4.2 相位法测距汇总
电磁波测距原理和其距离测量方式
D
2
c f1
1 2
f2 2
相位法测距的基本原理
▪ 相位法
间接测尺频率 相当于测尺频率 测尺长度 精度
f1=15MHZ
15MHZ
10m
1cm
f2=0.9f1
f1-f2=1.5MHZ 100m 10cm
f3=0.99f1 f4=0.999f1 f5=0.9999f1
f1-f3=150KHZ f1-f4=15KHZ f1-f5=1.5KHZ
相位法测距的基本原理
▪ 相位法
u D N 0 D u N
u增大，误差大
一组测尺： 精测尺保证精度 粗测尺保证测程
频率相差大 仪器不稳定
频率相近 频率差为测尺频率
测尺频率 15MHZ 1.5MHZ 150KHZ 15KHZ 1.5KHZ 测尺长度 10m 100m 1km 10km 100km
e1
Δφ
φ1 φ
ek e2
光波测距仪的检验
▪ 周期误差
▪ 改正计算公式
D0 d d 123
d n-1 n
▪ 平V台i 法 Asin(0 i )
D0 v0 D1z V1 K Asin(0 1) D0 v0 d D2z V2 K Asin(0 2 )
D0 v0 39d D40z V40 K Asin(0 40 )
1
D1z
2
360
i
1
d
(i
1)
2
360
1
(i
1)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
相位式激光测距原理及其技术实现
m=m1-m2 Δm=Δm1-Δm2 fs =fs1- fs2 C为光速
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。
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。
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相位式激光测距原理及其技术实现
相位式激光测距原理分析（1）
原理示意图：
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)
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)
相位法激光测距的理论设计（综合最新版）
相位法激光测距的理论设计（综合最新版）第一篇：相位法激光测距的理论设计(综合最新版)相位法激光测距的理论设计摘要本文介绍了半导体激光技术,并在传统的相位法激光测距原理的基础上, 参考激光测距光学系统设计,运用数字相关检测的测量方法，提出一种把直接数字频率合成(DDS)技术和数字信号处理(DSP)技术相结合的新的相位激光测距理论设计，这种设计有助于简化电路、提高相位测距的精度。
关键词：相位激光测距，数字相关检测，数字信号Phase Type Laser Ranging Theoretical Design This article introduced the semiconductor laser technology, and in the traditional phase laser ranging principle foundation, the reference laser ranging optical system design, Using digital correlation detection measuring technique,proposing one kind the new phase laser ranging theoretical design which(DDS)technical and the digital signal processing(DSP)the technology unifies the direct digital frequency synthesis, for could overcome in the traditional phase range finder method the precision to enhance, the measuring range with difficulty difficulty with increases, the electric circuittoo is complex and so on the shortcoming provides has been possible to supply the reference the theoretical design.Key word：PHASE LASER RANGING，DIGITAL CORRELATION DETECTION，DIGITAL SIGNAL目录第一章引言 (4)第二章国内外研究状况.................................................................................................5 第三章激光测距光学系统 (7)3． 1 激光测距仪的系统结构.........................................................................................7 3．