激光测距系统设计

目录

摘要

引言 (3)

1.1国内外研究现状 (3)

1.1.1国外研究现状 (4)

1.1.2国内研究现状 (5)

2.1课题主要研究内容 (5)

2.2相位法测距原理 (7)

3.1ΔΦ的测定 (11)

3.1.1 差频法测多普勒频移 (11)

4.1影响测量精度的因素及处理办法 (15)

5.1大气折射率误差 (18)

优点 (19)

参考文献

激光测距系统设计

摘要

本文主要介绍相位法激光测距基本原理, 详细论述了相位差的自动数字测量方法及其引起的误差.对单次检相的精度、频率漂移、大气折射率等对测距误差的影响进行了分析并提出了具体解决方法. 实现结果表明, 采用相位法测距精度可以达到±（5mm+5×10-6D）。

关键词: 激光测距; 相位; 精度

Abstract

The authors 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 ranging errors and put forward some special improvement methods The result of laser ranging realization show that

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adopting phase laser ranging can achieve the precision of ±（5mm+5×10-6D）.

Key words: laser range finding; phase; accuracy

1.1引言

激光多普勒测速技术是伴随着激光器的诞生而产生的一种新的测量技术，它是利用激光的多普勒效应来

对流体或固体速度进行测量的一种技术，广泛应用于军

事，航空，航天，机械，能源，冶金，水利，钢铁，计

量，医学，环保等领域。

激光多普勒测速仪是利用激光多普勒效应来测量流体或固体运动速度的一种仪器，通常由五个部分组成：激光器，入射光学单元，接收或收集光学单元，多普勒

信号处理器和数据处理系统或数据处理器，主要优点在

于非接触测量，线性特性，较高的空间分辨率,快速动态

响应及较宽的测量范围，由于采用近代光-电子学和微处

理机技术的LDV系统，可以比较容易地实现二维，三维

等流动的测量，并获得各种复杂流动结构的定量信息。

正因为该技术有如此多的优点，因此近些年得到了人们

的广发关注。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

20世纪中期，激光测距机是激光器在军事上最早应用的项目。世界上第一台激光测距机于1961年诞生在美国休斯

飞机公司，称为柯利达I型.经过30年的发展，军用激光测距机已更新了两代，研制发展了三代。第一代激光测距机采

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用发射0. 6943,cun红外红宝石激光器和光电倍增管探测器，是最早问世的激光测距机.20世纪70年代初期少量装备部队，如美国的AN/GVS-3、日本的70式，因其隐蔽性差、效率低、体积大、重量重、耗电多，很快便被第二代激光测距机取代。第二代激光测距机采用发射1. 06,tnn近红外钦激光器(主要

是Nd:YAG激光器，少数为钦玻璃激光器)和硅光电二极管或硅雪崩光电二极管探测器。第二代比第一代隐蔽性好、效率高、小巧、耗电少，因此第二代激光测距机的小型化研制进展迅速。第三代激光测距机，即人眼安全的激光测距机。目前已研制成工作波长为10. 6μm和1. 54μm的三种不同类型的各种型号的人眼安全激光测距机，己进入生产和应用阶段。与此同时，激光测距技术也逐渐应用到民事领域。从20世

纪70年代初至今的近30年，国外许多大学、研究机构和公司也开展了这方面的研究工作。

1.2.2国内研究现状

我国激光测距仪的研究始于20世纪50年代，是在原固体、气体激光测距机基础上，发展起来的。目前，基础技术已具备，主要是解决工程应用的问题，开发各种应用产品。1972年，北京光学仪器厂与武汉地震大队等联合研制成国内首台JCY-1型精密气体激光测距仪，1974年研制出了JCY-2型激光测距仪，测程为15-20 km，测距精度±(10mm + 1 ppm x D) 。

