單點激光相位測距原理

ID:439465 · 發表于 2018-12-4 18:37

高精度激光測距，相位法原理和算法實現

相位法激光測距的理論設計

摘要

本文介紹了半導體激光技術,并在傳統的相位法激光測距原理的基礎上, 參考激光測距光學系統設計,運用數字相關檢測的測量方法，提出一種把直接數字頻率合成(DDS) 技術和數字信號處理(DSP) 技術相結合的新的相位激光測距理論設計，這種設計有助于簡化電路、提高相位測距的精度。

第一章引言

第二章國內外研究狀況

第三章激光測距光學系統

3．1 激光測距儀的系統結構

3．2光學系統圖示

3．3 光學系統設計主要部件功能與作用

3．4 主要參考性能數據

第四章數字相關檢測技術改進方法設計

4．1 激光相位式測距的基本原理

4．2 數字信號處理(DSP)的簡述

4.2.1 數字信號處理的主要研究內容

4.2.2 測試信號數字化處理的基本步驟

4.2.3 數字處理信號的優勢

4．3 直接數字頻率合成技術

4.3.1 DDS的基本工作原理

4．4 改進的數字測相的框圖設計

第五章小結

參　考　文　獻

致謝

第一章引言

激光，是一種自然界原本不存在的，因受激而發出的具有方向性好、亮度高、單色性好和相干性好等特性的光。物理學家把產生激光的機理溯源到1917年愛因斯坦解釋黑體輻射定律時提出的假說，即光的吸收和發射可經由受激吸收、受激輻射和自發輻射三種基本過程[1]。

所謂激光技術，就是探索開發各種產生激光的方法以及探索應用激光的這些特性為人類造福的技術的總稱。30多年來，激光技術得到突飛猛進的發展，利用激光技術不僅研制了各個特色的多種多樣的激光器，而且隨著激光應用領域不斷拓展，形成了激光唱盤唱機、激光醫療、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新興產業。激光技術的飛速發展，使其成為當今新技術革命的先鋒！

激光和普通光的根本不同在于它是一種有很高光子簡并度的光。光子簡并度可以理解為具有相同模式(或波型、位相、波長)的光子數目,即具有相同狀態的光子數目。這些特性使激光具有良好的準直性及非常小的發散角,使儀器可進行點對點的測量,適應非常狹小和復雜的測量環境。激光測距儀就是利用激光良好的準直性及非常小的發散角度來測量距離的一種儀器。激光在A、B 兩點間往返一次所需時間為t, 則A、B 兩點間距離D 可表示為: D = c·t /2,式中, c為光在大氣中傳播的速度。由于光速極快, 對于一個不太大的D 來說, t是一個很小的量。如:假設D =15km, c = 3 ×105 km / s,則t = 5 ×10- 5 s。由測距公式可知,如何精確測量出時間t的值是測距的關鍵。

由于測量時間t的方法不同,便產生了兩種測距方法:脈沖測距和相位測距。其中相位測距更加精確[1]。

第二章國內外研究狀況

相位式激光測距技術的研究起始于20 世紀60年代末,到80 年代中期陸續解決了激光器件、光學系統及信號處理電路中的關鍵技術,80 年代后期轉入應用研究階段,并研制出了各種不同用途的樣機,90年代中期,各種成熟的產品不斷出現,預計近期將是其應用產品大發展的階段,在中、近程激光測距應用方面有取代YAG激光的趨勢。隨著激光技術的發展, 應用激光作精密光波測距系統的光源, 是現代測量儀器的一個顯著特點。

據近年的資料, 國外用于大地測量、城市和工程測量的各類光電測距儀約15000多臺。其中, 長程及中程各占1/4, 短程測距儀占1/2。許多工業發達國家已把各種激光測距儀紅外測距儀作為標準設備, 裝備測量作業隊。

