相位式激光测距系统优化设计及仿真
相位式激光测距系统优化设计及仿真
作者:张小鸣;王燕萍
相位式激光测距仪的精度取决于激光调制波往返被测目标的相位差的精确测量,相位差精确测量的有效方法是延长激光发射波和回波信号相位变化的时间,发射信号频率越低,相位变化就越慢 。对于一定测距范围,采用中低频信号进行相位差测量比用高频信号能获得更高的测相精度,同时降低了接收电路设计的难度,因此,相位式激光测距系统采用高、低频混合发送电路,接收电路采用混频电路,将高频信号与低频信号混频后降为低频后再进行相位差测量。
目前,相位式激光测距系统普遍采用全相位快速傅里叶换(all - phase fast Fourier transform, apFFT)算法来测量相位差,具有测量精确高,不需要同步采样和附加校正措施等优点[3,4 ]。但是 pFFT 算法易受白噪声的影响,需要使用合适的窗函数来抑制噪声。本论文通过建立相位式激光测距系统仿真模型,来系统研究白噪声对apFFT鉴相精度的影响规律。
文献[5]提出了一种基于全相位FFT的激光测距系统,并对单频测距法和双频测距法进行具体分析和仿真,但双频测距法获得的测距精度较低。文献[6]对apFFT算法鉴相原理和算法中各参数调整对鉴相精度的影响作了深入的理论研究,但并未在整个激光测距系统中进行仿真。本文在前人的研究基础上,创建双频相位式激光测距系统模型,通过调整系统参数,获得100m测距范围内测距误差小于土2mm的仿真结果。证明该系统具有可行性,并为实际样机的制作调试提供参考数据。
2 相位式激光测距系统原理
2.1双频相位式激光测距系统原理框图
双频相位式激光测距系统由主振荡器、发射单元、接收单元、本机振荡器、混频器、低通滤波器、测相单元等单元组成。
发射单元向被测目标发射正弦激光调制波,反射波被接收单元接收,发射波与接收波均与本机振荡器混频,调制为中低频信号,送到测相单元进行测相,发射波和接收激光之间的相位差就是激光调制波在被测目标间往返的总相位。
2.2全相位快速傅里叶变换鉴相算法
传统FFT算法的基本做法是:将N点DFT运算分解为N/2点的DFT运算,并逐步分解下去,最小分解点数称为基数。在实际的谐波测量中,需要处理的信号都是经过采样和A/D转换得到的有限长数字序列,这相当于对原始信号乘以一个矩形窗加以截断。在适于相乘,相当于在领域卷积。因此原信号的单一频率将变成以原信号频率为中心,形状震荡并逐渐衰减的连续谱线,导致信号泄漏到整个频率轴上。
这种通过截取输入数据进行分析的做法,在非同步采样时容易引起频谱泄露。为此引进了全相位的概念。若截取后的数据为N个,则对此数据的频率分析称为N阶频谱分析。而常用的时域FIR频率分析只考虑输入信号的一种情况,若将输入信号分割的全部可能情况都计入,则可以明显改善频率分析性能。这就是全相位分析。
而全相位FFT频率分析需要用长为(2N-1)的卷积窗对中心采样点前后(2N-1)个数据进行加权,然后将间隔为N的数据两两进行叠加,在对叠加后的数据进行FFT运算。与传统FFT频率分析相比,全相位FFT谱分析功率谱泄漏小得多。以4点FFT数据为例,按照样本带你对其,分别进行周期延拓,传统FFT频率与全相位FFT谱分析比较可知,全相位FFT不仅具有良好的一致频谱泄露的性能,而且还具有“相位不变性”。即对输入数据进行apFFT后,从分析结果中找出了峰值频谱的相位值,就是输入序列中心采样点的理论值,并且在峰值谱线处所测得相位时钟不变。这意味着在非同步采样的情况下,仍然可以不加相位校正措施进行相位信息的提取。根据相位不变性,可以将全相位FFT应用于激光测距。
apFFT鉴相算法首先要对测量信号s(t)和参考信号采样,然后进行数据预处理和FFT变换,得到两信号的频谱后,分别计算主谱线的相位,二者相减即得到鉴相结果。
在实际的双频相位式激光测距系统中,激光调制波经透镜发射后遇到测量目标返回,再由接收电路滤波放大后混频,送入相差检测单元。这一过程中测量信号可能夹杂本振信号、系统噪声以及环境噪声等,都将影响apFFT的鉴相精度。这些噪声基本符合高斯白噪声的性质,需要研究高斯白噪声对apFFT鉴相精度的影响。
根据以上推到分析可知,apFFT鉴相算法的精度主要取决于信号的信噪比和卷积窗函数,需要在仿真中进一步确定参数的选择。
3、仿真研究
3.1双频相位式测距系统硬件模型
