测角相位式激光雷达若干关键技术研究

发布时间：2017-03-26 19:16

  本文关键词：测角相位式激光雷达若干关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：相比干涉法测距和频率调制连续波测距法,相位法测量距离远;相比脉冲法,测距精度高。四象限探测器能够实现距离和相对位置的测量,具有体积小、质量轻、探测分辨高等特点,特别是四象限APD(Avanlance Photodiode,雪崩光电二极管)的内增益高、噪声小适合中远距离测距和测角。基于相位法测距和四象限测角,本文设计了一套基于四象限探测器的相位式激光雷达系统,并分别对测距和测角的若干关键技术做相应研究。测距是系统的一个重要功能,本文对若干影响测距精度的技术进行了研究。鉴相算法是影响测距精度的重要因素。针对相位式激光测距中最常用的FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里叶变换)鉴相方法和ap FFT(All Phase Fast Fourier Transform,全相位快速傅里叶变换)鉴相方法,本文通过综合比较鉴相精度和输出幅度信噪比,选取FFT作为系统的鉴相算法。系统具有四路测量信号,如何从四路测量信号中提取高精度距离具有重要的研究价值。通过分析对比Atan_Mean算法、Mean_Atan算法及Max算法,本文提出一种基于Mean_Atan和Max的优化算法,并验证该算法的优越性。温度是影响相位法测距精度的另一个重要因素。关于温度对相位法测距精度的影响国内外做了一些相关研究。本文从电阻电容的温度特性出发,研究了温度对相位法测距精度的影响。通过实验得出选择低温度系数的电阻电容能够提高相位法测距精度。测角是系统的另一个重要功能,本文对测角的若干关键技术进行了研究。本文对测角过程做了合理的简化,在简化模型的基础上推导并验证了基于FFT四路信号幅度求取脱靶量的可行性和正确性。方位角和俯仰角的估计精度直接决定测角精度,而四象限测角算法是影响方位角和俯仰角估计精度的重要因素。本文在传统等间距插值法的基础上,分析特性曲线,提出基于特性曲线分析插值法的四象限测角算法。通过实验仿真得出,相同插值点数条件下,该算法得到的最大方位角和俯仰角误差比等间距插值法小。为分析基于FFT获取的幅度信息对测角精度的影响,建立了脱靶量精度估计模型。通过理论推导和仿真得出,提高输入信噪比、选择矩形窗、减小频率偏移量及增加FFT运算长度均能提高脱靶量估计精度。为验证该系统可行性,搭建了实验系统的平台。为了考查各个模块对测距精度的影响,分别对数字系统、模拟电路板及整个系统做了相应的实验。在数字系统实验中,得出该部分的测距误差的标准差小于0.7mm,100次平均后小于0.07mm,相比其他部分可以忽略。在模拟电路板的参考通道和测量通道差异性实验中,得出了该部分的测距误差标准差为1.5mm,100次平均后标准差为0.2mm。在整个系统测试中,针对高频测尺和低频测尺做了测距实验。在高频信号实验中,测距误差标准差为1cm,100次平均后为0.8cm。在低频信号实验中,得到100次平均后的峰峰值误差为3m,满足多频测尺的衔接条件。为考查脱靶量的稳定性,做了脱靶量测试实验。实验结果显示,在X轴上的归一化脱靶量的标准差为0.003,在Y轴上的归一化脱靶量标准差为0.001。
【关键词】：相位法激光测距 四象限测角 双频调制 FFT鉴相算法
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（光电技术研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN958.98
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 1 绪论13-32
• 1.1 课题目的及意义13-20
• 1.2 相位法研究现状20-29
• 1.2.1 国外发展现状20-25
• 1.2.2 国内研究现状25-29
• 1.2.3 激光测距仪应用现状29
• 1.3 四象限测角算法研究现状29-30
• 1.4 本文章节安排30-32
• 2 系统基本原理及框架32-45
• 2.1 引言32
• 2.2 相位法测距原理32-35
• 2.2.1 单频测尺测距原理32-34
• 2.2.2 多频测尺测距原理34-35
• 2.3 四象测角原理35-39
• 2.3.1 光斑在各象限的面积值与脱靶量之间的关系36
• 2.3.2 脱靶量和方位角、俯仰角之间的关系36-37
• 2.3.3 各象限信号幅度和其光斑面积之间的关系37
• 2.3.4 各象限输出信号和脱靶量之间的关系37-39
• 2.4 基于四象限探测器的相位式激光雷达系统框架39-44
• 2.4.1 系统介绍39
• 2.4.2 系统测量原理39-44
• 2.5 本章小结44-45
• 3 测距技术研究45-80
• 3.1 引言45
• 3.2 鉴相算法45-66
• 3.2.1 数字处理鉴相算法45-52
• 3.2.2 高斯白噪声条件下的基于FFT算法和APFFT算法比较52-61
• 3.2.3 实验仿真61-66
• 3.3 基于四象限的距离提取算法研究66-73
• 3.3.1 测量信号的数学模型66-67
• 3.3.2 算法及其误差模型67-70
• 3.3.3 实验仿真70-73
• 3.4 电阻电容温度特性对测距精度的影响73-78
• 3.4.1 电容电阻变化对相移的影响73-75
• 3.4.2 实验75-78
• 3.5 本章小结78-80
• 4 基于四象限探测器的测角技术研究80-102
• 4.1 引言80
• 4.2 基于FFT鉴幅的四象限测角原理证明80-88
• 4.2.1 近似条件80-82
• 4.2.2 理论证明82-86
• 4.2.3 实验仿真86-88
• 4.3 四象限测角算法88-97
• 4.3.1 常用算法介绍88-94
• 4.3.2 基于曲线特征分析的插值法的四象限测角算法94-97
• 4.4 测角精度分析97-101
• 4.4.1 基于FFT鉴幅的脱靶量估计误差模型97-99
• 4.4.2 实验仿真99-101
• 4.5 本章小结101-102
• 5 实验平台设计及分析102-118
• 5.1 引言102
• 5.2 系统平台设计102-113
• 5.2.1 系统参数设计102-103
• 5.2.2 硬件设计103-110
• 5.2.3 软件设计110-113
• 5.3 实验及误差测试113-117
• 5.3.1 数字系统误差测量113-114
• 5.3.2 无光路时系统测试实验114-115
• 5.3.3 系统测距整体实验115-116
• 5.3.4 脱靶量实验116-117
• 5.4 本章小结117-118
• 6 总结与展望118-121
• 6.1 课题主要工作118-119
• 6.2 主要成果及创新点119-120
• 6.3 展望120-121
• 参考文献121-128
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果12

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