相位测距

相位测距（通用6篇）

篇1：相位测距

用于相位法激光测距的电路系统设计

本文论述了相位法激光测距的原理和引起误差的`原因,提出了电路系统设计方案,着重对频率电路和精密检相电路进行了较为深入的分析与讨论.针对大小角度、零点漂移和信号幅度等原因引起的测量误差,本文提出了具体的解决措施,提高了数字检相电路的测相精度和稳定性,最后给出了测试方法和测试结果.

作 者：金宁 汪伟 翁剑枫 张增耀  作者单位：金宁(中国计量学院信息工程学院,)

汪伟,翁剑枫(中国计量学院机电工程学院,)

张增耀(中国计量学院计量技术工程学院,)

刊 名：光电子・激光  ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF OPTOELECTRONICS・LASER 年，卷(期)： 12(8) 分类号：P225.2 关键词：相位   激光测距   数字检相  

篇2：相位测距

摘要

本文介绍了半导体激光技术,并在传统的相位法激光测距原理的基础上, 参考激光测距光学系统设计,运用数字相关检测的测量方法，提出一种把直接数字频率合成(DDS)技术和数字信号处理(DSP)技术相结合的新的相位激光测距理论设计，这种设计有助于简化电路、提高相位测距的精度。

关键词： 相位激光测距，数字相关检测，数字信号

Phase Type Laser Ranging Theoretical Design This article introduced the semiconductor laser technology, and in the traditional phase laser ranging principle foundation, the reference laser ranging optical system design, Using digital correlation detection measuring technique,proposing one kind the new phase laser ranging theoretical design which(DDS)technical and the digital signal processing(DSP)the technology unifies the direct digital frequency synthesis, for could overcome in the traditional phase range finder method the precision to enhance, the measuring range with difficulty difficulty with increases, the electric circuittoo is complex and so on the shortcoming provides has been possible to supply the reference the theoretical design.Key word：PHASE LASER RANGING，DIGITAL CORRELATION DETECTION，DIGITAL SIGNAL

目录

第一章 引言.....................................................................................................................4 第二章 国内外研究状况.................................................................................................5 第三章 激光测距光学系统.............................................................................................7 3．1 激光测距仪的系统结构.........................................................................................7 3．2光学系统图示..........................................................................................................8 3．3 光学系统设计主要部件功能与作用.....................................................................9 3．4 主要参考性能数据...............................................................................................10 第四章 数字相关检测技术改进方法设计...................................................................11 4．1 激光相位式测距的基本原理.............................................................................11 4．2 数字信号处理(DSP)的简述.................................................................................13

4.2.1 数字信号处理的主要研究内容....................................................................14 4.2.2 测试信号数字化处理的基本步骤................................................................14 4.2.3 数字处理信号的优势....................................................................................15 4．3 直接数字频率合成技术.......................................................................................15

4.3.1 DDS的基本工作原理....................................................................................16 4．4 改进的数字测相的框图设计...............................................................................16 第五章 小结...................................................................................................................22 参 考 文 献.............................................................................................................23 致谢.................................................................................................................................24

第一章 引言

第一章 引言

激光，是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。物理学家把产生激光的机理溯源到1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时提出的假说，即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程[1]。

所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称。30多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，利用激光技术不仅研制了各个特色的多种多样的激光器，而且随着激光应用领域不断拓展，形成了激光唱盘唱机、激光医疗、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新兴产业。激光技术的飞速发展，使其成为当今新技术革命的先锋！

激光和普通光的根本不同在于它是一种有很高光子简并度的光。光子简并度可以理解为具有相同模式(或波型、位相、波长)的光子数目,即具有相同状态的光子数目。这些特性使激光具有良好的准直性及非常小的发散角,使仪器可进行点对点的测量,适应非常狭小和复杂的测量环境。激光测距仪就是利用激光良好的准直性及非常小的发散角度来测量距离的一种仪器。激光在A、B 两点间往返一次所需时间为t, 则A、B 两点间距离D 可表示为: D = c²t /2,式中, c为光在大气中传播的速度。由于光速极快, 对于一个不太大的D 来说, t是一个很小的量。如:假设D =15km, c = 3 ³105 km / s,则t = 5 ³10-5 s。由测距公式可知,如何精确测量出时间t的值是测距的关键。

由于测量时间t的方法不同,便产生了两种测距方法:脉冲测距和相位测距。其中相位测距更加精确[1]。

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第二章 国内外研究状况

相位式激光测距技术的研究起始于20 世纪60年代末,到80 年代中期陆续解决了激光器件、光学系统及信号处理电路中的关键技术,80 年代后期转入应用研究阶段,并研制出了各种不同用途的样机,90年代中期,各种成熟的产品不断出现,预计近期将是其应用产品大发展的阶段,在中、近程激光测距应用方面有取代YAG激光的趋势。随着激光技术的发展, 应用激光作精密光波测距系统的光源, 是现代测量仪器的一个显著特点。

据近年的资料, 国外用于大地测量、城市和工程测量的各类光电测距仪约15000多台。其中, 长程及中程各占1/4, 短程测距仪占1/2。许多工业发达国家已把各种激光测距仪红外测距仪作为标准设备, 装备测量作业队。

近年来，中长程激光测距仪的技术发展有以下特点:（1）普遍采用He-Ne激光光源, 功率为1～5mW;（2）普遍采用新颖的高效调制器, 如ADP(磷酸二氢铵NH4H2PO4), KDP(磷酸二氢钾(KH2PO4)), KD*P(磷酸二氘钾(KD2PO4))等；（3）向自动化和数字化方向发展。中远程激光测距仪的精度主要是受到比例误差的限制, 这是值得注意的。如美国的Geodolit-3G远程激光测距仪, 其数字测相的分辨力达±0.03 mm, 其固定误差为±0.03 mm, 但它的比例误差仍有1 mm/km[2]。为获得测线的平均气温, 气压、湿度误差影响￡1mm/km，还需要用飞机沿测线作气象测定, 这对作业无疑是不方便的。对比之下, ±0.03 mm的测相分辨力, 对于单色激光的远程测距, 并不必需。

