相位法激光测距的理论设计 (1)

差频测相电路的实现，既可以使用模拟鉴相电路也可以使用数字测相电路。传统的模拟鉴相电路存在体积大、电路结构复杂、功耗大、使用不便捷等缺点，因此，现代激光测距的鉴相大多采用数字鉴相电路，数字鉴相电路结构简单，测量精度高而得到广泛应用。差频数字测相结构框图如图所示。
图数字测相结构框图
数字测相电路使用频率合成器产生主频和本振信号，经过混频后的信号通过A/D
位不变，进而对低频信号进行相位差测量，这就是差频测相。差频测相原理框图如图
所示。
调制激光的调制信号为主频信号，设主频信号为：
本振信号为：
激光发射传播一段距离后的接收信号为：
反馈信号经过混频电路后的信号为：
接收信号经过混频电路后的信号为：
由上式可知，混频后的两路信号的相位差与混频前两路信号的相位差相同，这就是混频电路只改变频率而相位不改变的原理。所以，在相位式激光测距系统电路中加入差频测相，既可以保证数据采集的便携，又能提高距离测量的精度。
别找到这两个信号的主谱线，两个信号主谱线所对应的相位差就是两个信号的相位差。
相位式激光测距系统原理框图如图所示。系统主要由控制模块、锁相Hale Waihona Puke BaiduPLL时
最后由检相电路来检测相位差φ,即可得到时间差t=φ/2πfs，距离L=cφ/2πfs。
相位式激光测距的核心就是测量反馈回路和接收回路两路信号的相位差，相位测量的误差大小直接决定距离测量的精度[23]。在实际的相位差测量中，要采用数据采集模
块对反馈和接收两路信号进行数据采集，由于调制激光的调制信号频率高，数据采集要
单测距的仪器都采用强制归心基座可与经纬仪交替使用,以利于边角测量和导线测量的实施,这类仪器也可采用激光光源。角、距结合的仪器有二种:一种是测距系统作为经纬仪的附件,积木式装在经纬仪上,将自动测距与经纬仪测角相结合直接为水平距离并能作坐标差Dx、Dy的计算.如DI-3及DI-3S;另一种能将自动测距与光学测微器
据近年的资料,国外用于大地测量、城市和工程测量的各类光电测距仪约15000多台。其中,长程及中程各占1/4,短程测距仪占1/2。许多工业发达国家已把各种激光测距仪红外测距仪作为标准设备,装备测量作业队。
近年来，中长程激光测距仪的技术发展有以下特点:（1）普遍采用He -Ne激光光源,功率为1～5mW;（2）普遍采用新颖的高效调制器,如ADP(磷酸二氢铵NH4H2PO4), KDP(磷酸二氢钾(KH2PO4)), KD*P(磷酸二氘钾(KD2PO4))等；（3）向自动化和数字化方向发展。中远程激光测距仪的精度主要是受到比例误差的限制,这是值得注意的。如美国的Geodolit-3G远程激光测距仪,其数字测相的分辨力达± mm,其固定误差为± mm,但它的比例误差仍有1 mm/km[2]。为获得测线的平均气温,气压、湿度误差影响￡1mm/km，还需要用飞机沿测线作气象测定,这对作业无疑是不方便的。对比之下, ± mm的测相分辨力,对于单色激光的远程测距,并不必需。
激光和普通光的根本不同在于它是一种有很高光子简并度的光。光子简并度可以理解为具有相同模式(或波型、位相、波长)的光子数目,即具有相同状态的光子数目。这些特性使激光具有良好的准直性及非常小的发散角,使仪器可进行点对点的测量,适应非常狭小和复杂的测量环境。激光测距仪就是利用激光良好的准直性及非常小的发散角度来测量距离的一种仪器。激光在A、B两点间往返一次所需时间为t,则A、B两点间距离D可表示为: D=c·t /2,式中, c为光在大气中传播的速度。由于光速极快,对于一个不太大的D来说, t是一个很小的量。如:假设D=15km,c= 3×105km / s,则t= 5×10- 5s。由测距公式可知,如何精确测量出时间t的值是测距的关键。
相位法激光测距的设计
电子工程学院
詹雪娇59
史歌81
第一章 引言
激光，是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。物理学家把产生激光的机理溯源到1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时提出的假说，即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程[1]。
