下载文档原格式
激光相位法测距的原理激光相位测距中，把连续的激光进行幅度调制，调制光的光强随时间做周期性变化，测定调制光往返过程中所经过的相位变化即可求出时间和距离。
图.1 相位式激光测距原理示意图如图1所示，设发射处与反射处（提升容器）的距离为x ，激光的速度为c ，激光往返它们之间的时间为t ，则有：cxt 2设调制波频率为f ，从发射到接收间的相位差为 ，则有：N cfxft 242 (2) 其中，N 为完整周期波的个数， 为不足周期波的余相位。
因此可解出：)(2)22(24N N fcN f c f c x(3) 其中，f c L s 2 称为测尺或刻度，N 即是整尺数， 2 N 为余尺。
根据测得的相位移的大小，可知道N 余尺的大小。
而整尺数N 必须通过选择多个合适的测尺频率才能确定，测尺频率的选择是提升容器精确定位的关键因素之一。
多尺测量方法测量正弦信号相移的方法都无法确定相位的整周期数，即不能确定出相位变化中 2的整倍数N ，而只能测量不足 2的相位尾数 ，因此公式（2.3）中的N 值无法确定，使该式产生多个解，距离D 就不能确定。
解决此缺陷的办法是选用一个较低的测尺频率s f ，使其测尺长度s L 稍大于该被测距离，这种状况下不会出现距离的多值解。
但是由于测相系统的测相误差，会导致测距误差，并且选用的s L 越大则测距误差越大。
因此为了得到较高的测距精度而使用较短的测尺长度，即较大的测尺频率s f ，系统的单值测定距离就相应变小。
为了解决长测程和高精度之间的矛盾，一般使用的解决办法是：当待测距离D 大于基本测尺sb L （精测测尺）时，可再使用一个或几个辅助测尺sl L （又叫粗测测尺），然后将各个测尺测得的距离值组合起来得到单一的和精确的距离信息。
由此可见，用一组测尺共同对距离D 进行测量就可以解决距离的多值解，即用短尺保证精度，用长尺保证量程。
这样就解决高精度和长测程的矛盾[4]。
本系统选用10米作为精尺，1000米作为粗尺，带入公式即可求得精尺频率和粗尺频率：精尺频率 MHz L cf 152510（4） 粗尺频率 kHz L cf 150210001000 （5） 其中，光速s m c /1038 。
相位式激光测距的FFT与apFFT鉴相研究陈栋;刘恩海【摘要】为实现亚毫米精度相位式激光测距的鉴相,根据FFT与apFFT的鉴相原理,通过仿真考察两者在高斯白噪声和频率偏移影响下的鉴相性能,并考虑采样点数问题.仿真结果表明:在采样点数相同、频率偏移小的情况下,FFT比apFFT鉴相更准确.在测距速率10 KHz,信噪比35 dB,归一化频移量0.02,调制频率50 MHz时,FFT 的测距标准误差为0.76 mm.因此使用FFT鉴相满足相位式激光测距的高速、高精度要求.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2013(043)010【总页数】5页(P1108-1112)【关键词】相位式激光测距;鉴相;FFT;apFFT【作者】陈栋;刘恩海【作者单位】中国科学院光电技术研究所,四川成都610290;中国科学院大学,北京100039;中国科学院光电技术研究所,四川成都610290【正文语种】中文【中图分类】TN2491 引言相位式激光测距作为一种高精度、非接触的测量方式，在大地大气探测、空间位置高精度测量等领域起着很重要的作用。
其基本原理为:通过测量调幅连续波发射光束和反射光束的相位差来测量时间间隔，进而求出测量距离［1］。
假设光速为c，调制频率为 f，相位差为Δθ，则测量距离为d=cΔθ/(4πf)，可看出鉴相精度影响测距精度［2］。
为实现亚毫米精度的相位式激光测距，选取一种高速、高精度的鉴相方法具有重大的现实意义。
总体上，常用的鉴相方法可分为模拟法和数字法两种，模拟法有着电路复杂、元器件要求高、精度差等缺点;而数字法具有成本低、适应性好、测量精度高等优点［3］。
数字法主要包括自动数字鉴相法、数字相关法和FFT法。
由于被测距离的远近不同，回波幅度差别很大，采用自动数字鉴相法会产生很大的测量误差［4］。
数字相关法和FFT法运算量小，都能有效抑制高斯白噪声，但数字相关法的反余弦运算限制了其鉴相范围为0～π。
摘要作为一种激光测距方法，调频连续波激光测距是通过频率线性调制的发射信号与回波信号形成的稳定的拍频信号，再对拍频信号通过快速傅里叶变换来提取出待测目标距离信息的。
较其他激光测距方法相比，该方法具有较高的测距精度和分辨率、测距范围大、且可实现无合作目标的非接触测量等特点，故在10~100米大尺寸测量范围内受到广泛的应用。
目前关于如何提高该测距系统的测距精度和分辨率是激光测距领域重要的研究方向之一。
本文主要工作如下：1.深入对等光频间隔重采样算法的研究，提出了一种新的等间隔重采样方法，即同时取出拍频信号峰谷值位置的点和零点位置的点，并在以上位置处进行重采样，可以将辅助信号的采样频率较之前的采样方法相比提升一倍。
本方法增加了一倍的系统测距量程，同时也可以在待测距离不变的情况下，减小因辅助光纤长度过长带来的光纤色散。
2.提出了一种基于等光频间隔重采样的相位差频率估计算法。
