多频调制的相位法激光测距中若干关键技术研究.pdf

摘要摘要随着军事、航空航天、精密制造与测量等技术的飞速发展，在越来越多的场合 需要进行大范围、高精度、快速、动态的距离和速度测量，这就对相位法激光测距 提出了新的要求。课题“相位法激光测距若干关键技术研究”的目的就是在现有相位法激光测距 系统的基础上，研究一种快速、动态、高精度的多频调制相位法激光测距系统，为 解决目前相位法激光测距中存在的测量速度慢、抗干扰能力差、不能实现动态测量 等问题提供了技术储备，在工业生产、军事以及航空等需要大尺寸测量的领域中具 有广阔的成川前景。本文结合相位法激光测距原理，论述了相位法激光测距在工业生产、精密加工 制造、大尺寸物体的三维测量、飞行器空间外姿态测量、空间交会对接以及小卫星 编排等领域中的应川，指出在新的应川场合和应川要求下相位法激光测距中亟待解 决的若干关键问题，确定了相位法激光测距系统的设计方案和优化方法、信号处理 方法以及雪崩光电二极管(APD)非线性误差补偿方法，为相位法激光测距在新领域 中得到更广泛的应用奠定了基础。为了实现高精度、动态的距离和速度测量，本文设计了基于多DSP并行处理的 发射和接收系统。对于多个调制频率的激光同时发射的测距系统，基于并行处理思 想，使用多路并行AD转换器对同时到达的参考信号和测量信号进行采集，送至多 路DSP,采川频谱分析的方法提取参考信号和测量信号的相位差和频率差，经计算 得到目标的距离信息和速度信息。信号的数字化处理有效的提高了系统的抗干扰能 力和测量精度，且系统中实现了多个调制频率的测量佶号同时发射、并行接收和处 理，节省了测量时间；除此之外，设计的温度控制系统为整个相位法激光测距系统 实现稳定、高精度的测量提供了保证。为了提高返回光信号和参考信号相位差测量的精度,将全相位FFT(apFFT)作为 一种新的频谱分析手段引入到激光测距系统中，建立了 apFFT在高斯白噪声背景下 进行相位估计的误差模型，深入分析了信噪比、归一化频率偏差、采样点数以及所 加窗函数对相位估计精度的影响。基于apFFT谱分析，提出了一种新的频率校正的 方法，仿真实验证明，该频率校正方法在整个归一化频率偏差范围内较双谱线法和 能量重心法有较高的估计精度和较好的稳定性。哈尔滨工业大学工学博士学位论文APD非线性引起的测相误差严重制约了相位法激光测距精度的进一步提高,在 研究APD非线性引起的测相误差与倍增因子、反向偏压与入射光强之间的关系的 基础上，设计了 APD倍增增益闭环控制系统，提出了一种倍增增益控制和软件补 偿相结合的APD非线性测相误差减小方法,该方法简单有效。在调制频率为75MHz 时，最大相位误差由4.8013减小为0.0301,在调制频率为7.5MHz时，最大相位 误差由0.5018。减小为0.0291,大大提高了测距精度。最后，本文对课题研究的若干关键技术进行了性能测试和实验验证。在3m基 准测长机上进行了系统的静态和动态测试，在距离测量稳定性试验中，对于固定的 不同的被测距离，所得测距结果的标准差均小于0.09mm；在系统测速试验中，目 标以200mm/s做匀速运动，进行apFFT变换点数为4096点时，系统测速标准差小 于0.0049m/s,进行apFFT变换的点数为2048时，系统测速标准差小于0.0n4m/s。关键词：相位法激光测距；多频调制；多DSP并行处理；离散频谱校正；APD非 线性补偿-II-AbstractAbstractWith the fast development of military,aerospace,ultra-precise processing and measurement,large-scale,high resolution,fast,dynamic distance and velocity measurements are needed in more and more fields,which make new demands on laser range finding.In this paper,some key technologies of phase-shift laser range finding are discussed.A multi-frequency modulation laser range finding system capable of implementing fast,dynamic distance and velocity measurement with high resolution are proposed based on phase-shift laser range finder,the achievement of this paper shows an effective approach to solve the slow measurement,low anti-jamming capacity and incapable of implementing dynamic measurement,which make the designed system in this paper has a broad application prospects in industry,military and aerospace where large-scale distance measurements are needed.After consulting a large number of domestic and foreign related literatures and references,this thesis provided an overview of laser range finder application in industrial,high-precision processing