近年來，中長程激光測距儀的技術發展有以下特點: （1）普遍采用He -Ne激光光源, 功率為1～5mW; （2）普遍采用新穎的高效調制器,如ADP(磷酸二氫銨NH4H2PO4), KDP(磷酸二氫鉀(KH2PO4)), KD*P(磷酸二氘鉀(KD2PO4))等；（3）向自動化和數字化方向發展。中遠程激光測距儀的精度主要是受到比例誤差的限制, 這是值得注意的。如美國的Geodolit-3G遠程激光測距儀, 其數字測相的分辨力達±0.03 mm, 其固定誤差為±0.03 mm, 但它的比例誤差仍有1 mm/km[2]。為獲得測線的平均氣溫, 氣壓、濕度誤差影響￡1mm/km，還需要用飛機沿測線作氣象測定, 這對作業無疑是不方便的。對比之下, ±0.03 mm的測相分辨力, 對于單色激光的遠程測距, 并不必需。

短程的光波測距儀通常以砷化鎵半導體(GaAs)紅外波段激光源的紅外測距儀為主, 實用上也有少量采用He -Ne激光作光源。這類儀器普遍在向自動化、數字化與小型化、一機多能的方向發展。按儀器的功能可分為單測距儀器, 測角與測距相結合的儀器, 測距、測角與計算三結合儀器(電子速測儀)及高精度的短程測距儀這四類。

單測距的儀器都采用強制歸心基座可與經緯儀交替使用, 以利于邊角測量和導線測量的實施, 這類儀器也可采用激光光源。角、距結合的儀器有二種: 一種是測距系統作為經緯儀的附件, 積木式裝在經緯儀上, 將自動測距與經緯儀測角相結合直接為水平距離并能作坐標差Dx、Dy的計算. 如DI-3及DI-3S; 另一種能將自動測距與光學測微器

讀數測角一并設計的整體型儀器, 為光電測距經緯儀,如SM11[2]。
　　測角、測距、計算三結合的儀器(如AG710)分主機和數據處理二個部件。測角部分采用編碼度盤, 角度和距離一樣都能自動數字顯示。自動歸算的功能包括自動計算水平距離、高差, 自動進行氣象修正以及自動算出相對于測站的待定點極坐標, 并能自動記錄在孔紙帶上。所以這類儀器又稱為電子速測儀。這類儀器的應用與普及, 將使傳統的城市測量工程勘測、小區域的地形測量技術為之大大改觀, 它把測距、測角、測高和計算在一臺儀器上結合起來, 從而在測站上僅幾秒鐘之內就直接獲得測量點的坐標, 并利用穿孔紙帶為自動繪制地形圖、斷面圖迅速提供了大量的原始資料。

短程測距儀的精度主要是提高測相精度, 因為這類儀器的測程多數在1～2km之內, 相對遠距離來說其比例誤差的影響不是主要因素。短程測距儀的精度主要影響是固定誤差, 而固定誤差中又是測相誤差占主要地位, 因此, 減少測相誤差, 是研制高精度短程相位測距儀的關鍵。然而在一定的測相精度下, 提高調制頻率是一個行之有效的措施。

第三章激光測距光學系統

3．1 激光測距儀的系統結構

激光電子測距儀一般由激光光源、激光調制及發射電路、光學系統、接收單元、高頻放大電路、采樣積分電路、邏輯電路、振蕩電路和微處理器部分組成,系統框圖如圖3.1所示。激光光源采用半導體激光二極管。晶振部分包括主振單元和本振單元,通過頻率合成電路分別產生發射頻率信號和基準混頻信號。發射頻率信號經過一定的波形變換和功率放大后,作用于激光二極管,進行內調制,發出調制激光信號[3]。

圖3.1 激光測距儀的系統結構

Fig.3. 1 laser ranging equipment system structure

激光測距光學系統設計的方案及原理為：動目標指示,目標速度分辨力8km/ h ；主動成象,幀頻為100～200 幀/ s；精確測距；以每秒1000 次的速率編排并記錄方位、仰角、距離和時間數據；進行坐標變換,以便輸出高精度的實時位置數據,便于繪圖和數字顯示；使用程序指出方位上幾個區域,保證目標或其它關鍵區域在安全標準范圍內安全控制。

