相位式激光測距儀是用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調制并測定調制光往返測線一次所產生的相位延遲，再根據調制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測定出光經往返測線所需的時間。相位式激光測距儀一般應用在精密測距中。由于其精度高，一般為毫米級，為了有效的反射信號，并使測定的目標限制在與儀器精度相稱的某一特定點上，對這種測距儀都配置了被稱為合作目標的反射鏡。

模擬測相原理圖

如果這時候遇到一堵墻或者一面鏡子，光路沿原路返回，情況如下：

其中藍色是發射光，紅色是反射光，從圖中可以很清楚的看到，當發射光遇到了墻之后發生發射，其反射的波形實際上是沒有遇到墻之后波形的鏡像，因此其相位差的大小與光速沒有關系，而和發射光在何時遇到障礙物有關。
設發射器與反射處的距離為x，激光速度為c往返他們之間所用的時間為t。設調劑波頻率為ｆ，從發射到接收間的相位差為φ
只要測出φ，根據
φ= 2πft（f是調制波的頻率）
t=2x/c
φ = 4πfx/c = 2πN+Δφ 其中Ｎ為完整周期波的個數，Δφ為不足周期的余相位。
x =φc/4πf = c/2f[(2πN+Δφ)/2π] = c/2f(N+ΔN)
Ｎ為整尺數，ΔＮ為余尺。
可以通過測定2π的尾數Δφ。根據測得的相位移大小，可知道余尺ΔＮ＝Δφ/2π的大小，但是目前任何測量相位的方法都不能測出整數個2π周期N的值。
如何確定N？
多尺測量方法確定N
因為N值不能確定，因此x= c/2f(N+ΔN)會產生多個解，所以距離X就不能確定。解決此問題的辦法是可以選用一個較低的測尺頻率，測尺長度L1大于測量距離x,這種情況下不會出現距離多解值。但是會導致測距誤差，并且測尺L1越大，誤差越大。
如何避免此類誤差？
為了得到較高的測距精度，可以選用一個較高的測尺頻率，測尺長度L2小于測量距離x，系統的單值測定距離就相應變小了。
既要長測程又要高精度，一般解決的辦法是：待測距離x大于基本測尺L2（精測測尺），再使用一個或者幾個輔助測尺L1（粗測測尺），然后將各個測尺測的距離組合起來得到單一的距離信息。 比如測距離2.056米，用10米的測尺L1測得不足10米的尾尺2米，再用0.1米的測尺L2測得不足0.1米的尾數0.056米， 2+0.056=2.056米。這樣就解決了大量程和高精度的矛盾。
L=c/2f
其中最長測尺決定了測距量程，最短測尺決定了測距精度。理論上最長測尺就是量程，但是因為硬件條件方面的限制，測程到達不了最長測尺的長度。
如果用10米作為精尺，1000米作為粗尺，則精尺頻率：f2 = c/2L2 = 15 MHZ,粗尺頻率：f1= c/2L1 = 150 KHZ。
選尺特點：所選短尺測量范圍必須大于上一尺的誤差范圍。ex : 選取三把尺子測量距離。分別為長、中、短三尺。假設長尺測量距離為100米。誤差為2米左右。則選擇中尺的可測量距離必須要大于2米，設中尺誤差為0.1米，則選擇短尺測量范圍必須大于0.1米。如果需要測量更高精度，則需要繼續添加更短的精尺測量。但是選尺必須按照選尺特點選擇。
只能算出大概數值，實際上光速要小于3*10^8 m/s,而且c還和實際大氣情況有關，比如礦井溫濕度，氣體成分，風速等。因此這些頻率需要進一步調整，具體做法是現場標定。
總結:相位式激光測距 , 為了提高測量精度 , 通常需要把激光調制頻率提高到幾
十兆甚至幾百兆； 為了增大量程 , 通常把激光調制頻率降低到幾兆甚至更低 ; 為了提高測量相位的精度 , 通常把發射信號和回波信號與本振混頻進行移相和鑒相測相。如要同時實現高精度和大量程 , 則需要多組激光調制頻率 , 且隨著測量精度的提高 , 調制頻率會不斷的提高 , 這些對電路性能要求會越來越高 , 電路的復雜度也會隨之增大 , 各個信號之間的串擾會隨之嚴重。

