基于同步可调谐测尺方法的相位式激光测距技术研究

摘要

相位激光测距方法原理和关键技术较为成熟,尤其多测尺测量方法的提出为在大尺寸范围内实现高精度的测量需求提供了进一步发展方向,但在大尺寸测量实际应用中,仍存在以下制约测量精度的问题亟需解决:多测尺测量过程中的整数相位解误差问题、可调谐测尺稳定度低及光电信号传输过程中的相位延迟漂移问题。
　　本论文针对上述问题,首先深入分析了相位式激光测距方法的关键技术及制约测量精度的因素,进而从多测尺整小数相位结合原则、同步可调谐测尺产生方法及环境干扰抑制补偿方面,研究提高多测尺相位式激光测距技术在大尺寸测量时的测量精度,主要研究工作如下:
　　针对现有多测尺相位激光测距技术由于被测目标的抖动或者环境的干扰而导致的整数相位解误差问题,分析整数相位解误差产生的机理,理论推导整数相位解误差发生时的相位模糊区间,在此基础上提出了一种基于同步测尺微调的整数相位解误差规避方法,该方法以多级可调谐测尺的同步测量为基础,以某级精测尺小数相位值是否落入相位解模糊区间作为误差发生的判据,通过所建立模型求得新精测尺,使以新精测尺测量时的小数相位值落在相位模糊区间以外,进而从原理上破坏了整数相位解误差产生的条件。依据此方法对测量过程进行仿真及测量实验分析,证明该方法能有效识别和消除整数相位解误差,使其整数相位解误差发生的概率从25％降到0,从根本上解决了此技术难题。在此基础上对该测距方法的测量误差进行了分析。
　　针对现有同步可调谐测尺产生方法无法实现高稳定性测尺输出的问题,提出了一种基于多频率混合外差的粗精测尺同步产生与调谐方法,该方法通过单一频率的多声光移频得到多频率测量光束,以不同频率间的光学外差差频信号作为测尺信号,进而根据测尺信号在频率及偏振态特性上的不同,实现了精测尺及粗测尺的分离测相,并通过移频频率的控制实现了测尺的调节。该方法产生的测尺信号降低了激光频率漂移及共模噪声对测尺频率的影响,变多元化频率稳定度影响因素为单一声光移频时钟频率源影响因素,实现了高稳定性测尺的输出。通过所提方法的测尺稳定度因素分析,包括激光光源特性及移频驱动频率输出特性,对测尺产生方案及测量光路进行了详细设计及分析,并在此基础上建立系统测尺频率稳定度模型。实验结果表明,当采样时间为100sτ=时,其allen方差的精测尺频率稳定度从现有方法的10-7量级提高到4×10-8。
　　针对大尺寸多测尺相位激光测量中,由于环境干扰引起的光信号及电信号的相位延迟漂移问题,分别建立了光学及电学相位延迟漂移模型,对影响光学相位延迟漂移的因素进行了详细分析和仿真,并在此基础上提出了一种光电信号传播相位延迟漂移抑制与补偿方法,该方法以光学器件及测量臂空气温度平均值与标准环境温度的差值作为反馈量,依据所建立的光信号传输相位延迟漂移补偿模型对测距结果予以修正,实现了对由温度干扰引起的光学相位延迟漂移的补偿;通过对电信号传输介质所处环境温度的控制,抑制了传输介质温度变化及非理想特性带来的电信号相位延迟漂移。实验结果表明,在参考与测量电路板间温度差最大为1.2 C时,该方法将两电路板的相位漂移从o0.7减小到相o位测量误差±0.03 o的范围内;在70m的测量范围内,当环境温度变化最大为o6 C时,将光学相位延迟漂移引起的最大测距误差从0.60mm±减小到0.40mm±。
　　结合本文所提出的高精度多测尺相位激光测距方法对测量系统进行了整体设计,并针对测量系统在测尺频率稳定性、电路噪声抑制能力、高精度相差测量及电学相位延迟漂移补偿方面的优越性进行实验验证,通过测距实验对本文所提出的整数相位解误差消除方法及光学相位延迟漂移补偿方法的可行性及有效性进行了验证。

目录

基于同步可调谐测尺方法的相位式激光测距技术研究

PHASE SHIFT LASER RNGGE FINDING BASED ON SYNCHRONOUS TUNABLE MEASURING WAVELENGTH

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.1.1 课题研究的目的

1.1.2 课题研究的意义

1.2 大尺寸绝对距离测量技术研究及应用现状分析

1.2.1 非相干测量方法

1.2.2 相干测量方法

1.2.3 其他方法

1.2.4 大尺寸绝对距离测量技术总结分析

1.2.5 相位式激光测距技术领域存在的科学问题与关键技术问题

1.3 本文的主要研究内容

第2章 基于同步测尺微调的激光测距方法

2.1 引言

2.2 多测尺相位激光测距技术分析

2.2.1 多测尺相位式激光测距原理

2.2.2 多测尺相位激光测距整数相位解误差产生机理

2.2.3 整数相位解误差特征分析

2.2.4 异步测量整数相位解误差仿真分析

2.3 基于同步测尺微调的整数相位解误差规避方法

2.3.1 整数相位解误差识别原理

2.3.2 整数相位解误差修正原理

2.3.3 整数相位解误差仿真分析

2.4 测量系统误差模型与分析

2.4.1 误差模型

2.4.2 影响因素分析

2.5 本章小结

第3章 高稳定性可调谐测尺同步产生方法研究

3.1 引言

3.2 基于半导体激光器光强调制的测尺产生原理及特性分析

3.2.1 半导体激光器光强调制原理

3.2.2 半导体激光器光强调制型测尺稳定度影响分析

3.3 基于声光移频的测尺产生方法及特性分析

3.3.1 声光移频原理

3.3.2 基于声光移频的测尺产生方法及频率稳定度模型

3.4 基于多声光移频的高稳定性可调谐测尺同步产生方法

3.4.1 高稳定性可调谐测尺同步产生原理

3.4.2 声光衍射频率稳定度影响分析

3.4.3 测尺同步发生与实时修正方案设计

3.5 本章小结

第4章 相位延迟漂移分析及抑制补偿技术

4.1 引言

4.2 测尺相差测量精度影响因素分析

4.3 相位延迟漂移分析

4.3.1 光学相位延迟漂移模型及影响因素分析

4.3.2 电学参量相位延迟漂移模型及影响因素分析

4.3.3 温度漂移模型

4.4 相位延迟漂移抑制方法

4.4.1 光学相位延迟漂移补偿方法

4.4.2 电学参量相位延迟漂移抑制方法

4.4.3 温度控制效果仿真分析

4.5 本章小结

第5章 测量系统设计与实验

5.1 引言

5.2 基于同步可调谐测尺的激光相位测距系统设计

5.2.1 测量系统组成

5.2.2 激光光源及多波长发生单元设计

5.2.3 高频带光电探测及信号调理单元设计

5.2.4 高精度相差测量及主控单元设计

5.2.5 测量系统实物装置

5.3 测量系统特性测试实验

5.3.1 测试波长稳定度测试实验

5.3.2 光电转换电路信噪比实验与分析

5.3.3 电信号相位延迟漂移抑制实验分析

5.3.4 高精度相位测量技术与实验分析

5.4 多测尺相位激光测距实验

5.4.1 整数相位解误差识别与消除实验

5.4.2 基于光学相位漂移补偿的激光测距实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致谢

个人简历