精密相位激光测距仪的设计
精密相位激光测距仪的设计
作者:张处武;胡学同
考虑到光的量子属性,对光电信号的统计特性作最严格、最透彻的描述导致最一般的分布律---拉盖尔分布。在强信号的条件下,此分布可以足够精确地用正态分布来近似。而正态随机过程通过线性系统,其输出仍是正态分布的,这一特性在光电厕居中可以作为系统设计的依据。据此,作者设计了一个小型的相位式单频激光测距仪,其精度可达10mm,能够满足一般大地测量、运动测量的要求。
1、相位式光电测距原理
如果不是正弦调制,而是其它周期性调制放回寺,则通过滤波器,可取出其基频分量,仅仅针对广强变化,我们并不关心光震动本身的相位变化,因为任何现有的光敏元件(如光敏二极管)都不能直接响应高达10Hz量级的光频振动。
2、系统设计与误差分析
本文引言指出,在强信号(即平均信号电子与平均干扰电子数均远大于信号相空间的单元数)的条件下,光电信号的统计特性可以足够精确地用正态分布来近似。这就为信号的统计处理奠定了基础。而n元正态分布的性质决定了在系统中使用窄带滤波器不会改变分布的性质(只改变分布参数),却能极大地提高信噪比,如将频带压缩至1/n,则信噪比可提高n倍。
鉴于此,本设计使用窄带滤波器,要求在20Hz带宽范围内信噪比由于10,这一要求对于百米量级的测量来说是容易达到的。
由于背景辐射可通过光缆与滤光片抑制,且在窄带滤波的条件下,1/f噪声亦可不计;因此对于一个光点接收系统影响其精度的噪声主要只有两项,即热噪声与散粒噪声。
晶体振荡器及晶体滤波器采用同切型同参数的晶体,如AT切型、1MHz晶体。振荡器用串联型振荡器,频率调整在晶体滤波器的中心频率上,其值高于晶体本身的数赫兹到数十赫兹,窄带晶体滤波器的参数选择作相应考虑。晶体振荡器采用并联谐振方式,变频环节的使用是由于低频鉴相才具有较高的精度,同时本设计采用数字鉴相技术,ADC器件的速度不宜用得过高。ADC采用14位器件,其分辨率可达6*10,精度已由于所表达的引用误差。通过累加器处理,其分辨率误差在10一下,已可所略。
3、折射率修正与频率修正
不考虑大气影响时只能得到10-4~10-5的精度,党要求精度达到10-6时,大气影响不能忽略。虽然是相位法测距,但实际考虑的是光的能量传输,因此,严格来说应该用群折射率而非相折射率。一般来说某一地区的大气压力基本上是稳定的,因此,除非精度要求甚高,否则不必进行压力修正,只要给出当地平均气压即可。为简化设计,在要求压力、湿度修正时间可通过键盘输入压力、湿度给定值。但温度修正是必要的的,这不仅因为气温变化对折射率的影响显著,而且温度变化还将影响晶振的谐振频率。
本设计中增加辅助传感器进行温度检测,对于提高测量精度是必要的。这样,既省去了恒温槽,又可将两个振荡器、两个滤波器的晶体置于同一温度环境中,其频率移动相同,因而不会导致滤波器的工作实效。之所以在发送信号通道内也是用晶体滤波是因为基于相位式检测的测距仪,滤波器的附加相位变化会造成测量误差,采用对称式设计可自动校正这一附加相位变化的影响。
4、结束语
本文讨论了激光测距中强信号的正态分布性质:指出在通过一窄带随机系统后信号仍服从高斯分布。因而利用窄带滤波与统计处理技术可以极大的提高系统的测量精度。如果需要亦可据此思想方便的设计出双频系统,从而进一步降低对原始信号信噪比的要求。
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