电磁波测距中多辅频内积检相技术的仿真研究

　　1　引　言

　　在目前的军用激光测距系统中,脉冲测距以其测程远、精度高、实时性好、使用方便(不需合作目标)而得到了广泛应用。与其相比,相位测距系统随着近几年激光器技术的发展引起了人们的关注,尤其是民用领域。而数字式激光相位测距仪,更因其优异的性能而在测量领域得到了广泛的应用。数字式激光相位测距仪,利用固定频率的高频正弦信号,连续调制光源的发光强度来进行测距。利用光速来测量距离时,要求测量范围大、测距精度高,但是由于光的速度极快,因而要求精确测量极短的时间间隔。当采用相位激光测距法单一频率测距时,激光频率高测距的精度也高,但是测量的范围小,而且实现起来比较复杂;频率低时测量的范围大但精度低,往往不能同时达到高精度,大范围的测量要求。目前一般采用添加多个辅助频率的方式来解决这个问题,但是实时性较差。现提出用多辅频结合内积检相的方法进行测距,不仅提高了测量精度,扩大了测量范围,并且大大地提高了其测量的实时性。

　　2　原　理

　　相位式激光测距是通过测量调制的激光信号,在待测距离D上往返传播所形成的相移Δ,间接测出激光在测量点与目标间的往返时间t,根据光速,求出待测距离D。

　　图1是相位测距的原理图[1]。其中D可以看作是测量点与目标的往返距离,A为发射点,B为接收点,Φ是A、B两点间电信号的相位差。距离和相位间的关系是:

　　其中ΔΦ为不足一周期的相位值,f为调制频率,N为正整数。

　　式中c是光速,f是激光调制频率,测定光波往返过程中的整周期及不足一个周期的正弦函数的相位,就可以确定光波的往返时间的间隔,进而计算出距离。

　　令,作为测尺长度,则由(1)、(2)式可得

　　其中N是光波全行程中的整周期数。由(3)式可知,用单一的频率测距时无法确定N的值,即测距仪存在多值性问题。解决多值性问题,采用在测距仪内设若干个辅助的调制频率的方法。主要有两种方案:一是对于中长程测距仪,采用集中的间接测尺频率方式,一般设定3个～5个辅助频率;二是对于短程测距仪,采用分散的直接测尺频率方式,设定精测和粗测两个调制频率,一般精频为15MHz,测尺长为10m,粗频为150kHz,测尺长为1000m[2]。

　　采用单一频率测距时,测距精度为:

　　由上式可知:提高测距精度,就是要提高调制频率f,这又会使得测量的范围减小。在单一主频率测距的基础上,添加多辅助频率[3]并结合向量内积检相[4]的方法来进行测距,能解决这个问题。