and manufacturing,three-dimensional measurement of large-scale objects,aircraft exterior attitude measurement,spacecraft automated rendezvous and docking and small satellite formation flying.Some key problems of phase-shift laser range finder are summarized in new application occasions and requirements,which laid the foundation of system design and optimization,signal processing and proposing compensation method fbr nonlinear of APD.And the key problems are in urgent need fbr solution provides a clear direction for research.Laser range finder system with multi-channel of transmitting and receiving are designed based on multi-DSP parallel processing.For laser range finder with multiple modulation frequency transmitted at the same time,the reference and measurement signals are digitalized by Multiple A/D converters in parallel and were sent to multi-DSP,the phase difference and frequency difference between the reference and measurement signal are calculated by spectrum analysis,the distance and velocity of the target are acquired.The measurement resolution is improved and the anti-jamming capacity is enhanced by digitalized the signals,and the measurement signal with multiple modulation frequency were transmitted,received and processed at the same time,the measurement time is reduced.The temperature control system is designed to guarantee-ill-哈尔滨工业大学工学博士学位论文the whole laser range finding system achieving stable,high precision measurement.To improve the phase difference between reflected signal and reference signal,the all phase FFT(apFFT)are introduced in laser range finder as a new spectrum analysis method,the phase estimate accuracy model adopting apFFT in presence of Gaussian white noise is founded,the relationship of accuracy of phase estimate with key factors such as signal-to-noise ratio,normalized frequency leakage error,sampling points,and the window function are discussed in detail.A new frequency correction method are proposed based on apFFT analysis,the Monte Carlo simulation prove that the new method has higher resolution and better stability than Rife-Jane method and centro-baric method.Nonlinearity of APD restrains enhancement of phase-shift laser range finder measurement precision.The relationship among phase measurement error caused by APDS nonlinear,Multiplication,bias voltage acting on APD,incident light intensity are analyzed.An Active multiplication control unit is designed.Active multiplication controlling and software compensation of phase error are