相位法激光测距原理及算法详解
相位式激光测距原理及其技术实现
相位式激光测距技术实现（1）
一、激光调制的实现
由于采用多尺度测量，而且是运用间接测尺频 率方式和差频测相技术，这就要求系统必须有一套 高性能的频率发生装置，实现多种频率的高速切换。 而且为保证测量精度，要求频率发生器的精度很高。 传统的压控振荡器不仅频率稳定速度慢，而且频率 精度不高，不能胜任激光调制的任务。目前在电子 工程领域得到广泛应用的DDS(直接数字频率合成) 技术，非常适合作为这里对激光进行调制的频率源。
相位式激光测距技术实现（2）
DDS的原理框图
目前许多芯片公司都已生产了性能可观的DDS芯片， 如Standford公司的STEL2375，其最高工作频率可达 1GHz，输出信号带宽为400MHz，频率分辨力为mHz级。 可见，这些性能指标完全可以满足激光调制的需要。
相位式激光测距技术实现（3）
二、相位差测量的实现
相位式激光测距原理分析（4）
三、间接测尺原理（1）
上述的直接测尺频率方式在实际应用中会遇到频带过宽，测
相精度难以实现的问题。例如：要求测程100km，精度0.01m，
测相精度为1／1000，则对应的直接测尺长度为10150kHz，15MHz，频带宽近15MHz。
相位式激光测距原理分析（6）
四、相位差测量原理 （1）
主控振荡器信号 es1 =Acos(ωs t+ φs) 本地振荡器信号 el =Acos(ωl t+ φl) 接受到的信号 es2 =Acos(ωs t+ φs +Δφ)
相位式激光测距原理分析（7）
四、相位差测量原理（2）
混频后输出：
参考信号 er =Dcos[(ωs –ωl)t+(φs- φl)] 测距信号 es =Dcos[(ωs –ωl)t+(φs- φl)+ Δφ] 取ωs –ωl在几kHz到几十kHz，这样包含相位差信息的正弦信
相位式激光测距原理
相位式激光测距原理
相位式激光测距原理是一种利用光学原理测量物体距离的方法。
其基
本原理是将激光束发送到目标物体，经过反射后接收回来，然后根据
光的相位差计算出物体到激光测距仪的距离。
下面将会逐一讲解相位
式激光测距原理的详细内容。
1. 激光的发射
相位式激光测距仪通过激光器发射一束定向、单色、激光光束，将激
光传输到目标体上。
2. 激光的接收
激光的接收有两种方法，其中一种可以使用普通的接收型光电二极管
来完成，另一种则需要使用相位测量的方法。
3. 相位差的测量
通过对激光发射时和接收时的相位差进行测量，得到目标到发射点的
距离，这个距离与光的波长有关。
4. 数据的处理
将测得的距离进行处理后，即可得到精确的目标距离数据，同时在数
据处理的过程当中，还可以实现自动跟踪，提高了装置的实用性。
总之，相位式激光测距原理是一种非常先进和高精度的测距方法，其
原理也比较复杂，需要参考一定的物理学知识，而在工业、航空航天、军事等领域都有广泛的应用。
激光相位法测距页PPT文档
模拟开关切换电路
6、CPLD电路设计 具体的设计指标：电路I/O 口为LVTTL电平；计数频 率大于100MHZ 在该系统中，差频系统与检相系统都是在CPLD内部 实现
CPLDEPM240核心电路
7、单片机相关电路设计 单片机为ATM128
单片机及其外围电路
8、电源模块设计 整个系统所需的电源电压有+9V, +5V, -5V, +3.3V和 +1.8V。 其中+9V可由交流转直流的变压器提供，也可由蓄 电池提供，而其它电源则由+9V转化而来。 （1）+5V 电源 二极管为常用的1N5824，开关电压调节器LM2596
(4)接收部分使用PIN光电二极管，经前置放大后， 使用MFB带通滤波提取有用信号，精尺频率与粗尺 频率经过通道切换幵关后采用同一组放大整形电路， 减小系统复杂度，缩小电路板面积，节约成本。 (5)在高速CPLD内部实现参考信号与本振信号的差 频、测量信号与本振信号的差频，两个差频采用自
主要元件：两片AD9954（直接数字式频率合成器）， ATM128单片机， EPM--240T100C5N， 液晶显示器LCD12864，开关电容芯片LM2662 ，低压差电压调节芯片LM1117， LM2596-5.0（开关电压调节器）， 电平转换芯片MAX3232和DB9的串口线接口， 高速比较器芯片AD8611， 高速电流反馈宽带运放AD8001 单刀双掷（SPDT)模拟开关ADG636， 电压反馈放大器AD8045， 激光二极管BOS650010， 双路、宽带跨导运算放大器OPA2662