用simulink建立双频测距系统硬件模型,分别产生粗尺主振信号(低频1.5MHz)、粗尺本振信号(低频1.49MHz),精尺主振信号(高频150MHz)、精尺本振信号(高频149.99MHz)。粗尺主振sin wave和粗尺主振sin wavel经混频器product混频后进入低频滤波器Analog Flter Design,作为粗尺测距的参考信号。粗尺主振信号连接到传输延时框Transport Delay,传输延时框Transort Delay延时范围是1°-360°,间隔1°,并添加一定信噪比的高斯白噪声Random Number,高斯白噪声Random Number信噪比参数为15dB/45dB/60dB,两者经叠加框Add混合,模拟机滚发射接收过程。该接收信号与粗尺本振信号经混频器product2混频,混频信号通过低频滤波器Analog Filter Design2和带通滤波器Analog Filter Design4作为粗尺测量信号,低通滤波器Analog Filter Desig2的截止披绿为11kHz,带通滤波器Analog Filter Design4的带通频率9kHz-11kHZ.粗尺参考信号和粗尺测量信号送入示波器scope。同理,精尺参考信号和精尺测量信号也送入示波器scope。在实际的双频测距系统中,粗尺信号和精尺测量信号并非同时产生,而是有先后顺序的,仿真系统为简化模型作适当调整。
四个信号发生源分别产生粗尺主振信号、粗尺本振信精尺主振信号以及精尺本振信号,信号发生单元在相位式激光测距系统中尤为关键。粗尺主振信号和精尺主振信号经延时后作为测量信号,同时添加 一 定信噪比的高斯 白噪声 ,这样能使仿真信号更接近真实信号 。经过处理的测量信号与本振信号送入混频单元,通过 一 个低通滤波器后获得低频的测量信号,再经过一个带通滤波器滤除信号中的高斯白噪声。而未经处理的测量信号也需要与本振信号混频,通过 一个低通滤波器后获得低频信号,作为整个系统的参考信号。处理后的4四路信号分别接入示波器,方便观察调整各个环节的参数。
示波器中的波形数据最终将导入到workspace中,对粗尺测量和精尺测量分别做apF门频谱分析,计算主谱线相位和对应的仿真距离值,两个距离值经衔接后得到最终的测量距离。这 一 部分属于双频测距 系统 的软件设计模块 ,先对apF门鉴相算法进行仿真,以确定算法中参数对鉴相精度的影响。
3.2 apFFT鉴相算法仿真
不同信噪比增益的窗函数对apFFf 鉴相精度的影响程度各不相同。通过比较发现 ,H an-ning 窗对噪声信号的抑制效果较好 ,在高斯信噪 比为 15dB的情况下,就可以保证 0.1° 的鉴相精度,在高斯信噪比为60dB 时鉴相精度甚至可达 0.001°,完全能够满足现阶段对鉴相精度的要求。因此,在 apFFf 的数据预处理过程 中,选用双 H anning 窗作为卷积窗函数。另外从表 1 中也能发现,随着信噪比的增加,鉴相精度也有一定程度的提高。
3.3 双频测距系统仿真
在 apFFf 鉴相精度仿真一节中,已经具体研究了鉴相精度的关键影响因素:窗函数和信噪比。所以双频测距仿真系统鉴相环节选择双 hanning 窗作为卷积窗函数 ,以设定的延时角度为横坐标,在SNR = 15dB 和 SNR =45dB 时对导入到workspace 中的测量信号分别做 apFFf 计算 ,apFFf 算法的采样获得 apFFf 算法采样不 同的相位误差可以发现,在SNR = 15dB 时,相位误差主要在时土z o , 而当SNR =45dB 时,相位误差明显降低 ,主要集 中在了时刲. 06°。仿真结果证明双频测距系统在性噪比较高的情况下,能获得高精度的相位测量值。
根据 apFFT 算法获得的相位值可以分别计算粗尺测量距离和精尺测量距离。在高斯信噪比为 15dB 和 60dB 情况下,选择不同的相位延时,以此来模拟不同的测量距离可以看出,在高斯信噪比为 15dB 的情况下,利用精粗测量数据衔接方法获得的实验距离与理论距离误差较大,无法满足毫米级的精度要求。提高信噪比为60dB, 实验距离的精度明显提高。这证明在信噪比较高的情况下,双频相位式测距系统可有效解决测量距离与测量精度之间的矛盾。
4 结论
apFFT 鉴相精度仿真结果表明:高信噪比增益 的 H an-ning 窗对噪声信号的抑制效果最好。基于 apF门 算法的双频测距仿真系统实验表明:在信噪比较高的情况下,采用精粗测量数据衔接方法获得的距离值能够满足现阶段相位式激光测距毫米级的精度要求。在下一步实际系统的研究过程中,将以简化双频测距系统中的部分硬件设计和进一步提高激光测距精度为主要目的。
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