combined to reduce the influence of APDs nonlinear characteristic.Experiment proves that it is an effective way to compress the phase error.For a modulation frequency of 75MHz,the phase error of 4.8013 can be reduced to less than 0.0301.For a modulation frequency of 7.5MHz,the phase error of 0.5018 can be reduce to less than 0.0291,a strong increase of the accuracy of distance measurement with the new developed phase error correction method.At last,performance tests and validation experiments on the key technologies discussed in this paper are taken.The experiments are implemented on a precision guide of 3m-long.In the distance stability testing experiment,the distance measurement standard deviation is better than 0.09mm fbr fixed distance.In the velocity testing experiment,for the target with a contant velocity of 200mm/s,the velocity measurement standard deviation is better than 0.0049m/s when apFFT point number is 4096 and better than 0.0114m/s when apFFT point number is 2048.Keywords:phase-shift laser range finder,multi-frequency modulation,multi-DSP parallel processing,discrete spectrum correction,compensation fbr APD nonlinearity-IV-目录目录摘要.IAbstract.Ill第1章绪论.11.1 课题研究的目的和意义.11.2 激光测距技术的国内外研究现状及分析.6121激光干涉测距技术.71.2.2 脉冲激光测距技术.9123调频连续波测距技术.121.2.4 相位法激光测距.131.3 相位法激光测距中存在的问题.161.3.1 实现对距离的动态高精度测量.161.3.2 返回光信号相位和频率的高精度提取.171.3.3 消除温度对发射系统及接收系统的影响.171.3.4 高频光入射时APD非线性特性引起的测距误差补偿.171.4 论文的主要研究内容.18第2章 基于多DSP并行处理的系统架构.202.1 弓信.202.2 相位法激光测距测速原理及分析.212.2.1 相位法激光测距原理.212.2.2 相位法激光测距多频调制系统分析.232.3 多DSP并行处理的多频调制测距测速系统.262.3.1 系统测量原理分析.272.3.2 频点选择原则.312.3.3 温度控制系统.342.4 测量系统误差模型及分析.362.4.1 距离测量误差.362.4.2 速度测量误差.41-V-哈尔滨工业大学工学博士学位论文2.5 本章小结.45第3章 基于频谱分析的测距测速方法研究.473.1 引言.473.2 基于apFFT的高精度距离测量.483.2.1 apFFT的“相位不变性”.483.2.2 apFFT方法和普通FFT测距精度比较.533.2.3 采川apFFT测相时相差-距离关系.623.3 高斯白噪声背景下apFFT信号相位估计误差模型.663.3.1 信噪比对相位估计精度的影响.683.3.2 频率泄露与所加窗函数对相位估计精度的影响.693.3.3 采样点数对相位估计精度的影响.733.4 基于apFFT的离散谱校正新方法.743.4.1 仿真实验与分析.793.4.2 本文方法与其他方法对比.813.5 本章小结.85第4章 APD非线性特性引起的测相误差补偿研究.864.1 弓 I言.864.2 APD非线性响应.864.3 由APD非线性引起的相位误差的测量.914.4 倍增增益控制的APD非线性测相误差消除.964.4.1 APD最隹雪崩增益与入射光功率关系.964.4.2 主动增益控制系统设计.994.4.3 实验结果与分析.1024.5 本章小结.104第5章测量系统与实验验证.1055.1 引言.1055.2 测量系统.1055.2.1 激光调制发射单元设计.1055.2.2 接收单元和信号处理单元设计.1085.2.3 光学系统设计.1095.3 激光发射模块实验.111-VI-目录5.4 接收模块实验.1125.5 系统整体性能实验.1145.5.1 参考通道和测量通道通道不匹配相差实验.1145.5.2 距离测量稳定性实验.1175.5.3 系统测距测速性能实验.1205.6 本章小结.122结论.123参考文献.126攻读博士学位期间发表的论文.138哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明.139哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书.139致谢.140个人简历.141-VII-哈尔滨工业大学工学博士学位论文ContentsAbstract(Chinese).IAbstract(English).IllChapter 