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。     

高精度的测距系统中的测相技术研究

高精度的测相技术是星星间或星地间的测距系统中的关键技术之一。研究了基于双差频测相技术的高精度测相技术及其在上述高精度的测距系统中的应用。实验结果表明双差频测相技术具有10-6以上的测相分辨率及由系统本底噪声引起的测距误差小于7μm。     

基于幅度调制的连续微波雷达测距研究

为实现实时快速的全天候、高精度、大范围测距,该文提出了基于幅度调制的微波雷达测距方法。在分析主要微波雷达特点的基础上,深入探讨了该方法测尺频率和测距范围、精度之间的数学关系,并利用调制在高频载波的低频信号满足大范围测距需求,采用基于测时技术的高精度测相方法实现高精度与高速度测距,并基于混频器、测时芯片TDC-GP2等器件搭建了雷达实验系统。实验表明,基于TDC-GP2测相单元的测相精度达(2.7110-4),并在2.4 GHz载波、150 kHz调制信号的条件下,对3.0～4.1 m内目标的测距实验证明了系统具有1000 m大范围测距的可行性,且目标处于3.0 m时测距精度为0.0187 m,系统单次平均测距时间为0.02～0.03 s。     

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。     

基于μC/OS-II的嵌入式激光测距系统

本文介绍一种基于ARM9的激光测距系统的硬件原理设计和软件设计方案。以ARM9处理器为控制核心,采用相位法激光测距技术,首先用正弦信号调制半导体激光器的发射激光,然后将被测物反射的激光用光电探测器转换为电信号,采用相位测量技术测量出发射信号与接收信号的相位差,从而计算出与被测物的距离。最后使用实时操作系统μC/OS-Ⅱ作为系统控制核心,以确保测量精度。     

水下相位式激光测距定标方法

基于相位式激光测距的工作原理,提出了将相位式激光测距仪用于水下测距的思路,从原理上分析了水下相位式激光测距的可行性。通过水下距离测量实验,对水下相位式激光测距可行性进行了验证,完成了水下相位式激光测距仪的测距定标算法,并探究了水体浊度对相位式激光测距动态范围和测距精度的影响。实验结果表明,经过定标校正后的水下相位式激光测距仪在水下3.5 m范围内测距误差平均值不超过3 mm,测距范围与水体浊度间存在指数衰减关系。该水下相位式激光测距仪为水下距离的探测提供了一种新方法,可实现水下目标近距离的精确测距。     

脉冲式高精度激光测距技术研究

本文对脉冲式激光测距仪的误差来源进行了分析,着重讨论了影响测距仪随机误差的几个因素。通过分析可以 看到,提高时间间隔测量电路的分辨率,采用高速阈值鉴别芯片以及缩短信号上升沿是提高测距精度的有效方法。其中,信号上升沿的 缩短可以通过采用窄脉冲激光器以及适当的接收电路带宽来实现。通过仿真计算得到,保持5ns上升时间不被扩展的最小带宽约为90MHz。 采用这个思路设计了一种高精度激光测距系统。经测试,该系统对500m内不同距离目标的单次测距精度(3σ)在0.077m～0.115m之 间,对距离在500m到3km的目标则优于0.1‰D+0.05m (D为距离)。同之前采用不同激光器和带宽的设计相比,该系统的单次测距精度有了明显的 改善。     

基于差分光路的脉冲激光测距实验研究

为降低背景噪声对测距精度影响,提出一种基于双通道的差分光路测距方法。该方法采用双探测器接收回波信号,在最佳位置进行回波差分,将峰值时刻鉴别转化为过零点鉴别,有效抑制了背景噪声及脉宽展宽对测距性能的影响。通过搭建差分光路测距系统,针对50 m处的漫反射目标对比测距实验误差,实验结果表明:在有背景噪声的情况下,相比较传统单光路测距方法,采用差分光路将测距误差均方根由95 mm降至70 mm。同时,验证了当差分距离为光速与回波脉宽的乘积时,可获得最高的探测灵敏度。     

调制函数对偏振调制激光测距精度影响分析

为减小传统激光测距方法中复杂电路系统对脉冲计时或相位比较引起的测距误差,针对偏振调制激光测距技术,利用电光调制器中晶体折射率随施加电场线性变化的特性,将待测物体反射的光脉冲调制成时间的函数,通过所得偏振光两个垂直方向上的光强比值求解待测距离。在研究其测距原理、距离方程及误差分析的基础上,推得文中测距方法所能达到理论测距精度的表达式,并分析调制过程中正弦、锯齿、指数三种调制函数对测距精度的影响,在相同距离范围内,锯齿函数具有更好的适用性,正弦函数与指数函数的组合函数具有更高的测距精度。进一步分析正弦函数不同波段对测距精度的影响可知,采用-/6~/6波段调制时其适用性及测距精度都有很大提高。研究结果对提高偏振调制激光测距精度具有重要意义。     

基于FPGA的相位式激光测距系统中信号源的研制

提出在相位式激光测距系统中以FPGA代替专用DDS芯片作为信号源的方法,并对在FPGA中实现DDS功能及其外围硬件实现作了具体阐述,最后系统验证信噪比可达60 dB以上.它比传统的相位测距拥有更好的信号源、频率转换率、以及更低的功耗和更小的体积.     