2光学系统图示..........................................................................................................8 3．3 光学系统设计主要部件功能与作用.....................................................................9 3．4 主要参考性能数据...............................................................................................10 第四章数字相关检测技术改进方法设计. (11)4． 1 激光相位式测距的基本原理.............................................................................11 4．2 数字信号处理(DSP)的简述 (13)4.2.1 数字信号处理的主要研究内容....................................................................14 4.2.2 测试信号数字化处理的基本步骤................................................................14 4.2.3 数字处理信号的优势....................................................................................15 4．3 直接数字频率合成技术 (15)4.3.1 DDS的基本工作原理....................................................................................16 4．4 改进的数字测相的框图设计...............................................................................16 第五章小结. (22)参考文献.............................................................................................................23 致谢........................................................................................................................... (24)第一章引言第一章引言激光，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。
相位式光电测距仪的工作原理
§4.2 相位式光电测距仪的工作原理相位式光电测距仪的种类较多，但其基本的工作原理是相同的。
本节将讨论相位式光电测距仪的工作原理，并着重介绍它的几个主要部件的工作原理。
4.2.1 相位式光电测距仪的工作原理相位式光电测距仪的工作原理可按图4-4所示的方框图来说明。
图4-4由光源所发出的光波（红外光或激光），进入调制器后，被来自主控振荡器（简称主振）的高频测距信号所调制1f ，成为调幅波。
这种调幅波经外光路进入接收器，会聚在光电器件上，光信号立即转化为电信号。
这个电信号就是调幅波往返于测线后经过解调的高颇测距信号，它的相位已延迟了Φ。
∆Φ+⨯=ΦN π2这个高频测距信号与来自本机振荡器（简称本振）的高频信号1f '经测距信号混频器进行光电混频，经过选频放大后得到一个低频（11f f f '-=∆）测距信号，用D e 表示。
D e 仍保留了高频测距信号原有的相位延迟∆Φ+⨯=ΦN π2。
为了进行比相，主振高频测距信号的一1f 部分称为参考信号与本振高频信号1f '同时送入参考信号混频器，经过选频放大后，得到可作为比相基准的低频（11f f f '-=∆）参考信号，0e 表示，由于没有经0e 过往返测线的路程，所以不存在0e 象中产生的D e 那一相位延迟Φ。
因此，D e 和同时送人0e 相位器采用数字测相技术进行相位比较，在显示器上将显示出测距信号往返于测线的相位延迟结果。
当采用一个测尺频率时1f ，显示器上就只有不足一周的相位差∆Φ所相应的测距尾数，超过一周的整周数所相N 应的测距整尺数就无法知道，为此，相位式测距仪的主振和本振二个部件中还包含一组粗测尺的振荡频率，即主振频率 32,f f 和本振频率 32,f f ''。
相位测距原理
相位测距原理相位测距是一种常见的测距方法，它利用波的相位变化来实现测距。
在相位测距中，我们通常使用电磁波或激光作为传感器，通过测量波的相位变化来计算目标物体与传感器之间的距离。
相位测距原理基于波的传播速度和波长的关系，通过测量波的相位变化来确定距离，具有高精度和远距离测量的优点，因此在许多领域得到了广泛应用。
首先，让我们来了解一下相位测距的基本原理。
在相位测距中，我们通常使用连续波或调制波来发送信号。
当这些波与目标物体相互作用时，它们的相位会发生变化。
通过测量波的相位变化，我们可以计算出目标物体与传感器之间的距离。