第三章　激光測距光學系統

3．2光學系統圖示

圖3.2 激光測距的光學系統

Fig. 3.2 Laser ranging optical system

圖3.2 是激光測距的光學系統[4]。本系統包括三個發射部分:一是連續波( GaL1As) 激光發射機;二是連續波(CO2) 激光發射機;三是相位( GaA1As) 激光發射機（圖中:1 - 連續波( GaA1As) 激光發射機; 2 - 相位( GaA1As) 激光發射機;3 - 連續波(CO2) 激光發射機;4 、5 - 碲鎘汞探測器;6 、7 - 聲光調制器;8 、9 -前置放大器;10 - 可變減速器;11 - 散熱器;12 、30 -測距通道探測器;13 - 象限傳感器;14 - 二維電荷耦合器(CCD) ;15 - 主功率;16 - 調準傳感器; 17 - 頻率譜顯示器;18 - 本振通道; 19 - 穩定通道; 20 - 后反射器;21 、22 、23 - 凸透鏡; 24 - 氣體池; 25 - 濾光片;26 - 柵鏡;27 、33 - 光柵起偏器; 28 、32 - 四分之一波片;29 - 角度濾波器;31 - 分束器;34 、35 - 方位俯仰掃描器;36 - 方

位俯仰驅動器;37 - 準直鏡）。

3．3 光學系統設計主要部件功能與作用

相位( GaA1As) 激光發射機的作用是用于近場廣角截獲跟蹤目標, 并進行目標的粗測; 連續波(GaA1As) 激光發射系統用于精確的測距; 連續波(CO2) 激光發射系統用于測量速度。微調反射鏡有兩對,分別用于GaA1As 激光束和CO2 激光束的偏轉掃描,目標截獲、跟蹤探測器采用二維的電荷耦合器件CCD。

電荷耦合器件的傳感功能是在光致信息電荷的存儲和傳輸兩個過程完成的。如果把被測目標的光學圖象聚集在電荷耦合器件圖象傳感器的光敏區上,則其上個點所產生的光生載流子的數量,將與各象點上的圖象亮度相對應。在一般稱為光積分時間的時間間隔內,這些少數光生載流子分別被收集、存儲在就近的勢阱里,形成一個個的信息電荷包,每一個信息電荷包所儲存的信息電荷與電荷耦合器件工作表面上相應位置的光強成正比,因而成為被測光學圖象的諸點取樣模擬。這樣,就把光學圖象轉變成為由信息電荷所描繪的電子圖象,完成了光電轉換與儲存信息的過程。為了按掃描順序取出各電荷包的信息電荷,使被接收的圖象以電信號的形式再現出來,可在各個電極上依次施加有規則變化的時鐘脈沖電壓,各個電極下的勢阱深度也將作相應的變化,從而使電荷包能夠沿半導體表面作定向運動。

二維電荷耦合器件的感光單元呈二維矩陣排列,組成感光區。由于傳輸和讀出結構方式不同,面陣圖象器件有多種形式。碲鎘汞器件是目前性能最優良的最有前途的光電導探測器。它的光譜響應在8～4μm 之間,為大氣窗口波段,其峰值波長為1016μm 與CO2 激光器的激光波長相匹配,響應時間約為10 - 4ms 量級。所以此光電器件在激光測距以及距離變化率測定儀中,常常作為探測器。

激光測距光學系統中的收發望遠鏡組是用一短焦距透鏡將高斯光束聚焦,以便獲得極小的腰斑,然后再用一個長焦距透鏡實現準直改善其方向性。象限傳感器由四只互相獨立的硅光電二極管組成。四象限元件都力求在響應度高的前提下提高各象限自身的均勻性,并減小各個象限之間的串擾[5]。

第三章　激光測距光學系統

3．4 主要參考性能數據

作用距離0～30 ,000m

角度測量準確度< ±110″

分辨距離0.115m

角度覆蓋范圍180°

掃描角速度2°/ ms

角度偏轉范圍0～20°

連續波( GaA1As) 激光器波長　0185μm

連續波CO2 激光器波長　1016μm

相位( GaA1As) 激光器波長　01905μm

峰值功率　　　15W

輸出功率　　　15mW

重復頻率　　　90pps (每秒鐘的周期數)