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He-Ne激光管，2. 5 mW，调制方式为石英超声外调制，采用了5种调制频率，测相采用手动方式，速度慢。1973-1976年，北京测绘仪器厂与北京大学、北京光学仪器厂、清华大学、国家测绘总局测绘科学研究所和北京市地质地形勘测处分别合作，先后研制成HGC-1型及DCH-1型红外测距仪，精度分别为±1. 5 mm和±5mm，测程分别为l km和1. 5 km。它们采用半导体激光器作为光源，直接内调制方式，2种调

制频率。测量时间分别为6.6s和10s。

2.1课题主要研究内容

本文主要任务是完成相位式激光测距技术的研究、设计。整个研究过程，理论分析与实验工作相结合，采取的研究方法为:查阅并收集资料、选择合适的器件，测距理论总体设计和各个部分电路的研究设计，从而给出了整个相位式半导体激光测距系统的电路系统实现方案。整个电路系统包括了四大部分，它们分别是:

(1) 半导体激光器的调制驱动电路，这部分采用高频正

弦信号对激光器的注入电流进行调制，使得激光器光强随注入电流而变化。

(2) 光电检测放大滤波电路，这部分采用P-I-N光电二

极管对激光信号进行探测。

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(3)锁相环频率综合电路，这部分先对锁相环原理作了简单介绍，然后应用高精度的频率计作频率校准,自动调节本机振荡频率, 确保用作检相的低频信号的频率稳定不变.

(4)利用数字测相系统进行测相，最后通过屏幕显示出来。

相位式激光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。相位式激光测距的原理框图如图2-5所示。它由激光发射系统、频率调制系统、回波接收系统、混频鉴相系统和计数显示系统等组成。激光信号由调制系统调制后，经被测物反射，接收系统将反射的光信号转换为电信号并进行放大,后转到混频器中进行混频，混频结果又进测中进行测相，最后通过屏幕显示出来。

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2.2相位法测距原理

设光源S相对观测者O以速度u移动，光源S所发出光波的固有频率为υ0，观测者O接收到的光波频

率为υ。假设t时刻光源S在距离观测者O 为r1处发出一组光信号，经传播，在t1时刻被观测者0所接收；tˊ时刻光源S在距离观测者O为r2处再次发出信号，经传播，在t2时刻被观测者O所接收〈见图1〉. 按照光速不变

原理，光的传播速度与光源相对观测者的运动无关，显然，由上述假设可以得到：

将上式（3）式（2）相减得到

需要明确的是，这里的t ﹑tˊ﹑t1﹑t2均是观测者O所在的实

验室坐标系的时钟所记录的时间。

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其中，t1﹑t2是观测者O所在处的一只时钟所记录的时间；t、tˊ则分别是位于r1、r2处的两只时钟记录的时间。光源S 在位置r1和位置r2连续两次发出光信号的时问间隔是一个周期T，即T=tˊ-t(这是分别位于r1、r2处的两只时钟所记录的时问)，观测者O所接收到的光信号周期为Tˊ，即Tˊ= t2- t1 (这是位于观测者O处的一只时钟所记录的时间)，由于T很短，(r2- r1)为一小量，由图中可知有如下近似关系:

将（5）式代到（4）式得到：

根据狭义相对论，在实验室坐标系的时钟所记录的时间不同于固连在光源坐标系的时钟所记录的固有时间，将发生所谓“时间膨胀”效应。即位于r2、r1处的两只时钟记录的时间间隔T=tˊ-t相对于光源发光的同有周期T0而言是发生了“膨胀”的时间，按照相对论的“时间膨胀”效应，T与T0的关系为：

将式(7)代入式(6)得到：

7

由于不同坐标系的观测者所观测光源发出光信号的数目是相同的。因此，由式(8)可得到对应的频率关系为:

上式即是光波多普勒效应的数学表达式。其中，υ0 是光源的固有频率，υ是观测者所接收的频率，u是光源相对观测者的运动速度，c是光在自由空间的传播速度。激光测距精度高, 速度快. 相位法激光测距是通过间接测定调制光信号在被测量距离上往返所需的时间t2D来计算距离D :

