多频调制的相位法激光测距中若干关键技术研究

【摘要】： 随着军事、航空航天、精密制造与测量等技术的飞速发展,在越来越多的场合需要进行大范围、高精度、快速、动态的距离和速度测量,这就对相位法激光测距提出了新的要求。 课题“相位法激光测距若干关键技术研究”的目的就是在现有相位法激光测距系统的基础上,研究一种快速、动态、高精度的多频调制相位法激光测距系统,为解决目前相位法激光测距中存在的测量速度慢、抗干扰能力差、不能实现动态测量等问题提供了技术储备,在工业生产、军事以及航空等需要大尺寸测量的领域中具有广阔的应用前景。 本文结合相位法激光测距原理,论述了相位法激光测距在工业生产、精密加工制造、大尺寸物体的三维测量、飞行器空间外姿态测量、空间交会对接以及小卫星编排等领域中的应用,指出在新的应用场合和应用要求下相位法激光测距中亟待解决的若干关键问题,确定了相位法激光测距系统的设计方案和优化方法、信号处理方法以及雪崩光电二极管(APD)非线性误差补偿方法,为相位法激光测距在新领域中得到更广泛的应用奠定了基础。 为了实现高精度、动态的距离和速度测量,本文设计了基于多DSP并行处理的发射和接收系统。对于多个调制频率的激光同时发射的测距系统,基于并行处理思想,使用多路并行AD转换器对同时到达的参考信号和测量信号进行采集,送至多路DSP,采用频谱分析的方法提取参考信号和测量信号的相位差和频率差,经计算得到目标的距离信息和速度信息。信号的数字化处理有效的提高了系统的抗干扰能力和测量精度,且系统中实现了多个调制频率的测量信号同时发射、并行接收和处理,节省了测量时间;除此之外,设计的温度控制系统为整个相位法激光测距系统实现稳定、高精度的测量提供了保证。 为了提高返回光信号和参考信号相位差测量的精度,将全相位FFT(apFFT)作为一种新的频谱分析手段引入到激光测距系统中,建立了apFFT在高斯白噪声背景下进行相位估计的误差模型,深入分析了信噪比、归一化频率偏差、采样点数以及所加窗函数对相位估计精度的影响。基于apFFT谱分析,提出了一种新的频率校正的方法,仿真实验证明,该频率校正方法在整个归一化频率偏差范围内较双谱线法和能量重心法有较高的估计精度和较好的稳定性。 APD非线性引起的测相误差严重制约了相位法激光测距精度的进一步提高,在研究APD非线性引起的测相误差与倍增因子、反向偏压与入射光强之间的关系的基础上,设计了APD倍增增益闭环控制系统,提出了一种倍增增益控制和软件补偿相结合的APD非线性测相误差减小方法,该方法简单有效。在调制频率为75MHz时,最大相位误差由4.8013o减小为0.0301o,在调制频率为7.5MHz时,最大相位误差由0.5018o减小为0.0291o,大大提高了测距精度。 最后,本文对课题研究的若干关键技术进行了性能测试和实验验证。在3m基准测长机上进行了系统的静态和动态测试,在距离测量稳定性试验中,对于固定的不同的被测距离,所得测距结果的标准差均小于0.09mm;在系统测速试验中,目标以200mm/s做匀速运动,进行apFFT变换点数为4096点时,系统测速标准差小于0.0049m/s,进行apFFT变换的点数为2048时,系统测速标准差小于0.0114m/s。