短程的光波测距仪通常以砷化镓半导体(GaAs)红外波段激光源的红外测距仪为主, 实用上也有少量采用He-Ne激光作光源。这类仪器普遍在向自动化、数字化与小型化、一机多能的方向发展。按仪器的功能可分为单测距仪器, 测角与测距相结合的仪器, 测距、测角与计算三结合仪器(电子速测仪)及高精度的短程测距仪这四类。

单测距的仪器都采用强制归心基座可与经纬仪交替使用, 以利于边角测量和导线测量的实施, 这类仪器也可采用激光光源。角、距结合的仪器有二种: 一种是测距系统作为经纬仪的附件, 积木式装在经纬仪上, 将自动测距与经纬仪测角相结合直接为水平距离并能作坐标差Dx、Dy的计算.如DI-3及DI-3S;另一种能将自动测距与光学测微器

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第三章 激光测距光学系统

3．1 激光测距仪的系统结构

激光电子测距仪一般由激光光源、激光调制及发射电路、光学系统、接收单元、高频放大电路、采样积分电路、逻辑电路、振荡电路和微处理器部分组成,系统框图如图3.1所示。激光光源采用半导体激光二极管。晶振部分包括主振单元和本振单元,通过频率合成电路分别产生发射频率信号和基准混频信号。发射频率信号经过一定的波形变换和功率放大后,作用于激光二极管,进行内调制,发出调制激光信号[3]。

图3.1 激光测距仪的系统结构

Fig.3.1 laser ranging equipment system structure 激光测距光学系统设计的方案及原理为：动目标指示,目标速度分辨力8km/ h ；主动成象,帧频为100～200 帧/ s；精确测距 ；以每秒1000 次的速率编排并记录方位、仰角、距离和时间数据；进行坐标变换,以便输出高精度的实时位置数据,便于绘图和数字显示；使用程序指出方位上几个区域,保证目标或其它关键区域在安全标准范围内安全控制。

连续波(GaA1As)激光发射机;2连续波(CO2)激光发射机;4、5声光调制器;8、9-前置放大器;10散热器;12、30-测距通道探测器;13二维电荷耦合器(CCD);15调准传感器;17本振通道;19后反射器;21、22、23气体池;25栅镜;27、33四分之一波片;29分束器;34、35方 位俯仰驱动器;37广东技术师范学院本科毕业论文（相位法激光测距的理论设计）

3．3 光学系统设计主要部件功能与作用

相位(GaA1As)激光发射机的作用是用于近场广角截获跟踪目标, 并进行目标的粗测;连续波(GaA1As)激光发射系统用于精确的测距;连续波(CO2)激光发射系统用于测量速度。微调反射镜有两对,分别用于GaA1As 激光束和CO2 激光束的偏转扫描,目标截获、跟踪探测器采用二维的电荷耦合器件CCD。

电荷耦合器件的传感功能是在光致信息电荷的存储和传输两个过程完成的。如果把被测目标的光学图象聚集在电荷耦合器件图象传感器的光敏区上,则其上个点所产生的光生载流子的数量,将与各象点上的图象亮度相对应。在一般称为光积分时间的时间间隔内,这些少数光生载流子分别被收集、存储在就近的势阱里,形成一个个的信息电荷包,每一个信息电荷包所储存的信息电荷与电荷耦合器件工作表面上相应位置的光强成正比,因而成为被测光学图象的诸点取样模拟。这样,就把光学图象转变成为由信息电荷所描绘的电子图象,完成了光电转换与储存信息的过程。为了按扫描顺序取出各电荷包的信息电荷,使被接收的图象以电信号的形式再现出来,可在各个电极上依次施加有规则变化的时钟脉冲电压,各个电极下的势阱深度也将作相应的变化,从而使电荷包能够沿半导体表面作定向运动。

二维电荷耦合器件的感光单元呈二维矩阵排列,组成感光区。由于传输和读出结构方式不同,面阵图象器件有多种形式。碲镉汞器件是目前性能最优良的最有前途的光电导探测器。它的光谱响应在8～4μm 之间,为大气窗口波段,其峰值波长为1016μm 与CO2 激光器的激光波长相匹配,响应时间约为10

第三章 激光测距光学系统

3．4 主要参考性能数据

作用距离0～30 ,000m 角度测量准确度< ±110″ 分辨距离0.115m 角度覆盖范围180° 扫描角速度2°/ ms 角度偏转范围0～20°

连续波(GaA1As)激光器波长 0185μm 连续波CO2 激光器波长 1016μm 相位(GaA1As)激光器波长 01905μm 峰值功率

15W 输出功率

15mW 重复频率

90pps(每秒钟的周期数)接收探测器 硅雪崩光电二极管 接收镜孔径 18～100mm

本文的相位测距数字检测系统是根据激光测距的工作原理及由激光测距原理继而发展的相位式激光测距的原理，并参考在激光领域所做的相关的光学系统而设计的。

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第四章 数字相关检测技术改进方法设计

相位法激光测距是利用发射的调制光与被测目标反射的接收光之间光强的相位差所含的距离信息来实现对被测目标距离的测量。由于采用调制和差频测相技术, 具有测量精度高的优点, 广泛用于有合作目标的精密测距场合。激光相位式测距仪由于其测量精度高而被广泛地应用于军事、科学技术、生产建设等领域。相位式测距仪的基本原理是通过测量连续调幅信号在待测距离上往返传播所产 生的相位延迟,来间接地测定信号传播时间,从而求得被测距离.因此,信号相位测量的精度也就决定了激光测距仪的精度[6]。

测距仪相关检测技术是信号检测领域里一种重要工具,它能在低信噪比的情况下提取出有用的信号,具有较强的抗噪声的能力,如同频域里的谱分析一样,时域里的相关分析几乎在信号的所有领域里都有应用,例如图像处理、卫星遥感、雷达及超声探测、医学和通信工程等。

在此本文设计一种新型的激光相位式测距仪,它将现代数字信号处理技术应用于测距系统,利用数字信号处理芯片的强大的数据运算功能,对采集的信号进行数字相关运算,计算出测量信号与参考信号的相位差,继而得到距离值。