这种方法相当于对傅里叶频谱进行了进一步的细化，可以对傅里叶频谱中两个点之间的信息进行进一步的获取，提高了测距的精度，并从算法仿真和实验的角度进行了验证。
3.对双光路干涉系统光路进行了原理分析和研究，并提出了一种新的思路，即在原双光路干涉系统的基础上引入一个分光镜和一个1/4波片构成一个新的光路，在待测目标位置不变的情况下增加了其一倍的光程，并推导证实改进后的光路能够将测距分辨率提高一倍。
4.掌握了双光路干涉系统、信号处理系统以及二维转台操作系统后，实现三维球坐标测量。
关键词：调频连续波，三维球坐标，相位差频率估计测频法，重采样ABSTRACTAs a laser ranging measurement method, Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) laser ranging is a stable beat frequency signal which is formed by the frequency linear modulated transmitting signal and echo signal, and then the distance information of the target is extracted by the fast Fourier pared with other laser ranging methods, the method has the characteristics of high ranging accuracy and resolution, wide ranging range and it is suitable for non-contact measurement without cooperative targets, so it is widely used in the 10-100 meter large-scale measurement range. At present, how to improve the ranging accuracy and resolution of the ranging system is one of the important research directions in the field of laser ranging.The main works of this paper are as follows:1.The equispaced-phase resampling algorithm was deeply researched and then a new resampling method is proposed.That is, taking out the peak-valley position and the zero position of the beat signal at the same time and then resampling at the above position, the sampling frequency of the auxiliary signal can be doubled compared with the previous sampling method. This method has doubled the range of system ranging and reduces the fiber dispersion caused by the length of auxiliary fiber when the distance to be measured is constant.2.A phase difference frequency estimation algorithm based on equispaced-phase resampling nonlinearity correction is proposed. This method is equivalent to a further refinement of Fourier spectrum, which can further obtain the information between two points in the Fourier spectrum and improve the ranging accuracy. The algorithm simulation and experiment are also carried out to verify the method.3.The principle of dual interferometer FMCW laser ranging system is analyzed and a new idea is proposed. A spectroscope and a 1/4 wave plate are introduced to form a new measurement optical path on the basis of the original dual-path interferometry