基于欠采样的激光测距数字鉴相方法

欠采样方法为实现全数字化接收、降低激光测距系统复杂性提供了有效途径。针对传统欠采样数字同步解调法引入干扰大的缺点,为提高系统的测量精度,提出了欠采样频域谱分析鉴相法。方法基于Nyquist采样谱分析鉴相思想,通过对欠采样后搬移到低频的频谱成分进行分析获取相位信息实现鉴相,在抵抗干扰方面具有较好的性能。在加入信噪比40 dB、杂散频率、0.1 MHz频率偏移、2次谐波的综合影响因素后的仿真结果表明,在1 MHz测距速率下,欠采样谱分析鉴相法精度为0.13,调制频率80 MHz时测距精度为0.68 mm,优于传统的欠采样数字同步解调法。因此,欠采样谱分析法更适用于高速、高精度的数字化相位差测量,提出的实现方案具有实际意义。     

高速相位式激光测距数字鉴相方法仿真与实现

为实现高速、高精度相位式激光测距鉴相,根据数字相关法、数字同步解调法、频域数字鉴相法和全相位FFT法的鉴相原理,基于仿真考察了在白噪声、频率偏移等因素影响下的鉴相性能。仿真结果证明,在高速测量下(500 kHz),全相位FFT法优于其他方法。为应用于高精度相位式激光测距原理样机,设计全相位FFT法的FPGA信号处理方案,利用傅里叶变换共轭对称性从而实现了高速实时鉴相。实验数据表明:在500 kHz测距速率下,信噪比为40 dB,频率偏移0.01时,鉴相精度为0.09°;调制频率为100 MHz时,测距精度为0.38 mm。因此,全相位FFT鉴相法适用于高速、高精度相位差测量,提出的实现方案具有实际意义。     

相位式激光测距的FFT与apFFT鉴相研究

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.     

矢量内积法高速相位式激光测距技术

测量速度和测量精度是相位式激光测距系统的两个重要指标。针对高速高精度测距需求,研究了基于矢量内积(Vector Inner Product, VIP)法的高速数字鉴相方法,从鉴相计算的点数、鉴相计算速度和鉴相精度等方面对VIP法的鉴相性能进行了仿真分析和实验测试,并与传统的数字频域鉴相法(Discrete Fourier Transform, DFT)进行了性能对比。仿真和实验结果表明,VIP法具有更高的鉴相速度和鉴相精度,当信号调制频率为50 MHz时,基于高速采样板卡实测得到的鉴相精度优于0.1°,测距精度0.2 mm以内,相同计算点数VIP法的鉴相处理速度是DFT法的3倍。研究结果表明,VIP法具有鉴相精度高、鉴相速度快的优点,适用于高速高精度激光测距系统。     

干涉解调鉴相测距法

针对相位法激光测距技术中其测量精度与测量范围 不能够同时兼顾问题,提出干涉解调鉴相测距系统。经过理论推导与实验验证表明,干涉解 调鉴相测距系统中的 偏振光干涉解调的方法能够代替传统的模拟鉴相系统,简化了模拟鉴相电路,减小了鉴相系 统中的附加相 移噪声;小步进改变调制频率扫频的方法能够解决相位测距系统中的模糊距离问题;干涉解 调鉴相测距系 统的测距精度能够达到10－5量级。     

相位式激光测距全相位谱分析鉴相算法

为降低相位式激光测距的鉴相偏差,以余弦信号为对象深入研究全相位谱分析鉴相的性能。将余弦信号分解为指数形式进行频谱变换,得出负频率会引起谱分析鉴相偏差,但全相位谱分析的频谱泄漏远小于传统傅里叶变换(FFT)法,仿真时鉴相偏差降为后者的1‰。从信噪比增益角度研究窗函数对鉴相精确度的影响,分析表明,归一化频率偏移量绝对值小于0.3时,采用矩形窗的全相位谱分析鉴相方差最小,可达克拉美罗下限的1.3倍。实验结果表明,在测距系统中可忽略全相位谱分析鉴相的偏差,当信噪比为34 dB时,每秒百万次鉴相的精确度为3.3 mrad,测距精确度达1 mm,全相位谱分析适用于高精确度相位式激光测距。     

