空间光外差测距系统中软件式鉴相方法的初步研究

论文摘要

激光测距是一种目前使用很广泛的精密测量方式,最新的电容位移传感,X射线衍射干涉仪,以及扫描隧道显微镜,虽然精度很高,但测量距离很短,不适用于空间长作用距离的测量,而激光测距可以实现长距离中的位移长度测量,这是其他精密测量方式所不具备的。激光测距中,对干涉信号的处理是此系统中非常重要的一环,直接关系到被测信息的精度和可靠性,传统的相位计由模拟器件构成,具有运算速度快,技术成熟的特点,但其精度一般不会太高,并且受环境的影响非常严重,随着高速芯片技术的飞速发展,对于信号的处理越来越趋向于采用数字的方式,解反三角函数的鉴相方法具有极高的精度,而且数字方法不容易受环境的影响。数字鉴相方法又分为两大类,一类是基于软件,一类是基于硬件。基于硬件,譬如FPGA的方法,相对于用计算机语言实现的方法运算速度更快,更有利于实现实时的控制和测量。然而,软件鉴相方法是其他方法的基础,基于硬件式的鉴相方法,用硬件取代CPU进行运算,其算法都是相同的。本文将详细讨论两种常见的软件鉴相方法,傅立叶变换法,数字相关法,为最终能实现数字鉴相奠定基础。另外,本文中所使用的软件鉴相方法都是基于C语言,相比于目前大部分基于MATLAB和LABVIEW的软件方法,使用中级语言编写,更有利于提高运算速度和后续改进。首先,本文先将介绍下激光测距系统的结构,以及位移与相位之间的转化关系,然后介绍两种鉴相方法的原理,可能出现的原理性误差和校正方法。然后,在第三章中,将分析各种方法的运算时间,以及各种噪声信号对其的影响。再在第四章中,将通过信号发生器模拟激光外差信号进行仿真测试。通过本论文能得到如下结论:首先,本文中所使用的软件鉴相方法,都能测量10KHz的信号,相位测量速率为100Hz,测量分辨率高于0.1°。采用更快速度的采集卡,可以提高外差信号的频率,和测量分辨率,采用更快的计算机系统可以提高运算速度。其次,傅立叶变换法实现的数字鉴相法,其适用范围,精度高于数字相关法,数字相关法只适用于同频信号的测量。数字相关法的优点在于运算速度要快于傅立叶变化法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 本课题的意义
• 1.3 常见的鉴相方法
• 1.4 本文的主要工作
• 2 测距系统及鉴相原理
• 2.1 测距系统简介
• 2.2 数字滤波
• 2.3 软件鉴相原理
• 2.4 整周计数
• 2.5 小结
• 3 不同鉴相方法的比较与误差分析
• 3.1 各种算法消耗的时间
• 3.2 采样频率和采样点数的影响
• 3.3 信号存在不同类型噪声的情况
• 3.4 采集卡带来的误差
• 3.5 小结
• 4 仿真实验
• 4.1 所需器件与流程
• 4.2 仿真测试结果
• 4.3 结果分析与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 英文简写说明
• 附录2 程序主要部分