本文關(guān)鍵詞：測(cè)角相位式激光雷達(dá)若干關(guān)鍵技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：相比干涉法測(cè)距和頻率調(diào)制連續(xù)波測(cè)距法,相位法測(cè)量距離遠(yuǎn);相比脈沖法,測(cè)距精度高。四象限探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)距離和相對(duì)位置的測(cè)量,具有體積小、質(zhì)量輕、探測(cè)分辨高等特點(diǎn),特別是四象限APD(Avanlance Photodiode,雪崩光電二極管)的內(nèi)增益高、噪聲小適合中遠(yuǎn)距離測(cè)距和測(cè)角�；谙辔环y(cè)距和四象限測(cè)角,本文設(shè)計(jì)了一套基于四象限探測(cè)器的相位式激光雷達(dá)系統(tǒng),并分別對(duì)測(cè)距和測(cè)角的若干關(guān)鍵技術(shù)做相應(yīng)研究。測(cè)距是系統(tǒng)的一個(gè)重要功能,本文對(duì)若干影響測(cè)距精度的技術(shù)進(jìn)行了研究。鑒相算法是影響測(cè)距精度的重要因素。針對(duì)相位式激光測(cè)距中最常用的FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里葉變換)鑒相方法和ap FFT(All Phase Fast Fourier Transform,全相位快速傅里葉變換)鑒相方法,本文通過(guò)綜合比較鑒相精度和輸出幅度信噪比,選取FFT作為系統(tǒng)的鑒相算法。系統(tǒng)具有四路測(cè)量信號(hào),如何從四路測(cè)量信號(hào)中提取高精度距離具有重要的研究?jī)r(jià)值。通過(guò)分析對(duì)比Atan_Mean算法、Mean_Atan算法及Max算法,本文提出一種基于Mean_Atan和Max的優(yōu)化算法,并驗(yàn)證該算法的優(yōu)越性。溫度是影響相位法測(cè)距精度的另一個(gè)重要因素。關(guān)于溫度對(duì)相位法測(cè)距精度的影響國(guó)內(nèi)外做了一些相關(guān)研究。本文從電阻電容的溫度特性出發(fā),研究了溫度對(duì)相位法測(cè)距精度的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出選擇低溫度系數(shù)的電阻電容能夠提高相位法測(cè)距精度。測(cè)角是系統(tǒng)的另一個(gè)重要功能,本文對(duì)測(cè)角的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。本文對(duì)測(cè)角過(guò)程做了合理的簡(jiǎn)化,在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上推導(dǎo)并驗(yàn)證了基于FFT四路信號(hào)幅度求取脫靶量的可行性和正確性。方位角和俯仰角的估計(jì)精度直接決定測(cè)角精度,而四象限測(cè)角算法是影響方位角和俯仰角估計(jì)精度的重要因素。本文在傳統(tǒng)等間距插值法的基礎(chǔ)上,分析特性曲線,提出基于特性曲線分析插值法的四象限測(cè)角算法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真得出,相同插值點(diǎn)數(shù)條件下,該算法得到的最大方位角和俯仰角誤差比等間距插值法小。為分析基于FFT獲取的幅度信息對(duì)測(cè)角精度的影響,建立了脫靶量精度估計(jì)模型。通過(guò)理論推導(dǎo)和仿真得出,提高輸入信噪比、選擇矩形窗、減小頻率偏移量及增加FFT運(yùn)算長(zhǎng)度均能提高脫靶量估計(jì)精度。為驗(yàn)證該系統(tǒng)可行性,搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的平臺(tái)。為了考查各個(gè)模塊對(duì)測(cè)距精度的影響,分別對(duì)數(shù)字系統(tǒng)、模擬電路板及整個(gè)系統(tǒng)做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。在數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中,得出該部分的測(cè)距誤差的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.7mm,100次平均后小于0.07mm,相比其他部分可以忽略。在模擬電路板的參考通道和測(cè)量通道差異性實(shí)驗(yàn)中,得出了該部分的測(cè)距誤差標(biāo)準(zhǔn)差為1.5mm,100次平均后標(biāo)準(zhǔn)差為0.2mm。在整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試中,針對(duì)高頻測(cè)尺和低頻測(cè)尺做了測(cè)距實(shí)驗(yàn)。在高頻信號(hào)實(shí)驗(yàn)中,測(cè)距誤差標(biāo)準(zhǔn)差為1cm,100次平均后為0.8cm。在低頻信號(hào)實(shí)驗(yàn)中,得到100次平均后的峰峰值誤差為3m,滿足多頻測(cè)尺的銜接條件。為考查脫靶量的穩(wěn)定性,做了脫靶量測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在X軸上的歸一化脫靶量的標(biāo)準(zhǔn)差為0.003,在Y軸上的歸一化脫靶量標(biāo)準(zhǔn)差為0.001。