1、频率综和电路 具体设计指标：产生5MHz，50MHz, 5.001MHz, 50.0001MHz的频 率；可在低频与高频间快速切换；电压幅度为-500mV~500mV。
相位式激光测距仪原理
相位式激光测距仪原理激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示。
D=ct/2 式中：D——测站点A、B两点间距离；c——光在大气中传播的速度；t——光往返A、B一次所需的时间。
由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。
相位式激光测距仪相位式激光测距仪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测线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，如下图所示。
图为相位式激光测距仪测距原理图相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。
由于其精度高，一般为毫米级，为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。
若调制光角频率为ω，在待测量距离D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/ω 将此关系代入上式距离D可表示为：D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω=c/(4πf) (Nπ+Δφ)=c/4f (N+ΔN)=U(N+)式中：φ——信号往返测线一次产生的总的相位延迟。
ω——调制信号的角频率，ω=2πf。
U——单位长度，数值等于1/4调制波长N——测线所包含调制半波长个数。
Δφ——信号往返测线一次产生相位延迟不足π部分。
ΔN——测线所包含调制波不足半波长的小数部分。
ΔN=φ/ω在给定调制和标准大气条件下，频率c/(4πf)是一个常数，此时距离的测量变成了测线所包含半波长个数的测量和不足半波长的小数部分的测量即测N或φ，由于近代精密机械加工技术和无线电测相技术的发展，已使φ的测量达到很高的精度。
为了测得不足π的相角φ，可以通过不同的方法来进行测量，通常应用最多的是延迟测相和数字测相，目前短程激光测距仪均采用数字测相原理来求得φ。
激光测距的方法及原理
激光测距的方法及原理激光测距的方法及原理激光测距技术与一般光学测距技术相比具有操作方便、系统简单及白天和夜晚都可以工作的优点。
与雷达测距相比，激光测距具有良好的抗干扰性和很高的精度，而且激光具有良好的抵抗电磁波干扰的能力。
其在探测距离较长时，激光测距的优越性更为明显。
光测距技术是指利用射向目标的激光脉冲或连续波激光束测量目标距离的距离测量技术。
较常用的激光测距方法有三角法、脉冲法和相位法激光测距。
1．三角法激光测距激光位移传感器的测量方法称为激光三角反射法，激光测距仪的精度是一定的，同样的测距仪测10米与100米的精度是一样的。
而激光三角反射法测量精度是跟量程相关的，量程越大，精度越低。
采用激光三角原理和回波分析原理进行非接触位置、位移测量的精密传感器。
广泛应用于位置、位移、厚度、半径、形状、振动、距离等几何量的工业测量。
半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。
反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。
图1. 激光三角测量原理图激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。
根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。
同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。
如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。
另外，模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口。
常用在铁轨、产品厚度、平整度、尺寸等方面。
