激光相位測距儀設計

1、課 程 設 計 報 告（20142015年度 第 一 學期）題 目： 激光相位測距儀設計 院 系： 物理與電子信息工程學院 姓 名： 學 號： 專 業(yè)： 光信息科學與技術(shù) 指導老師： 2015年01月03日目錄1.設計目的與任務42.相位式激光測距儀的實現(xiàn)原理53.激光測距儀的原理方案63.1 直接測尺頻率63.2 間接測尺頻率74.測距精度的分析94.1 誤差分析94.2精度分析105.總結(jié)126.參考文獻12主要內(nèi)容：根據(jù)相位式激光測距儀的實現(xiàn)原理，設計激光測距儀的原理方案，用matlab仿真分析相位式激光測距儀的差頻檢相技術(shù)原理，并對測距儀的精度進行討論。Main contents:Ac

2、cording to the principle of phase laser rangefinder and the design principle of the laser range finder, matlab simulation analysis phase laser range finder principle of phase difference frequency detection technique, and discuss the precision of the ranger.2015年01月03日 二、成 績 年 月 日 1.設計目的與任務課程設計是學生理論聯(lián)

3、系實際的重要實踐教學環(huán)節(jié)，是對學生進行的一次專業(yè)訓練。通過課程設計使學生獲得以下幾方面能力，為畢業(yè)設計打下基礎。1、進一步鞏固和加深學生所學的專業(yè)理論知識，培養(yǎng)學生設計、計算、繪圖、計算機應用、文獻查閱、報告撰寫等基本技能；2、培養(yǎng)學生獨立分析和解決工程實際問題的能力；3、培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神、創(chuàng)新意識、嚴肅認真的治學態(tài)度和嚴謹求實的工作作風。光電子技術(shù)基礎課程設計是在學生已經(jīng)完成光電子技術(shù)基礎課程教學之后所進行的綜合性設計過程。其意義在于進一步鞏固、加強課程的教學效果，并將這些知識真正應用于實際的設計過程中。根據(jù)設計內(nèi)容要求，完成方案論證，完成一類光電儀探測器特性實驗測試開發(fā)；或利用光電探

4、測器設計測試裝置針對一物理量進行測量；或利用光電系統(tǒng)進行信息的傳輸;或能根據(jù)工程條件設計一光電技術(shù)的具體應用。寫出完整的設計報告，設計報告(論文)字數(shù)要求不少于3000字，文字通順，書寫工整。2.相位式激光測距儀的實現(xiàn)原理 相位測量一般采用差頻測相技術(shù)。差頻測相的原理如圖2.1所示2.1差頻測相原理圖示設主控振蕩器的信號為 2-1經(jīng)過調(diào)制器發(fā)射后經(jīng)2L距離返回光電接收器，接收到的信號為 2-2 表示相位變化。設基準振動器信號為 2-3把送到混頻器分別與和混頻，在混頻器的輸出端得到差頻參考信號和測距信號，他們可分別表示為 2-4 2-5用相位檢測電路測出這兩個混頻信號相位差?？梢?，差頻后得到的兩

5、個低頻信號的相位差直接測量高頻調(diào)制信號的相位差是一樣的。通常選取測相的低頻頻率為幾千赫茲到幾十千赫茲。差頻后得到的低頻信號進行相位比較，可采用平衡測相法，也可采用自動數(shù)字測相法。平衡測相法結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，價格低，但準確度較低，通常會有或更大的測相不確定度。此外，平衡測相法還有機械磨損。測量速度低，并難以實現(xiàn)信息處理等缺點。自動數(shù)字測相法測相速度高，測相過程自動化，便于實現(xiàn)信息處理，測相不確定度高，可達3.激光測距儀的原理方案3.1 直接測尺頻率由側(cè)尺量度可得光尺的調(diào)制頻率為 3-1這種方法所選的測尺頻率直接和測尺長度相對應，即測尺長度直接由測尺頻率決定，所以這種方式成為直接測尺 頻率方式。

6、若果測距儀測程為100km，要求精確到0.01m相位測量系統(tǒng)的測量不確定度為0.1%，則需要三八光尺，即5m，3m，m，相應的光調(diào)制頻率分別為。顯然，要求相位測量系統(tǒng)在這么寬的頻帶內(nèi)都保證0.1%的測量不確定度很難做到。所以直接測尺頻率一般應用于短程測量如GaAs半導體激光短程相位測距儀。3.2 間接測尺頻率 在實際測量中由于測程要求較大，大都采用間接測尺頻率方式。若用兩個頻率和調(diào)制的光分別測量同意距離L,可得 3-2 3-3將式2-2兩邊乘以，式2-3兩邊乘以后做相見運算，可得： 3-4式中式2-4中，是一個新的測尺量度，是與對應的新的測尺量度。這樣，用和分別測量某一距離時所得相位尾數(shù)和之差

7、，與用和的差頻頻率測量該距離時的相位尾數(shù)相等。這是間接測尺頻率法測距的基本原理，即通過和頻率的相位尾數(shù)并取其差值來間接測定相位的差頻頻率的相位尾數(shù)。通常把和稱為間接測尺頻率，而把差頻頻率稱為相當測尺頻率。表3.1列出了間接測尺頻率，相當測尺頻率，相對應的測尺長度雞測距不確定度： 表3.1間接測尺頻率，相當測尺頻率及測尺長度間接測尺頻率相當測尺頻率測尺長度測距不確定度由表可知，這種測距方式的各間接測距頻率非常接近，最高的和最低之差僅為，5個間接測尺頻率都集中在較窄的頻率范圍內(nèi)，故間接測尺頻率又稱為集中測尺頻率。這樣，不僅可使放大器和調(diào)制器能夠獲得相接近的增益和相位穩(wěn)定性，而且各對應的 石英晶體也

