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相位测距[五篇材料]

第一篇：相位测距基于高精度测距的APD接收电路设计相位式测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，间接地测定信号传播时间，从而得到被测距离的。这种方法测量精度高，通常在毫米量级。2.1相位式激光测距技术2.1.1基本原理相位式激光测距的基本原理框图如图所示：相位法激光测距基本原理图它由激光发射系统、角反射器、接收系统、综合频率系统、混频鉴相系统和计数显示系统等组成。角反射器是一种三个反射面之间互成90°的光学棱镜，90°角要求有误差小于±2''的加工精度；它可以把射来的光线按原方向反射回去，即一个入射光射入后，不论入射角如何，经角反射器棱镜反射后的光线与入射光线平行。相位法激光测距技术就是利用发射的调制光和被目标反射的接收光之间光波的相位差所包含的距离信息来实现对被测目标距离量的测量。由于采用调制和差频测相技术，具有测量精度高的优点，广泛应用于有合作目标的精密测距场合。基本原理如下：相位式激光测距调制波形图设调制频率为f，幅度调制波形如图2.2所示，波长为式中c是光速，λ是调制波形的波长。由图可知，光波从A点传到B点的相移φ可表示为式中，m是零或正整数，Δm是个小数，A,B两点之间的距离L为式中，t表示光由A点传到B点所需时间。给出(2-3)式时已利用了(2-1)式和(2-2)式。由(2-3)式可知，如果测得光波相移φ中2π的整数m和小数Δm，就可由(2-3)式确定出被测距离L，所以调制光波被认为是相位式激光测距仪测量距离的一把度量标准，可以形象的称之为“光尺”。不过，用一台测距仪直接测量A和B两点光波传播的相移是非常困难的，因此采用在B点设置一个反射器(即所谓合作目标)，使从测距仪发出的光波经反射器反射再返回测距仪，然后由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量。图2.3示意地表示光波在距离L上往返一次后的相位变化。光波往返一次后的相位变化图为分析方便，假设测距仪的接收系统置A'，(实际上测距仪的发射和接收系统都是在A点)，并且AB=BA'，AA'=2L，如图2.3所示，则有或式中，m是零或正整数，Δm是小数。这时，Ls表示相应于半个调制周期内光波的传输距离，称之为测距仪的“电尺长度”。如果被测距离的概略值已经精确到电尺长度以内，即已经知道m的具体数值，则被测距离的精确值就要根据Δm也就是Δφ来确定。然而实际上经常是不知道被测距离的概略值，而只根据一个调制频率又无法确定整周期数m，因而不能唯一地确定被测距离。这个问题称为测距仪的多值性。由于相位测相技术只能测量出不足2π的相位尾数Δφ，即只能确定小数Δm=Δφ/2π，而不能确定出相位的整周期数m，因此，当距离上大于Ls时，仅用一把“光尺”是无法测定距离的。因此采用单一频率测距时，由于只能在一个电尺长度内测量，测距范围为Ls。图2.4光波经2L后的相位变化当距离L由此可知，如果被测距离较长，可降低调制频率，使得Ls>L即可确定距离L。但是由于测相系统存在的测相误差，使得所选用的Ls愈大时测距误差愈大。例如，如果测相系统的测相误差为1‰，则当测尺长度Ls=10m时，会引起lcm的距离误差，而当Ls=1000m时，所引起的误差就可达lm。所以，既能测长距离又要有较高的测距精度，解决的办法就是同时使用Ls不同的几把“光尺”。例如要测量584.76m的距离时，选用测尺长度Ls为1000m的调制光作为“粗尺”，而选用测尺长度Ls为10m的调制光作为“细尺”。假设测相系统的测相精度为1‰，则用Ls1可测得不足1000m的尾数584m，用Ls2可测得不足10m的尾数4.76m，将两者结合起来就可以得到584.76m。这样，用一组(两个或两个以上)测尺一起对距离L进行测量，就解决了测距仪高精度和长测程的矛盾，其中最短的测尺保证了必要的测距精度，最长的测尺则保证了测距仪的测程。3.2激光发射部分激光发射部分，包括激光调制信号（4MHz和40MHz两路信号）的产生、激光信号的产生和调制发射部分三个模块。3.2.1激光调制信号的产生发射部分最重要的是激光调制信号产生模块即电路中各个频率的产生模块，其中最主要部分包括锁相环的设计和基于CPLD和VHDL语言的分频器的设计。由总体框图可知，本系统中除了光频信号外，电路中一共出现五个不同频率的信号，即：主振1：fs1=40MHz，主振2fs2=4MHz，本振1：ft1=40.01MHz，本振2：ft2=4.01MHz和10KHz的混频输出信号，除了最后一个混频输出信号外，其他四个频率的信号都将在这个模块当中产生。其中，主振1（fs1）：由40MHz的有源晶振直接产生，这是整个系统频率产生的源，由系统框图可以看到，这个信号有四个功能：1)作为激光调制信号，用这个信号去调制激光器，产生40MHz的发射