基于二次偏振调制的高精度绝对距离测量技术研究

摘要

测量技术在某种程度上推动着所有科学和技术的发展。长度作为7个基础物理量之一，它是所有几何量测量中不可或缺的部分。传统的绝对距离测量技术主要针对飞行时间信息或相位变化信息进行检测，测量精度很大程度上依赖于测试工具、仪器的精密程度。
　　针对现有的相位距离测量方法在鉴相精度和电路附加相移上所存在的问题，本文设计了一种基于二次偏振调制方法的绝对距离测量系统。采用二次偏振调制的方法对传统的相位测距技术进行了改进。基于二次偏振调制的测距系统能够直接在同一相位调制器上对两次调制信号的相位差进行调制解调，无需与本振信号鉴相和其他的电路元件，大大简化了系统的复杂程度。采用变频的方法替代传统的鉴相方法，这样系统的测量精度就不再受到鉴相问题的困扰。本论文将这两种方案融合在一起，对两种方案的原理和可行性进行了深入分析，最后提出了具体的实验系统的结构。
　　完成了对基于二次偏振调制的测距系统的稳定性、准确性、测量范围能力的测试。实验结果表明，基于变频测距的实验中系统频率的稳定度优于10-6，测量精度可以达到±10.6μm@4.5m。并且对一段200米长的光纤进行了实际测量，得到了清晰的调制频率与系统输出的曲线。证明了基于二次偏振调制方法的绝对距离测量系统具有进行高精度绝对距离测量的能力。
　　针对测距系统体积过大，不利于以后的工程化产品化的问题，我们对测距系统的嵌入式系统进行了设计。对系统中的核心控制模块Zynq开发板以及微波源模块进行了详细的介绍，给出了两个模块的具体参数和性能指标。提出了嵌入式系统信号处理的方案，详细的分析了摇摆法和线性拟合算法的原理以及应用在测距系统里的可行性。给出了基于Zynq开发板的测距步骤，并且对测距系统的实际测距能力进行了测试。相比于之前的实验系统，其体积大大的减小，但是该系统的测距精度有所下降，为±56μm。在实验结果的基础上，详细的分析了测距精度下降的原因是所用微波源的频率稳定性不高，这为之后的工作指明了方向。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2传统激光测距技术

1.3国内外研究现状

1.4本文的主要工作

第二章 基于二次偏振调制的变频测距技术原理

2.1二次偏振调制技术

2.2变频测距技术

2.3本章小结

第三章 基于二次偏振调制的测距实验系统与实验结果

3.1基于二次偏振调制的测距系统总体结构和主要器件

3.2基于二次偏振调制的测距实验系统

3.3基于二次偏振调制的测距系统测距能力测试

3.4本章小结

第四章 基于二次偏振调制方法的变频测距系统嵌入式系统设计

4.1嵌入式系统介绍

4.2基于Zynq-7000的测距系统结构

4.3基于Zynq开发板的测距系统信号处理

4.4系统测试

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