4．1 激光相位式测距的基本原理

传统的相位法激光测距机,为了提高测量精度,通常需要把激光调制频率提高到几十兆甚至几百兆；为了增大量程,通常把激光调制频率降低到几兆甚至更低;为了提高测量相位的精度,通常把发射信号和回波信号与本振混频进行移相和鉴相测相。如要同时实现高精度和大量程,则需要多组激光调制频率,且随着测量精度的提高,调制频率会不断的提高,这些对电路性能要求会越来越高,电路的复杂度也会随之增大,各个信号之间的串扰会随之严重,这给高精度激光测距机的设计和制造带来很大的困难。为了克服这些困难,本文提出了一种把直接数字合成(DDS)技术与数字信号处理器(DSP)相结合的激光测距方法,利用DSP强大的实时信号处理的特点和DDS 器件能在一定带宽内产生任意频率的特点,只需把调制频率限制在10兆赫兹以内就可以达到很高的测量精度和很大的量程,而且在工作量提供了一定的理论设计[6]。本文就其基本原理, 系统框图和误差分析

第四章 数字相关检测技术改进方法设计

做详细的论述。

光以速度c 在大气中传播，在A、B 两点间往返一次所需时间与距离的关系可表示为：L= ct/2。

上式中L ─— 待测两点A、B 间的直线距离；c ─— 光在大气中传播的速度；t ─— 光往返AB 一次所需时间。由上式可知，距离测量实质是对光在AB 间传播时间的测量。由于对时间测量不够精确，所以将对时间的测量转化为对相位差的测量。相位差的测量可以达到很高的精度，故而距离的测量也就达到了很高的精度[7]。

激光测距是用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟,再根据调制光的波长换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间,如图4.1所示。

图4.1 测距相位示意图

Fig.4.1 range finder phase schematic drawing 相位式激光测距一般应用在精密测距中。由于其精度高,一般为毫米级,为了有效地反射信号,并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上,对这种测距仪大多配置了被称为合作目标的反射镜。

图4.2为典型的模拟测相电路的原理图[8]：

wо)t ] , E2 = Ecos[(ws

第四章 数字相关检测技术改进方法设计

经成为一个新的技术领域和独立的学科体系，当前已经形成了有潜力的产业和市场，在现代光电通信中也得到十分广泛和成功的应用。

广义来说，数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调以及快速算法的一门技术学科。但很多人认为：数字信号处理主要是研究有关数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法。随着数字电路与系统技术以及计算机技术的发展，数字信号处理技术也相应地得到发展，其应用领域十分广泛。数字滤波器 数字滤波器的实用型式很多，大略可分为有限冲激响应型和无限冲激响应型两类，可用硬件和软件两种方式实现。在硬件实现方式中，它由加法器、乘法器等单元所组成，这与电阻器、电感器和电容器所构成的模拟滤波器完全不同[9]。

4.2.1 数字信号处理的主要研究内容

数字信号处理主要研究用数字序列或符号序列表示信号，并用数字计算方法对这些序列进行处理，以便把信号变换成符合某种需要的形式。数字信号处理的主要内容包括频谱分析、数字滤波与信号的识别等。

数字信号处理中常用的运算有差分方程计算、相关系数计算、离散傅里叶变换计算、功率谱密度计算、矩阵运算、对数和指数运算、复频率变换及模数和数值转换等。很多数字信号处理问题，都可以用这些算法加上其它基本运算，经过适当的组合来实现[10]。

4.2.2 测试信号数字化处理的基本步骤

随着微电子技术和信号处理技术的发展，在工程测试中，数字信号处理方法得到广泛的应用，已成为测试系统中的重要部分。从传感器获取的测试信号中大多数为模拟信号，进行数字信号处理之前，一般先要对信号作预处理和数字化处理。而数字式传感器则可直接通过接口与计算机连接，将数字信号送给计算机（或数字信号处理器）进行处理[11]。

(1)预处理是指在数字处理之前，对信号用模拟方法进行的处理。把信号变成适于数字处理的形式，以减小数字处理的困难。如对输人信号的幅值进行处理，使信号幅值与A／D转换器的动态范围相适应；衰减信号中不感兴趣的高频成分，减小频混的影响；

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隔离被分析信号中的直流分量，消除趋势项及直流分量的干扰等项处理。(2)A／D转换是将预处理以后的模拟信号变为数字信号，存入到指定的地方，其核心是A/V转换器。信号处理系统的性能指标与其有密切关系。

(3)对采集到的数字信号进行分析和计算，可用数字运算器件组成信号处理器完成，也可用通用计算机。目前分析计算速度很快，已近乎达到“实时”。

(4)结果显示一般采用数据和图形显示结果。

4.2.3 数字处理信号的优势

数字信号处理能广泛应用于现代光电通信中，是因为DSP与模拟信号处理相比，具有以下优点[12]：

(1)信号处理的动态范围大，有比模拟信大30dB的动态范围，因而有更高的精度。(2)数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响，处理过程不产生其它噪声，具有更高的信噪比。

(3)具有高度的灵活性，能够快速处理、缓存和重组，可以时分多用、并行处理，还可以灵活地改变系统参量和工作方式，并以利用系统仿真。(4)具有极好的重现性、可靠性和预见性。(5)算法具有直接的可实现性。

(6)对白噪声、非平衡干扰和多径干扰，可以有相应的最佳化的实现方法去进行特有的信号处理。

以上优点是DSP(数字信号处理)在现代光电等通信中应用的重要保证。

4．3 直接数字频率合成技术

直接数字频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)，是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。和传统的频率合成技术相比，他具有频率分辨率高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等突出优点。DDS将先进的数字处理技术与方法引入信号合成领域，成为现代频率

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图4.4 改进的数字测相框图

Fig.4.4 The improvement numeral measures the diagram

改进的测量系统与原测量系统相比主要有以下区别：

1)主频率信号与参考频率信号都由直接数字频率合成器(简称DDS)产生，这种方法不仅输出频率的分辨率高，而且可以通过编程改变输出频率，很容易改变光尺,提高测距的精度。