D = ( c / 2 ) t2D= (c / 2 ) (Φ/ 2πf ) ( l ) 式中: c为光波在空气中传播的速度; Φ为调制光信号经过被测距离D 而产生的相位移; f为信号的调制频率。

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在图1 中, A 表示调制光波的发射点, B 表示安置反

射器的地点, A’表示所发出的调制光波经反射器反射后

的接收地点. A- A’两点间的距离即是待测距离D 的2

倍. 如果调制光波长较短时,相位移为

Φ= N1λ1+Δψ1 (2 )

式中: N1表示相位移Φ中包含的2π的整数倍; Δψ1表示不是整周期2π的相位尾数,将上式代人式(l) 得

D=(c/2)×2π(N1+ΔN1)/ 2πf= N1×(c/2f1)+ ΔN1×

(c/2f1)= (N1+ΔN1) λ1/2=(N1+ΔN1)LΔ1

式中ΔN1=Δψ1/（2π）为小数; LΔ1=λ1/2称之为侧尺长度在实际应用中, 由于无法确定从而采用增大调制光波长的办法, 如果所采用的调制光波长几大于被测距离D 的2倍, 式(2) 中从将等于0, 如图中虚线所示.则式(3 )变为

9

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D =L ΔΔN=L ΔΔψ/(2π)

由式(4) 可知, 选定信号频率, 则测尺长度L Δ即为已知,

只要测出光信号经过2D 距离后的相位移ΔΦ即可测得距离

D 的值.

2.3 ΔΦ的测定

2.3.1差频法测多普勒频移

多普勒频移通常用来测量粒子的速度，只要测得频移量

20D ννν=-，即可求得物体的运动速度。但是，由于光的频率

太高，迄今尚无直接测量光频率的可能，故而通常采用光混

频技术，用混频后的差频信号来获取多普勒频移量。

设一束待测的散射光的频率为'ν，而另一束参考光的频

率为ν，光探测器分别接收到它们的电场（振幅）强度为：

1011cos(2')E E t πν?=+

2022cos(2)E E t πν?=+

将两束光在探测器表面处混频后，得到的合成电场强度为：

12011022cos(2')cos(2)E E E E t E t πν?πν?=+=+++

光强度为

11

22

122

011022222201102201021222220110220102120102() (cos(2')cos(2)) cos (2')cos (2))2cos(2')cos(2)

cos (2')cos (2))cos(2('))co I E E E E t E t E t E t E E t t E t E t E E t E E πν?πν?πν?πν?πν?πν?πν?πν?πνν??==+=+++=++++++=++++++++12s(2('))t πνν??-+- 实际测得的是光强度的时间平均值

2

22010201021211cos(2('))22I E E E E E t πνν??<>=<>=++-+- 在光探测器上输出的电流值是

2201020102121()()cos(2('))2i t k E E kE E t πνν??=++-+-

其中，k 是电流转换系数，是一个确定的比例常数。式

中的第一项是直流项，可以通过电路滤掉，第二项是交流项，其中的频差项(')νν-正是我们要测量的多普勒频移（12()?

?-的

影响可以通过电路移项去掉）。

按照参考光和照射运动物体的光源之间的频率关系，可

以把这种混频技术分为零差法和外差法。

零差法

用与照射运动物体的光源频率一致的光源作为参考光。如果物体速度为零，则多普勒频移为零，差频项为零，那么电路探测的信号将没有交流项。

外差法

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用与照射运动物体的光源频率不一致的另一种光源作为参考光。这时，即使物体运动速度为零，多普勒频移为零，而差频项不为零，探测的信号中仍然有交流项。

为了保证一定的测距精度, 激光信号的频率必须选得很高, 一般为十几MHz 一几百MHz . 如果在这样高的频率下直接对发射波和接收波进行相位比较, 电路中的寄生参量的影响将产生显著的附加相移, 降低测相精度; 为此, 采用差频法来测相, 即通过主振频率与本振频率混频, 变成中低频信号. 由于差频信号仍保持着原高频信号的相位关系, 测量中低频信号的相位就等于测量主振信号经2 D 距离后的相位延迟 .各主要电路单元及其相互之间的相位关系如图2 所示

.