接收探測器　硅雪崩光電二極管

接收鏡孔徑　18～100mm

本文的相位測距數字檢測系統是根據激光測距的工作原理及由激光測距原理繼而發展的相位式激光測距的原理，并參考在激光領域所做的相關的光學系統而設計的。

第四章數字相關檢測技術改進方法設計

相位法激光測距是利用發射的調制光與被測目標反射的接收光之間光強的相位差所含的距離信息來實現對被測目標距離的測量。由于采用調制和差頻測相技術, 具有測量精度高的優點, 廣泛用于有合作目標的精密測距場合。激光相位式測距儀由于其測量精度高而被廣泛地應用于軍事、科學技術、生產建設等領域。相位式測距儀的基本原理是通過測量連續調幅信號在待測距離上往返傳播所產生的相位延遲,來間接地測定信號傳播時間,從而求得被測距離. 因此,信號相位測量的精度也就決定了激光測距儀的精度[6]。

測距儀相關檢測技術是信號檢測領域里一種重要工具,它能在低信噪比的情況下提取出有用的信號,具有較強的抗噪聲的能力,如同頻域里的譜分析一樣,時域里的相關分析幾乎在信號的所有領域里都有應用,例如圖像處理、衛星遙感、雷達及超聲探測、醫學和通信工程等。

在此本文設計一種新型的激光相位式測距儀,它將現代數字信號處理技術應用于測距系統,利用數字信號處理芯片的強大的數據運算功能,對采集的信號進行數字相關運算,計算出測量信號與參考信號的相位差,繼而得到距離值。

4．1 激光相位式測距的基本原理

傳統的相位法激光測距機,為了提高測量精度,通常需要把激光調制頻率提高到幾十兆甚至幾百兆；為了增大量程,通常把激光調制頻率降低到幾兆甚至更低;為了提高測量相位的精度,通常把發射信號和回波信號與本振混頻進行移相和鑒相測相。如要同時實現高精度和大量程,則需要多組激光調制頻率,且隨著測量精度的提高,調制頻率會不斷的提高,這些對電路性能要求會越來越高,電路的復雜度也會隨之增大,各個信號之間的串擾會隨之嚴重,這給高精度激光測距機的設計和制造帶來很大的困難。為了克服這些困難,本文提出了一種把直接數字合成(DDS)技術與數字信號處理器(DSP)相結合的激光測距方法,利用DSP強大的實時信號處理的特點和DDS 器件能在一定帶寬內產生任意頻率的特點,只需把調制頻率限制在10兆赫茲以內就可以達到很高的測量精度和很大的量程,而且在工作量提供了一定的理論設計[6]。本文就其基本原理, 系統框圖和誤差分析

第四章　數字相關檢測技術改進方法設計

做詳細的論述。

光以速度c 在大氣中傳播，在A、B 兩點間往返一次所需時間與距離的關系可表示為：L= ct/2。

上式中L─— 待測兩點A、B 間的直線距離；c ─— 光在大氣中傳播的速度；t ─— 光往返AB 一次所需時間。由上式可知，距離測量實質是對光在AB 間傳播時間的測量。由于對時間測量不夠精確，所以將對時間的測量轉化為對相位差的測量。相位差的測量可以達到很高的精度，故而距離的測量也就達到了很高的精度[7]。

激光測距是用無線電波段的頻率,對激光束進行幅度調制并測定調制光往返一次所產生的相位延遲,再根據調制光的波長換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測定出光經往返測線所需的時間,如圖4.1所示。

圖4.1　測距相位示意圖

Fig.4.1 range finder phase schematic drawing

相位式激光測距一般應用在精密測距中。由于其精度高,一般為毫米級,為了有效地反射信號,并使測定的目標限制在與儀器精度相稱的某一特定點上,對這種測距儀大多配置了被稱為合作目標的反射鏡。

圖4.2為典型的模擬測相電路的原理圖[8]：

圖4.2 　模擬測相電路原理圖

Fig. 4.2 the simulation measures the electric circuit schematic diagram

為討論方便,這里作如下假設：

1) 設主頻率信號和參考頻率信號的初始相位為0°。

2) 測量的距離小于c2/ fs(一般稱為光尺) ，這里c 為光速，約等于300000000m/s , fs 為調制頻率。

3) 假設干擾噪聲為0。

設主頻率信號S1 = A cos ( wst ) , 參考頻率信號S2 = Bcos ( wоt ) , 且fs > f0 , 那么接收的信號應該為R = Ccos ( ws +φ) 。式中:φ表示相位變化,那么經過混頻器和低通濾波器的信號分別為：