2．脉冲法激光测距脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。
光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。
激光测距传感器工作原理脉冲和相位的区别
激光测距传感器工作原理脉冲和相位的区别
脉冲和相位法测距的区别是什么？
脉冲式激光测距传感器通过发送一束激光脉冲到目标物体，然后测量脉冲往返所需的时间来计算距离。
激光脉冲在发射后经过目标物体反射，返回传感器。
传感器根据脉冲往返的时间计算出目标物体的距离。
脉冲式激光测距传感器适用于长距离测量，其精度受限于脉冲持续时间和计时器的精度。
主要用于机载激光雷达、测距望远镜等远距离测场景。
相位式激光测距传感器通过发送连续激光束，并比较发射和接收激光束的相位差来计算距离。
相位式激光测距传感器在测量过程中，通过调整发射激光的频率或相位，并与接收到的反射激光进行相位比较，从而计算出目标物体的距离。
相位式激光测距传感器适用于中短距离测量，具有较高的精度。
主要用在工业自动化、机器人导航等精度要求高的场景。
在实际应用中，可以根据需求选择适合的激光测距传感器。
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。
激光测距原理培训讲义PPT(含计算公式解析)
二、光电读数（图9-4） 图9-4
因为
s
1 ct 2
1cN 2
fT
( fT 为晶振频率)
测距仪的最小脉冲正量δ为：
令N=1
则 c
2 fT
例：设fT=150MHz=1.5×108Hz，C=3×108m
则：
3 10 8 2 1.5 10 8
1m
三、测距精度
对S
CN 2 fT
则Pe Pt T / Pt T 1 2
式中：ρ——目标漫反射系数 Tα——大气单程透过率
3、测距仪光接受系统能接受到的激光功率Pr
Pr=Pe·Ωr·Kr
Ωr——目标对光接收系统入瞳的张角（物方孔径角）
所对应的立体角
r
Ar R2
Kr——接收光学系统透过率
§9-3 相位激光测距
一、相位测距原理 通过检测被高频调制的连续激光往返后和初始信号的
相位差可使测距精度大大提高。 连续激光经过高频调制后成为高频调制光，设调制频
率为fυ，如图9-11所示。 激光往返一周的时间t可以用调制波的整数周期数及不
足一个周期的小数周数来表示。
图9-11
t N 1 2 f
4．经N个周期后，关闭计数器； 5．将N个周期测量的总时间t减去N个周期延时的时间N t0的 值取平均值，就可得到光脉冲往返一次所需的时间。
6．将该时间代入测距公式后可得所测距离。
设时钟脉冲频率为fT，测距仪距目标距离为S，光脉冲经
过N个周期后所走的总路程为L，
则L
2NS
Ct
Nt0
Cm
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激光相位法测距的原理激光相位测距中，把连续的激光进行幅度调制，调制光的光强随时间做周期性变化，测定调制光往返过程中所经过的相位变化即可求出时间和距离。
图.1 相位式激光测距原理示意图如图1所示，设发射处与反射处（提升容器）的距离为x ，激光的速度为c ，激光往返它们之间的时间为t ，则有：cxt 2设调制波频率为f ，从发射到接收间的相位差为 ，则有：N cfxft 242 (2) 其中，N 为完整周期波的个数， 为不足周期波的余相位。
因此可解出：)(2)22(24N N fcN f c f c x(3) 其中，f c L s 2 称为测尺或刻度，N 即是整尺数， 2 N 为余尺。
根据测得的相位移的大小，可知道N 余尺的大小。
而整尺数N 必须通过选择多个合适的测尺频率才能确定，测尺频率的选择是提升容器精确定位的关键因素之一。
多尺测量方法测量正弦信号相移的方法都无法确定相位的整周期数，即不能确定出相位变化中 2的整倍数N ，而只能测量不足 2的相位尾数 ，因此公式（2.3）中的N 值无法确定，使该式产生多个解，距离D 就不能确定。
解决此缺陷的办法是选用一个较低的测尺频率s f ，使其测尺长度s L 稍大于该被测距离，这种状况下不会出现距离的多值解。
但是由于测相系统的测相误差，会导致测距误差，并且选用的s L 越大则测距误差越大。
因此为了得到较高的测距精度而使用较短的测尺长度，即较大的测尺频率s f ，系统的单值测定距离就相应变小。
