基于最小二乘法的相位式激光测距仪
基于最小二乘法的相位式激光测距仪
作者:乐意;许流博;赵文成;许贤泽
济钢测距仪作为传统的非接触式测量仪器,已经被广泛应用在精密测量、工程建设、遥感等领域,目前,脉冲式和相位式激光测距仪应用较广,相位式济钢测距仪为同时保证测量距离及测量精度,多采用双频调制法,即通过一路较低的测量频率保证量程,另一路较高的测量频率保证精度。
但两组调制频率动态范围受到限制且硬件电路很难实现很宽频带内相同的相位稳定度从而引起较大误差使用相近的几组高频信号作为调制信号可使放大器及调制器获得接近的增益和相位稳定性采用合理的频率组合即可实现精度与测程的双重要求相位式激光测距系统中相位检测通常有过零检测法数字相关法及快速傅里叶变换方法过零检测法口通过判断两相同频率信号在经过零点位置的准确时间差来求相位差应用较广泛但由于系统噪声等因素的影响其测量准确度不高且理论上也有误差数字相关法采用相关原理测量相位差但当信噪比较小时测量误差软大快速傅里叶变换方法通过分析回波信号的频率和相位获得相位差其检测准确度随着快速傅里叶变换点数的增加而提高从而有大量的乘加运算降低了系统的工作效率文献rr7采用脉冲填充法进行相位差测量使用波形变换器将西信号转换成方波再根据信号的过零点或者中点测出时间差从而得出相位差,但当信号受噪声或者谐波很大时误差很大本研究采用最小二乘法求得信号相位差其计算量较快速傅里叶变换方法小且具有一定的噪声抑制能力距离解模糊多采用搜索的方法计算量较大不利于快速测距因此通过构建超定方程组进行距离解模糊避免了对距离最优解的搜索具有测距精确度高运算量小的特点。
1相位式激光测距原理
相位式激光测距原理是用无线电波段的高频正弦信号对激光光束进行幅度调制,然后测定调制光往返一次所产生的相位延迟通过相位延迟测量待测目标的距离其核心在于将对时间的测量转化为对相位差的测量。
2相位式测距系统方案设计
相位式测距系统方案中 MCU为微处理器单片机控制频率合成器与压控振荡器产生两路稳定的高频信号一路加在半导体激光管上调制激光光源经发射光学系统发射携带相位信息的信号返回经接收光学系统聚焦在光电雪崩二极管(APD)上经APD将光信号转换为电信号携带相位信息的微弱电信号经滤波放大后在混频器中与另一路稳定的本振信号混频将高频信号相位信息搬移到低频信号处经 ARM采样进行相位测量以及距离解模糊小二者相互矛盾故单一调制频率不能够满足距离分辨率及最大不模糊距离的双重要求且相位必须保持很高的精度若选择多组调制频率信号较高频率的信号可获得较高的精度满足精度要求较低频率可获得较大的最大不模糊距离满足测距所需的量程要求则可较好地解决上述矛盾。
相位式激光测距仪测尺组合的方法主要分为分散的直接测尺频率模式和售中的间接频率测量方式两种分散的直接测尺频率模式是直接选择两组频率相差较大的测尺分别作为粗测尺和精测尺由于两组调制频率差较大因此当回波滤波放大时能很好地把信号分开而没有相互干扰同时信号相互之间的干扰也大大减少但正由于两组调制波频率相差较大使得电路的放大器以及调制电路对两种频率很难达到相同的增益和相位稳定度因此对系统电子器件要求较高实现难度较大本方案选择集中的间接频率测量方式当两种不同频率的调制波测量同一距离时分别得到的不足整周期的相位尾数之差和用这两种调制频率的差值作为调制频率测得的不足整周期的相位尾数相等将两组调制频率的差值作为粗测尺频率较好地解决了分散的直接测尺频率的缺点。
为保证精度要求若调制频率选择较高则无法直接对接收信号采样求取相位故使用差频法进行测量即通过接收信号与另一高频信号进行混频再滤波放大得到低频信号实质是将两输入信号相乘再提取差频信号来实现将高频部分滤波出去 低频部分保留放大 可以将高频信号的相位信息转移到低频信号上去从而方便单片机采样。
3 相位检测方法
回波信号经过接收电路时由于寄生参量以及滤波电路的影响都会产生附加相移为消除附加相移对测量所造成的偏差采用机械切换装置分为内外两种光路在同一接收电路的前提下以内光路信号作为参考分别求取内外光路的回波信号相位相减得到真实的测量相位差采用最小二乘法求解回波信号相位差测量。
4、基于超定方程组的距离解模糊
两组调制频率相见后,得到的差值频率,设此差值频率对应的调制波半波长是所有半波长的最大值,为了保证测距仪在其测程内可以正确解模糊,应保证最大半波长大于测距仪的测量范围,因此根据集中的间接频率测量原理,可测待测距离。
粗测尺所求的距离只能大致锁定待测目标的距离,无法满足相位式测距仪的精度要求,但可以使用求得的粗测距离准确的计算出不同调制频率之间的周期差。
5.实验结果与分析
测距仪与两台测距样机在标准基线(长度为60m平均精度达到0.18mm)上进行实验实验条件如下,室内温度约为25℃光照强度约为20001激光点打在反射情况适中的白色标靶上每台测距仪对同一待测目标靶面测量100次通过串口输出距离测量值测距样机采用的半导体激光器波长为635nm,激光功率值为0.95mw样机中粗测尺频率为2MHz,其对应的最大不模糊距离约为74.95m实验结果为平均测量误差表示测量值与真实值之间的偏差绝对值的平均[s]为标准不确定度为最大测距误差表示100次测量结果中测量值与真实值之间最大误差的绝对值,为平均测距时间。
标准不确定度不大于0.50mm,平均测距时间不大于1.55s设计的测距仪根据测距环境对数据采样次数进行动态调整针对目标返回信号较差的情况适当增加了单片机数据采样次数对求得的相位值做优化处理去除待测相位的粗大误差从而保证测距仪的测距精度,在返回信号较好的情况下可以适当减少回波信号的采样次数以利于减少采样时间并降低计算量在保证测距精度的同时有效提高测距速度因此与K60测距仪相比本测距仪在测距精度以及测距速度上都有了较大提升满足市场上对于测距仪误差小于2mm测距时间小于3s的应用要求,实现了高精度快速的测距。
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