移相相关法计算相位差的研究

为了提高相位式测距仪的测量精度,采用移相相关方法来估计两同频正弦信号的相位差。首先将每路信号移相2π后和原信号做相关来计算自相关,以减少噪声的影响;其次用少许数据初步估算相位差,并将一路信号移相,使两路信号的相位差移到π/2（或3π/2）附近;然后用较多的采样数据计算两路信号的相位差,将结果再减去移相量得到最终的相位差。同时分析了频率误差对相位差计算精度的影响,进行了理论分析和仿真实验验证。结果表明,该方法计算的误差大大减小。这对提高测距仪的测量精度是有帮助的。     

基于激光回馈效应的应力测量系统研究

玻璃材料的内应力直接影响玻璃零件加工质量和光学器件使用寿命,在航空航天、精密光学系统,精密加工等领域受到高度重视,高灵敏度,大测量范围的应力检测技术已经成为当前的研究热点。本文提出一种基于激光回馈效应的应力测量方法。激光回馈系统由激光器和外部反射镜构成,待测样品放置在回馈外腔中。由于应力引起的双折射效应,带有应力的样品使外腔分裂为两个“物理长度”,不同的外腔长决定了不同偏振方向的回馈光相位,通过提取相位差信息,可获得应力的大小。从理论上分析了回馈系统中激光器的输出光在正交方向的相位与外腔应力双折射的关系；通过傅里叶变换的方式得到双折射外腔激光回馈系统光强调谐曲线的相位信息；最后,采用激光回馈系统对不同的飞机座舱有机玻璃样品内应力进行了测量,并给出测量结果。该方法具有结构简单、精度高的优势,并且具有应用于玻璃材料生产线、改进制备工艺的潜力。     

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.     

用双折射激光频率分裂原理实现的静态与动态测量方法

讨论了用双折射激光频率分裂技术原理实现的静态与动态测量方法；介绍了实验系统和实验结果。该方法具有诸多优越性，例如灵敏度高、频响范围宽、有较强的抗干扰能力和较好的线性等，尤其适用于动态测量。     

用双折射激光频率分裂原理实现的静态与动态测量方法

讨论了用双折射激光频率分裂技术原理实现的静态与动态测量方法;介绍了实验系统和实验结果.该方法具有诸多优越性,例如灵敏度高、频响范围宽、有较强的抗干扰能力和较好的线性等,尤其适用于动态测量.     

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。     

电子调制的激光相干粗糙度测量技术研究

表面粗糙度对机械产品的使用性和可靠性有重要影响。为了实现远距离测量零件表面粗糙度,采用基于激光多普勒效应的电子直接调制激光的相干法进行了表面粗糙度测量。应用激光多普勒效应克服了工作距离的影响;使用电子直接调制提高了测量速率,降低了成本;采用相干法实现了交流锁相放大,有效控制了系统噪声。经过测量过程的统计误差控制、标定和比较可知,所设计的系统测量不确定度可达1‰。结果表明,该技术具有远距离测量且精度高的特点,对表面粗糙度的测量具有一定的指导意义。     

集成薄膜晶体管液晶空间光调制器光调制特性的实验研究

提出一种测量液晶空间光调制器（liquid crystal spatial light modulator．LCSLM）光调制特性（振幅调制特性和相位调制特性）的新方法。采用Mach-Zehnder干涉仪光路，在其中一臂中引入4f成像系统。把LCSLM放置在4f系统的输入面上作为图像输入器件，用位于4f系统输出面上的高性能CCD记录输出图像或输出图像与参考光的干涉条纹。根据输出图像的强度和强度均匀性测量LCSLM的振幅调制特性；根据干涉条纹分布测量LCSLM的相位调制特性。与已有方法相比，该方法不仅可测量LCSLM的振幅和相位调制特性曲线，还可测量器件单个像元上的振幅和相位调制特性。文中以一种薄膜晶体管扭曲向列型LCSLM为例，测量了其振幅调制响应曲线、振幅调制均匀性和相位调制均匀性，实验结果证明了该方法的正确性和实用性。     

对线性调频雷达的距离波门拖近干扰研究

针对距离波门拖引干扰对参差脉冲雷达、随机定位脉冲雷达无效的问题,文章从匹配滤波器群延迟的角度解释了对线性调频(LFM)雷达能够通过频率调制实现距离波门拖近。文章首先研究了调频前移导致的幅度损失问题,给出了幅度损失与频率的关系。然后研究了对LFM雷达的距离波门拖近干扰的频率调制和幅度调制问题,并给出了距离波门拖近干扰机的结构。最后进行了仿真验证,结果证实了理论分析的正确性。     

相位激光测距技术研究概述

文章简述了相位激光测距技术的原理,就激光测距研究中关键技术研究状况做了详细阐述。介绍了相位式激光测距仪的发展历史和最新进展,并就相位测距技术的研究发展方向做了分析。