1 Introduction.11.1 Research Objective and Significance.11.2 Development and Present Status of Laser range finder.71.2.1 Interferometric Laser Range Finding Technology.71.2.2 Pulsed Laser Range Finding Technology.91.2.3 FMCW Laser Range Finding Technology.121.2.4 Phase-shift Laser Range Finding Technology.141.3 Exiting Problems and Resolve Methods.171.3.1 High Resolution and Real-time.171.3.2 Development Situation of Image Sensor.171.3.3 Research Status of Camera Calibration Technolog.171.3.4 Main Form of Calibration Target.181.4 Main Research Contents.18Chapter 2 System architecture based on multi-DSP parallel processing.202.1 Introduction.202.2 Principle of phase-shift laser ranging and velocimetry and analysis.212.2.1 Principle of phase-shift laser ranging and velcocimetry.212.2.2 Analysis of multi-frequency modulation phase-shift laser ranging system.232.3 Multi-frequency modulation ranging and velocimetry system based on multi-DSPparallel processing.272.3.1 Analysis of measurement principle.272.3.2 Rules fbr frequency choice.312.3.3 Tempreature control system.342.4 Analysis of system measurement error.362.4.1 Distance measurement error.362.4.2 Velocity measurement error.422.5 Conculsion of the chapter.46Chapter 3 Study of laser ranging and velocimetry method based on spectrumanalysis.47-VIII-Contents3.1 Introduction.473.2 High resolutioin laser ranging based on all-phase FFT.483.2.1 Phase constant“of apFFT spectrum analysis.483.2.2 Comparison of apFFT and FFT on distance measurement resolution.533.2.3 Phase-distance relationship adopting apFFT in laser range finder.623.3 Phase estimate accuracy model in presence of Gaussion white noise applyingapFFT.663.3.1 Relationship of SNR and phase estimate accuracy.683.3.2 Relationship of Frequency leakage,window funcion and phase estimation accuracy 693.3.3 Relationship of sampling points and phase estimate accuracy.733.4 A new spectrum correction method based on apFFT analysis.743.4.1 Simulation experimental and analysis.793.4.2 Comparison of proposed method and other methods.813.5 Conculsion of the chapter.85Chapter 4 Study on phase error compensation caused by APDs nonlinearity.864.1 Intruduction.864.2 Nonlinear response of APD.864.3 Phase error measurement caused by APDs nonlinearity.914.4 Elimination phase error caused by APDs nonlinearity applying multilicationcontrol.964.4.1 Relationship of APDs optimum multiplication and