范圍和精度
相位式激光測距，一般精度是毫米級的，國外的做的好的，精度可以做到1MM，比如萊卡，博世，喜利得，福祿克，國內目前做的稍微差一點，距離一般在100M以內，精度在2到3個毫米，比如常州瑞得，南京大友，成都捷測，深圳威睿晶科。
混頻原理
模擬相乘混頻器
混頻是將一個信號頻率從一個量值變成另一個量值的過程。

模擬相乘混頻器
設輸入信號分別為Us=Um1 cos(ω1t +φ1) UL=Um2 cos(ω2t +φ2),經過模擬相乘乘法器以后得到：U= 1/2KMUm1 Um2cos[(ω1+ω2)t +φ1 +φ2]+ 1/2KMUm1 Um2cos[(ω1-ω2)t +φ1 -φ2]。
由上式可以看出，經過模擬乘法器將兩個信號相乘，就實現了兩個信號的差頻與和頻，其中KM為增益系數，通過帶通濾波器或者低通濾波器后就可以得到差分輸出：
U=1/2KMUm1 Um2cos[(ω1-ω2)t +φ1 -φ2]。
混頻使用
精尺頻率15MHZ的正弦信號是中高頻信號，對其進行測量是很困難的，這樣就要求對信號波形做一定的變化，在保證相位不變的情況下降低信號頻率。使模數轉換器（ADC）采樣更容易。
在相位式測距系統中，由DDS發出調制信號和APD接受到回波信號分別為U1,U2。
U1=cos(ωt +φ1)
U2=cos(ωt +φ2)
其中 ω=2πf，f是精尺頻率，其值為15MHZ，此時兩路信號的相位差是φ1-φ2。另外一個DDS發出本振信號 U3= cos(ω1t +φ3)，ω1=2πf1，f1是本振頻率，值為14.985MHZ，
將調制U1與本振U3混頻，U1*U3=1/2 cos[(ω+ω1)t +φ1+φ3)+ 1/2 cos[(ω-ω1)t +φ1-φ3)
使用低通濾波器保留其低頻（15KHZ）的正弦信號，得到：
Us= cos[(ω-ω1)t +φ1-φ3)
同樣方法得回波信號U2與本振信號U3混頻后的信號
UL= cos[(ω-ω1)t +φ2-φ3)
由此可以看出Us與UL的 相位差 φ=（φ1-φ3）-（φ2-φ3）=φ1-φ2
由此可見，混頻前后相位差不變，信號頻率降低到了15KHZ。
同理可得，對于粗尺頻率150KHZ,引入本振頻率為135KHZ，經過上述方法，同樣可以在相位差不變的情況下，將信號頻率降低至15KHZ。

差頻測相原理

相位式激光測距的測量精度主要取決于測相精度。基于信號頻譜鑒別相位的方法，需要對采樣信號進行數字信號處理。需要將回波信號這樣的模擬量轉換為數字量，采樣過程需要遵循一定的條件，系統中采用模數轉換（ADC）實現，采樣過后的數據進行快速傅里葉變換（FFT）算法。
采樣定理
A/D轉換是相位法測距的主要組成部分，是整個數字化處理的基礎，從模擬的連續時域信號到離散的數字信號，應該遵循一定的原則。這就是數字信號處理領域著名的采樣定理。
Nyquist采樣定理
Nyquist采樣定理是針對基帶信號而言，又稱為低通采樣定理。
原理：如果以不低于信號最高頻率的兩倍采樣速率對帶寬信號進行采樣，那么所得到的離散采樣值就能準確的確定原信號。該定理的用意在于，時間上連續的模擬信號可以用時間上離散采樣值來取代。為模擬量的數字化處理提供了理論依據。
設有一個頻率帶限信號X（t）,其頻帶限制在(0,fH)內，如果以不小于兩倍fs=2 fH的采樣頻率對X（t）進行等間隔采樣，得到離散的采樣信號X(n)=X(nTs)，其中Ts=1/fs,是采樣間隔，則原有信號X（t）將被得到采樣值X(n)完全的確定，采樣之后，信號頻譜周期化。變成原來信號移頻后的多個譜疊加。