因此两信号相位差亦可表示为：
相关分析鉴相法的离散时间可表示为：
把上述公式可得到两数字信号的相位差。
（2）向量内积鉴相法的基本原理，内积鉴相法用于求一个信号与初始相位为零的
信号的相位差，向量内积鉴相法是通过傅里叶变换推导出来的。
其中n为采样点数，fs为采样频率，则信号相位转换成数字信号的相位为：
（3）基于FFT数字鉴相法原理就是首先对所求的两个信号分别进行FFT运算，分
3)假设干扰噪声为0。
设主频率信号S1=Acos( wst ) ,参考频率信号S2=Bcos( wоt ) ,且fs>f0,那么接收的信号应该为R=Ccos( ws+φ) 。式中:φ表示相位变化,那么经过混频器和低通滤波器的信号分别为：
E1=Dcos[ ( ws-wо)t ] ,
E2=Ecos[ ( ws-wо)t+φ]。
满足奈奎斯特采样定理，即对数据采集模块的采样频率的要求就很高，不利于数据采集。
其次，相位变化与信号的频率相关，即频率越低，周期就越长，相位变化所需要的时间
就越长，更方便测量信号的相位，因此对于低频信号的测相精度要高于高频信号的测相
精度。基于上述两方面原因，需要把高频信号转换成低频信号且转换后的低频信号的相
所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称。30多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，利用激光技术不仅研制了各个特色的多种多样的激光器，而且随着激光应用领域不断拓展，形成了激光唱盘唱机、激光医疗、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新兴产业。激光技术的飞速发展，使其成为当今新技术革命的先锋！
测距仪相关检测技术是信号检测领域里一种重要工具,它能在低信噪比的情况下提取出有用的信号,具有较强的抗噪声的能力,如同频域里的谱分析一样,时域里的相关分析几乎在信号的所有领域里都有应用,例如图像处理、卫星遥感、雷达及超声探测、医学和通信工程等。
在此本文设计一种新型的激光相位式测距仪,它将现代数字信号处理技术应用于测距系统,利用数字信号处理芯片的强大的数据运算功能,对采集的信号进行数字相关运算,计算出测量信号与参考信号的相位差,继而得到距离值。
图为典型的模拟测相电路的原理图[8]：
图模拟测相电路原理图
Fig.the simulation measures the electric circuit schematic diagram
为讨论方便,这里作如下假设：
1)设主频率信号和参考频率信号的初始相位为0°。
2)测量的距离小于c2/fs(一般称为光尺) ，这里c为光速，约等于0m/s ,fs为调制频率。
激光测距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。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间,如图所示。
图 测距相位示意图
range finder phase schematic drawing
相位式激光测距一般应用在精密测距中。由于其精度高,一般为毫米级,为了有效地反射信号,并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上,对这种测距仪大多配置了被称为合作目标的反射镜。
做详细的论述。
光以速度c在大气中传播，在A、B两点间往返一次所需时间与距离的关系可表示为：L=ct/2。
上式中L─—待测两点A、B间的直线距离；c─—光在大气中传播的速度；t─—光往返AB一次所需时间。由上式可知，距离测量实质是对光在AB间传播时间的测量。由于对时间测量不够精确，所以将对时间的测量转化为对相位差的测量。相位差的测量可以达到很高的精度，故而距离的测量也就达到了很高的精度[7]。
短程测距仪的精度主要是提高测相精度,因为这类仪器的测程多数在1～2km之内,相对远距离来说其比例误差的影响不是主要因素。短程测距仪的精度主要影响是固定误差,而固定误差中又是测相误差占主要地位,因此,减少测相误差,是研制高精度短程相位测距仪的关键。然而在一定的测相精度下,提高调制频率是一个行之有效的措施。
