首臺JCY-1型精密氣體激光測距儀，1974年研制出了 JCY-2型激光測距儀，測程為15-20 km，測距精度（10mm + 1 ppm x D）。He-Ne激光管，2. 5 mW，調(diào)制方式為石英超 聲外調(diào)制，采用了5種調(diào)制頻率，測相采用手動方式，速 度慢。1973-1976年，北京測繪儀器廠與北京大學、北京光 學儀器廠、清華大學、國家測繪總局測繪科學研究所和北 京市地質(zhì)地形勘測處分別合作，先后研制成HGC-1型及 DCH-1型紅外測距儀，精度分別為土 1. 5 mm和土5mm，測 程分別為l km和1. 5 km。它們采用半導體激光器作為光 源，直接內(nèi)

8、調(diào)制方式，2種調(diào)制頻率。測量時間分別為6.6s 和 10s。2.1課題主要研究內(nèi)容本文主要任務是完成相位式激光測距技術的研究、設 計。整個研究過程，理論分析與實驗工作相結(jié)合，采取的 研究方法為:查閱并收集資料、選擇合適的器件，測距理論 總體設計和各個部分電路的研究設計，從而給出了整個相 位式半導體激光測距系統(tǒng)的電路系統(tǒng)實現(xiàn)方案。整個電路 系統(tǒng)包括了四大部分，它們分別是：半導體激光器的調(diào)制驅(qū)動電路，這部分采用高頻正 弦信號對激光器的注入電流進行調(diào)制，使得激光器光強隨 注入電流而變化。光電檢測放大濾波電路，這部分采用P-I-N光電二極 管對激光信號進行探測。(3)鎖相環(huán)頻率綜合電路，這部分先對鎖相

9、環(huán)原理作了簡 單介紹，然后應用高精度的頻率計作頻率校準，自動調(diào)節(jié)本 機振蕩頻率，確保用作檢相的低頻信號的頻率穩(wěn)定不變.(4)利用數(shù)字測相系統(tǒng)進行測相，最后通過屏幕顯示出 來。相位式激光測距是通過測量連續(xù)的幅度調(diào)制信號在待 測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位延遲，間接地測定信號傳 播時間，從而得到被測距離的。這種方法測量精度高，通 常在毫M量級。相位式激光測距的原理框圖如圖2-5所 示。它由激光發(fā)射系統(tǒng)、頻率調(diào)制系統(tǒng)、回波接收系統(tǒng)、 混頻鑒相系統(tǒng)和計數(shù)顯示系統(tǒng)等組成。激光信號由調(diào)制系 統(tǒng)調(diào)制后，經(jīng)被測物反射，接收系統(tǒng)將反射的光信號轉(zhuǎn)換 為電信號并進行放大，后轉(zhuǎn)到混頻器中進行混頻，混頻結(jié)果 又進測中進行

10、測相，最后通過屏幕顯示出來。2.2相位法測距原理設光源S相對觀測者O以速度u移動，光源S所發(fā) 出光波的固有頻率為u 0，觀測者O接收到的光波頻率 為u。假設t時刻光源S在距離觀測者O為r1處發(fā)出 一組光信號，經(jīng)傳播，在t1時刻被觀測者0所接收；t 時刻光源S在距離觀測者O為r2處再次發(fā)出信號，經(jīng) 傳播，在t2時刻被觀測者O所接收見圖1.按照光 速不變原理，光的傳播速度與光源相對觀測者的運動 無關，顯然，由上述假設可以得到：將上式（3）式（2）相減得到需要明確的是，這里的t、t，、t12均是觀測者O所在的實 驗室坐標系的時鐘所記錄的時間。圖1其中，t1、t2是觀測者O所在處的一只時鐘所記錄的時

11、間；t、t，則分別是位于r1、r2處的兩只時鐘記錄的時間。光源S在位置r1和位置r2連續(xù)兩次發(fā)出光信號的時問間隔是一個 周期T,即T=t，-t（這是分別位于r1、r2處的兩只時鐘所記錄的 時問），觀測者O所接收到的光信號周期為T，即T，= t2- t1 （這是位于觀測者O處的一只時鐘所記錄的時間），由于T彳艮 短，（r2-r1）為一小量，由圖中可知有如下近似關系： ri TucosQ（5）將（5）式代到（4）式得到：F = F = 丁+ Th 頃 d = + 咚“祐(6)根據(jù)狹義相對論，在實驗室坐標系的時鐘所記錄的時間不 同于固連在光源坐標系的時鐘所記錄的固有時間，將發(fā)生 所謂“時間膨脹”效應