为了解决长测程和高精度之间的矛盾，一般使用的解决办法是：当待测距离D 大于基本测尺sb L （精测测尺）时，可再使用一个或几个辅助测尺sl L （又叫粗测测尺），然后将各个测尺测得的距离值组合起来得到单一的和精确的距离信息。
由此可见，用一组测尺共同对距离D 进行测量就可以解决距离的多值解，即用短尺保证精度，用长尺保证量程。
这样就解决高精度和长测程的矛盾[4]。
本系统选用10米作为精尺，1000米作为粗尺，带入公式即可求得精尺频率和粗尺频率：精尺频率 MHz L cf 152510（4） 粗尺频率 kHz L cf 150210001000 （5） 其中，光速s m c /1038 。
上面公式计算出的只是个大概的数值，实际上光速要小于s m /1038 ，而且c 还和实际的大气条件（比如矿井温湿度、气体成分、风速等）有关，因此，这些测尺频率需要进一步调整，具体的做法是在现场标定。
混频原理及其在系统中的应用模拟相乘混频器混频是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。
如图2.2所示，信号输入和输出的关系分析如下：图2.2 模拟相乘混频器Fig. 2 Frequency mixer设输入信号分别为)cos()(s s sm s t U t U 和)cos()(l l lm l t U t U ，经过模拟乘法器相乘以后得：l s l s lm sm M l s l s lm sm M z t U U K t U U K U)(cos 21)(cos 21（2.6） 由上式可以看出，经过模拟乘法器将两个信号相乘，就实现了两个信号的差频与和频，其中M K 为增益系数。
通过带通滤波器或者低通滤波器后，即可得到差分输出：l s l s lm sm M I t U U K U)(cos 21在相位法测距中使用混频精尺频率15MHz 的正弦信号是中高频信号，对其进行测量是很困难的，这样就要求对信号波形做一定的变化，在保证相位不变的情况下降低信号频率，使后级的模数转换器采样更容易。
在本相位式测距系统中，设由DDS 发出的调制信号和APD 接收到的回波信号分别为1U 、2U ：)cos(11 t U （2.7） )cos(22 t U （2.8）其中f 2 ，f 是精尺频率，其值为15MHz ，此时两路信号的相位差是21 。
另外一个DDS 发出的本振信号)cos(313 t U ，其中112f ，1f 为本振频率，其值为MHz 985.14。
将调制信号1U 与本振信号3U 混频：31131131131)(cos )(cos 21)cos()cos( t t t t U U （2.9） 使用低通滤波器保留其低频 kHz 15的正弦信号，得到：311)(cos t U s （2.10）同理可得回波信号2U 与本振3U 混频后的信号：321)(cos t U l （2.11）此时我们可以得到s U 与l U 的相位差：213231)()( （2.12）由此可见，混频前后相位差不变，信号频率降低到了kHz 15。
同理，对于粗尺频率150kHz ，引入的本振频率为135kHz ，经过上述方法，同样可以在相位差不变的情况下将信号频率降低到kHz 15。
基于快速傅里叶变换的相位测量方法相位法激光测距系统的测量精度主要取决于测相的精度，而传统的测相方式通常大量采用模拟电路，无法解决模拟元件固有的缺点（如温漂、零漂严重，抗干扰能力差等），尤其在煤矿开采现场，不仅环境条件十分恶劣（淋水、粉尘等），而且现场有各种大功率机电设备，有很强的电磁串扰，因而这种采用模拟元器件搭建电路的测相方法在稳定性和可靠性方面都很不理想[4]。
用基于信号频谱分析的鉴相方法，需要对采样的信号进行数字信号处理，这就要求将回波信号这样的模拟量转换为数字量，系统中采用模数转换器（ADC ）实现，采样过程需要遵循一定的条件，采样后的数据进行快速傅里叶变换（FFT ）算法。
采样定理A/D 转换是相位法测距的重要组成部分，是整个数字化处理的基础。
从模拟的连续时域信号得到离散的数字信号应该遵循一定的原则，这就是在数字信号处理领域著名的采样定理。
2 Nyquist 采样定理Nyquist 采样定理是针对基带信号而言的，又称低通采样定理[8]。
设有一个频率带限信号)(t x ，其频带限制在),0(H f 内，如果以不小于H s f f 2 的采样速率对)(t x 进行等间隔采样，得到离散的采样信号)()(s nT x n x 其中s s f T 1 称为采样间隔，则原有信号)(t x 将被得到的采样值)(n x 完全地确定。