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从图2 可以看出, 混频后得到的2 个中低频信号之间的相位差就是主振测量信号经2 倍距离D 后产生的相位延迟. 2 个中低频信号e r 和e m 的相位差ΔΦ为

ΔΦ=[(w 1+w 0)t+ψ1-ψ0] -[(w 1-w 0)t+ψ1-ψ0-2w 1t D ]= 2w 1t D 同时由于进人测量系统的中低频信号的频率比主振测量信号的频率降低了许多倍, 使得相位周期也扩展了许多倍, 这就大大地提高了测相精度, 有利于相位测量.

3.1影响测量精度的因素及处理办法

频率漂移

激光测距仪中的主振频率误差, 直接决定了仪器的测距精度. 它包括2 个方面: 频率的校准误差和频率的漂移误差. 当用高精度的频率计作频率校准时, 前者可忽略不计.

产生

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频率漂移的原因很多, 如振荡电路元件性能的变化、晶体老化或质量欠佳、温度变化、电源等. 如果只考虑频率误差, 由此引起的测距误差△D 为

△D / D =△f / f ( 7 )

式(7) 表明: 要使测距精度达到10-5 – 10-6

,则主振频率f 的稳定度也必须达到相同的量级.而一般石英晶体在-20 --50 ℃ 的温度范围内工作时, 较难达到此稳定度. 为此, 采用加恒温措施或晶体温度补偿, 以及电路设计上的锁频或锁相等办法来减弱频率漂移的影响. 锁相电路的作用在于自动调节本机振荡频率, 确保用作检相的低频信号的频率稳定不变.其工作原理如图4 所示

当被稳信号的频率与标准信号的频率有偏差时, 鉴相器便输出一个反映此偏差大小和方向的电压, 该偏差电压经直流放大器和双T 滤波器之后, 送至频率控制元件,

引起控

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制元件的电容发生变化, 从而相应地改变本机振荡器的频率, 使之达到标称频率值.

图2 中的相位计的实现方法有多种, 采用自动数字测相法不仅测距精度高, 速度快, 而且便于实现数据的测量、记录和处理的自动化. 它的原理框图如图3 所示.因为检相双稳态触发器(由RS 触发组成)需要负跳变触发使之翻转, 故在比相之前先将正弦波形的参考信号价与测距信号经过e m 通道1.

之后, 2 个方波信号分别加至检相触发器的R 、s 端. e r 方波的下降沿使触发器“ 置位”,Q 端输出高电平, 相当于用e r 方波的下降沿作为鉴相器的“开门”信号. 经过对应于相位差ΔΦ的一段时间之后, e m 方波的下降沿又使触发器“复位” 端输出低电平, 相当于用e m 方波的下降沿作为鉴相器的“ 关门”信号. 因此由检相触发器输出端所得到的检相脉冲宽度(即触发器的置位时间),

对应两比相信号的相位差

ΔΦ. 在触发器“置位”期间, 与门l 打开, 时标脉冲CP

可以通过它进人计数器. 所以计数器内所累计的时标脉冲

数就反映检相脉冲的宽度, 也即反映测距信号e m和参考信号

e r之间的相位差ΔΦ.计数器所计的单次检相的脉冲数m 为m，自动数字测相中影响单次检相精度的因素有检相触发器，与门电路的开关速度以及时标脉冲的频率等.检相触发器、与

