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1、测量与设备一种大量程高精度激光测距仪实现方案潘璐阳黄芝平吴伶锡(国防科技大学机电工程与自动化学院,长沙410073)(湖南科技大学物理学院,湘潭410004)摘要本文介绍了一种连续波相位式激光测距仪的实现方案,着眼于系统的集成化和小型化,应用了直接数字频率合成(DDS)技术和可编程ASIC技术,解决了激光测距中大量程与高精度这对矛盾,具有广阔的应用前景。关键词多尺度相位差激光测距仪DDSFPGA精度的矛盾。其中最长的测尺决定了测距的量程,一、前言最短的测尺决定了测距的精度。目前市场上的激光测距仪按实现机理可分为脉冲式和连续波相位式。脉冲式的优势在于测试距离远,信
2、号处理简单,被测目标可以是非合作的。但其测量精度并不太高,现在广泛使用的手持式和便携式测距仪大多采用这种原理,作用距离为数百米至数十千米,测量精度为五米左右。而连续波相位式的优势是测距精度高,相对误差可保持在百万分之一以内,但被测目标必须是合作的。可见,寻找一种图1大量程高精度的激光测距的解决方案将会为测距领21间接测尺频率方式域带来更加广阔的发展前景。上述的直接测尺频率方式在实际应用中会遇到二、相位式激光测距的理论分析频带过宽,测相精度难以实现的问题。例如:要求测程100km,精度0101m,测相精度仍为1/1000,则对11多尺度原理53应的直接测尺长度为1
3、0m,10m,10m,频率分别为相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射115kHz,150kHz,15MHz,频带宽近15MHz。在这被测目标,从测量光束往返过程中产生的相位差,可么宽的频带内保证1/1000的测相精度是很难实现换算出测量点到被测目标的距离。如图1所示:A的,故实际测量中采用间接测尺频率方式。为激光发射器,B为被测目标,为表示得更清楚,把用两个频率fs1和fs2的调制光去测同一距离得往返行程展开,激光接收器所在位置Ac实际上与A到是同一个点。由图1可得:L=Ls1(m1+$m1)L=Ls2(m2+$m2)KLAB=2(m+$m)=Ls(m+$m
4、)等效形式为:其中m为整数,$m为纯小数,Ls称作/光尺0。L=Ls(m+$m)对应的往返的相位差为:U=2P(m+$m)=U0Ls1Ls2CC其中Ls===+$U,由于相位测量技术的限制,我们只能测出不Ls1+Ls22(fs1-fs2)2fs足2P的尾数部分$U=2P$m。所以实际应用中必m=m1-m2$m=$m1-$m2fs=fs1-fs2须保证Ls>LAB,这时m=0,只剩小数部分。C为光速我们选择多种/光尺0去测同一距离,再把不同$U1$U2$U由于$m1=$m2=$m=故尺度测得的数据结合起来,就可以解决大量程和高2P2P2P#6#计量技术20041N
5、o9测量与设备有$U=$U1-$U2窄的频率范围内可以使放大器和调制器获得相当接对于上例的测量要求,用间接测尺频率方式,从近的增益和相位稳定性,从而提高测量精度。表1可以看出,各个间接测尺的频率值非常接近,频31相位差的测量宽为150kHz,只有直接测尺方式的1/100。在这样表1间接测尺频率fs115MHz间接测尺频率fs2无0199fs1019999fs1等效测尺频率fsfs10101fs1010001fs1等效测尺长度L35s10m10m10m测试精度0101m1m100m为了进一步降低相位差测量时信号的频率,采脉冲频率;fc为被测信号频率;N为计数值。用
6、差频测相法(见图2)。观察上式。如果令fm=360fc,技术值N直接表示了相位差,这时精度为1b。若令fm=3600fc,精度可达011b。三、激光测距仪的工程实现11DDS激光调制的实现由于采用多尺度测量,而且是运用间接测尺频率方式和差频测相技术,这就要求系统必须有一套高性能的频率发生装置,实现多种频率的高速切换。图2而且为保证测量精度,要求频率发生器的精度很高。主控振荡器信号(发射的信号)传统的压控振荡器不仅频率稳定速度慢,而且频率es1=Acos(Xst+Us)精度不高,不能胜任激光调制的任务。目前在电子本地振荡器信号el=Acos(Xlt+Ul)工程领域
7、得到广泛应用的DDS(直接数字频率合成)技术,非常适合作为这里对激光进行调制的频率接受到的反射信号es2=Acos(Xst+Us+$U)源。DDS的原理框图如图4所示。混频后输出:参考信号er=Dcos[(Xs-Xl)t+(Us-Ul)]测距信号es=Ecos[(Xs-Xl)t+(Us-Ul)+$U]我们取f=fs-fl在几kHz到几十kHz,这样包含相位差信息的正弦信号频率大大降低,提高了下一步测相的精度。传统的相位差计的原理见图3。图4参考频率Fref为高稳晶振,其输出信号用于提供DDS各种部件的同步工作;相位累加器是DDS的核心,它由一个N位字长的二进制加
8、法器和一个由时钟fc取样