E1 = Dcos[ ( ws - wо)t ] ,

E2 = Ecos[ ( ws - wо)t +φ]。

最后由檢相電路來檢測相位差φ, 即可得到時間差t =φ/2πfs，距離L =cφ/2πfs。

一般相位檢測都是采用平衡測相和數字測相法，但這2 種方法都存在電路復雜、體積大、使用不便等缺點，尤其是其精度不高，在某些場合是不能滿足要求的。為了提高測相的精度和減少體積，這里利用現代數字信號處理(DSP)技術和直接數字頻率合成（DDS）技術對方案進行了改進,所以在設計之前,要先對數字信號處理(DSP)技術和直接數字頻率合成（DDS）技術進行初步了解和認識。

4．2 數字信號處理(DSP)的簡述

數字信號處理(DSP)是利用專用或通用的數字信號處理芯片，以數字計算的方法對信號進行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強、體積小等優點。DSP已

第四章　數字相關檢測技術改進方法設計

經成為一個新的技術領域和獨立的學科體系，當前已經形成了有潛力的產業和市場，在現代光電通信中也得到十分廣泛和成功的應用。

廣義來說，數字信號處理是研究用數字方法對信號進行分析、變換、濾波、檢測、調制、解調以及快速算法的一門技術學科。但很多人認為：數字信號處理主要是研究有關數字濾波技術、離散變換快速算法和譜分析方法。隨著數字電路與系統技術以及計算機技術的發展，數字信號處理技術也相應地得到發展，其應用領域十分廣泛。數字濾波器數字濾波器的實用型式很多，大略可分為有限沖激響應型和無限沖激響應型兩類，可用硬件和軟件兩種方式實現。在硬件實現方式中，它由加法器、乘法器等單元所組成，這與電阻器、電感器和電容器所構成的模擬濾波器完全不同[9]。

4.2.1 數字信號處理的主要研究內容

數字信號處理主要研究用數字序列或符號序列表示信號，并用數字計算方法對這些序列進行處理，以便把信號變換成符合某種需要的形式。數字信號處理的主要內容包括頻譜分析、數字濾波與信號的識別等。

數字信號處理中常用的運算有差分方程計算、相關系數計算、離散傅里葉變換計算、功率譜密度計算、矩陣運算、對數和指數運算、復頻率變換及模數和數值轉換等。很多數字信號處理問題，都可以用這些算法加上其它基本運算，經過適當的組合來實現[10]。

4.2.2 測試信號數字化處理的基本步驟

隨著微電子技術和信號處理技術的發展，在工程測試中，數字信號處理方法得到廣泛的應用，已成為測試系統中的重要部分。從傳感器獲取的測試信號中大多數為模擬信號，進行數字信號處理之前，一般先要對信號作預處理和數字化處理。而數字式傳感器則可直接通過接口與計算機連接，將數字信號送給計算機（或數字信號處理器）進行處理[11]。

(1) 預處理是指在數字處理之前，對信號用模擬方法進行的處理。把信號變成適于數字處理的形式，以減小數字處理的困難。如對輸人信號的幅值進行處理，使信號幅值與A／D轉換器的動態范圍相適應；衰減信號中不感興趣的高頻成分，減小頻混的影響；

隔離被分析信號中的直流分量，消除趨勢項及直流分量的干擾等項處理。　

(2) A／D轉換是將預處理以后的模擬信號變為數字信號，存入到指定的地方，其核心是A/V轉換器。信號處理系統的性能指標與其有密切關系。

(3) 對采集到的數字信號進行分析和計算，可用數字運算器件組成信號處理器完成，也可用通用計算機。目前分析計算速度很快，已近乎達到“實時”。

(4) 結果顯示一般采用數據和圖形顯示結果。

4.2.3 數字處理信號的優勢

數字信號處理能廣泛應用于現代光電通信中，是因為DSP與模擬信號處理相比，具有以下優點[12]：

(1) 信號處理的動態范圍大，有比模擬信大30dB的動態范圍，因而有更高的精度。
(2)數字信號處理僅受量化誤差和有限字長的影響，處理過程不產生其它噪聲，具有更高的信噪比。
(3)具有高度的靈活性，能夠快速處理、緩存和重組，可以時分多用、并行處理，還可以靈活地改變系統參量和工作方式，并以利用系統仿真。
(4)具有極好的重現性、可靠性和預見性。
(5) 算法具有直接的可實現性。
(6)對白噪聲、非平衡干擾和多徑干擾，可以有相應的最佳化的實現方法去進行特有的信號處理。