在实际应用中，我们通常会使用相位差来表示距离，通过测量波的相位差来计算出目标物体与传感器之间的距离。
在相位测距中，我们需要考虑波的传播速度和波长的关系。
波的传播速度是一个常数，而波长则取决于波的频率。
通过测量波的相位变化，我们可以确定波长的变化，进而计算出距离的变化。
因此，相位测距原理是基于波长的变化来实现距离的测量。
除了波长的变化，相位测距还需要考虑波的相位变化。
在相位测距中，我们通常会使用相位差来表示距离。
相位差是指两个波的相位之差，通过测量相位差的变化，我们可以计算出目标物体与传感器之间的距离。
因此，相位测距原理是基于相位差的变化来实现距离的测量。
在实际应用中，相位测距可以通过多种方式来实现。
例如，我们可以使用光学传感器来发送激光，并通过测量激光的相位变化来计算距离。
我们也可以使用雷达来发送电磁波，并通过测量电磁波的相位变化来实现距离的测量。
无论是光学传感器还是雷达，相位测距都可以实现高精度和远距离的测量，因此在许多领域得到了广泛应用。
总之，相位测距原理是一种基于波的相位变化来实现距离测量的方法。
通过测量波的相位变化和相位差的变化，我们可以计算出目标物体与传感器之间的距禿。
相位测距具有高精度和远距离测量的优点，在许多领域得到了广泛应用。
希望通过本文的介绍，读者对相位测距原理有了更深入的了解。
《相位法激光测距仪设计》
《相位法激光测距仪设计》（原创实用版）目录一、引言二、相位法激光测距仪的原理与结构1.相位法激光测距仪的工作原理2.相位法激光测距仪的结构组成三、相位法激光测距仪的关键技术1.欠采样技术与同步检测原理2.晶体滤波器和直接数字频率合成计3.数字鉴相器的设计四、相位法激光测距仪的性能提升1.整体结构和性能的改进2.数字化与自动化程度的提高3.测距仪适用性的增强五、结论正文一、引言激光测距仪是一种非接触式的测量仪器，它可以通过激光束来测量目标物体的距离。
根据测距方法的不同，激光测距仪可以分为相位法激光测距仪和脉冲法激光测距仪两类。
相位法激光测距仪利用检测发射光和反射光空间传播中的相位差来检测距离，具有较高的精度和较远的测量范围。
因此，在许多应用场合，相位法激光测距仪已经成为了首选的测距工具。
本文将从相位法激光测距仪的原理、结构、关键技术以及性能提升等方面进行详细介绍。
二、相位法激光测距仪的原理与结构（一）相位法激光测距仪的工作原理相位法激光测距仪的工作原理是利用激光器发出一束激光，经过调制后射向目标物体，然后通过接收器接收目标物体反射回的激光束。
在接收过程中，通过检测发射光和反射光之间的相位差来计算目标物体与测量仪器之间的距离。
具体来说，相位法激光测距仪通过测量激光束的发射和接收之间的时间差，结合光速，可以计算出目标物体与测量仪器之间的距离。
（二）相位法激光测距仪的结构组成相位法激光测距仪主要由激光器、调制器、发射器、接收器、相位检测器和数据处理器等组成。
激光器负责发射激光束，调制器负责对激光束进行调制，发射器负责将激光束射向目标物体，接收器负责接收目标物体反射回的激光束，相位检测器负责检测发射光和反射光之间的相位差，数据处理器负责对检测到的相位差进行处理，从而计算出目标物体与测量仪器之间的距离。
三、相位法激光测距仪的关键技术（一）欠采样技术与同步检测原理在相位法激光测距仪中，欠采样技术与同步检测原理是一种常用的测相方法。
多载频相位法测距
多载频相位法测距
多载频相位法测距是一种基于相位测量的高精度测距技术。
与传统的单一载频相位法测距相比，多载频相位法测距通过使用多个不同的载频信号进行测距，可以有效地提高测距精度和可靠性。
相位法测距的基本原理是通过测量发射信号与接收信号之间的相位差来确定目标距离。
当发射信号经过目标反射后，由于传播路径上的时间延迟，接收信号的相位会发生变化。
通过测量这个相位差，可以计算出目标距离。
在多载频相位法测距中，系统使用多个不同的载频信号进行发射和接收。
每个载频信号都具有不同的波长和相位特性。
当信号经过目标反射后，系统会同时接收到多个载频信号的反射信号。
通过对这些反射信号进行相位测量，可以得到多个相位差值。
由于不同载频信号的波长不同，它们在相同距离上产生的相位差也不同。
因此，通过比较不同载频信号的相位差值，可以消除由于系统误差、多径效应等因素引起的误差，从而提高测距精度。
此外，多载频相位法测距还可以通过优化算法和数据处理技术进一步提高测距性能。
例如，可以利用最小二乘法等数学方法对多个相位差值进行拟合，得到更精确的测距结果。
同时，还可以采用多径抑制、抗干扰等技术来降低干扰因素对测距精度的影响。
总之，多载频相位法测距是一种高精度、高可靠性的测距技术，广泛应用于各种需要精确测量距离的场景，如无人机导航、卫星定位、雷达探测等领域。
1。
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。
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u1T cos(2f 1t 1 ) u 2T cos(2f 2 t 2 )
4f 1 R0 u1R cos2 ( f 1 f d 1 )t 1 c 4f 2 R0 u2 R cos2 ( f 2 f d 2 )t 2 c
