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 (5)

2.相位式激光测距仪的实现原理 (7)

3.激光测距仪的原理方案 (9)

3.1 直接测尺频率 (9)

3.2 间接测尺频率 (9)

4.测距精度的分析 (12)

4.1 误差分析 (12)

4.2精度分析 (14)

5.总结 (15)

6.参考文献 (16)

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

设主控振荡器的信号为

cos()d s s e A t ω?=+ 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 ω???=++ 2-2 ??表示相位变化。设基准振动器信号为

cos()l l l e C t ω?=+ 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 ωω??=-+- 2-4

cos[()()]

m s l s l e E t ωω????=-+-+ 2-5 用相位检测电路测出这两个混频信号相位差'???=?。可见，差频后得到的两个低频信号的相位差'??直接测量高频调制信号的相位差??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 ?π

???=??-??=?=?-? 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1??和2??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??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。

4.测距精度的分析

4.1 误差分析

测距仪的误差有以下两大类：

第一类是与距离远近有关的误差，如0,,c n f m m m 及不变的误差如K m ，称为系统误差，它们是构成了仪器精度指标中的比例误差。

另一类是与距离远近无关，而且随即变化的误差，如,,g R m m m ?称为偶然误差，即仪器精度指标中的固定误差部分。

而周期误差虽属于系统误差，但却是一种特殊的误差。

以下讨论几种主要的误差：

4.1.1主控晶体振荡器的频率误差f m

测距仪中的主振频率误差，主要指精测频率误差而言，因为它决定了仪器的测距精度。此项误差包括两方面，即频率的校准误差和频率的飘移误差，前者取决于频率的准确度，后者则取决于频率的稳定度。当用高精度的频率计作频率校准时，频率的校准误差可忽略不计。

产生频率漂移的原因有：震荡线路原件性能的变化，晶体老化或质量欠佳，有恒温装置的仪器，预热时间不够，恒温范围过大，无恒温装置的仪器，由于温度变化引起频率漂移，电源电压不足或不稳。

可通过采用加恒温措施或晶体温度补偿以及电子线路设计上的锁频或锁相等办法来减弱频率漂移的影响

4.1.2测相误差m ?

测相误差包括：移相器或数字相位计的原理误差，瞄准误差，幅相误差以及有信噪比决定的误差。以上误差是测距仪的瞄准误差，也是目前测距仪误差的主要来源，为了减小瞄准误差，一方面要提高调制器或发光管的制造工艺，一提高它的空间相位均匀性。也可在短程测距仪GaAs发光管前加混相措施一提高发射的光束的相位均匀性。

4.1.3周期误差z m

自动数字测距仪的周期误差

这类误差主要来源于仪器内部固定信号的串扰。若果发射信号形成固定不变的串扰信号，使得相位计测得的相位差附加上了串扰信号的附加相位移。即相位计实际测量的是测距信号与串扰信号之合成信号的相位移，这就引起了差距误差。

减小此类误差的措施主要有：在设计。制造时，采用合理的电子开关，发射和接受系统等的电子线路要单独设立电源：加强屏蔽，防止信号通过地线或空间发生耦合串扰。

移相-鉴相法测相测井愿意的周期误差

这一类一起出了固定串扰信号能产生周期误差外，由感移相器的非线性RC 网络失调以及输入信号的频率偏离移相器的固有频率等原因均可引起周期误差。解决此类误差的措施有：使输入移相器的信号频率与移相器的固有频率相符（可通过校正晶体振荡器的振荡频率）之后校正RC网络，使得

ω=。

1

R c

4.2精度分析

4.2.1精度分析

由于相位测量是影响其精度的主要原因，故而本文只讨论由相位测量引起的测量误差的精度分析。

由第一主频1f 测量时，其测距精度公式为

111()2D L ?π?=?? 4-1

由第一辅频测量时，（因210.9f f =，有21910L L =）,其测距精度公式

222211()2()2(19)D L L L ?π?π?=??=??+ 4-2

显然，由同一相位测量仪测量时，测距精度2D ?相当于原来的基础上提高了9倍，而此时测距范围为10L1扩大了10倍。同理，若再用第二辅频3f 测量时，（因310.99f f =，有3199100L L =）

，精度公式为 333311()2()2(19)D L L L ?π?π?=??=??+ 4-3

精度在原来基础上提高了99倍，测距范围为100L 1，扩大了100倍。依此类推，依据主频和辅频的不同比例关系可以得到添加不同辅频时的精度公式。

4.2.2测距精度的提高

如某台仪器有两把测尺，精尺长 10 m ，粗尺长1000 m ，现各测得距离值为：

精测（用 10 m 测尺） 5.524 m

粗测（用 1 000 m 测尺） 866.6 m

显示距离 865.524 m

显示距离值是取粗测的百米、十米位与精测的米位及小数位组合而成。但是由于仪器本身存在各种误差，以及外界条件的影响，使得各测尺的测量值总带有误差，会造成距离衔接上的错误。

a) 米位数值很大，而粗测米位又是偏大的正误差

精测（用10 m测尺）9.958 m

粗测（用1000 m测尺）270.0 m

显示距离279.958 m

b) 米位数值很小，而粗测米位又是偏小的负误差

精测（用10 m测尺）0.058 m

粗测（用1000 m测尺）269.9 m

显示距离260.058 m

为了防止粗差，可以用“置中运算法”和“比较试探法”来有效地处理测尺衔接的问题。

5.总结

这个实验很有用，特别是对于我们电子类专业的学生，现在激光技术在工业、医疗、商业、科研、信息和军事等研究中应用的非常广泛。这是一次我们接触这方面的实验，在实验中我们将大学期间学习过的专业知识、matlab和word学以致用，同时此次实验也为我们提供了一个写论文的机会。我认为作为一名工科生，matlab和单片机是我们大学生活中的一个玩伴，通过这门课程的学习，我们已熟悉地掌握matlab的基本操作，同时对激光测距有

了基本的认识，更重要的是我们通过相互帮助，相互学习完成了这个实验，实验同时提高了我们的仿真能力。见到不少实验仪器，对实验的过程有了更全面的体会，注意到每一个实验都有各自的严谨性和特殊的方法。6.参考文献

主要参考资料：

[1] 郭培源, 付扬. 光电检测技术与应用（第二版）［M］.北京:北京航空航天大学出版

社, 2011.

[2] 张加良.相位法激光测距仪的研究[D]．西安：西安电子科技大学，2006

[3] 刘卫国.matlab程序设计教程（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社，2010