2)经过混频、低通滤波器后的2 路信号进入模数转换电路(ADC)，由DSP 控制在同一时刻启动2 路ADC 进行数据采集,并由DSP利用数字相关检测的方法测量相位差,得到距离值。

由于DSP 具有强大的实时处理特点和DDS 器件的宽带特性,可将DSP 和DDS 结合起来设计的一种新的激光测距方法。利用DSP 和DDS 器件产生一定带宽范围内的任意频率f ,在这任意频率中,用一定的扫频方法,找到相邻的两个使相位法激光测距的基本公式:L =mc/2f+Δφ/2πc2f 式中Δφ = 0的频率fs1整和fs2整计算L[14]。其系统结构框图为图4.5所示。

图4.5 基于DDS 和DSP 的激光测距机结构图

Fig.4.5 Based on DDS and DSP laser range finder structure drawing

415-广东技术师范学院本科毕业论文（相位法激光测距的理论设计）

图4.6 DSP 内部的软件流程图 Fig.4.6 DSP interior software flow chart

4．5 数字相关检测的原理及在本系统中的实现

互相关函数可以理解为2个信号的乘积的时间平均,这是一个很有用的统计量,一方面它可以用来了解2个未知信号之间的相似程度,或者2个已知信号的时间关系，另一方面它有很强的抗噪声能力，这是因为噪声信号的相关系数几乎为零,在微弱信号中经常使用相关检测的方法提取有用的信号[16]。信号x(t)和y(t)的互相关函数的严格定义如下：

式中: T 是平均时间,如果x(t)和y(t)是周期为T0 的周期信号,则只需要在它的1 个周期里作相关计算即可,即

, 通常直接称为时差, T 为采样时间间隔。

在本系统中为了分析方便, 先在模拟域中分析,由上面的分析可知经过混频器和低通滤波器输出的信号分别为[17]：

E1 = Dcos[(wsw0)t + φ] + n2(t)。

式中: n1(t)和n2(t)分别是随机噪声干扰项.由互相关的定义可知,信号E1 与E2 的互相关函数应是φ的函数,其表达式如下:

式中: T1 为差频信号的周期,由于随机噪声的相关性较差,由式(1)可得： R12(φ)= DEcosφ/2。(2)由式(2)可知, 要想得到相位差φ, 必须要知道D 和E 的值, D 和E 的值受外界的干扰比大,所以相关运算要做归一化处理.。经过模数转换电路的2 路信号分别表示为：

E1(n)= Dcos[(wsw0)n T + φ] + n2(n T)。在数字域内的相关函数为：

r12(φ)=1/N ∑E1(n)E2(n)。信号E1(n)和E2(n)的均方根值为：

除非输入信号幅度非常小，否则FFT运算结果可能导致溢出，为防止溢出的发生，FFT运算提供了归一化功能（可选择），就是输出结果被运算长度N所除。在FFT

71819300。

篇3：相位测距

关键词：数字相位计,FPGA,FFT

0 引言

红外激光测距系统由于其测距的准确性和实时性,已广泛应用于军事、电力、机械、煤矿等领域。该系统的原理是通过测量连续波激光在发射点与测量点之间往返传播所产生的相位延迟来间接测得距离。即利用被调制的连续激光器对合作目标发射一束调制了的连续激光波,激光接收机接收由目标返回来的调制光波,通过测量发射的调制激光束与接收的调制光回波之间的相位移来代替时间的测量,即间接测量目标的距离。因此,信号的相位测量的精度决定了测距的精度。

相位法是一种常用的信号检测技术,相位测量的方法有模拟相位差计、自动数字鉴相、信号频谱分析等。传统的模拟、数字相位计在进行信号相位测量时,会因外部干扰源或本身线路的原因产生各种各样的误差,严重影响了测量的精度。目前,采用软件算法可获得相位测量的高精度,它的原理主要是通过运用一定的软件算法来提取信号的相位信息达到相位检测的目的,其中最常用的算法有傅里叶变换法、最小二乘法和相关函数法。本文正是采用傅里叶变换法的方法来完成信号相位的检测。但由于傅里叶变换所需运算量相当大,计算时间较长,所以必须借助于FFT(快速傅里叶变换)算法。

本文介绍一种基于FPGA的数字相位计,它将数字信号处理和信号的傅里叶变换引入鉴相系统,利用现场可编程门阵列(FPGA)实时高速的数据处理能力对采集信号进行快速傅里叶变换,计算出采样信号的初始相位,进而解算出测距系统中测量信号和参考信号之间的信号差。针对于传统的数字信号处理器(DSP)而言,现代大容量,高速度的FPGA芯片在数据的大吞吐量和数据的纯硬件处理方面,有独特的优势。面对传统的DSP处理器诸多难以克服的技术瓶颈,FPGA已有了突破性的应用。在各种DSP应用场合,FPGA具有全硬件的用户可定制性以及可重配置性,即可根据需要随时通过改变FPGA中的DSP系统的硬件结构来改变系统的功能和技术指标。可以预见,FPGA有进一步取代DSP处理器的趋势。

1 数字相位计的测量原理

首先,用双通道A/D器件将激光器发出的参考信号和接受器接受的测量信号采样转变为数字信号,然后对采样数据作快速傅里叶变换FFT,求出其频谱分布,并根据频谱值分别求得两信号的初始相位角,从而求得相应的相位差值。

假设A/D的采样频率为fs,FFT的长度为N,则谱的频率分辨率为:

对于信号来说,其频率一般并不正好是频率分辨率的整数倍,这样在功率谱上会表现为两条谱线。但是由于所处理的信号f频率为已知,为了方便起见,将选择合适的采样频率fs和采样点数N,使得信号正好落在频率分辨率的整数倍上,即在其功率谱上表现为单一谱线。如果功率谱最大值出现在第n个频率上,则此频率为:

然后只需在幅度谱上取其相应的第n个频谱值的实部Re和虚部Im,按照(3)式即可计算得到输入信号的初始相位。

在数字相位计中分别对发射信号和接收信号做FFT变换,并分别求得两信号的初始相位角,从而求得相应的相位差值。若发射信号的初相位被设置成0,那么只需对接收信号的初相位进行FFT变换,即可求出相位差值。

整个数字相位计的原理框图,如图1所示:

2 FFT算法分析

对于长度为N的时域序列x(n)离散傅里叶变换可以表示为:

FFT算法是将长序列的DFT分解为短序列的DFT。时间抽取FFT(DIT)是将N点的输入序列x(n)按照偶数和奇数分解为偶序列x1(n)=x(2n)和奇序列x2(n)=x(2n+1)两部分,因此x(n)的N点FFT可以表示为:

当N=2L时,共有L级蝶形,每级都由N/2个蝶形运算组成,每个蝶形有两次复加和一次复乘,因而每级运算都需N/2次复乘和N次复加,这样L级运算总共需要复乘数N/2log2N,复加数Nlog2N次。

本文从以下5个方面对基2-DIT算法流程的特点予以说明:

①原位运算(同址运算)

基2-DIT算法是很有规律的,其每级计算都是由N/2个蝶形运算构成,每一个蝶形结构完成下述的基本迭代运算:

式(6)中m表示第m级迭代,k,j为数据所在行数。

②倒位序

按原位计算时,FFT的输出X(k)是按正常顺序排列在存储单元中,但是这时输入x(n)却不是按自然顺序存储的,称之为倒位序。一般实际运算中,总是先按自然顺序将输入序列存入存储单元中,为了得到倒位序的排列,则要通过变址运算来完成。

③蝶形运算两节点的距离

有两种情况:①输入数据为倒位序,输出为自然顺序的,其第一级每个蝶形的两节点间“距离”为1,第二级每个蝶形的两节点“距离”为2,第三级每个蝶形的两节点“距离”为4,由此类推得,对N=2L点FFT,其第m级运算,每个蝶形得两节点“距离”为2m-1。②输入数据为自然顺序,输出为倒位序的,对于N=2L点FFT,其第m级运算,每个蝶形得两节点“距离”为N/2m。

④旋转因子W'N的确定

对于输入数据为倒位序的,其第m级运算,一个蝶形运算的两节点“距离”为2m-1,因而(6)式可以写成:

r的求解方法为:把(7)式中蝶形运算两节点中的第一个节点标号值,即k值,表示成L位(N=2L)二进制数,把此二进制数乘上2L-M,即将此二进制数左移L-M位,把右边空出的位置补零,此数即为所求r的二进制数。

⑤存储单元

由于是原位运算,只需有输入序列x(n)(n=0,1,2,…,N-1)的N个存储单元,加上系数W'N(r·=0,1,2,…,N/2-1)的N/2个存储单元。

3 FFT算法在FPGA中的实现

FFT硬件处理器的结构框图,如图2所示。FFT处理器包括一个基2的蝶形运算单元(包括四个实数乘法器、六个加/减法器),一个双端口存储器用于存放输入输出数据和中间结果,一个ROM用于存放系数(旋转因子表),一个控制器用来控制整个系统运算流程和一个地址产生单元用来产生寻址RAM和ROM的地址。FFT运算时,蝶形运算采用了流水方式因此将运算中间和最终结果写回RAM的过程开始于读出第一个数后的第5个周期,这就需要计数器单元记录这些周期。数据通路是16位带符号的定点数,系数是16位。

整个系统的工作流程如下:

控制单元接收外部启动信号initial后,首先复位各个功能模块。发出in_mode,wr_en信号,接收待算数据,同时地址发生器根据in_mode模式发出写地址信号,将外部数据写入RAM中。接收数据完毕,io_finish有效后,控制单元发出rom en,rd_en,fft_mode,fft_en信号,地址发生器根据fft_mode模式产生读RAM、ROM的地址,读出的数dadain_re,dadain_im以及旋转因子送入蝶形运算单元进行运算,运算完成后将运算结果dadaout_re,dadaout_im写入到RAM中。这样直到FFT运算完成之后,fft_finish有效,控制单元发出out_mode信号,将运算的最终结果从RAM读出。

本电路具有以下特点:

①蝶形运算电路

蝶形运算电路是本系统的核心部分,采用并行处理的运算方式。每个蝶形运算单元的计算结果存储在原相同的RAM单元中,同时由进位寄存器输出数据用于溢出检测。

②数据存储

双端口RAM是输入输出数据及中间运算结果的存储单元。因此,双端口RAM的频繁读写速度对FFT处理速度影响很大。将双端口RAM内置在FPGA中既不存在驱动和pad延时,速度极快,而且控制简单,不需占用片外电路面积,可提高系统的可靠性。

③时钟管理

本设计的系统内部需要多个时钟信号,如蝶形运算单元的倍频时钟,ROM寻址的分频时钟以及主系统时钟。为了消除时钟分配延时,可以采用FPGA片内的PLL(Phase-locked Loop)。PLL不仅可以保证芯片的内部时钟和外部时钟信号保持精确的同步,还可以对时钟信号进行倍频和分频。

4 结束语

由FPGA芯片构造的数字相位计,是在完成FFT算法的基础上实现的。本设计采用流水线工作方式,内置双端口RAM,ROM单元,加快系统的总体速度,使存取数据,蝶形运算,溢出检测工作协调一致,有效避免了“瓶颈”。该数字相位计应用到激光相位测距中,不仅可以保证位置测量的精度,提高系统的稳定性,而且在很大程度上简化了电路的复杂程度和功耗,具有良好的应用前景。

参考文献

[1]周孟然.基于红外激光定位技术的矿井提升机位置跟踪系统的研究[J].煤炭学报,2005(6):27-31.

[2]胡广书.数字信号处理-理论、算法与实现[M].北京清华大学出版社,1997.

[3]李磊源,施文康.一种高可靠性的相位检测实用算法[J].上海交通大学学报,2006(7):22-26.

[4]潘松,黄继业,王国栋.现代DSP技术[M].西安电子科技大学出版社,2006.