帶限信號X（t）的頻譜

X（t）采樣后的信號頻譜
Xs(w)包含X(w)的頻譜，虛框部分只要滿足fs>=2 fH或者Ws>=2 WH，則虛框部分不會與其他部分相混疊，這時候這需要一個帶寬大于等于2 WH的低通濾波器，就能濾出原來的信號X（t）。
帶通信號采樣定理
帶通信號采樣定理也叫帶通采樣定理，欠采樣定理，中頻采樣定理。
用帶通信號采樣定理原因：Nyquist采樣定理只討論頻譜發布在(0,fH)上的基帶信號采樣問題，如果基帶信號的頻率分布在某一個有限的頻帶上(fL,fH)上時，也需要遵循一定的采樣規則，當fH >>B=fH- fL時，也就是當信號的最高頻率遠遠大于其信號帶寬頻率B時，如果按照Nyquist采樣率來采樣的話，其采樣率會很高，很難實現，或者處理速度滿足不了要求。這樣可以按照帶通采樣定理來采樣。
帶通信號采樣定理
設有一個頻率帶限信號X（t）,其頻帶限制在(fL,fH)內，如果采樣率滿足fs=2 （fH +fL）/2n+1， n取滿足fs>=2 （fH -fL）的最大正整數（0、1、2、3 ……），fs進行等間隔采樣所得到的信號采樣值X(nTs)能準確2確定原有信號X（t）。將被得到采樣值X(n)完全的確定，采樣之后，信號頻譜周期化。變成原來信號移頻后的多個譜疊加。
fs=4f0/2n+1
f0是中頻信號 f0=（fH +fL）/2，n取滿足fs>=2 B的最大正整數（0、1、2、3 ……）。當f0=fH /2，B=fH時，n取0時，fs=4f0/2n+1 就是Nyquist采樣定理。滿足fs=2 fH。為了確定頻帶寬度B,為了能用最低采樣速率即兩倍頻帶寬度的速率(fs=2 B)對帶通信號進行采樣，帶通信號的中心頻率必須滿足f0=(2n+1/2)B或者fH +fL=(2n+1)B。就是說信號最低和最高頻率相加的帶寬的整數倍。

采樣前

采樣后
帶通采樣定理使用的條件是只允許在一個頻帶上存在信號，但是不允許在許多不同頻帶上同時存在信號。這樣會引起混疊，但實際情況上是在多個帶頻上都有信號，為解決這個問題，應該在采樣前先將信號通過帶通濾波器，也叫抗混疊濾波。

離散傅里葉公式：F(k) = ∑(N-1 n=0) x(n)* e^-j (2πkn)/N k=0,1…,N-1 。 其中F(k)是得到的傅里葉頻譜函數 x(n)是原波形函數。
采樣頻率至少應該是原波形頻率的2倍， ex：原波形為10KHZ ，采樣率>=20khz
采樣點數必須是一個完整周期，ex：原波形為10KHZ ，采樣率=100khz 則采集一個周期需要10個點。那么只能設定10，20，……….10x個點。
所采集的數據放在OriginalBuf數組里面。根據n的不同只需要用指針去指向數組中對應n的值即可。N是采集點的總個數。K=信號頻率/采樣分辨率 采樣分辨率=采樣頻率（Fs）/采點個數。為了周期完整性，也就是能正確的采集到完整周期波形，所以采樣頻率必須是信號頻率的整數倍。就是說假設一個周期采四個點，那么采點數必須是四的整數倍。
根據歐拉公式 e^ix =cos(x)+sin(x)i 其中cos是實部 sin是虛部。傅里葉變換可以把任何信號用正弦和余弦信號表示，也可以把時域信號轉換成頻域信號。
所以傅里葉公式為
F(k) = ∑(N-1 n=0) x(n) ( cos(2πkn/N ) -sin(2πkn/N ) ) k=0,1…,N-1 。
所以F(k)實部real = (∑(N-1 n=0) x(n)* cos(2πkn/N ) ) /N ；（一個點就可以求出原函數的幅值，所以累加后的結果這里要除以N）
F(k)虛部imag = (∑(N-1 n=0) x(n) -sin(2πk*n/N ) ) /N；
所以該點k的相位=atan(虛部,實部) 等于實部與虛部的反正切。幅值等于 sqrt ((實部real) ^2 + (實部real) ^2) k點的 實部平方 加 虛部平方 再開方 。

^ y|_______ imag ^ /| | / || L / || / || / || / ||/ θ | ——————->———————————————————> xreal虛部imag為對邊實部real為鄰邊斜邊L為原波形的幅值角θ是相位

總結

以上是生活随笔為你收集整理的相位式激光测距的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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