一种快速、高精度激光相位测距方法的研究
一种快速、高精度激光相位测距方法的研究
张志勇 张 靖 朱大勇 邵珠法
激光测距雷达主要分为两种: 脉冲式激光雷达和连续波相位式激光雷达。激光脉冲法测距适合于远距离 (20~ 1km ) 测量。激光连续波相位测距法存在模糊距离, 适用于较近(< 1km ) 的测量距离, 一般可采用双频、多频组合的方法来扩大测程。利用激光连续波测距方法有: 线性调制载波 (FM CW ) 方法、线性调制光功率(FM CW 2L ike) 法、调幅连续波(AM CW ) 法等。前两种方法系统比较复杂, 对发射激光采用正弦波调幅的方法实现相位测距。
因为正弦信号以 2Π为模, 相位法测距存在模糊距离dnar , 若调制频率为f0, 到目标的距离为d, 那么:∃Υ= 2Πf0Σd (1)其中, Σd= 2dc, C 为光速。调制频率f0 的选择依赖于应用, 我们选择f0= 15M H z, 相应的模糊距离为10m , 测距分辨率为1cm , 能够满足普通测距的需要。相位测距系统中精测部分的精度对系统精度起决定作用, 本文主要讨论了这部分的原理和方法。
2 激光相位测距中精测的基本原理
激光相位测距系统原理发射电路产生频率为15M H z 的调幅光信号。传统的相位测距法只有一个接收电路, 通过机械装置来切换内外光路, 但机械切换的速度比电开关慢, 采用双接收电路, 即内光路和外光路都有各自独立的接收电路, 提高了测量的实时性。内、外光路信号同时输入CPLD , 二信号的上升沿作为触发信号得到检相脉冲, 如图 2 所示。因为内、外光接收电路基本相同, 检相脉冲所包含的相位信息中消除了接收电路延时所带来的附加相移。
这里采用的检相方法是对整数周期的检相脉冲积分, 不同占空比的检相信号产生随之线性变化的电压值, 再根据带有脉宽信息的积分电压值计算得到检相脉冲的相位值, 最后根据式(1) 计算出距离值。这种方法把相位信息与电压值联系起来, 具有较高的稳定性。
3 测试结果与分析
在测量过程中, 对大、小角度情况判断并做相应处理, 提高了这两种情况下的测量精度。测量结果进行一阶数据拟合, 对系统误差修正。
在 013~ 13m 内测量, 部分测量数据如表 1 所示。稳定度是测量值和平均值之间的偏差, 它是表征测量值重复性的一个统计量。距离精度是测量值和真实值之间的偏差。
根据测量结果计算, 得出系统测距精度 3Ρ< 4616mm , 读出速率约 3H z。今后仍需要进一步改进电路处理和数据处理的方法来提高系统测量精度和速度。这种测距系统可以用于快速、高精度测量系统中,也可以用于空间导航测距。
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