篇4：相位测距

关键词:量子密钥分发相位补偿相位漂移系统稳定性

中圖分类号:TN918文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)06(a)-0100-01

1 引言

量子密钥分发系统为信息安全领域提供了一种理想的密钥分发方案,第一个量子密钥分发协议于1984年由Bennett和Brassard提出[1],其实验可行性验证被Bennett及其合作者们于1992年首次完成[2]。目前,基于相位编码的量子密钥分发系统碰到的一个重要的问题是由于外界环境对光纤干涉环的影响,使得系统的稳定性受到了不同程度的影响,因此利用光学结构以及相关的稳定补偿技术来提高系统稳定性的研究被广泛关注。

2 相位编码量子密钥分发系统稳定性研究

相位编码量子密钥分发系统是基于光纤干涉仪进行操作的。常见的相位编码量子密钥分发系统有基于双麦克尔逊-曾德尔(M-Z)干涉仪的相位编码系统,即插即用相位编码系统,以及差分相位编码系统(DPS,Differential Phase Shift)等[3]。由于通信双方的光纤干涉环受到外界温度和震动等因素的影响,使得干涉输出的相位稳定性受到了较大影响。因此在接收端检测干涉叠加相位时,由于外界因素引起的相位漂移使得系统无法正常检出密钥信息。

为了克服相位漂移的影响,几种可以补偿相位漂移的方法被提出并得到了广泛的研究。其中最有前途的一种方案是基于自补偿光纤干涉系统的方案,这种方案以即插即用系统[4]和中国科技大学郭光灿院士小组提出的双法拉第-麦克尔逊干涉仪结构[5]为典型代表。这种方案是量子密钥分发系统最终获得良好应用的最优方案,但是目前还需要进一步深入研究。另一类方法是利用某种手段获得相位漂移参数并采用相位调制实时补偿的方法进行系统相位漂移的补偿。这种方法包括获取动态相位漂移参数和实时补偿两个阶段。在获取动态相位漂移参数的阶段,主要有通过强激光参考脉冲的方法[6],通过单光子水平扫描的方法[7-9]等。利用强参考光脉冲的方法获取动态相位漂移参数会增加系统硬件的复杂度,并且会在一定程度上对量子信号光引入干扰。利用单光子水平扫描的方法对量子密钥分发技术的应用有较大的实用价值。在单光子水平扫描时,需要进行足够多的光子脉冲的累积计数才能够利用光子计数的统计性获得单光子干涉曲线,进一步获取动态扫描参数,因此逐点扫描的方法有一定的限制。文献[8]利用每个周期取12个扫描点获取粗动态参数,并且在此基础上通过262个单光子概率幅脉冲的累积计数进一步提高扫描精度,该方案可以在较短的时间内获得动态相位漂移参数。文献[9]在这些工作的基础上,进一步提出了利用五点法获得动态扫描参数,进一步减小了获取动态相位漂移参数的时间长度。值得一提的是,在进行单光子水平动态扫描参数的同时,必须要求系统进行足够的被动补偿,使得相位漂移的速度减缓,以便可以进行有效的动态相位漂移参数的获取和提高密钥分发占空比。

3 结语

在目前的几种相位漂移的补偿方法中,引入强参考光的方法由于存在增加系统硬件复杂度和对量子信号光引入干扰的问题,所以在实际应用中较少采用此方法。在单光子水平下进行高效的扫描和补偿是目前一般实际应用系统采取的主流方法,同时需要先对系统进行足够的被动补偿,使得相位漂移的速度减小到可以接受的程度。尽管如此,不管主被动相位补偿的方法如何高效,却无法完全避免相位不稳定性带来的影响,因此基于自补偿相位漂移的量子密钥分发光学方案仍旧是解决该问题最好的研究方向和趋势。

参考文献

[1]C.H.Bennett,G.Brassard.Quantum Cryptography:Public Key Distribution and Coin Tossing [C].Proceedings of the IEEE,1984:175.

[2]C.H.Bennett.Quantum cryptography using any two nonorthogonal states[J]. Phys.Rev.Lett,1992,68:3121.

[3]K.Inoue,E.Waks and Y.Yamamoto. Differential phase shift quantum key distribution [J].Phys.Rev.Lett,2002,89:037902.

[4]G. Ribordy,J.-D.Gautier,N.Gisin,et al.Automated plug & play quantum key distribution[J].Electron.Lett,1998,34:2116.

[5]X F Mo,B Zhu,Z F Han,et al.Faraday-Michelson system for quantum cryptography[J].Optics Lett,2005,30(19):2632.

[6]Z L Yuan and A J Shields,Continuous operation of a one-way quantum key distribution system over installed telecom fibre[J].Optics Express,2005,13(2):660.

[7]W Chen,H Z Fu,X F Mo,et al.Active phase compensation of quantum key distribution system,Chinese Science Bulletin,2008,53(9):1310.

[8]王金东,秦晓娟,魏正军等.一种高效量子密钥分发系统主动相位补偿方法,物理学报,2010,59(1):281.

篇5：相位测距

当采用分米级红外测距仪测距时，三次读数之差不宜大于该仪器精度的两倍。

二、为保证测距数据的正确，在测距时必须注意下列作业事项：

1.当采用多个反射镜测距而架设于同一视准线高度时，应测完一站后，再安置另一站的反射镜，不允许反射镜同时对准测距仪，

2.在高电压物体附近，不宜架设红外测距仪或反射镜。

3.测距较远时，应避免逆光观测。

4.利用分米级红外测距仪测距，三次读数时，每读一次应有一定的间隔时间，使读数稳定、可靠。

篇6：激光测距论文讲解

激光技术这一高新技术，经过半个世纪的发展，从机理原理，实验手段到制造工艺都已逐步成熟，且先进的激光器不断研制成功，并凭借其高亮度、方向性强、单色性好、相干性好的显著特点，在工业、农业、医疗、军事等领域的应用已经是大显神威。而激光武器经过不断地开发和研究，目前已有了重大的进展：低功率激光武器已开始装备部队，高功率激光武器则在技术上已基本成熟，将在未来现代化战争或局部战争中发挥举足轻重的作用。