incident light intensit.964.4.2 Design on acive multiplication control system.994.4.3 Experiment results and analysis.1024.5 Conculsion of the chapter.104Chapter 5 Measurement system and experiments.1055.1 Intruduction.1055.2 Experimental system set-up.1055.2.1 Design on laser modulation and transmitting system.1055.2.2 Design on receiving system and signal processing unit.1085.2.3 Design on optical system.1095.3 Laser transmitting system test.Ill5.4 Laser receiving system test.1125.5 Overall system performance test.1145.5.1 Phase difference test between reference and measurement channels caused by-IX-哈尔滨工业大学工学博士学位论文components mismatch.1145.5.2 Distance measuring stability test.1175.5.3 Profbrmance of distance and velocity performance test.1205.6 Conculsion of the chapter.122Conclusions.124References.126Papers Published in the Period of Ph.D Education.138The Statement of Copyright.139The Letter of Authorization.139Acknowledgement.140Resume.141-x-第1章绪论第1章绪论1.1 课题研究的目的和意义由于激光测距具有高精度、高分辨力、探测距离远，抗干扰能力强、对光源相干性要求低等特点,机器人技术等领域。几百米到几十公里,用来测量圆柱直径、因此被广泛的应用于工业、航空航天、军事、大地大气探测和 不同的应川领域对测量范围和精度有不同的要求，测量范围从 相应的精度从数毫米至几十厘米。在工业领域中，激光测距可 物体表面粗糙度、薄板厚度、管道长度等。国外公司如瑞士彳来 卡、德国 HILTL 瑞士 Dimetix、德国 Acetech、美国 Bushnelk 加拿大 NEWCON 等均有成熟的产品，国内样机的研究始于20世纪80年代，由于起步较晚技术落后，相对来说国内的激光测距仪在测量精度及体积、重量、使用的方便程度等方面均逊 色于国外的激光测距仪，且生产激光测距仪的厂家较少。在测量精度和仪器的智能 化、小型化方面，尚不具备与国外同等产品相竞争的能力，出现了国外产品一枝独 秀的局面，在工业应川领域，国内激光测距仪与国外激光测距仪的明显差距使得该 课题的研究有十分重要的意义。在船舶、飞机制造等需要大尺寸测量（几十米至几百米）的领域，由于其测量 范围较大而且直线校准和装配的要求很高，往往需要mm级甚至更高精度的测量，要得到更高的装配精度以及提高生产量就需要高效的测量系统的帮助。如在飞机外 形测量中，国内外在飞机外形测绘上基本上采取两种传统的方法：样板采样法和打 点采样法。样板采样法是将层板或其他薄板按照飞机外形的框切面进行锯切、研磨,直至样板的曲线与飞机框切面的曲线相一致，那么该样板的曲线就是飞机的外形切 面曲线；打点采样法利川水平尺、直角尺分别测出某个框切而采样点的位置，在所 要的曲线垂直面里建立X-Y坐标系，分别将各个点的相对坐标测出来，对于曲率变 化比较大的地方多选一些测量点，对于曲率变化较缓慢的地方可以少选择一些测量 点，这些点的连线即为形成框切面的曲线川。可见，传统的测量方法费时费力，而 且由于飞机体积大、曲面复杂，传统的测量手段无论在测量准确度和效率上都无法 满足实际需要，尤其是一些对接点，其测量误差通常要控制在毫米或亚毫米级。2004 年，中国航空工业第一集团公司的韩清华等人提出了采川激光测距的方法测量飞机 外形的构想并获得了较好的测量效果，激光测距法在飞机外形测量中的应用如图-1-哈尔滨工业大学工学博士学位论文1-1所示，点的测量是通过将角耦棱镜置于待测点位置，再进行采样，而曲面的测 量是使川角耦合棱镜在目标表面均匀划过，将其空间运动轨迹来反映实际曲面。而 系统中，由于飞机体积较大，往往需要多个激光跟踪仪对其进行测量，再将多个坐 标系下测量得到的数据点转化到同一个坐标系下，然后通过计算得到飞机外形参 数。在得到飞机外形参数如机翼、机身、平尾等参数的基础上，还可以利川此数据 对飞机外形进行优化设计2叫 加快了飞机设计与制造的进程。图1-1激光测距法在测量飞机外形中的应用Fig.1-1 The application of laser range finding in measuring aircraft outline同样的，在某些大型试验设备、精密生产线安装等过程中，大尺寸的准确测量 是保证部件间进行装配的关键，如我国迄今最大的科学工程“上海光源”的同步辐射 光源装置中，主体包括lOOMeV长度为20m的直线加速器、3.5GeV周长为180m 的增强器和3.5GeV周长为432m的储存环以及沿环外侧分布的同步辐射光束线和 试验站。其元件的定位和准直的精度要求很高，其中3个高频腔、100多个束流位 置探测器、40块二极磁铁、200块四极磁铁、140块六极磁铁等，定位精度均要求 优于0.2mmM。