由于测量时间t的方法不同,便产生了两种测距方法:脉冲测距和相位测距。其中相位测距更加精确[1]。
第二章 国内外研究状况
相位式激光测距技术的研究起始于20世纪60年代末,到80年代中期陆续解决了激光器件、光学系统及信号处理电路中的关键技术,80年代后期转入应用研究阶段,并研制出了各种不同用途的样机,90年代中期,各种成熟的产品不断出现,预计近期将是其应用产品大发展的阶段,在中、近程激光测距应用方面有取代YAG激光的趋势。随着激光技术的发展,应用激光作精密光波测距系统的光源,是现代测量仪器的一个显着特点。
第三章 相位法激光测距技术改进方法设计
相位法激光测距是利用发射的调制光与被测目标反射的接收光之间光强的相位差所含的距离信息来实现对被测目标距离的测量。由于采用调制和差频测相技术,具有测量精度高的优点,广泛用于有合作目标的精密测距场合。激光相位式测距仪由于其测量精度高而被广泛地应用于军事、科学技术、生产建设等领域。相位式测距仪的基本原理是通过测量连续调幅信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟,来间接地测定信号传播时间,从而求得被测距离.因此,信号相位测量的精度也就决定了激光测距仪的精度[6]。
3
传统的相位法激光测距机,为了提高测量精度,通常需要把激光调制频率提高到几十兆甚至几百兆；为了增大量程,通常把激光调制频率降低到几兆甚至更低;为了提高测量相位的精度,通常把发射信号和回波信号与本振混频进行移相和鉴相测相。如要同时实现高精度和大量程,则需要多组激光调制频率,且随着测量精度的提高,调制频率会不断的提高,这些对电路性能要求会越来越高,电路的复杂度也会随之增大,各个信号之间的串扰会随之严重,这给高精度激光测距机的设计和制造带来很大的困难。为了克服这些困难,本文提出了一种把直接数字合成(DDS)技术与数字信号处理器(DSP)相结合的激光测距方法,利用DSP强大的实时信号处理的特点和DDS器件能在一定带宽内产生任意频率的特点,只需把调制频率限制在10兆赫兹以内就可以达到很高的测量精度和很大的量程,而且在工作量提供了一定的理论设计[6]。本文就其基本原理,系统框图和误差分析
采样进入数字信号处理器，把模拟信号的相位检测转换成数字测相，并利用DSP
强大的数据处理能力，完成两路信号的相位计算，提高了相位测量的精度和速度。数字测相电路测量精度高、实时性好。
数字鉴相使用计算机或者微处理器作为鉴相的核心单元，大大简化了鉴相电路结
构，并且成本低廉，精度高，抗干扰能力强。常见的数字鉴相方法有相关分析鉴相法、
向量内积鉴相法、基于FFT数字鉴相法。
（1）相关分析鉴相法中，如果两个信号分别为：
其中，φ为两信号的相位差，N1(t),N2(t)表示噪声信号。两信号的相关函数为：
鉴相信号和噪声信号是不相关的，且不同噪声信号也是互不相关，因此可以得到：
因此，可求得相位：
根据自相关函数和信号幅值之间的关系，可得到如下关系式：
读数测角一并设计的整体型仪器,为光电测距经纬仪,如SM11[2]。
测角、测距、计算三结合的仪器(如AG710)分主机和数据处理二个部件。测角部分采用编码度盘,角度和距离一样都能自动数字显示。自动归算的功能包括自动计算水平距离、高差,自动进行气象修正以及自动算出相对于测站的待定点极坐标,并能自动记录在孔纸带上。所以这类仪器又称为电子速测仪。这类仪器的应用与普及,将使传统的城市测量工程勘测、小区域的地形测量技术为之大大改观,它把测距、测角、测高和计算在一台仪器上结合起来,从而在测站上仅几秒钟之内就直接获得测量点的坐标,并利用穿孔纸带为自动绘制地形图、断面图迅速提供了大量的原始资料。
短程的光波测距仪通常以砷化镓半导体(GaAs)红外波段激光源的红外测距仪为主,实用上也有少量采用He -Ne激光作光源。这类仪器普遍在向自动化、数字化与小型化、一机多能的方向发展。按仪器的功能可分为单测距仪器,测角与测距相结合的仪器,测距、测角与计算三结合仪器(电子速测仪)及高精度的短程测距仪这四类。