步进频率激光雷达测距信号处理技术研究

文中介绍了雷达系统步进频率(Stepped-Frequency, SF)信号的模型，研究了非相参激光雷达采用步进频率信号方式测距的问题。仿真研究了各阶梯脉冲回波信号相位关系不确定和信噪比对测距的影响，提出消除相位影响的方法，并应用在固定目标实测试验中。试验采用频率步进量1 MHz、调频范围80 MHz正弦波调制声光晶体产生步进频率激光脉冲序列，使用采样率40 Msps的ADC采集激光回波并处理，对489.2 m的标定目标测量精度达到1.17 m。在低信噪比时，采用多组脉冲串累积方式仍能求得目标距离值。此研究实现低采样率下固定目标的高精度测距，为步进频率信号处理方式高精度激光相干测距产品的研制打下坚实基础。     

一种基于相位测量的快速高精度大范围的激光测距法

为满足快速、高精度和大范围的激 光测距需求,分析了现有单频和多频相位激光测距方法存在的 问题,提出了基于降频及高精度测时技术的 相位激光测距方法,并根据测距 要求以及按照测尺频率、测时精度和参考频率的顺序建立了测距系统参数选择模型,进而 按照测距参数需求搭建了实 验系统。实验表明,在300kHz单频测尺、260kHz参考频率和50ps测时精度条件下,实验系统具有500m测距范围、1.08mm 测距精度和0.03～0.04s测量速度,可为快速、高精度和大范围测距 奠定基础。     

基于数字鉴相的色散测量实验研究

为了提高光纤中色散的测量精度和降低测量成本,提出了一套基于数字鉴相的色度色散的测量方案。采用低速率的模数转换器和全相位快速傅里叶变换的数字相位鉴别算法替代传统的模拟鉴相器件,利用粒子群优化算法对接收数据进行曲线拟合处理,实现了高精度的色散测量。数值分析了采样率、信噪比和快速傅里叶变换长度等因素对数字相位鉴别精度的影响,实验验证了测量系统的准确性。实验结果表明,对于不同长度的G.652光纤,在波长1550nm处,累积色散测量不确定度小于10ps/nm,结果优于目前城域网环境下的商用色散测试仪的测量精度。     

基于伪非均匀采样的高精度时间间隔测量方法

为提高脉冲激光测距的精度,采用一种新的高精度时间间隔测量方法。在脉冲计数法的基础上,利用温补晶振生成与计时量化时钟同步同频率的参考正弦波信号,将提高时间间隔测量精度问题转化为初始相位估计;通过伪非均匀采样方法对参考正弦波信号采样,并针对研究中所采用的伪非均匀采样方法推导出相应的理论公式,然后利用最小二乘法对采样数据进行曲线拟合,将伪非均匀采样信号还原成被采样的参考信号,实现相位估计,从而实现高精度时间间隔测量。将本文方法应用于脉冲激光测距仪中,实验表明,测距仪的测距精度优于±5mm。     

新型相位式激光测距系统电路的设计

为了提高相位式激光测距系统的精度和可靠性,设计了一种新型的相位式激光测距系统的发射和两路几乎一致的接收电路。通过采用具有微小频差的低抖动时钟发生技术,差频测相技术等原理,系统可以实现特定环境下的高精度测量。系统由级联式PLL可编程时钟信号源、激光发射与接收模块、自动增益控制、混频滤波及数据采集组成。利用时钟源产生调制信号,并对反馈信号和接收信号进行放大、混频滤波等信号调理,进而采集数据并对数据进行处理分析。在电路的设计中,优化了激光的调制发射电路,采用低回波损耗的尾纤式激光器,增加简单实用的自动增益模块等。实验观察的波形和数据结果分析表明,此相位式激光测距系统电路简单实用,并且具有较高的稳定性和较高的测量精度。     

面向大振幅、长周期振动校准的零差正交激光干涉测振方法

针对零差正交干涉测量应用于超低频超大振幅标准振动台性能测试时非正交相移误差补偿困难、所需采样率极高的问题,提出了一种欠采样零差正交激光干涉测振方法。在设计消偏振分光测量光路的基础上,提出波片偏航调整方法,进行非正交相移误差的硬件实时补偿;提出基于运动状态预估的卡尔曼正交信号解调算法,对深度欠采样的干涉条纹进行相位信号解调,以大幅降低所需的采样率及产生的数据量。实验和仿真结果表明,文中方法可大幅降低零差正交干涉的非正交相移误差及其对波片角度偏差的灵敏度,且在测量超低频振动时,卡尔曼正交信号解调算法所需的采样率和每通道数据采集点数降低至奈奎斯特采样定理的0.056%。文中提出的欠采样零差正交激光干涉测振方法较好地满足超低频超大振幅标准振动测试的需求。     

