相位法激光測(cè)距的誤差修正

相位法激光測(cè)距的誤差修正

相法激光測(cè)距是利用接收光強(qiáng)相位差中含光強(qiáng)的相位差對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)距離信息來(lái)測(cè)量測(cè)量對(duì)象之間的距離。由于采用調(diào)制和差頻測(cè)相技術(shù),具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn),廣泛用于有合作目標(biāo)的精密測(cè)距場(chǎng)合。本文提出了用兩個(gè)頻率進(jìn)行相位激光測(cè)距的方法及其誤差修正方法,不僅提高了測(cè)量精度,同時(shí)也擴(kuò)大了測(cè)量范圍,對(duì)激光測(cè)距儀的開(kāi)發(fā)與研制有一定的指導(dǎo)作用。1ab間傳播時(shí)間的測(cè)量光以速度c在大氣中傳播,在A、B兩點(diǎn)間往返一次所需時(shí)間與距離的關(guān)系可表示為:式中D─—待測(cè)兩點(diǎn)A、B間的直線(xiàn)距離c─—光在大氣中傳播的速度t─—光往返A(chǔ)B一次所需時(shí)間由上式可知,距離測(cè)量實(shí)質(zhì)是對(duì)光在AB間傳播時(shí)間的測(cè)量。由于對(duì)時(shí)間測(cè)量不夠精確,所以將對(duì)時(shí)間的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)相位差的測(cè)量。相位差的測(cè)量可以達(dá)到很高的精度,故而距離的測(cè)量也就達(dá)到了很高的精度。設(shè)頻率為f的調(diào)制波,在待測(cè)距離AB上往返時(shí)間為t2D,其相位為?,圖1為其波形展開(kāi)圖。設(shè)在起始時(shí)刻1t發(fā)射的調(diào)制光光強(qiáng)為:接收時(shí)刻調(diào)制光的強(qiáng)度為:則接收與發(fā)射時(shí)刻的相位差為:代入可得測(cè)距方程:N─—整波數(shù)ΔN─—不足整波數(shù)的尾數(shù)2材料的測(cè)距方案由測(cè)距方程可知距離是相位差Δ?的周期變化的多值函數(shù),單值區(qū)間為[0,π],相應(yīng)一個(gè)尺長(zhǎng)。D隨Δ?呈線(xiàn)形變化,每經(jīng)一個(gè)尺長(zhǎng)的距離或2π相位差,發(fā)生一次躍變。所以如遇到測(cè)程長(zhǎng)超過(guò)尺長(zhǎng),就要產(chǎn)生距離模糊。解決這一問(wèn)題的辦法之一是選擇調(diào)制波長(zhǎng),使Ls稍大于最大測(cè)程就行了,這就是所謂一把尺的設(shè)計(jì)。對(duì)于一臺(tái)儀器來(lái)說(shuō),相位計(jì)的測(cè)相精度是一定的,如10-4,那么測(cè)尺越長(zhǎng),誤差就越大,如為1km,在測(cè)相精度為1/1000的情況下,精度僅為lm,就失去相位測(cè)距精度高的優(yōu)點(diǎn)。所以一把測(cè)尺很難同時(shí)滿(mǎn)足測(cè)距精度和測(cè)程的要求,所以在測(cè)距儀上,往往要設(shè)置一組測(cè)尺。為此再增加一個(gè)測(cè)長(zhǎng)Ls’即用雙尺的相位測(cè)距方案,用調(diào)制頻率較低,尺長(zhǎng)稍大于測(cè)程的粗尺Ls和一把調(diào)制頻率較高的精尺Ls’。頻率與測(cè)尺長(zhǎng)的關(guān)系如表1所示:3各測(cè)尺的測(cè)量值總帶誤差如某臺(tái)儀器有兩把測(cè)尺,精尺長(zhǎng)10m,粗尺長(zhǎng)1000m,現(xiàn)各測(cè)得距離值為:顯示距離值是取粗測(cè)的百米、十米位與精測(cè)的米位及小數(shù)位組合而成。但是由于儀器本身存在各種誤差,以及外界條件的影響,使得各測(cè)尺的測(cè)量值總帶有誤差,會(huì)造成距離銜接上的錯(cuò)誤。a)米位數(shù)值很大,而粗測(cè)米位又是偏大的正誤差b)米位數(shù)值很小,而粗測(cè)米位又是偏小的負(fù)誤差為了防止粗差,可以用以下的“置中運(yùn)算法”和“比較試探法”來(lái)有效地處理測(cè)尺銜接的問(wèn)題。