12、。即位于r2、r1處的兩只時鐘記錄的 時間間隔T=t，-t相對于光源發(fā)光的同有周期丁0而言是發(fā)生了“膨脹”的時間，按照相對論的“時間膨脹”效應，T與T0 的關系為：(7)將式代入式（6）得到:由于不同坐標系的觀測者所觀測光源發(fā)出光信號的數(shù)目是相同的。因此，由式(8)可得到對應的頻率關系為：u死u死上式即是光波多普勒效應的數(shù)學表達式。其中，U0是光源 的固有頻率，u是觀測者所接收的頻率，u是光源相對觀測 者的運動速度，c是光在自由空間的傳播速度。激光測距精 度高,速度快.相位法激光測距是通過間接測定調(diào)制光信號 在被測量距離上往返所需的時間t來計算距離D :D = ( c / 2 ) t = (c

13、 / 2 )(中 / 2n f ) ( l )式中：c為光波在空氣中傳播的速度。中為調(diào)制光信號經(jīng) 過被測距離。而產(chǎn)生的相位移。f為信號的調(diào)制頻率。在圖1中，A表示調(diào)制光波的發(fā)射點，B表示安置反 射器的地點，A表示所發(fā)出的調(diào)制光波經(jīng)反射器反射后 的接收地點.A- A兩點間的距離即是待測距離D的2 倍.如果調(diào)制光波長較短時，相位移為中=牛入+甲1(2 )式中：牛表示相位移中中包含的2n的整數(shù)倍。甲表示 不是整周期2n的相位尾數(shù)，將上式代人式(l)得D=(c/2) X2n (N1+A N/ 2n f= *X (c/2f+A *X (c/2fi)= (N1+A N1)入 1/2=(N1+A 牛)上 1

14、式中 N1=A甲1/ (2n )為小數(shù)。匕入1/2稱之為側(cè)尺長 度在實際應用中，由于無法確定從而采用增大調(diào)制光波長的辦 法如果所采用的調(diào)制光波長幾大于被測距離D的2倍,式（2） 中從將等于0,如圖中虛線所示.則式（3 ）變?yōu)镈= N=L A /（2 n）由式（4）可知，選定信號頻率，則測尺長度匕即為已知， 只要測出光信號經(jīng)過2D距離后的相位移即可測得距離 D的值.2.3A e的測定2.3.差頻法測多普勒頻移多普勒頻移通常用來測量粒子的速度，只要測得頻移 量V =七7 0，即可求得物體的運動速度。但是，由于光的 頻率太高，迄今尚無直接測量光頻率的可能，故而通常采 用光混頻技術，用混頻后的差頻信號

15、來獲取多普勒頻移 量。設一束待測的散射光的頻率為V ，而另一束參考光的頻 率為V，光探測器分別接收到它們的電場（振幅）強度為：E = E cos（2兀V t + 9 ）E = E cos（2 兀v t + 9 ）將兩束光在探測器表面處混頻后，得到的合成電場強度為：E=E1 + E2 =吃cos(Ovt +9)+烏海(也 +%)光強度為i=e =(e + e)2=(E cos(2Vt +q) + E cos(2t +9) TOC o 1-5 h z =E 2cos(2tv7 +9) + E 2cos(2nt +9 )+2E E cos(2Vt +9)cos(2t +9) 01102201 021

16、2=E 2cos(2tVt +9) + E 2cos(2nt +9)+E E cos(v+v)t +9 +9) + E E ccs(2r(yv)t +9 -9) 01102201 021201 0212實際測得的是光強度的時間平均值=l E2 +_ E 2 + E E cos02Vv)t +9 9) 2 012 0201 0212在光探測器上輸出的電流值是. /、i(t) = _k(E 2 + E 2) + kE E cos(2兀(V v)t +9 9 ) 2010201 0212其中，k是電流轉(zhuǎn)換系數(shù)，是一個確定的比例常數(shù)。式中的第一項是直流項，可以通過電路濾掉，第二項是交流項，其中的頻差項

