正交混频相位式激光测距方法与系统实现_刘邈

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1、第３９卷第２期中国激光Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．２２０１２年２月ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＡＳＥＲＳＦｅｂｒｕａｒｙ，２０１２正交混频相位式激光测距方法与系统实现刘邈杨学友刘常杰（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津３０００７２）摘要针对传统的二次混频式激光测距仪鉴相精度不高，难于消除系统误差等问题，提出了正交混频相位激光测距法，利用成熟的正交调制技术进行激光光强的幅度调制，提高了基于二次混频原理的激光测距仪的鉴相精度，并且通过改变低频信号相位来获得两个相对很小的频差，易于消除系统附加相移，大大简化了二次混频式激光测距

2、仪的硬件设计。详细阐述了基于正交混频相位测距方法的激光测距原型机设计要点。系统原型机设计方案采用了集成度很高的正交调制芯片完成，结构紧凑没有冗余元件。原型机实验精度达到±１．５２ｍｍ，在６２．５ＭＨｚ频点下测相精度达到０．０４２°，并且可以很方便地通过加入多频调制的方法大大提高测量距离，是采用二次混频法进行相位激光测距的优秀解决方案。关键词测量；激光测距；正交混频；相位测量；光电混频中图分类号ＴＮ９５８．９８文献标识码Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＪＬ２０１２３９．０２０８００４ＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＬａｓｅｒＲａｎｇｅＦｉｎｄｉｎｇ

3、ｗｉｔｈａＮｏｖｅｌＱｕａｄｒａｔｕｒｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄａｎｄＳｙｓｔｅｍＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎＬｉｕＭｉａｏＹａｎｇＸｕｅｙｏｕＬｉｕＣｈａｎｇｊｉｅ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｅａｓｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｒａｄｉｔｉｏｎａｌｌａｓｅｒｒａｎｇｅｆｉｎｄｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｗｏ－ｓｔｅｐｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｉｘｉｎｇｈａｓａｐｏｏｒｐｈａｓｅｍ

4、ｅａｓｕｒｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｅｒｒｏｒｓ．Ａｎｏｖｅｌｑｕａｄｒａｔｕｒｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｔｏａｃｈｉｅｖｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｉｎｔｅｎｓｉｔｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｐｈａｓｅｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｇｒｅａｔｌｙｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｌａｓｅｒｒａｎｇｅｆｉｎｄｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｗｏ－ｓｔｅｐｆｒｅｑｕｅ

5、ｎｃｙｍｉｘｉｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｈａｖｅｂｅｅｎｅｘｐｏｕｎｄｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ａｈｉｇｈｌｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｑｕａｄｒａｔｕｒｅｍｏｄｕｌａｔｏｒｃｈｉｐｉｓｕｓｅｄｉｎｐｒｏｔｏｔｙｐｅｄｅｓｉｇｎ，ｍａｋｉｎｇｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｃｏｍｐａｃｔａｎｄｗｉｔｈｎｏｒｅｄｕｎｄａｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄａｃｃｕｒａｃｙａｐｐｒｏａｃｈｅｓ±１．５２ｍｍｗｈｅｎｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓ６２．５ＭＨｚａｎｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃ

6、ｒａｎｇｅｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｍｕｌｔｉｍｏｄｕｌａｔｅｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅｔｈｏｄａｓｒｅｖｅａｌｅｄｂｙａｄｅｔａｉｌｅｄａｎａｌｙｓｉｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｌａｓｅｒｒａｎｇｅｆｉｎｄｉｎｇ；ｑｕａｄｒａｔｕｒｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｐｈａｓｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍｉｘｉｎｇＯＣＩＳｃｏｄｅｓ２８０．３６４０；２８０．３４００；２８０．５６００１引言理的溯源性以及易于小型化的特点，在整个激光测激光测距仪在很多领域都有着广泛的应用。激距仪家族中有着不可替代的地

7、位。相位法依靠对激光测距仪虽然种类繁多，但从工作原理上分只有三光光强使用周期信号进行调制，测量周期信号的相种：三角法，飞行时间法和干涉法。其中相位测距法移来间接推算距离，精度可以达到毫米量级。在相因为其较高的精度，普适性很好的工作距离，测距原位式激光测距仪的设计中一类问题就是由于调制频收稿日期：２０１１－０８－１１；收到修改稿日期：２０１１－１０－２６基金项目：国家自然科学基金（５０７３５００３）资助课题。作者简介：刘邈（１９８６—），男，硕士研究生，主要从事激光测距与光电传感器应用等方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｅｘｃａｌｉｂｕｒ＿

8、ｓ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ导师简介：杨学友（１９４９—），男，博士，教授，主要从事视觉检测技术及应用、高速图像处理、测试及控制网络技术等方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｕｅｙｏｕｙ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ０２０８００４－１中国激光率对应的光测尺长度有限，相