要满足如此高的定位精度，没有高精度的距离测量时无法实现的。随着科学技术的发展，在很多领域中有了新的测距需求，激光测距越来越多的 应用于实时、动态的距离测量方面，如实时的表面测量、大型文物三维信息和表 面信息采集、三维地图构建以及大尺寸建筑的三维尺寸测量网等领域。在这些 领域中，测量范围大都在几十至几百米范围内，而测距精度要求通常要求在毫米或 亚毫米级，激光测距作为其系统组成主要部分，决定了系统测量范围和测量精度。-2-第1章绪论综上所述，在工业领域，对高精度大范围的距离测量提出了更高的要求，而相 位法激光测距以其大的测量范围和可达到mm级甚至更高的测量精度，具有满足大 型天线、大型锅炉、大型钢结构、汽车、船舶、飞机制造、大尺寸建筑的三维尺寸 测量等领域测量的潜力。在航空航天领域，常常需要对物体的外姿态进行测量。图1-2是屏幕光斑成像 法飞行器外姿态测量系统。系统通过在飞行器表面安装激光发射装置将目标的运动 姿态变化进行放大，利川多方位高速摄像机同时拍摄，记录下激光在固定屏幕上产 生的光斑位置变化，并对拍摄下来的光斑序列图像进行分析以确定飞行器的外部姿 态。系统包括合作目标（4个大功率激光器，每两个激光器分别在空间中共线，发出 呈X型的激光指示光束）、飞行器、相机以及固定屏幕（8mX 6m,两屏幕间距离14m）。为了准确获得飞行器的空间姿态，在该实验场地内，投影屏幕之间的距离以及投影 屏幕的粗糙度、相机之间以及相机与实验目标之间距离等参数的需要达到mm级的 或更高的测量精度口0-1”而相位法激光测距则可以很好的满足该空间目标外姿态测 量中需要距离测量的范围和相应的测量精度。图1-2屏幕光斑成像法飞行器外姿态测量系统Fig.1-2 Screen-spot imaging method system for aircraft exterior attitude measurement激光测距在航空航天中发挥着越来越重要的作川。如在空间交会对接过程中，交会对接包含着两个航天器相对位置以及相对姿态的连续测量过程，其中精确测量 和准确确定两个航天器之间的相对位置、速度是决定交会对接成功的关键因素。空 间交会对接系统基本构成如图1-3所示口叱-3-哈尔滨工业大学工学博士学位论文Fig.1-3空间交会对接系统基本构成Fig.1-3 Diagram of rendezvous and docking system对接机构相对测量传感器 组合追踪器目标器n系统中的相对测量传感器组合是用来测量和确定两个航天器之间的相对位置、速度和姿态的。在实际的空间交会对接中，当相对距离大于100m时，航天员可通 过机载微波交会雷达获得两航天器之间的相对位置，随着航天器的逼近，当相对距 离小于100m时，由于硬件的限制，微波雷达不能为最后逼近提供足够精度的测量 信息。在20世纪60年代美国首次在“双子座”号飞行任务当中验证了空间交会对 接技术，在此次任务中，由于交会雷达在两航天器相对距离在60m15m之间时无 法提供足够精度的距离信息，要依靠航天员的经验来完成相对距离以及相对速度的 判定。由于激光本身的波束窄、相干性好、工作频率高等优点，激光雷达能在交会 对接阶段直到对接的整个过程中(几十千米到几米的范围内)实施高精度的相对距 离、速度、角度等参数的测量，因而逐渐成为在空间交会对接的一种主要测量手段 14o在传统的交会对接系统中，在几十Km100m的范围内，测距误差3d要满足 拉K0.01D,其中，D是被测距离；轴向相对速度误差3V要满足bWO.lm/s。在100m 至0米范围内，当D5m时,要求bd5cm、5v5m时,要求3d0.01D、5v0.05m/s o俄罗斯自1985年开始运行的“联盟号飞船(Soyuz and Progress)中的 KURS系统使用S波段的微波雷达作为在交会对接中获得追踪航天器和目标航天器-4-第1章绪论之间相位位置和速度的方法，其测量范围大（lOKm至对接开始）而测量精度不高1；美国空间运输系统（Space Transportation System）则采川光学激光雷达获得更高精度 的距离、速度以及偏航角等参数而发展了轨道控制传感器（Testis；随着无人航天 器在轨自主交会和对接飞行演示获得成功，如1997年8月日本发射的的EST-VII卫 星和2007年3月发射成功的美国“轨道快车”等Ui”大规模发展无人自主交会对 接成为可能。在加拿大NEPTEC公司的TriDAR系统中，将脉冲法激光测距的大测 量范围和三角法激光测距的高距离分辨力的优点相结合，近距离采用激光三角法测 量系统，连续波激光能量为100nW,在1m内距离分辨力为0.3mm,在10m内距离 分辨力为12mm；在大于200m的距离中，采川脉冲法激光测距，红外脉冲激光峰 值能量为65W,距离分辨力为25mm皿。由于追踪航天器和目标航天器之间的距离 为几米至数百千米，且二者之间存在快速的相对运动，为了获得更准确的相对位置 和速度信息，激光测距和扫描传感器的设计仍具有挑战性，其中一些关键问题如如 何在整个交会对接过程中内达到理想的测距分辨力、横向分辨力以及足够高的测速 精度等仍亟待解决印。近年来，国内许多高校如电子科技大学、南京航空航天大学 等围绕着空间交会对接的理论和技术展开研究，但由于起步晚、基础薄弱且国外对 有关技术进行保密等客观因素，我国的交会对接技术与世界发达国家相比具有很大 差距。卫星编排飞行是近年来国内外学者研究的热点问题之一 21-23。通过小卫星编 队，使编队后卫星系统所发挥的功能远大于各个单颗小卫星的简单相加。它能在同 一时刻对同一目标实现立体探测，并能提供大的孔径和长测量基线，在通信、遥感、导航、电子侦查、立体成像、精确定位大气天文和地球物理观测等领域都有非常重 要的意义24-27。1998年，美国空军研究室（AFRL）提出“21世纪技术星”（TechSat21）计划，为了实现TechSat21的演示任务，美国AeroAstro公司开发了星型测距器（Star Ranger）,该系统可实现通