激光相位测距仪设计

课程设计报告（2014—2015年度第一学期）

题目：激光相位测距仪设计

院系：物理与电子信息工程学院

姓名：

学号：

专业：光信息科学与技术

指导老师：

2015年01月03日

目录

1.设计目的与任务 (3)

2.相位式激光测距仪的实现原理 (4)

3.激光测距仪的原理方案 (6)

3.1 直接测尺频率 (6)

3.2 间接测尺频率 (6)

4.测距精度的分析 (9)

4.1 误差分析 (9)

4.2精度分析 (10)

5.总结 (12)

6.参考文献 (12)

1.设计目的与任务

课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次专业训练。通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计打下基础。

1、进一步巩固和加深学生所学的专业理论知识，培养学生设计、计算、绘

图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；

2、培养学生独立分析和解决工程实际问题的能力；

3、培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实

的工作作风。

光电子技术基础课程设计是在学生已经完成光电子技术基础课程教学之后所进行的综合性设计过程。其意义在于进一步巩固、加强课程的教学效果，并将这些知识真正应用于实际的设计过程中。根据设计内容要求，完成方案论证，完成一类光电仪探测器特性实验测试开发；或利用光电探测器设计测试装置针对一物理量进行测量；或利用光电系统进行信息的传输;或能根据工程条件设计一光电技术的具体应用。写出完整的设计报告，设计报告(论文)字数要求不少于3000字，文字通顺，书写工整。

2.相位式激光测距仪的实现原理

相位测量一般采用差频测相技术。差频测相的原理如图2.1所示

2

设主控振荡器的信号为

cos()d s s e A t ωϕ=+ 2-1

经过调制器发射后经2L 距离返回光电接收器，接收到的信号为

cos()ms s s e A t ωϕ∆ϕ=++ 2-2 ϕ∆表示相位变化。设基准振动器信号为

cos()l l l e C t ωϕ=+ 2-3

把l e 送到混频器分别与d e 和ms e 混频，在混频器的输出端得到差频参考信号r e 和测距信号m e ，他们可分别表示为

cos[()()]r s l s l e D t ωωϕϕ=-+- 2-4

cos[()()]

m s l s l e E t ωωϕϕ∆ϕ=-+-+ 2-5 用相位检测电路测出这两个混频信号相位差'ϕϕ∆=∆。可见，差频后得到的两个低频信号的相位差'ϕ∆直接测量高频调制信号的相位差ϕ∆是一样的。通常选取测相的低频频率为几千赫兹到几十千赫兹。

差频后得到的低频信号进行相位比较，可采用平衡测相法，也可采用自动数字测相法。平衡测相法结构简单，性能可靠，价格低，但准确度较低，通常会有15'~20'或更大的测相不确定度。此外，平衡测相法还有机械磨损。测量速度低，并难以实现信息处理等缺点。自动数字测相法测相速度高，测相过程自动化，便于实现信息处理，测相不确定度高，可达2'~4'

3.激光测距仪的原理方案

3.1 直接测尺频率

由侧尺量度Ls 可得光尺的调制频率为

/2fs c Ls = 3-1

这种方法所选的测尺频率fs 直接和测尺长度Ls 相对应，

即测尺长度直接由测尺频率决定，所以这种方式成为直接测尺 频率方式。若果测距仪测程为100km ，要求精确到0.01m 相位测量系统的测量不确定度为0.1%，则需要三八光尺，即110Ls =5m ，210Ls =3m ，310Ls =m ，相应的光调制频率分别为1 1.5,2150,310.kHz kHz MHz fs fs fs ===。显然，要求相位测量系统在这么宽的频带内都保证0.1%的测量不确定度很难做到。所以直接测尺频率一般应用于短程测量如GaAs 半导体激光短程相位测距仪。

3.2 间接测尺频率

在实际测量中由于测程要求较大，大都采用间接测尺频率方式。若用两个频率1fs 和2fs 调制的光分别测量同意距离L,可得

111()m m L Ls +∆= 3-2 222()m m L Ls +∆= 3-3

将式2-2两边乘以2Ls ，式2-3两边乘以1Ls 后做相见运算，可得：

112212(12

)()Ls Ls Ls Ls m m m m L Ls m m --+∆-∆==

+∆ 3-4 式中1211122122Ls Ls c c Ls Ls fs fs fs

Ls ==--=12

12,m m m fs fs fs -==-1212,2m m m ϕπ

ϕϕϕ=∆∆-∆∆=∆=∆-∆ 式2-4中，Ls 是一个新的测尺量度，

fs 是与Ls 对应的新的测尺量度。这样，用

1fs 和2fs 分别测量某一距离时所得相位尾数1ϕ∆和2ϕ∆之差，与用1fs 和2fs 的差频频率12fs fs fs =-测量该距离时的相位尾数ϕ∆相

等。这是间接测尺频率法测距的基本原理，即通过1fs 和2fs 频率的相位尾

数并取其差值来间接测定相位的差频频率的相位尾数。通常把

1fs 和2fs 称为间接测尺频率，而把差频频率称为相当测尺频率。表3.1列出了间接测尺频率，相当测尺频率，相对应的测尺长度鸡测距不确定度：

表3.1间接测尺频率，相当测尺频率及测尺长度

由表可知，这种测距方式的各间接测距频率非常接近，最高的和最低之差仅为1.5MHz，5个间接测尺频率都集中在较窄的频率范围内，故间接测尺频率又称为集中测尺频率。这样，不仅可使放大器和调制器能够获得相接近的增益和相位稳定性，而且各对应的石英晶体也可统一。