以上優點是DSP(數字信號處理)在現代光電等通信中應用的重要保證。

4．3 直接數字頻率合成技術

直接數字頻率合成技術(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)，是從相位概念出發直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術。和傳統的頻率合成技術相比，他具有頻率分辨率高、頻率轉變速度快、輸出相位連續、相位噪聲低、可編程和全數字化、便于集成等突出優點。DDS將先進的數字處理技術與方法引入信號合成領域，成為現代頻率

第四章　數字相關檢測技術改進方法設計

合成技術中的佼佼者，得到了越來越廣泛的應用，成為眾多電子系統中不可缺少的組成部分。

4.3.1 DDS的基本工作原理

 DDS工作原理框圖如圖4.3所示，其實質是以參考頻率源（系統時鐘）對相位進行等可控間隔的采樣[13]。

圖4.3 DDS工作基本原理圖

Fig. 4.3 DDS works the basic schematic diagram

由圖4.3可見DDS包括由相位累加器和ROM查詢表構成的數控振蕩源（NCO）、DAC以及低通濾波器（LPF）3部分。

在每一個時鐘周期，N位相位累加器與其反饋值進行累加，其結果的高M位作為ROM查詢表的地址，然后從ROM中讀出相應的幅度值送到DAC。低通濾波器LPF用于濾除DAC輸出中的高次諧波。因此通過改變頻率控制字K就可以改變輸出頻率fout。容易得到輸出頻率fout與頻率控制字K的關系為：fout=Kfc/2N，其中fc為相位累加器的時鐘頻率，N為相位累加器的位數。

當FTW=1時，DDS所能產生的正弦信號的最低頻率，即頻率分辨率為：△f=fomin=fc/2N。

4．4 改進的數字測相的框圖設計

基于模擬測相電路存在電路復雜、體積大、精度不高、使用不便等缺點，結合現代數字信號處理(DSP)技術和直接數字頻率合成（DDS）技術的巨大發展優勢，本文對原有的測相電路圖進行了改進，其原理框圖如圖4.4所示：

圖4.4 　改進的數字測相框圖

Fig.4. 4 The improvement numeral measures the diagram

改進的測量系統與原測量系統相比主要有以下區別：

1) 主頻率信號與參考頻率信號都由直接數字頻率合成器(簡稱DDS) 產生，這種方法不僅輸出頻率的分辨率高，而且可以通過編程改變輸出頻率，很容易改變光尺,提高測距的精度。

2) 經過混頻、低通濾波器后的2 路信號進入模數轉換電路(ADC) ，由DSP 控制在同一時刻啟動2 路ADC 進行數據采集,并由DSP利用數字相關檢測的方法測量相位差,得到距離值。

由于DSP 具有強大的實時處理特點和DDS 器件的寬帶特性,可將DSP 和DDS 結合起來設計的一種新的激光測距方法。利用DSP 和DDS 器件產生一定帶寬范圍內的任意頻率f ,在這任意頻率中,用一定的掃頻方法,找到相鄰的兩個使相位法激光測距的基本公式:L =mc/2f+Δφ/2πc2f式中Δφ = 0的頻率fs1整和fs2整計算L[14] 。其系統結構框圖為圖4.5所示。

圖4.5　基于DDS 和DSP 的激光測距機結構圖

Fig. 4.5 Based on DDS and DSP laser range finder structure drawing

第四章　數字相關檢測技術改進方法設計

設DDS 的器件參數為: 能產生的最高頻率fmax ,最小頻率fmin ,DDS 的步進(能控制的相鄰兩個頻率差) 為Δf ,即DDS 輸出可調頻率間隔為Δf 。