门电路的开关速度愈高, 则检相精度也愈高.此外,被检相

信号波形的好坏对检相精度也有很大影响. 引起波形变坏

的主要原因是偶次谐波所造成的波形不对称.波形不对称会

引起信号在经过通道而进行放大整形时, 产生过零触发时

间的前后移动, 从而使检相触发器“置位”时间长短发生变化—即使检相脉冲宽度发生变化, 造成测距误差增大.为

了减小波形不对称的影响, 需要提高仪器性能, 降低噪音, 以及采用差分放大，限幅放大等措施, 以减小波形失真。

4.1大气折射率误差

大气折射率n 变化将使光波在大气中的传播速度发生变化, 从而影响测尺长度, 产生测距误差. 折射率误差△n 与测

距误差△D 有下述关系

△D/D=△n/n (4)

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式(4) 说明折射率的精度与测距精度相同, 且折射率误差对测距结果的影响是随距离而变的. 大气折射率主要受测量环境的温度、湿度和气压等因素的影响.因此需要实时地测量环境参数, 进行气象修正.对于GaA s半导体激光器, 在一般条件下, 折射率误差引起的测距偏差(气象改正值)可近似地用下式计算：

ΔD=（1.0Δt±0.4ΔP）×10-6(5)

式中: △t 为测量温度与标准气象条件下的温度差(℃); △P为测量气压与标准气象条件下的气压差(Pa ); 标准气象条件是P=1.01 × 105Pa , t = 15 ℃.按式(5) , 在短程测距的气象修正中, 如果温度每升高10℃, 则1km距离加1cm ; 如果气压每上升3.32 × 103Pa , 则1km 减少1cm。

5.1激光测速测距仪优点：

1. 属于非接触测量:激光会聚点就是测量探头。测量过程对流场无干扰,这对回旋流场尤为适用。也可很方便地在恶劣环境中如火焰、腐蚀性流体内进行测量。

2. 空间分辨率极高：目前测点可小于10-4mm，随着所用激光波长的减小，光路和聚焦元件性能的改进，还可以进一步缩小。已可测出直径10μm 中小部位流速。高的空间分辨率经常使用于边界层、薄层流体及狭通道场合的测量。

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3. 动态响应快：速度信号以光速传播，惯性极小，只要配以适当的信号处理机，可进行实时测量，是研究涡流、测量瞬时脉动速度的新方法。

4. 测量精度高：测量所采用的公式是一个精确的物理关系式，基本上与流体的其他特征（如温度、压力、密度及黏度）无关，通过光路计算和保证制造精确后，可不考虑光路系统误差，系统测量精度很高，因而可用他来校正其他类型测速仪器。

5. 测量量程大：因为频差与速度成简单线性关系，不论低速或高速都不需校正，他允许有很大的频移，目前已能测

0.1mm/s~2000m/s 的速度，这是普通测速仪不能比拟的。

6. 测量速度方向的灵敏性好：因光束分离器旋转时测点不变，所以可方便地测量任意方向的速度分量，并可用作常量二维流动的测量研究。激光多普勒测速仪本质上是利用检测流体中和流体以同一速度运动的微小颗粒的散射光来测定流体

速度的仪器，由此也带来一定的局限性：

1. 被测流体要有一定的透明度，管道要有透明窗口。

2. 在测纯净的水或空气速度时，必须由人工掺入适当的粒子作散射中心。

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3. 流速很高时要求提高激光输出功率，由于信号频率很高而使信号处理困难。

4. 价格较贵。

5. 使用时要有一定的防震要求，并使管道和光学系统无相对运动。

总之，激光多普勒测速和测距原理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来确定目标距离的原理进行测量的。

参考文献:

【1] 郭达志, 周丙申. 激光测距仪「M ]. 北京: 煤炭I一业出版社, 1978.

【2] 高林奎, 宋玮. 激光测距【M]. 北京: 人民铁道出版社,1977

【3]汪友生，徐小平.相位法激光测距的实现。北京工业大学

【4]王正行．近代物理学[M]．北京：北京大学出版社，1995．【5]路峻岭，汪荣宝．多普勒效应公式的简便推导[J]．大学物理，2005，(8)：25-27．

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