用测量两个分开频率间的相位差方法进行测距，类似于干涉仪天线那样利用间隔 很远的两部天线，通过测量相位差来测量角度。干涉仪天线测角精度高，但有角 度模糊，可利用安置在较近的附近天线解决模糊问题。在干涉仪天线系统中各个 天线间的空间配置相应于多频测距技术中频率间的间隔。
连续波多频雷达已广泛应用于大地测量和导弹制导中进行精确测距。命名为微波 测距仪的一种便携式电子勘测设备就是根据这个原理工作的。
2018/10/31
哈尔滨工业大学电子工程系
2
单频连续波的相位法测距
前面讲过简单的连续波雷达不能测距，但在一些情况下测量回波信号与 发射信号间的相对相位进行测距也是可能的，下面具体分析：
2018/10/31
哈尔滨工业大学电子工程系
3
单频连续波相位法测距
发射机 A 设单基地雷达位于A点，目标位于B点，两者 距离R，若发射、接收信号分别为：
目标B
u1 (t ) cos( 0 t 0 )
接收机
2R u2 u1 (t ) cos( 0t 0 0 ) c 式中 0 是发射信号的初始相位，发射信号与
目标回波的相位差：
1 2 0
相位计
2R c
相位法测距1 哈尔滨工业大学电子工程系 8
相位调制连续波雷达
调相连续波雷达系统采用每经τ秒便将离散相移加至发射的连续波信号的方 法来形成相位编码波形，以测量目标的距离。 下面讨论宽度为T的雷达发射脉冲的编码，将宽度分成N个子脉冲，每个宽 度为τ =T/N，然后用载波的相位对这些子脉冲进行编码。通常有两种类型的相位 编码技术： 二进制相位(双相)码：可简单地用正号+、负号-表示，正子脉冲标志表示没有相 移，而负脉冲标志表示载波有π弧度的相移，即反相。 多相位码：在子脉冲基础上的相移为 i
相位法测距
1、相位法测距原理
2、单频连续波相位法测距问题及其改进（双/多频）
3、相位调制连续波雷达 双相码：Barker码、组合式Barker码
最佳长度二进制序列
伪随机码（产生及分析方法） 多相码：Frank码 4、相位调制连续波雷达测距实现方法
相位法测距原理
通过测量回波信号的相位并与发射信号的相 位进行比较或运算实现测距。 数学等价： 频率与相位互为导数、积分的确定数学关系，两 者的变化可相互转换，只不过表示、处理的方式 有所不同而已。
2 i M
i 0,1,, M 1
式中 1 , 2 是各发射信号的初始相位，目标初始距离为R0、径向速度为vr，多普 勒频率fd1=2vr/λ1，fd2=2vr/λ2。由于f2=f1+∆f，∆f<<f1，则fd1≈fd2=fd。接收机将两个 回波信号分选出来，并分别与各自对应的发射波形进行差拍，取出两个多普勒频 率成分为：
4f 1 R0 u1D cos2f d t c 4f 2 R0 u2 D cos2f d t c
2018/10/31
相位差
4 ( f 2 f1 ) R0 4fR0 c c
哈尔滨工业大学电子工程系
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R0
c 4f
最大无模糊距离
R max
c 2 f
结论：双频连续波雷达最大无模糊距离为差频的半波长。 c R 4f 定性解释： 在零距离上两个载频同相位，当它们由雷达向外发射时，由于各自频率不 同，故两信号间相对相位差增加。此相位差可用作所经过的时间的量度。当两信 号在相位上相差又同相时，则相位的测量及距离的测量都将存在模糊。 缺点： 1、由于在同时只能测量一个相位差，故连续波双频雷达基本上是单目标雷达。 2、双频连续波雷达理论测距精度由距离的均方根值误差表示为： c R 4f (2 E N 0 ) 1 2 上式表明两射频信号频率差∆f越大则均方根值误差越小，但由于无模糊测量要求 频差不能太大，故∆f的选择必须在测距精度、最大不模糊距离间取折衷(一对矛 盾)——采用多频方案加以解决。
R
c 4f 0 4
2018/10/31
哈尔滨工业大学电子工程系
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单频连续波相位法测距
只有在 不超过 2 时相位差的测量才是不模糊的，由此可得最大无模 糊距离为 2 。对雷达频率而言，此无模糊距离太小，没有实际意义。 实际中目标回波信号中还存在一个由于目标反射引起的相位变化量，此 量是未知的，故简单连续波雷达不能直接用来测距。
D.K. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 1998
2018/10/31 哈尔滨工业大学电子工程系 5
双载频连续波相位法测距
采用发射多频信号可增大最大无模糊距离。下面分析两个频率相差很小的连续波 信号情形——假设发射波形包含两个频率为f1、f2，两频率差∆f的连续正弦波 ：
2018/10/31
哈尔滨工业大学电子工程系
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多频连续波相位法测距
利用发射三个或更多的频率代替两个频率可同时获得高精度和大的不模糊距离测 量。例如发射三个频率f1、f2、f3的关系为：
f3-f1=k(f2-f1)
式中k一般为10-20数量级的因子 这样，一对频率f3、f1给出模糊但精确的距离计量，同时另一对频率f2、f1选的很 接近以解决在f3、f1测量时的模糊。如果还需进一步提高精度，可发射第四个频 率f4，从三个频率f1、f2、f3得到低精度但不模糊的测量用以解模糊。当用更多的 频率时其频谱和目标鉴别力将接近于用脉冲或连续波调频波形所得到的值。