system, and the optical path is doubled when the position of the target to be measured is unchanged, and the modification is proved by derivation. The new optical path can double the range resolution.4.The three-dimensional spherical coordinate measurement is realized aftermastering the dual interferometer FMCW laser ranging system, signal processing system and two-dimensional turntable operating system.KEY WORDS: FMCW, Three-dimensional spherical coordinates, Phase difference frequency estimation algorithm, Resampling.IV目录第1章绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 国内外研究现状 (3)1.2.1 国外研究现状 (3)1.2.2 国内研究现状 (4)1.3 课题来源及主要研究内容 (5)第2章 FMCW激光测距原理及等光频间隔重采样算法 (7)2.1 调频连续波激光测距原理 (7)2.2 FMCW测距精度及分辨率主要影响因素 (8)2.2.1 FMCW测距精度的主要影响因素 (8)2.2.2 FMCW测距分辨率的主要影响因素 (10)2.3 重采样算法原理 (11)2.4 调频连续波激光测距信号处理系统 (18)2.5 本章小结 (18)第3章调频连续波激光测距新算法和光路研究 (21)3.1 基于辅助信号的新重采样方法原理 (21)3.2 新采样算法仿真验证分析 (22)3.3 基于等光频间隔重采样相位差频率估计算法原理 (25)3.4 算法测距仿真分析 (27)3.5 算法实验验证分析 (30)3.6 双光路干涉测距系统研究 (32)3.7 本章小结 (35)第4章调频连续波激光测距误差分析 (37)4.1 激光器光源 (37)4.2 数据采集系统 (41)4.3 测量距离 (45)4.4 本章小结 (46)第5章基于调频连续波激光测距的球坐标测量 (49)5.1 高精密二维转台概述 (49)5.1.1 二维转台系统简介 (49)5.1.2 二维转台主要技术指标以及操作流程 (51)5.2 基于调频连续波激光雷达三维球坐标测量 (53)5.3 本章小结 (58)第6章总结与展望 (59)6.1 全文总结 (59)6.2 论文创新点 (60)6.3 工作展望 (61)参考文献 (63)发表论文和参加科研情况说明 (67)致谢 (69)第1章绪论第1章绪论1.1 研究背景与意义目前随着现代化工业不断创新，高新科技层出不穷，社会对于大尺寸测量的需求与日俱增且趋多元化。
一种fmcw激光测距差拍信号频率估计方法及系统引言1.1 研究背景在激光雷达测距系统中，差拍信号频率是一项重要的参数，它直接影响着激光雷达系统的测距精度。
传统的差拍信号频率估计方法存在着一定的局限性，本文针对这一问题，提出了一种基于fmcw激光测距系统的差拍信号频率估计方法，并设计了相应的系统。
1.2 研究意义针对激光雷达测距系统中差拍信号频率估计存在的问题，本文提出的方法可以提高测距系统的测距精度，提高系统的稳定性和可靠性，具有一定的实际应用价值。
一种fmcw激光测距差拍信号频率估计方法2.1 基本原理fmcw（Frequency Modulated Continuous Wave）激光雷达是一种常见的应用于测距的激光雷达系统，其工作原理是通过调制激光信号的频率，在接收端通过差拍信号的频率来实现测距。
在传统的差拍信号频率估计方法中，通常采用FFT算法或者相关算法来实现频率估计，但存在一定的局限性。
本文提出的方法基于fmcw激光雷达的工作原理，利用激光信号的频率调制特性，结合信号处理技术，实现了差拍信号频率的高精度估计。
2.2 算法流程（1）信号采集：采集激光雷达传感器返回的差拍信号数据。
（2）信号预处理：对采集到的信号数据进行预处理，包括滤波、去噪等处理。
（3）频率估计：利用信号处理算法对预处理后的信号数据进行频率估计，得到差拍信号的频率。
（4）误差校正：根据系统误差进行校正，提高频率估计的精度和稳定性。
2.3 算法优势本文提出的基于fmcw激光测距系统的差拍信号频率估计方法具有以下优势：（1）基于激光信号的频率调制特性，提高了频率估计的精度和稳定性。
（2）结合信号处理算法，优化了频率估计的计算方法，减小了系统误差。
（3）提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性和稳定性。
一种fmcw激光测距系统的设计与实现3.1 系统框架本文设计的fmcw激光测距系统包括激光雷达传感器、信号采集模块、信号处理模块、数据显示模块等部分。