17、(V -V)正是我們要測量的多普勒頻移(91 -92)的影響可以通過電路移項去掉)。按照參考光和照射運動物體的光源之間的頻率關系，可以把這種混頻技術分為零差法和外差法。零差法用與照射運動物體的光源頻率一致的光源作為參考 光。如果物體速度為零，則多普勒頻移為零，差頻項為 零，那么電路探測的信號將沒有交流項。外差法用與照射運動物體的光源頻率不一致的另一種光源作 為參考光。這時，即使物體運動速度為零，多普勒頻移為 零，而差頻項不為零，探測的信號中仍然有交流項。圖2-4相位式測距波形接收單元發(fā)射單元圖2-4相位式測距波形接收單元發(fā)射單元發(fā)射波返回波為了保證一定的測距精度，激光信號的頻率必須選得很高,-

18、 般為十幾MHz一幾百MHz .如果在這樣高的頻率下直接對發(fā) 射波和接收波進行相位比較，電路中的寄生參量的影響將產(chǎn) 生顯著的附加相移，降低測相精度。為此，采用差頻法來測 相，即通過主振頻率與本振頻率混頻，變成中低頻信號.由于差頻信號仍保持著原高頻信號的相位關系，測量中低頻信號 的相位就等于測量主振信號經(jīng)2d距離后的相位延遲.各主要電路單元及其相互之間的相位關系如圖2所示.底2左頻測相電路各上要單冗之間的相住關系從圖2可以看出，混頻后得到的2個中低頻信號之間的相 位差就是主振測量信號經(jīng)2倍距離D后產(chǎn)生的相位延遲.2個中低頻信號er和匕的相位差中為中= (w +w )t+ p 巾(w -w )t+

19、 巾一p 2w t =2w t101010101 D1 D同時由于進人測量系統(tǒng)的中低頻信號的頻率比主振測量信 號的頻率降低了許多倍，使得相位周期也擴展了許多倍， 這就大大地提高了測相精度，有利于相位測量.3.1影響測量精度的因素及處理辦法 頻率漂移激光測距儀中的主振頻率誤差，直接決定了儀器的測距精 度.它包括2個方面：頻率的校準誤差和頻率的漂移誤差. 當用高精度的頻率計作頻率校準時，前者可忽略不計.產(chǎn)生 頻率漂移的原因很多，如振蕩電路元件性能的變化、品體 老化或質(zhì)量欠佳、溫度變化、電源等.如果只考慮頻率誤 差，由此引起的測距誤差AD為D / D =Af / f ( 7 )式 表明：要使測距精度

20、達到10-5-10-6，則主振頻率f的 穩(wěn)定度也必須達到相同的量級.而一般石英晶體在-20 -50 C的溫度范圍內(nèi)工作時，較難達到此穩(wěn)定度.為此，采 用加恒溫措施或晶體溫度補償，以及電路設計上的鎖頻或 鎖相等辦法來減弱頻率漂移的影響.鎖相電路的作用在于 自動調(diào)節(jié)本機振蕩頻率，確保用作檢相的低頻信號的頻率 穩(wěn)定不變.其工作原理如圖4所示/)檢驗表被穩(wěn)頻率，標頻|頻率控制元件H雙t濾波耳宜流放大圖4鎖相電路原理氏當被穩(wěn)信號的頻率與標準信號的頻率有偏差時，鑒相器便 輸出一個反映此偏差大小和方向的電壓，該偏差電壓經(jīng)直 流放大器和雙丁濾波器之后，送至頻率控制元件，引起控 制元件的電容發(fā)生變化，從而相應地

21、改變本機振蕩器的頻 率，使之達到標稱頻率值.圖2中的相位計的實現(xiàn)方法有多種，采用自動數(shù)字測相法 不僅測距精度高，速度快，而且便于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量、記 錄和處理的自動化.它的原理框圖如圖3所示.因為檢相雙 穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（由RS觸發(fā)組成）需要負跳變觸發(fā)使之翻轉(zhuǎn)，故 在比相之前先將正弦波形的參考信號價與測距信號經(jīng)過emB 道1.圖3自動數(shù)字測相原理圖之后，2個方波信號分別加至檢相觸發(fā)器的R、s端.er方波的下降沿使觸發(fā)器“置位”，Q端輸出高電平，相當于用er方波的下降沿作為鑒相器的“開門”信號.經(jīng)過對應于相位差中的一段時間之后，em方波的下降沿又使觸發(fā)器“復 位”端輸出低電平，相當于用em方波的下降沿作