本文简要介绍了脉冲激光测距原理及常见的激光测距仪，并对它们在军事上的应用作了相应的介绍。

关键词：激光测距；激光测距仪； 军事应用

一、引言

激光测距是激光在军事上应用最早和最成熟的技术。自1960 年第一台激光器--红宝石激光器发明以来，便有人开始进行激光测距的研究。和微波测距等其它方法相比,激光测距具有更好的方向性和更高的测距精度,测程远,抗干扰能力强,隐蔽性好,因而得到广泛的应用。激光测距的研究还对雷达技术的发展起了很大的促进作用,因而在国民经济和国防建设中具有重要意义。根据所发射激光状态的不同,激光测距分为激光脉冲测距和连续波激光测距,后者根据起止时刻标识的不同又分为相应激光测距和调频激光测距。本文将介绍脉冲测距的最新技术发展。

二、脉冲激光测距原理

脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间极短,能量在时间上相对集中,瞬时功率很大(一般可达兆瓦)的特点,在有合作目标的情况下,脉冲激光测距可以达到极远的测程;在进行几公里的近程测距时,如果精度要求不高,即使不使用合作目标,只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射索取的反射信号,也可以进行测距。图1 脉冲飞行时间激光测距系统一个典型的脉冲飞行时间激光测距系统通常有以下五个部分组成:激光发射单元,一个或两个接收通道,时刻鉴别单元,时间间隔测量单元和处理控制单元。激光发射单元在t0 时刻发射一激光脉冲,其中一小部分功率直接进入接收通道1,经时刻鉴别单元产生起始(START)信号,开始时间间隔测量;其余功率从发射天线向目标发射出去,经距离R 到达目标后被反射;接收通道2 的光电探测器接收到返回脉冲,经放大后到达时刻鉴别单元,产生一终止(STOP)信号,终止时间间隔测量;时间间隔测量单元把所测得的结果t 输出到处理控制单元,最后得到距离R=ct/2。

[1]

三、激光测距在军事上的应用 3.1 激光测距光源

战术和战略用脉冲激光测距仪主要包括红宝石、Nd∶YAG、CO2、喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃等脉冲激光测距仪。3.3.1 红宝石脉冲激光测距仪

0.69μm 的红宝石脉冲激光测距仪是第一代军用激光测距仪，其结构简单，紧凑。因工作波长属近红外绿光，极易暴露目标，加上对人眼极不安全，目前除少数应用外已被淘汰。

3.1.2 Nd∶YAG 脉冲激光测距仪

Nd∶YAG 脉冲激光测距仪的主要优点是隐蔽性、电效率和脉冲重复工作频率大大优于红宝石激光测距仪，因而从60 年代后期开始广泛装备部队；主要缺点：①工作波长为1.06μm，相对说来较短，在大气中的衰减较大，不完全适合自然雾和战场烟幕等环境条件；② 1.06μm 波长被发射后经人眼聚焦进入视网膜，在很短的距离上若不加防护观察，可以使人眼永久致盲；③1.06μm 波长不与8~12μm 热成像系统兼容。而Nd∶YAG 脉冲激测距仪目前仍具有无法取代的独特优点。3.1.3 CO2 脉冲激光测距仪

CO2 脉冲激光测距仪是70 年代末和80 年代中期主要针对1.06μm 的Nd∶YAG 激光测距仪的缺点发展起来的新一代人眼安全激光测距仪。其主要优点有：①大气穿透能力优于Nd∶YAG 激光波长，能在较低能见度和战场烟幕等大气条件下工作；②能与8~12μm 波段内的典型热成像系统兼容并可共用接收光学系统和探测器，能有效实现热成像仪能探测到的绝大多数目标；③能实现对人眼安全。主要缺点是：①10.6μm 的CO2 激光波长极易被水分子(H2O)吸收衰减，在大气中含水蒸汽密度大的睛天和潮湿条件下，限制了它的最大测距能力，特别是雨天和目

标被雪覆盖时，目标呈现多镜面对称反射，对CO2 激光波长测距不利；③10.6 μm 的CO2 激光波长对战术目标的反射系数低于1.54、1.06 和0.69μm 的激光波长。

3.1.4 喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃脉冲激光测距仪

喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃脉冲激光测距仪也和CO2 一样发展于70 年代末和80年代中期，主要优点是：①大气穿透能力高于1.06μm 的Nd∶YAG 激光波长而低于CO2 激光波长；②对目标的反射系数和在睛天、高温度条件下测距时，其性能高于CO2 激光波长并与Nd∶YAG 激光波长相当；③对人眼的安全性高于CO2 激光波长。缺点是由于1.54μm 波长属中红外波段，不能与8~12μm 的热成像系统兼容，加上转换效率低、脉冲能量小和重复工作频率低(喇曼频移Nd∶[3][2] YAG 除外)等限制了它们的应用。3.2 脉冲激光测距在军事上的应用

脉冲激光测距仪作为军用装备器材，发展于60 年代初。经过30 多年的开发、研制和装备，目前国外已完成了“手持式、脚架式、潜望式、坦克、装甲、水面舰载、潜艇潜望、高炮、机载、机场测云、导弹和火箭发射、人造卫星、航天器载”等约十三大类400 多个品种和型号，其中装备量最大的是以Nd∶YAG 为器件的固体脉冲激光测距仪，其次是喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃以及CO2 脉冲激光测距仪。

3.2.1 轻型便携式脉冲激光测距仪

轻型便携式脉冲激光测距仪包括步兵和炮兵侦察用的手持式以及前沿侦察和前沿对空控制(FAC)双用途的激光测距仪—目标指示器。对上述用途的系统，要求机动灵活、重量轻、体积小、用电池组作电源、可靠性和维修性高以及单一产品的成本低等。主要技术性能：最大测程4~10km，测距精度±10m，重复频率为单次，束散角1~2mrad。值得关注的的是，由于上述激光测距仪及其系统常与其他友军密切配合作战且不带装甲部队大范围训练以及无合作目标、操作手不带防护目镜等，人眼安全极为重要。因此，这类脉冲激光测距仪已逐渐由装备Nd∶YAG 激光测距仪改为喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃1.54μm 的人眼安全激光测距仪。