基于以上的原理,本測距機的測量過程為:通過DSP 設置DDS 初始輸出頻率為最大,設為10MHz ,把發射信號和回波信號經過帶通濾波放大送入AD ,實時采樣兩路信號S1 和S2 送入DSP 進行判決處理,如果兩路信號的比值不為定值, 即Δφ不為零,則調整DSP 對DDS的控制信號值,使DDS 按步進Δf 減小頻率f ,在每一個頻率點上,DSP 通過AD 的實時采樣信號判斷是否兩個光的實時幅度比為定值,即Δφ是否為零,若不為定值則繼續通過DSP 調整DDS 的頻率,直到減小f 到使Δφ在測量距離2 L上為零為止,此時2 L 剛好為整波長,即框圖中雙路AD 的兩路輸出信號的所有相同時刻采樣點上的比值為一定值,DSP 通過信號處理判斷此時Δφ為零并記錄下這個頻率值fs1整,此時的整波長數為m1整,同理,在fs1整的基礎上再下調整頻率, 使出現下一個(相鄰的) Δφ為零為止, 此時頻率為fs2整, 此時的整波長數為m2整,記下fs2整,可以證明,如果是相鄰的出現整波長,此時的m1整= m2整+ 1 。在L 從0 到+ ∞時,在fmin < f < fmax 中會出現三種情況(其中c 為光速) ,不同的情況計算方程不同[15]。

①不存在Δφ = 0 , L <c/2fmax,此時相位法激光測距的基本公式：

L =mc/2f+Δφ/2πc2f （1）變為： L =Δφ/2πc2f (2)

這種情況下一般取f 為固定值f max = 10MHz則(2) 式變為：

L =Δφ/2πc2fmax (3)

其中Δφ的測量用基于FFT 的數字相位計來計算,從而算出L 的值；

②只出現一次Δφ = 0 ,c/2f max< L <c/fmax,此時m = 1 ,Δφ = 0 ,記錄的頻率為fs1整, (1) 式變為: L=c/2fs1整 (4)

③出現兩次或兩次以上Δφ = 0 , 此時, L > c/fmax

則由(1) 式得 L =m1整c/2fs1整 (5)

L =m2整c2/fs2整 (6)

且　　m1整= m2整+ 1 (7)

則　　 L =c/2( fs1整- fs2整) (8)

根據這個測量過程,在DSP 內部軟件的基本流程為圖4.6 所示。

圖4.6 　DSP 內部的軟件流程圖

Fig. 4.6 DSP interior software flow chart

4．5 數字相關檢測的原理及在本系統中的實現

互相關函數可以理解為2個信號的乘積的時間平均,這是一個很有用的統計量,一方面它可以用來了解2個未知信號之間的相似程度,或者2個已知信號的時間關系，另一方面它有很強的抗噪聲能力，這是因為噪聲信號的相關系數幾乎為零,在微弱信號中經常使用相關檢測的方法提取有用的信號[16]。信號x ( t) 和y ( t) 的互相關函數的嚴格定義如下：

式中: T 是平均時間,如果x ( t) 和y ( t) 是周期為T0 的周期信號,則只需要在它的1 個周期里作相關計算即可,即

第四章　數字相關檢測技術改進方法設計

數字域中的互相關的公式如下：rxy (τ) =1/N ∑x ( n) y ( n +τ)。式中: N 為相關信號的記錄長度(采樣的點數) , 2個信號的時差為τ,τ= 0 , 1 , ., N - 1 , 通常直接稱為時差, T 為采樣時間間隔。

在本系統中為了分析方便, 先在模擬域中分析,由上面的分析可知經過混頻器和低通濾波器輸出的信號分別為[17]：

E1 = Dcos[ ( ws - w0) t ] + n1 ( t) ，

E2 = Ecos[ ( ws - w0) t + φ] + n2 ( t) 。

式中: n1 ( t) 和n2 ( t ) 分別是隨機噪聲干擾項. 由互相關的定義可知,信號E1 與E2 的互相關函數應是φ的函數,其表達式如下:

式中: T1 為差頻信號的周期,由于隨機噪聲的相關性較差,由式(1) 可得：

R12 (φ) = DEcosφ/2。 (2)

由式(2) 可知, 要想得到相位差φ, 必須要知道D 和E 的值, D 和E 的值受外界的干擾比大,所以相關運算要做歸一化處理.。經過模數轉換電路的2 路信號分別表示為：

E1 ( n) = Dcos[ ( ws - w0) n T ] + n1 ( n T) ，

E2 ( n) = Ecos[ ( ws - w0) n T + φ] + n2 ( n T) 。