22、為鑒相器的 “關門”信號.因此由檢相觸發(fā)器輸出端所得到的檢相脈沖寬度（即觸發(fā)器的置位時間），對應兩比相信號的相位差 6.在觸發(fā)器“置位”期間，與門l打開，時標脈沖CP 可以通過它進人計數(shù)器.所以計數(shù)器內(nèi)所累計的時標脈沖 數(shù)就反映檢相脈沖的寬度，也即反映測距信號em和參考信號 er之間的相位差 6.計數(shù)器所計的單次檢相的脈沖數(shù)m為 m，自動數(shù)字測相中影響單次檢相精度的因素有檢相觸發(fā) 器，與門電路的開關速度以及時標脈沖的頻率等.檢相觸發(fā) 器、與門電路的開關速度愈高，則檢相精度也愈高.此外， 被檢相信號波形的好壞對檢相精度也有很大影響.引起波 形變壞的主要原因是偶次諧波所造成的波形不對稱.波形不 對

23、稱會引起信號在經(jīng)過通道而進行放大整形時，產(chǎn)生過零 觸發(fā)時間的前后移動，從而使檢相觸發(fā)器“置位”時間長 短發(fā)生變化一即使檢相脈沖寬度發(fā)生變化，造成測距誤差 增大.為了減小波形不對稱的影響，需要提高儀器性能，降 低噪音，以及采用差分放大，限幅放大等措施，以減小波 形失真。4.1大氣折射率誤差 大氣折射率n變化將使光波在大氣中的傳播速度發(fā)生變化, 從而影響測尺長度，產(chǎn)生測距誤差.折射率誤差An與測 距誤差AD有下述關系D/D二An/n (4)式(4)說明折射率的精度與測距精度相同，且折射率誤差 對測距結(jié)果的影響是隨距離而變的大氣折射率主要受測 量環(huán)境的溫度、濕度和氣壓等因素的影響.因此需要實時地 測

24、量環(huán)境參數(shù)，進行氣象修正.對于GaAs半導體激光器，在 一般條件下，折射率誤差引起的測距偏差(氣象改正值)可近 似地用下式計算： D= (1.0A t0.4A P)X10-6(5)式中：At為測量溫度與標準氣象條件下的溫度差(C)。AP 為測量氣壓與標準氣象條件下的氣壓差(Pa )。標準氣象條 件是P=1.01 X 105Pa, t = 15 。,按式(5),在短程測距的氣象 修正中，如果溫度每升高10C,則1km距離加1cm。如果氣壓 每上升3.32 X10aPa，貝01km減少 1cm。5.1激光測速測距儀優(yōu)點：屬于非接觸測量:激光會聚點就是測量探頭。測量過程對 流場無干擾，這對回旋流場尤

25、為適用。也可很方便地在惡劣 環(huán)境中如火焰、腐蝕性流體內(nèi)進行測量?？臻g分辨率極高：目前測點可小于10-4mm，隨著所用激 光波長的減小，光路和聚焦元件性能的改進，還可以進一 步縮小。已可測出直徑10m中小部位流速。高的空間分 辨率經(jīng)常使用于邊界層、薄層流體及狹通道場合的測量。動態(tài)響應快：速度信號以光速傳播，慣性極小，只要配 以適當?shù)男盘柼幚頇C，可進行實時測量，是研究渦流、測 量瞬時脈動速度的新方法。測量精度高：測量所采用的公式是一個精確的物理關系 式，基本上與流體的其他特征（如溫度、壓力、密度及黏 度）無關，通過光路計算和保證制造精確后，可不考慮光 路系統(tǒng)誤差，系統(tǒng)測量精度很高，因而可用他來校正其他 類型測速儀器。測量量程大：因為頻差與速度成簡單線性關系，不論低 速或高速都不需校正，他允許有很大的頻移，目前已能測 0.1mm/s2000m/