在现代战争中，由以前单一的步兵、炮兵独立作战发展到有步兵、炮兵和海军陆战队组成的特种部队联合作战，武器系统也由单一的地炮、高炮逐渐采用多功能综合高技术。因此激光测距仪也由单一测距功能的便携式、手持式发展到激光测距、红外瞄准的昼夜观测仪以及激光测距、目标指示、红外瞄准的激光红外目标指示器等。

3.2.2 地面车载脉冲激光测距仪

地面车载脉冲激光测距仪包括坦克、步兵战车(IFV)、火控、对空防御、火炮或导弹制导火控以及目前发展的地面车载激光测距仪—目标指示器等。其主要技术性能：最大测程4~10km，测距精度±5~10m，目标分辨约20m，重复频率0.1~1Hz，束散角0.4~1mrad。激光测距仪在坦克火控系统中的应用是提供弹道轨迹的超仰角修正信息和因逆风或目标移动引起的方位角校正信息以及距离信息。步兵战车主要是使用激光测距仪去测量目标是否在反坦克导弹的距离内，其次用于枪炮火控和对目标的分选。为了做到激光测距仪完全有效地对任何能探测到的目标测距以及通过火控系统全天候被动探测、识别和分选，这些系统还应包括：瞄准光学系统、电视摄像机和红外热成像仪(FLIR)等。这是目前非常迫切需要的但不可能通过任何单一功能和单一波长激光测距仪能完全满足的系统。据外刊报 道，美国休斯公司采用喇曼频移Nd∶YAG 激光测距、电视摄像和红外成像组成的坦克、装甲车激光测距仪系统是目前最新型的设备。但是这种系统若采用1.06μm 的Nd∶YAG 激光测距，尽管在测距仪上装上衰减滤光片，对合作目标测距训练时已基本达到人眼安全要求，而经论证后的坦克和步兵作战的操作人员及指挥、作战人员应采取人眼安全措施，或者采用人眼安全的1.54μm 激光波长测距，从根本上实现对人眼安全的要求。3.2.3 对空火炮和导弹防御脉冲激光测距仪

对空防御的脉冲激光测距仪以及采用了自保护措施的步兵战车对空防御脉冲激光测距仪均应按火控系统和作战系统的要求工作，在距离和距离速率以内对空中高速机动目标提供稳定的跟踪信息和距离信息，以对抗武装直升机、隐身飞机和巡航导弹、反辐射导弹的威胁。这就要求激光测距仪提供比较高的数据率(高的激光脉冲速率)和相当高的距离精度，如最大测程为4~20km，测距精度为

2.5~5m，重复频率为6~20Hz，束散角为0.5~2.5mrad 等。然而，若其交战距离相当远(约达20km 以上)，这么远的距离实际对抗出现在不模糊的大气条件下，仅要求激光测距仪的灵敏度比坦克测距仪稍高一些；若在某些高湿度季节或某些高温度气象区域内，由于很强的H2O 分子吸收，限制了长波长(如10.6μm 的CO2)脉冲激光测距仪最大测距能力的发挥，此时，应采用1.06μm 的Nd∶YAG 脉冲激光测距仪，或者采用喇曼频移Nd∶YAG 及Er∶玻璃(1.54μm)的脉冲激光测距。

3.2.4 机载脉冲激光测距仪

机载脉冲激光测距仪可以用来装备武装直升机的导弹指令制导和装备固定翼飞机，用于封锁支援的光电飞行器等目标以及拦截飞机和导弹的攻击。这些典型应用一般采用1.06μm的Nd∶YAG 激光测距仪并具有激光测距和目标指示的能力，或者采用1.54μm 波长的人眼安全喇曼频移Nd∶YAG 脉冲激光测距仪_目标指示器等，以保护机载系统完成作战任务或主动攻击空中的光电目标。机载脉冲

激光测距仪的主要技术性能：测程远(用于武装直升机为4~10km，用于固定翼飞机为10~20kM)、测距精度高(用于武装直升机为±5~10m，用于固定翼飞机为±1~10m)、重复频率高(用于武装直升机为4Hz，用于固定翼飞机为5~20Hz)、束散角小(用于武装直升机为0.4~1mrad，用于固定翼飞机为0.1~0.5mrad)，同时机载设备应体积小、重量轻并要与航空指示器共用。因此，激光器必须使用高效循环液体作冷却器，以适应高的运转速率要求，否则要采用气体或混合气体升压冷却。

3.2.5 舰载脉冲激光测距仪

舰载脉冲激光测距仪的发展在轻型便携式、车载和对空防御激光测距仪之后，它包括水面舰载和潜艇潜望两大类。水面舰载脉冲激光测距仪在技术性能指标方面与车载火控和对空防御激光测距仪相同，在环境使用方面要适应舰载海[4] 空、海面以及海上盐雾的荷刻要求，而在体积、重量、电效率、维护保养能力和成本等方面的要求又不苛刻。因此，目前大量用来装备常规火控和对空防御的海军舰只，如掩护(无声雷达)舰载飞机回收和与红外热成像、电视等组成跟踪系统，全天候监视和跟踪空中目标等独特的舰上应用正在出现，其应用前景相当广泛 [5]。

四、结束语

激光武器不但反应速度快，而且杀伤命中率特别高，几乎是100%，因为激光 武器以光束攻击目标，可以不考虑射击提前量，而且目标的机动性也不会影响激光器的性能。所以，激光武器的杀伤率就非常高，一旦锁住目标，就能将其摧毁或破坏。另一个重要优点是单发成本相当低，每发仅1000 ~ 3000 美元。因此，用激光武器来对付在全世界扩散的“ 廉价低空飞行器“ 大有好处。使用战区高空防御武器或其它昂贵的反导系统来对付近程火箭，其代价也太高。所以，发展激光防空武器就成了必然趋势。[6] 参考文献