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

【摘要】：相比干涉法測距和頻率調(diào)制連續(xù)波測距法,相位法測量距離遠;相比脈沖法,測距精度高。四象限探測器能夠?qū)崿F(xiàn)距離和相對位置的測量,具有體積小、質(zhì)量輕、探測分辨高等特點,特別是四象限APD(Avanlance Photodiode,雪崩光電二極管)的內(nèi)增益高、噪聲小適合中遠距離測距和測角�；谙辔环y距和四象限測角,本文設(shè)計了一套基于四象限探測器的相位式激光雷達系統(tǒng),并分別對測距和測角的若干關(guān)鍵技術(shù)做相應(yīng)研究。測距是系統(tǒng)的一個重要功能,本文對若干影響測距精度的技術(shù)進行了研究。鑒相算法是影響測距精度的重要因素。針對相位式激光測距中最常用的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)具有四路測量信號,如何從四路測量信號中提取高精度距離具有重要的研究價值。通過分析對比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,并驗證該算法的優(yōu)越性。溫度是影響相位法測距精度的另一個重要因素。關(guān)于溫度對相位法測距精度的影響國內(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),研究了溫度對相位法測距精度的影響。通過實驗得出選擇低溫度系數(shù)的電阻電容能夠提高相位法測距精度。測角是系統(tǒng)的另一個重要功能,本文對測角的若干關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。本文對測角過程做了合理的簡化,在簡化模型的基礎(chǔ)上推導并驗證了基于FFT四路信號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精度直接決定測角精度,而四象限測角算法是影響方位角和俯仰角估計精度的重要因素。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角算法。通過實驗仿真得出,相同插值點數(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獲取的幅度信息對測角精度的影響,建立了脫靶量精度估計模型。通過理論推導和仿真得出,提高輸入信噪比、選擇矩形窗、減小頻率偏移量及增加FFT運算長度均能提高脫靶量估計精度。為驗證該系統(tǒng)可行性,搭建了實驗系統(tǒng)的平臺。為了考查各個模塊對測距精度的影響,分別對數(shù)字系統(tǒng)、模擬電路板及整個系統(tǒng)做了相應(yīng)的實驗。在數(shù)字系統(tǒng)實驗中,得出該部分的測距誤差的標準差小于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量通道差異性實驗中,得出了該部分的測距誤差標準差為1.5mm,100次平均后標準差為0.2mm。在整個系統(tǒng)測試中,針對高頻測尺和低頻測尺做了測距實驗。在高頻信號實驗中,測距誤差標準差為1cm,100次平均后為0.8cm。在低頻信號實驗中,得到100次平均后的峰峰值誤差為3m,滿足多頻測尺的銜接條件。為考查脫靶量的穩(wěn)定性,做了脫靶量測試實驗。實驗結(jié)果顯示,在X軸上的歸一化脫靶量的標準差為0.003,在Y軸上的歸一化脫靶量標準差為0.001。
【關(guān)鍵詞】：相位法激光測距 四象限測角 雙頻調(diào)制 FFT鑒相算法
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（光電技術(shù)研究所）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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 國外發(fā)展現(xiàn)狀20-25
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀25-29
• 1.2.3 激光測距儀應(yīng)用現(xiàn)狀29
• 1.3 四象限測角算法研究現(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 相位法測距原理32-35
• 2.2.1 單頻測尺測距原理32-34
• 2.2.2 多頻測尺測距原理34-35
• 2.3 四象測角原理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 各象限輸出信號和脫靶量之間的關(guān)系37-39
• 2.4 基于四象限探測器的相位式激光雷達系統(tǒng)框架39-44
• 2.4.1 系統(tǒng)介紹39
• 2.4.2 系統(tǒng)測量原理39-44
• 2.5 本章小結(jié)44-45
• 3 測距技術(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 實驗仿真61-66
• 3.3 基于四象限的距離提取算法研究66-73
• 3.3.1 測量信號的數(shù)學模型66-67
• 3.3.2 算法及其誤差模型67-70
• 3.3.3 實驗仿真70-73
• 3.4 電阻電容溫度特性對測距精度的影響73-78
• 3.4.1 電容電阻變化對相移的影響73-75
• 3.4.2 實驗75-78
• 3.5 本章小結(jié)78-80
• 4 基于四象限探測器的測角技術(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 實驗仿真86-88
• 4.3 四象限測角算法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角算法94-97
• 4.4 測角精度分析97-101
• 4.4.1 基于FFT鑒幅的脫靶量估計誤差模型97-99
• 4.4.2 實驗仿真99-101
• 4.5 本章小結(jié)101-102
• 5 實驗平臺設(shè)計及分析102-118
• 5.1 引言102
• 5.2 系統(tǒng)平臺設(shè)計102-113
• 5.2.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計102-103
• 5.2.2 硬件設(shè)計103-110
• 5.2.3 軟件設(shè)計110-113
• 5.3 實驗及誤差測試113-117
• 5.3.1 數(shù)字系統(tǒng)誤差測量113-114
• 5.3.2 無光路時系統(tǒng)測試實驗114-115
• 5.3.3 系統(tǒng)測距整體實驗115-116
• 5.3.4 脫靶量實驗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119-120
• 6.3 展望120-121
• 參考文獻121-128
• 作者簡介及在學期間發(fā)表的學術(shù)論文與研究成果12

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