相位式激光测距仿真系统的设计与实现

相位式激光测距仿真系统的设计与实现

孙英1,2, 张珂殊1

（1.中国科学院光电研究院，北京 100094; 2.中国科学院研究生院，北京 100049）

摘要：在高精度相位式激光测距系统的设计中，要实现测距精度的逼真分析，必须全面考虑环境和系统条件中各种干扰因素。基于模块化和参数化模型设计方法，综合分析了发射、传输、接收、信号处理、鉴相等环节的建模要素，并在传统主噪声源基础上添加了相位噪声、同频干扰、谐波等微弱噪声因子，得到了逼近实际系统的精度分析模型。运用Simulink开发了仿真系统并进行了实验，仿真与实际结果对比表明了该模型的正确性和有效性，满足高精度相位式激光测距系统的设计需求。 关键词：相位式激光测距；系统仿真；系统模型；仿真实验 中图分类号：N945.13 文献标识码：A

Design and Implementation of Simulation System for Phase-Shift Laser Rangefinder

SUN Ying1,2，ZHANG Ke-shu1

（1. Academy of Opto-Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China;

2. Graduate University, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract In order to analyze the performance for the high precision Phase-Shift Laser Rangefinder, various interference factors of environments or system conditions must consider. Based on modularization and parameterization, the paper comprehensively analyses the modeling factors of each module, which are emission, propagation, receiver, signal processing, phase detection and data processing, and on the basis of traditional main noise sources, introduces the weak noises, including phase noise , same frequency crosstalk, harmonic etc ,thus build a simulation model close to real operation. The simulation system by using simulink is developed, and simulation experiments are conducted. Comparisons between simulation results and prototyping tests indicate the rationality and validity of the model; it meets the requirements of the high precision Phase-Shift Laser Rangefinder.

Key words Phase-Shift Laser Rangefinder; system modeling; system simulation；Simulation experiment

1 引言 型，该模型增加了对激光发射、接收、信号处

在各种激光测距方法中，相位式激光测距理、数据处理等的分析，并根据实际系统的特以其测量精度高、系统实现简单等优点，广泛点将噪声源拓展至限带高斯噪声、相位噪声、用于军事、工业、航空航天等领域。随着技术同频干扰、谐波干扰等，从而可全面评估各强、的进步，对测量精度的要求越来越高，系统设弱影响因子的综合作用效果，利用 Simulink计的难度相应提高。为满足系统设计需求，保开发了具有交互式图形用户界面的仿真系统，证设计方案最优化，提高设计效率，对各影响并进行了仿真实验，仿真与样机测试结果对比，因子综合、全面的分析成为系统设计的关键。 证明了该仿真系统有效性和合理性。

在高精度的相位式激光测距系统的各环节2 相位式激光测距原理 中，信号间的串扰、谐波干扰、谐波等弱噪声相位式激光测距原理如图1所示[6-7]，将频都会对精度产生很大影响。传统的相位式激光率为f的正弦主振信号Smain分为两部分：一部测距分析内容比较简单，主要集中在大气传输作为参考信号Sr，直接送入信信号处理单元，和鉴相方法，且噪声源单一，一般只有高斯白另一部分作为测量信号Sm调制激光输出功率，噪声[1-5]，无法满足高精度的设计。 调制后的光信号经发射机照射到待测物体上，

本文依据相位式激光测距原理，建立了一反射后被接收机检测，此时被检测的光波传输套适用于高精度相位式激光测距精度的仿真模 距离为2d。光返回接收机时，回波信号Secho1 相比参考信号Sr的相位变化为Δφ，且Δφ与d基金项目：国防创新项目(CXJJO-09-N35） 的关系为：

1

d?c4?f?? （1）

因此通过一系列信号处理，测出两信号的相位差Δφ，可计算距离d。

LD调制 光学系统 目d 标 APD 放大 滤波 理 Sm 主振 Sr 信号处Δφ 数据 处理 图 1 相位式激光测距原理图

在相位式激光测距系统设计中，精度影响因子贯穿整个系统，为实现测距精度的逼真分析，需要综合考虑激光发射、大气传输、接收、信号处理、鉴相、数据处理等各环节的设计，

发射模块主振信号功率调制并根据实际系统的特点添加适当形式的噪声，包括散粒噪声、热噪声等主要噪声源，还要增加相位噪声、同频干扰、谐波等弱噪声因子。因此，全面考虑外界环境和系统条件中各种强、弱干扰因素成为高精度相位式激光测距系统设计的关键。

3 相位式激光测距仿真系统建模

本文基于模块化和参数化设计思想，从相位式激光测距的理论和实际系统组成出发，建

立了一套可分析不同环境和系统条件下精度的仿真模型，下文将根据相位式激光测距系统的信号处理流程（如图2所示），对各模块建模机理以及噪声形式进行详细阐述。

传输模块光信号传输影响 因子本振信号信号处理模块混频滤波整形整形？整形混频？光学效率大气条件光学孔径传输??距离接收模块BPFAMP影响 因子APD混频滤波鉴相模块自动数字鉴相频域数字鉴相相关法鉴相解调法??鉴相干扰自激电流噪声热噪声 散粒??噪声数据处理模块均值精度准确??度鉴相 方法统计 数据鉴相Δφ鉴相Δφ

图 2 相位式激光测距数据流程图

3.1 发射模块建模 信号源通过对标准正弦信号添加干扰噪

声，如谐波、限带噪声等，实现对带有频率抖在实际系统中，激光器以及信号发生器（晶

动、相位误差的实际信号源的模拟；功率调制振等）都集中在发射模块，通过直接电流调制、

是指测量信号Sm利用一定的调制方式对激光电光调制、声光调制、磁光调制等方式实现激

发射功率进行正弦调制，调制后的信号功率表光器发射功率的正弦调制，并将调制后的光信

达式为： 号经光学系统发射至目标物体。因此，发射模块可以抽象为两部分：信号源（主振信号Smain、

本振信号Slocal）和激光功率调制。

Smod?Sm.Slaser.??nm （2）

2

式中Slaser为出射光功率信号，η为调制效率，nm为调制所引起的噪声。 3.2

传输模块建模

调制后的信号首先经过发射光学系统，射向大气，在大气中传输距离R到达目标物体，目标反射回的信号，再经R的大气传输进入接收光学系统，进行准直、会聚等光信号处理，使其能量最终集中在APD进行光电转化。因此，传输模块可以概括为回波信号能量衰减和相对于参考信号的相位延迟。

相位式激光测距回波信号能量公式为[8]：

SSmodKsKrAsAr?T2echo??2R4?22FsFr （3） tsin??s/4?式中，Smod为激光发射功率，θt为激光发散角，Ks、Kr分别为发射和接收系统透过率，T为单程大气透过率，ρ为目标反射系数，AS为目标有效反射面积，Ar为接收口径面积，θs为反射光发散角，Fs为发射激光束强度分布函数，Fr为接收光强度分布函数，R为目标距离。单程大气透过率T的近似计算公式为T=exp(-αR) …… 此处隐藏：4306字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……