手持式激光测距仪中数字测相方法的误差分析

　　0　引言

　　数字测相方法作为一种新型的精密相位测量技术,在电力、机械、航天、地质勘探等领域有着广泛应用。由于激光具有良好的准直性和单色性,在目标搜 索与侦察、导航与制导、飞行器的空间对接和测距等方面都有应用。目前已开发出了多种多样的激光测距仪,按其工作原理可分为三种:脉冲式、相位式及脉冲相位 结合式[1]。脉冲式激光测距仪主要应用于中远程测距,其测量范围大但测量的绝对误差也较大(一般在1m以上);对于手持式激光测距仪来说,其测量距离较 短但测量精度要求很高(小于5mm),因此一般采用相位式测量方法。为了进一步减小仪器体积、提高测量准确度,在相位式激光测距仪中普遍采用数字测相技 术。

　　1　相位式测距仪的测距原理

　　激光测距一方面利用了激光的准直性与单色性,另一方面也是利用了光在空气中的传播速度是一固定的数值C。只要测得光信号往返于待测目标与测量起点的时间差Δt,就可以根据式(1)经过简单的计算得出待测距离l

　　由于C值很大,对一定的距离测量时Δt值很小,难于直接测量。通常的做法是用测定频率为f的发射与返回信号的相位差Δφ来间接测量时间Δt,但 是调制信号频率f(几MHz~几十MHz)较高,为了便于测量与保证测量准确度采用差频测相,将信号混频到一低频f1(几kHz)上,低频下测量该时间差 是相对容易做到的,此时待测距离l可用式(2)来表示

　　式中是 频率为f1的两信号相位差为Δφ时的时间差。测量Δt1最常用的方法就是自动数字脉冲填充,其主要思想就是用一个频率稳定的高频方波信号fcp去填充时间 Δt1,通过计数得到Δt1时间内通过的脉冲数,为了减少单次测量所带来的偶然误差,通常测多次取其平均值,若在M次测量中测得的总脉冲个数为N,则 Δt1可用式(3)来表示:

　　将式(3)代入式(2)可得

　　其详细电路实现工作过程在文献[2]中已有详细介绍,在此不再赘述。

　　2　影响测相准确度的主要因素

　　采用集成电压比较器LM311构成整形电路,以频率f1=1kHz、相位差为180°的两路正弦输入信号em和er作为测试对象(em由波形发 生器产生,er由em经反相后产生),对数字测相方法的测量准确度进行评估。测相电路的系统框图如图1所示,电路控制部分采用51单片机,主要用来定时、 读取计数结果、计算及控制数码管显示。电路中低频信号f1和填充信号fcp均用波形发生器产生,其频率分辨力为 Hz。在实验开始之前,为了检测计数电路的准确性,将鉴相器的输出端Q直接置为高电平,分别用以上所选择的三种不同频率脉冲进行填充,得出的计数值分别 为:6001、8001、10001,完全符合理论推导,即脉冲计数的误差为±1个。在实验过程中,选择重复测量的次数M=32,填充脉冲的频率选择了 6、8、10MHz共3个不同的频率,输入信号取了100、500、1000、1500、2000mV共5个不同的幅度,em和er的相位差测量结果如表 1所示。