基于同步可調(diào)諧測尺方法的相位式激光測距技術(shù)研究.pdf

1、相位激光測距方法原理和關(guān)鍵技術(shù)較為成熟,尤其多測尺測量方法的提出為在大尺寸范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的測量需求提供了進(jìn)一步發(fā)展方向,但在大尺寸測量實(shí)際應(yīng)用中,仍存在以下制約測量精度的問題亟需解決:多測尺測量過程中的整數(shù)相位解誤差問題、可調(diào)諧測尺穩(wěn)定度低及光電信號傳輸過程中的相位延遲漂移問題。
　　本論文針對上述問題,首先深入分析了相位式激光測距方法的關(guān)鍵技術(shù)及制約測量精度的因素,進(jìn)而從多測尺整小數(shù)相位結(jié)合原則、同步可調(diào)諧測尺產(chǎn)生方法及環(huán)境干

2、擾抑制補(bǔ)償方面,研究提高多測尺相位式激光測距技術(shù)在大尺寸測量時(shí)的測量精度,主要研究工作如下:
　　針對現(xiàn)有多測尺相位激光測距技術(shù)由于被測目標(biāo)的抖動或者環(huán)境的干擾而導(dǎo)致的整數(shù)相位解誤差問題,分析整數(shù)相位解誤差產(chǎn)生的機(jī)理,理論推導(dǎo)整數(shù)相位解誤差發(fā)生時(shí)的相位模糊區(qū)間,在此基礎(chǔ)上提出了一種基于同步測尺微調(diào)的整數(shù)相位解誤差規(guī)避方法,該方法以多級可調(diào)諧測尺的同步測量為基礎(chǔ),以某級精測尺小數(shù)相位值是否落入相位解模糊區(qū)間作為誤差發(fā)生的判據(jù),通過所

3、建立模型求得新精測尺,使以新精測尺測量時(shí)的小數(shù)相位值落在相位模糊區(qū)間以外,進(jìn)而從原理上破壞了整數(shù)相位解誤差產(chǎn)生的條件。依據(jù)此方法對測量過程進(jìn)行仿真及測量實(shí)驗(yàn)分析,證明該方法能有效識別和消除整數(shù)相位解誤差,使其整數(shù)相位解誤差發(fā)生的概率從25％降到0,從根本上解決了此技術(shù)難題。在此基礎(chǔ)上對該測距方法的測量誤差進(jìn)行了分析。
　　針對現(xiàn)有同步可調(diào)諧測尺產(chǎn)生方法無法實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性測尺輸出的問題,提出了一種基于多頻率混合外差的粗精測尺同步產(chǎn)生與

4、調(diào)諧方法,該方法通過單一頻率的多聲光移頻得到多頻率測量光束,以不同頻率間的光學(xué)外差差頻信號作為測尺信號,進(jìn)而根據(jù)測尺信號在頻率及偏振態(tài)特性上的不同,實(shí)現(xiàn)了精測尺及粗測尺的分離測相,并通過移頻頻率的控制實(shí)現(xiàn)了測尺的調(diào)節(jié)。該方法產(chǎn)生的測尺信號降低了激光頻率漂移及共模噪聲對測尺頻率的影響,變多元化頻率穩(wěn)定度影響因素為單一聲光移頻時(shí)鐘頻率源影響因素,實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性測尺的輸出。通過所提方法的測尺穩(wěn)定度因素分析,包括激光光源特性及移頻驅(qū)動頻率輸出特

5、性,對測尺產(chǎn)生方案及測量光路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)及分析,并在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)測尺頻率穩(wěn)定度模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)采樣時(shí)間為100sτ=時(shí),其allen方差的精測尺頻率穩(wěn)定度從現(xiàn)有方法的10-7量級提高到4×10-8。
　　針對大尺寸多測尺相位激光測量中,由于環(huán)境干擾引起的光信號及電信號的相位延遲漂移問題,分別建立了光學(xué)及電學(xué)相位延遲漂移模型,對影響光學(xué)相位延遲漂移的因素進(jìn)行了詳細(xì)分析和仿真,并在此基礎(chǔ)上提出了一種光電信號傳播相位延遲漂移

6、抑制與補(bǔ)償方法,該方法以光學(xué)器件及測量臂空氣溫度平均值與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度的差值作為反饋量,依據(jù)所建立的光信號傳輸相位延遲漂移補(bǔ)償模型對測距結(jié)果予以修正,實(shí)現(xiàn)了對由溫度干擾引起的光學(xué)相位延遲漂移的補(bǔ)償;通過對電信號傳輸介質(zhì)所處環(huán)境溫度的控制,抑制了傳輸介質(zhì)溫度變化及非理想特性帶來的電信號相位延遲漂移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在參考與測量電路板間溫度差最大為1.2 C時(shí),該方法將兩電路板的相位漂移從o0.7減小到相o位測量誤差±0.03 o的范圍內(nèi);在7