基于射频电光调制的相位法测距关键技术研究

发布时间：2020-08-20 22:40

【摘要】：基于激光飞行时间法的测距技术可分为三种：激光脉冲法测距、激光调频连续波测距和激光相位法测距。激光相位法测距更适合于从几十厘米到几百米范围的测距,目前在这个范围内它能达到毫米级的精度。因此,在诸如大尺寸的形位测量、机器人导航和目标识别等领域得到了广泛的应用。提高调制频率是提高激光相位法测距分辨率的主要措施,但是在高频激光相位法测距中,相位差的测量精度会受到由频率漂移和电路阻抗漂移引起的相位差漂移、电路和探测器噪声等的影响而降低,从而测距仪的性能也下降。本论文一方面提高调制频率,另一方面消除相位差的漂移,并提高噪声条件下相位差的算法精度,从而提高测距精度。本文的主要工作如下：将近年来光通讯技术中出现的射频马赫曾德尔光纤电光调制器引入到激光相位法测距技术,对激光进行外调制,克服传统半导体激光器内调制的频率限制,将调制频率提高一个数量级至分米波,同时避免了半导体激光器的波长随着调制电流变化。用小数分频锁相环产生分米波射频调制信号,克服原有的直接数字频率合成器产生的频率较低、整数分频锁相环产生的频率间隔过大的缺点,产生适应马赫曾德尔调制器的更高的频率信号,且频率步进间距达1Hz以下、信号杂散和噪声小、频率切换时间为微秒级。提出差分式测距光路,引入光纤光路切换开关,用待测光路的相位差减去零位光路的相位差,以差分测量的方式消除电路的相位差漂移,提高相位差的测量精度。提出移相相关法计算相位差,解决了传统的相关法在0。或者180°附近时计算的相位差会出现很大误差的问题,该算法消除了传统相关法相位算法在噪声条件下的理论估计偏差。理论分析、仿真实验和实际测量实验表明,该算法优于传统的相关法。完成了激光相位法测距装置的设计、调试和测距实验。对小数分频锁相环产生的分米波射频调制正弦信号、低噪声功率放大后的正弦信号、外调制器的输出光信号以及外调制器的半波电压等进行了测试,以及对实际制作的激光相位法测距装置的稳定性进行了测试。并在0-2m的范围内与双频激光干涉仪进行了距离对比测试。测试表明,正弦调制信号的相位噪声小,电路引起的相位差抖动小,在2m范围内的距离测量误差在±-0.08mm以内。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN249

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