3.1有條件誤差的情況下,責(zé)所謂置中運(yùn)算法,也稱(chēng)“湊5”運(yùn)算法。就是以精測(cè)的高位(如10m測(cè)尺的米位)作為對(duì)粗測(cè)米位進(jìn)行處理的依據(jù)。米位不同的數(shù)值的調(diào)整數(shù)列于表2。如上例中,精測(cè)為:9.958m,精測(cè)米位為9是正確的,所以粗測(cè)米位的正確值應(yīng)為9,則實(shí)測(cè)粗測(cè)為270.0m,若直接用精粗測(cè)值組合,則得到的距離值有粗差。若根據(jù)精測(cè)米位的9,對(duì)粗測(cè)值作減4運(yùn)算(稱(chēng)為置中運(yùn)算,這里的4稱(chēng)為調(diào)整數(shù))則得270.0m-4m=266.0m。然后用調(diào)整后的粗測(cè)值和精測(cè)值組合,就能保得證得到正確的距離值如下:置中運(yùn)算的實(shí)質(zhì)是以不含誤差的精測(cè)米位為準(zhǔn),對(duì)粗測(cè)值加減相應(yīng)的調(diào)整數(shù),將粗測(cè)值應(yīng)有的米位調(diào)整到“5”,這時(shí),即使粗測(cè)有±4m的誤差,也不會(huì)產(chǎn)生距離粗差。如上例的粗測(cè)值應(yīng)為269.9m,如不經(jīng)過(guò)置中運(yùn)算,只要有±0.1m的誤差,就將產(chǎn)生粗差,如經(jīng)過(guò)了置中運(yùn)算,即269.9m-4m=262.9m,這時(shí),即使有+4m的誤差(265.9m+4m=269.9m),也不會(huì)產(chǎn)生粗差。這說(shuō)明,經(jīng)過(guò)置中運(yùn)算,粗測(cè)允許誤差可達(dá)±4m。如儀器有多把測(cè)尺則以相鄰測(cè)尺中較短測(cè)尺測(cè)量結(jié)果的最高位來(lái)控制較長(zhǎng)測(cè)尺測(cè)量結(jié)果的相應(yīng)位數(shù)作加減運(yùn)算,保證較長(zhǎng)測(cè)尺的理想值為中值“5”,從而保證測(cè)距的正確性。3.2粗測(cè)值與精測(cè)值的關(guān)系比較試探法是先在精測(cè)最高位(如米位)所對(duì)應(yīng)的粗測(cè)同位數(shù)值上“加5”或“減5”,使之成為具有單方向誤差的距離值,然后將此距離值逐次遞減或遞加某一數(shù),并逐次與精測(cè)最高位數(shù)值比較,直到精測(cè)最高位和粗測(cè)同位相等為止。這時(shí),取粗測(cè)的高于精測(cè)最位的數(shù)值,與精測(cè)值結(jié)合,就成為正確的距離值。例如用測(cè)距儀測(cè)量距離為219.216m的測(cè)線(xiàn),精尺測(cè)量結(jié)果為9.215m,粗尺測(cè)量結(jié)果為220m。將粗測(cè)結(jié)果的米位加5得225m,然后每次減0.8m,直至米位與精測(cè)最高位相等時(shí)為止,于是取處理后的粗測(cè)的百米、十米位與精測(cè)組合,即為結(jié)果距離值219.215m,見(jiàn)表3。其處理過(guò)程雖然要進(jìn)行多次減法及比較運(yùn)算,但由于這些都是由測(cè)距儀的微處理機(jī)自動(dòng)進(jìn)行,所以運(yùn)算很快,且不會(huì)出錯(cuò)。5激光測(cè)距儀的開(kāi)發(fā)與研制通過(guò)前面的理論分析和推導(dǎo)可以看出,用兩個(gè)頻率進(jìn)行相位激光測(cè)距可以提高測(cè)距精度,而且同時(shí)能夠擴(kuò)大測(cè)量的范圍,解決了單一頻率測(cè)量時(shí)的矛盾,能同時(shí)達(dá)到測(cè)距時(shí)高精度,大范圍的工程應(yīng)用的要求,文中給出了測(cè)距公式和誤差修正方法,對(duì)激光測(cè)距儀的開(kāi)發(fā)與研制有一定的指導(dǎo)作用。時(shí)間差為:式中(即sL)─—測(cè)尺長(zhǎng)度精測(cè)(用10m測(cè)尺)5.524m粗測(cè)(用1000m測(cè)尺)866.6m顯示距離865.524m精測(cè)(用10m測(cè)尺)9.958m粗測(cè)(用1000m測(cè)尺)270.0m顯