采样之后，信号频谱周期化，变为原信号频谱移频后的多个谱叠加，如果原信号)(t x 的频谱如图2.3(a)所示，那么采样后的信号频谱就如图2.3(b)所示[8]。
图3(a) 带限信号)(t x 频谱 3(b) )(t x 经采样后信号频谱Fig. 2.3(a) Spectrum of band-limited signal )(t x Fig. 2.3(b) Spectrum of sampled )(t x由图可见，)(w X s 中包含有)(w X 的频谱成分，如图2.3(b)中虚框部分所示，只要满足H s f f 2 或H s w w 2 （2.13）则虚框部分不会与其它频率部分相混叠。
这时只需要一个带宽大于等于H w 2的低通滤波器，就能滤出原来的信号)(t x 。
Nyquist 采样定理告诉我们，如果以不低于信号最高频率的两倍的采样速率对带限信号进行采样，那么所得到的离散采样值就能准确地确定原信号。
该定理的用意在于，时间上连续的模拟信号可以用时间上离散的采样值来取代，这样就为模拟信号的数字化处理提供了理论依据[8]。
带通信号采样定理带通信号采样定理又称欠采样定理、带通采样定理或中频采样定理[9]。
Nyquist 采样定理只讨论了频谱分布在),0(H f 上的基带信号的采样问题，如果信号的频率分布在某一有限的频带),(H L f f 上时，也需要遵循一定的原则。
当然，根据NyquistHH S HH S S采样定理来进行采样。
但是，当L H H f f B f 时，也就是当信号的最高频率H f 远远大于其信号带宽B 时，如果仍按Nyquist 采样率来采样的话，则其采样率会很高，甚至很难实现，或者后级处理的速度也满足不了要求。
这样的情况下，可以按照带通信号采样定理来采样。
带通信号采样定理：设一个带限信号)(t x ，其频率限制在),(H L f f 内，如果其采样率满足：12)(2n f f f H L s (2.14)式中，n 取满足)(2L H s f f f 的最大正整数（0，1，2，…），则用s f 进行等间隔采样所得到的信号采样值)(s nT x 能准确地确定原信号)(t x [9]。
式（2.14）用带通信号的中心频率0f 和频率带宽B 也可以表示为：1240n f f s (2.15) 式中 20HL f f f，n 取满足B f s 2 （B 为频带宽度）的最大整数。
显然，当20H f f 、H f B 时，取0 n ，式（2.15）就是Nyquist 采样定理，即满足H s f f 2 。
由式（2.15）可见，当确定了频带宽度B ，为了能用最低采样速率即两倍频带宽度速率)2(B f s 对带通信号进行采样，带通信号的中心频率必须满足：B n f 2120（2.16） 或 B n f f H L )12( （2.17） 也即信号的最高和最低频率相加是带宽的整数倍。
带通信号采样前后的频谱示意图如图2.4所示。
(a) 采样前 (b)采样后4 带通信号采样前后的频谱Fig.2.4 Spectrum of bandpass signal before and after samplingL 0H L 0H S S上述带通采样定理适用的先决条件是：只允许在其一个频带上存在信号，但是不允许在许多不同的频带上同时存在信号，否则就将会引起混叠。
但实际的情况是在多个频带上都有信号，为解决这一问题，一般要在采样之前先将信号通过一个带通滤波器，也称抗混叠滤波器[9]。
以上的结论为我们对正弦信号的采样提供了一个总的准则：采样的频率应为信号频率的整数倍，采样的点数应包括整数倍的周期，由于本论文采样过后的信号进行FFT 的处理，基2的FFT 算法要求输入离散数据的点数是2的整数次幂，所以我们这里的采样频率应是正弦信号频率的M 2倍（M 在工程上一般取大于等于2的正整数）[9]。
快速傅里叶变换（FFT ） 离散傅里叶变换（DFT ）离散傅里叶变换（DFT ）的定义为：设x (n )为N 点有限长序列，其DFT 为1)()(N n nk N W n x k X k =0, 1, …, N -1 （2.18）其中：NjN eW 2 ，称为蝶形因子。
一般说来，x (n )和nk N W 都是复数，)(k X 也是复数，所以每计算一个)(k X 值，需要N 次复数乘法和N-1次复数加法。
而)(k X 一共有N 个点（k 从0取到N-1），所以完成整个DFT 运算总共需要2N 次复数乘法及 1 N N 次复数加法[10]。