【關(guān)鍵詞】：相位法激光測(cè)距 四象限測(cè)角 雙頻調(diào)制 FFT鑒相算法
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN958.98
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 1 緒論13-32
• 1.1 課題目的及意義13-20
• 1.2 相位法研究現(xiàn)狀20-29
• 1.2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀20-25
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀25-29
• 1.2.3 激光測(cè)距儀應(yīng)用現(xiàn)狀29
• 1.3 四象限測(cè)角算法研究現(xiàn)狀29-30
• 1.4 本文章節(jié)安排30-32
• 2 系統(tǒng)基本原理及框架32-45
• 2.1 引言32
• 2.2 相位法測(cè)距原理32-35
• 2.2.1 單頻測(cè)尺測(cè)距原理32-34
• 2.2.2 多頻測(cè)尺測(cè)距原理34-35
• 2.3 四象測(cè)角原理35-39
• 2.3.1 光斑在各象限的面積值與脫靶量之間的關(guān)系36
• 2.3.2 脫靶量和方位角、俯仰角之間的關(guān)系36-37
• 2.3.3 各象限信號(hào)幅度和其光斑面積之間的關(guān)系37
• 2.3.4 各象限輸出信號(hào)和脫靶量之間的關(guān)系37-39
• 2.4 基于四象限探測(cè)器的相位式激光雷達(dá)系統(tǒng)框架39-44
• 2.4.1 系統(tǒng)介紹39
• 2.4.2 系統(tǒng)測(cè)量原理39-44
• 2.5 本章小結(jié)44-45
• 3 測(cè)距技術(shù)研究45-80
• 3.1 引言45
• 3.2 鑒相算法45-66
• 3.2.1 數(shù)字處理鑒相算法45-52
• 3.2.2 高斯白噪聲條件下的基于FFT算法和APFFT算法比較52-61
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)仿真61-66
• 3.3 基于四象限的距離提取算法研究66-73
• 3.3.1 測(cè)量信號(hào)的數(shù)學(xué)模型66-67
• 3.3.2 算法及其誤差模型67-70
• 3.3.3 實(shí)驗(yàn)仿真70-73
• 3.4 電阻電容溫度特性對(duì)測(cè)距精度的影響73-78
• 3.4.1 電容電阻變化對(duì)相移的影響73-75
• 3.4.2 實(shí)驗(yàn)75-78
• 3.5 本章小結(jié)78-80
• 4 基于四象限探測(cè)器的測(cè)角技術(shù)研究80-102
• 4.1 引言80
• 4.2 基于FFT鑒幅的四象限測(cè)角原理證明80-88
• 4.2.1 近似條件80-82
• 4.2.2 理論證明82-86
• 4.2.3 實(shí)驗(yàn)仿真86-88
• 4.3 四象限測(cè)角算法88-97
• 4.3.1 常用算法介紹88-94
• 4.3.2 基于曲線特征分析的插值法的四象限測(cè)角算法94-97
• 4.4 測(cè)角精度分析97-101
• 4.4.1 基于FFT鑒幅的脫靶量估計(jì)誤差模型97-99
• 4.4.2 實(shí)驗(yàn)仿真99-101
• 4.5 本章小結(jié)101-102
• 5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及分析102-118
• 5.1 引言102
• 5.2 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)102-113
• 5.2.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)102-103
• 5.2.2 硬件設(shè)計(jì)103-110
• 5.2.3 軟件設(shè)計(jì)110-113
• 5.3 實(shí)驗(yàn)及誤差測(cè)試113-117
• 5.3.1 數(shù)字系統(tǒng)誤差測(cè)量113-114
• 5.3.2 無(wú)光路時(shí)系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)114-115
• 5.3.3 系統(tǒng)測(cè)距整體實(shí)驗(yàn)115-116
• 5.3.4 脫靶量實(shí)驗(yàn)116-117
• 5.4 本章小結(jié)117-118
• 6 總結(jié)與展望118-121
• 6.1 課題主要工作118-119
• 6.2 主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)119-120
• 6.3 展望120-121
• 參考文獻(xiàn)121-128
• 作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果12

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