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。     

基于正交混频的相位激光测距实验分析系统

为了解决因F-P标准具间距和光栅入射角导致相位激光测距精度差大的问题,设计了基于正交混频的相位激光测距实验分析系统。设计了相位激光测距实验数据采集器和正交混频转换器,完成系统的硬件设计;在系统的软件设计中,利用飞行时间法提取出相位激光测距实验时间,结合设计的相位激光测距实验分析程序,实现了相位激光测距实验分析。系统测试结果表明,设计系统受到F-P标准具间距和光栅入射角的影响比较小,可以减小相位激光测距精度差,从而提高激光测距精度,当被测距离为3 m时,相位激光测距误差在-4×10^-4 m,设计系统的相位差与实际值相差低于0.3°。     

应用欠采样原理提高相位式激光测距精度

在激光测距中,测程和测量精度一直都是一对矛盾体.在保证测程的同时,提高测量精度是本次设计的关键所在.相位式激光测距的传统思想是将高频信号进行混频之后得到频率较低的差频信号,使用FFT得到相位,但是信号经混频后会带来幅度的衰减和相位的偏移.为了解决该问题,提出一个新的思路,利用欠采样技术与同步检测原理改进测相方法,降低数据处理的复杂度,提高相位检测的精度.用MATLAB仿真有白噪声和其他干扰信号存在时欠采样技术测量相位的精度,经过误差分析之后进行改进并与传统的方法进行了比较.     

基于Matlab的相位式激光测距研究

基于相位式激光测距系统的基本原理和鉴相方法,采用双调制频率的方法解决了测量距离和测距精度之间的矛盾,采用差频鉴相的方法减少电路复杂度。首次基于模块化的思想,运用Matlab的Simulink工具实现了系统的原理分析,对频域数字测相、数字同步解调测相法和自动数字测相法进行了比较。从理论上证明了实现一个高精度、快速相位式激光测距系统的可行性,为下一步实际设备研制奠定了基础。     

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。     

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。     

改进型相位式激光测距电路的设计

为了提高无合作目标的相位式激光测距系统的稳定性和精度,并简化测距系统,设计了一种相位式激光测距系统的发射和接收电路.采用了双频调制、直接数字频率合成器(DDS)、差频测相技术等原理.进行了理论的研究、分析和实际的电路实验.利用DDS产生的正弦波信号进行调制发射,并且对非合作目标反射回来的激光信号进行接收、调理,并进行数据处理.在设计中,优化了系统的调制发射电路,采用新的光电探测器和高压偏置电路,增加简单实用的自动增益控制(AGC)模块等.实验结果表明,该测距系统简单有效,具有较高的测量精度和稳定性.     

一种相位调制的微波移相实现新设计

相位调制有多种实现方法。常见的是正交调制。文中提出了一种采用微波移相技术实现相位调制的新设计,通过与正交调制方法进行对比,实现了2,8,16,32和64相的相位调制。实测表明,文中设计的移相误差＜1.2°,误码率达到了常见的正交相位调制实现技术的误码水平。此外新设计无需常见的正交相位调制实现技术所必须的数模转换器、正交调制器和混频器,使系统得以简化,且成本有所降低。     

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.     

半导体激光测距仪用双脉冲电路设计

针对采用单脉冲便携式激光测距机难以测量中远距离的缺点,设计出用于半导体激光测距仪的大电流双脉冲驱动电路,利用二值化高速数据采集方法实现了测距功能。应用该电路制作的便携式测距原型机,在无合作目标的情况下,整机系统测量距离达1750 m,命中率高达95%以上。经过测试表明,双脉冲测距电路具有功耗低、测量距离远、命中率高、测试方便等特点,具有实际使用价值。     

大量程脉冲激光测距仪性能检测方法

依据大量程红外脉冲式激光测距仪测距性能的检测需求,提出了一种基于MODTRAN数据库的激光回波信号模拟的检测方法。在室内环境下模拟激光测距大气回波信号,以实现对测距仪的测距精度及最大测程两项指标的检测。该方法调用MODRAN数据库计算出GJB2241A中仲裁实验的大气辐射透过率,在此基础上建立回波功率的数学模型,并采用FPGA以及模拟延时器件实现预设延时,使得距离模拟与能量模拟自成回路,实现了测距回波的真实模拟。实验结果表明:设计的回波信号模拟系统可实现50 m~22 km的大量程距离模拟,回波延时精度优于2 ns,最大测程的测准率可达90%,满足了激光测距仪性能测试的检测需求。     

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。     

深空测控系统1 Hz低相噪频率合成技术

针对深空测控系统高精度测量对于信道附加相噪的要求,采用直接数字频率合成（DDS）正交调制方法设计频率综合器。通过巧妙的试验和外推方法,择优选取电压型鉴相器,在锁相环相噪模型的基础上,全面分析各部分相噪的贡献,综合设计环路带宽,有效控制附加相噪,实现低相噪频综器最理想的目标,即环路带内的相噪完全由参考决定,带外的相噪由压控振荡器（VCO）决定,并采用两源互比的方法完成1 Hz极低相位噪声的测试,测试结果为-73 dBc/Hz,与设计结果完全一致。该方法对于测控站极低相噪的设计具有一定参考价值。     

Measurement accuracy of chromatic dispersion by the modulation phase technique

A simple measuring method for the chromatic dispersion measurement is described. This technique uses group delay measurement by modulation phase of laser diodes with different wavelengths. An experiment showed that this technique is capable of measuring the chromatic dispersion of a 42.3-km single-mode fiber. The accuracy of measurement is discussed in view of fiber length, modulation frequency, and the number of employed laser diodes. The accuracy is improved when a higher modulation frequency is used and a longer fiber is measured since the detected phase fluctuation depends little on the modulation frequency and very little on the fiber length. The estimated measurement error of chromatic dispersion was 0.1 ps/km/nm for a four-laser diode system.     

微片激光器线性调频技术的研究

提出一种激光线性调频方法。在微片激光器谐振腔中插入电光晶体,利用电光晶体的线性电光效应,通过对外加电场的控制,可以得到线性调频的激光信号。采用该方法,可获得较高的调制频率和较大的调制范围,能够满足激光雷达和测距仪的要求,而且外加电路实现简单、易控制。     

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。     

相位激光测距中相位测量与误差分析

激光方向性强,单色、相干性好,这些特点使得激光测距可以应用在多个领域。由于相位法测距可以达到较高的精度,因此相位法测距成为激光测距的首选。文中根据激光测距的特点,从几方面对相位法测距进行了改进和优化。在保证精度的前提下,减少了对单片资源的消耗,使激光测距系统有更快的响应速度和更多的资源进行功能扩展。通过仿真验证,文中所提方法达到了预期效果,并可根据不同精度需求,灵活地设计程序。     

基于激光相控阵原理的相位调制器半波电压测量方法

半波电压是电光相位调制器的一个重要指标, 针对现有半波电压测量方法存在的测量误差大、测量装置复杂等问题, 提出了基于激光相控阵光束扫描原理的半波电压测量方法.通过理论分析, 得到了远场主光束的偏移量和相位调制器半波电压的关系表达式.搭建了12 全光纤激光相控阵光路, 对铌酸锂波导相位调制器的半波电压进行了实验测量, 改变相位调制器的加载电压, 记录多幅远场光强分布图, 通过求平均值减小测量误差, 而且根据远场光强分布的变化得到了相位调制特性曲线.结果表明, 该方法测量装置简单, 不仅可以精确地测量半波电压, 还可以对相位调制线性度进行分析, 具有重要的工程应用价值.