相位式激光测距原理及其技术实现ppt课件

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/ fs
2
相位式激光测距原理分析（1）
原理示意图：
3
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 =1/2 ct=1/2 c·(φ+Δφ)/ω=1/2λ(m+Δm)
5
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。
11
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。
12
相位式激光测距技术实现（3）
7
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(ωs t+ φs) 本地振荡器信号 el =Acos(ωl t+ φl) 接受到的信号 es2 =Acos(ωs t+ φs +Δφ)
8
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。
9
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(360 fc / 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。
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。
13
Thanks
The End
Any questions please mail to tjuhuangjack@hotmail.com
14
10
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。
相位式激光测距原理及其技术实现
2005级光学工程 黄岑 (2005202089) tjuhuangjack@hotmail.com
1
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。
=Ls(m+Δm) 其中 Ls称作“光尺”
4wk.baidu.com
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 Ls1 <LAB ，另一把光尺Ls2>LAB ，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10 m 的尾数为2 m，把两个光尺相加起来的读 数为2.047 m。 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。
m=m1-m2 Δm=Δm1-Δm2 fs =fs1- fs2 C为光速
6
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。