一种提高相位测距精度的方法

在激光相位测距中,距离是通过求回波信号的相位信息求得的。由于频谱泄露和栅栏效应,传统的FFT不能精确地计算出频率点的相位值,因此提出使用密集频谱细化技术和频谱校正技术对回波信号的频谱进行校正。实验结果表明:基于复解析带通滤波器的复调制谱细化算法所需的运算量少,计算速度快,同时能够提高相位测量精度;频谱校正算法中相位差校正算法是一种精确的校正方式,校正精度很高;频谱细化和频谱校正技术大大提高了频谱分辨率。在工程应用中,本文方法运用于激光相位测距中能大幅度提高频域数字测相的精度。     

基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法

为了解决调频连续波(FMCW)激光器调制非线性导致的测量信号频谱展宽降低激光干涉测距精度的问题, 采用一种基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法, 进行了理论分析和实验验证, 获得了双光路测距系统对不同位置目标信号等光频细分重采样后的波形数据, 并进行了频谱分析。结果表明, 通过等光频细分重采样的方法, 使用细分后的时钟信号点对距离大于辅助干涉光路光程差的目标测量信号进行重采样, 消除了激光器的调制非线性的影响, 并且避免了采样点数不足引起信号失真的问题; 在4.3m测量范围内, 等光频细分重采样测距系统与激光干涉仪相比最大残余误差不超过±18.46μm, 最大测量标准差为23.39μm; 该方法使用的辅助干涉光路光程差很短, 受环境的影响较小, 可以获得稳定的时钟信号, 并且可以减少双光路FMCW测距系统的体积与成本。该研究为长距离、高精度调频连续波测量提供了实用参考。     

基于循环平稳随机序列的脉冲激光测距方法

脉冲定时误差会使测距精度恶化,为此,提出了一种基于循环平稳随机序列的脉冲激光测距方案。该方案首先将回波脉冲定时信号映射在周期基准信号上,由此构造出一个循环平稳的随机序列,将对脉冲定时时间的测量转化为对循环平稳随机序列的参数估计。该方法利用了循环平稳随机过程在时间上呈现为周期性平稳变化的特征,从携带时间抖动等误差的测量数据中高精度地估计参数,从而获得高精度的目标距离。为了获得循环平稳随机序列测量数据,提出了一种遍历欠采样方法,以解决在采样频率与信号频率相差很大的条件下进行等效等间隔采样的困难。以此原理研制出的脉冲激光测距仪具有精度高、原理结构简单等优点,测试后可知,在激光出瞳平均功率为1 mW的条件下,当信噪比为10时,无合作目标测程为300 m,测距精度为±(2 mm+2×10^-6D)。     

基于数字高频检相式的激光测距光学系统设计

为了改善相位差法激光测距测量精度低的现状,采用高频检相法代替模拟测相法,即数字高频检相式的激光测距光学系统来提高测距精度。实现了10MHz的激光调制频率,设计了准直透镜,给出了设计指标,利用ZEMAX软件对光束准直前后进行了对比分析,并通过实验验证了光学系统设计的可行性。结果表明,标准差最大为0.12°,重复距离精度可约达1mm,误差最大为0.09°,最小为0.011°,说明测量的重复性比较好、稳定度高,满足了精度要求,达到了提高精度的目的。     

伪随机码调制的高精度星载激光测距雷达

伪随机码调制激光测距系统通过发射高阶调制激光,实现高频率、低峰值功率探测,利用高频率探测和统计实现高信噪比,具有系统体积小、质量轻的特点,是一种适合远距离的激光雷达系统。但是测距精度与调制频率有关,以往研究中通常使用高调制频率实现高精度测量。文中研制了一台伪随机码调制的激光雷达样机,采用调制重复频率100 MHz、入瞳直径0.1 m的光学天线,通过对周期内回波信号进行高斯统计,在信噪比为5时的实验室环境下实现了0.1 m的高精度测距。通过理论和试验分析证明了通过提高时钟频率和信噪比可以有效提高测距精度。