8、可統(tǒng)一。4.測距精度的分析4.1 誤差分析測距儀的誤差有以下兩大類：第一類是與距離遠近有關的誤差，如及不變的誤差如，稱為系統(tǒng)誤差，它們是構(gòu)成了儀器精度指標中的比例誤差。另一類是與距離遠近無關，而且隨即變化的誤差，如稱為偶然誤差，即儀器精度指標中的固定誤差部分。而周期誤差雖屬于系統(tǒng)誤差，但卻是一種特殊的誤差。 以下討論幾種主要的誤差：4.1.1主控晶體振蕩器的頻率誤差測距儀中的主振頻率誤差，主要指精測頻率誤差而言，因為它決定了儀器的測距精度。此項誤差包括兩方面，即頻率的校準誤差和頻率的飄移誤差，前者取決于頻率的準確度，后者則取決于頻率的穩(wěn)定度。當用高精度的頻率計作頻率校準時，頻率的校準誤差可忽略

9、不計。產(chǎn)生頻率漂移的原因有：震蕩線路原件性能的變化，晶體老化或質(zhì)量欠佳，有恒溫裝置的儀器，預熱時間不夠，恒溫范圍過大，無恒溫裝置的儀器，由于溫度變化引起頻率漂移，電源電壓不足或不穩(wěn)。 可通過采用加恒溫措施或晶體溫度補償以及電子線路設計上的鎖頻或鎖相等辦法來減弱頻率漂移的影響4.1.2測相誤差測相誤差包括：移相器或數(shù)字相位計的原理誤差，瞄準誤差，幅相誤差以及有信噪比決定的誤差。以上誤差是測距儀的瞄準誤差，也是目前測距儀誤差的主要來源，為了減小瞄準誤差，一方面要提高調(diào)制器或發(fā)光管的制造工藝，一提高它的空間相位均勻性。也可在短程測距儀GaAs發(fā)光管前加混相措施一提高發(fā)射的光束的相位均勻性。4.1.3

10、周期誤差自動數(shù)字測距儀的周期誤差 這類誤差主要來源于儀器內(nèi)部固定信號的串擾。若果發(fā)射信號形成固定不變的串擾信號，使得相位計測得的相位差附加上了串擾信號的附加相位移。即相位計實際測量的是測距信號與串擾信號之合成信號的相位移，這就引起了差距誤差。 減小此類誤差的措施主要有：在設計。制造時，采用合理的電子開關，發(fā)射和接受系統(tǒng)等的電子線路要單獨設立電源：加強屏蔽，防止信號通過地線或空間發(fā)生耦合串擾。移相-鑒相法測相測井愿意的周期誤差這一類一起出了固定串擾信號能產(chǎn)生周期誤差外，由感移相器的非線性RC網(wǎng)絡失調(diào)以及輸入信號的頻率偏離移相器的固有頻率等原因均可引起周期誤差。解決此類誤差的措施有：使輸入移相器的

11、信號頻率與移相器的固有頻率相符（可通過校正晶體振蕩器的振蕩頻率）之后校正RC網(wǎng)絡，使得。4.2精度分析 4.2.1精度分析由于相位測量是影響其精度的主要原因，故而本文只討論由相位測量引起的測量誤差的精度分析。由第一主頻測量時，其測距精度公式為 4-1由第一輔頻測量時，（因，有）,其測距精度公式 4-2顯然，由同一相位測量儀測量時，測距精度相當于原來的基礎上提高了9倍，而此時測距范圍為10L1擴大了10倍。同理，若再用第二輔頻測量時，（因，有），精度公式為 4-3精度在原來基礎上提高了99倍，測距范圍為100L1，擴大了100倍。依此類推，依據(jù)主頻和輔頻的不同比例關系可以得到添加不同輔頻時的精度

12、公式。4.2.2測距精度的提高如某臺儀器有兩把測尺，精尺長 10 m，粗尺長1000 m，現(xiàn)各測得距離值為： 精測（用 10 m測尺） 5.524 m 粗測（用 1 000 m測尺） 866.6 m 顯示距離 865.524 m顯示距離值是取粗測的百米、十米位與精測的米位及小數(shù)位組合而成。 但是由于儀器本身存在各種誤差，以及外界條件的影響，使得各測尺的測量值總帶有誤差，會造成距離銜接上的錯誤。 a) 米位數(shù)值很大，而粗測米位又是偏大的正誤差 精測（用 10 m測尺） 9.958 m粗測（用 1000 m測尺） 270.0 m 顯示距離 279.958 mb) 米位數(shù)值很小，而粗測米位又是偏小的

13、負誤差 精測（用 10 m測尺） 0.058 m粗測（用 1000 m測尺） 269.9 m顯示距離 260.058 m為了防止粗差，可以用 “置中運算法” 和“比較試探法”來有效地處理測尺銜接的問題。5.總結(jié)這個實驗很有用，特別是對于我們電子類專業(yè)的學生，現(xiàn)在激光技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、科研、信息和軍事等研究中應用的非常廣泛。這是一次我們接觸這方面的實驗，在實驗中我們將大學期間學習過的專業(yè)知識、matlab和word學以致用，同時此次實驗也為我們提供了一個寫論文的機會。我認為作為一名工科生，matlab和單片機是我們大學生活中的一個玩伴，通過這門課程的學習，我們已熟悉地掌握matlab的基本操作，同時對激光測距有了基本的認識，更重要的是我們通過相互幫助，相互學習完成了這個實