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题名:
测角相位式激光雷达若干关键技术研究
作者: 蒲磊
学位类别: 博士
答辩日期: 2015-04
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 刘恩海 ; 钟建勇
关键词: 相位法激光测距,四象限测角,双频调制,FFT 鉴相算法
学位专业: 信号与信息处理
中文摘要: 相比干涉法测距和频率调制连续波测距法,相位法测量距离远;相比脉冲法,
测距精度高。四象限探测器能够实现距离和相对位置的测量,具有体积小、质量
轻、探测分辨高等特点,特别是四象限APD(Avanlance Photodiode,雪崩光电二
极管)的内增益高、噪声小适合中远距离测距和测角。基于相位法测距和四象限
测角,本文设计了一套基于四象限探测器的相位式激光雷达系统,并分别对测距
和测角的若干关键技术做相应研究。
测距是系统的一个重要功能,本文对若干影响测距精度的技术进行了研究。
鉴相算法是影响测距精度的重要因素。针对相位式激光测距中最常用的FFT(Fast
Fourier Transform,快速傅里叶变换)鉴相方法和apFFT(All Phase Fast Fourier
Transform,全相位快速傅里叶变换)鉴相方法,本文通过综合比较鉴相精度和
输出幅度信噪比,选取FFT 作为系统的鉴相算法。系统具有四路测量信号,如
何从四路测量信号中提取高精度距离具有重要的研究价值。通过分析对比
Atan_Mean 算法、Mean_Atan 算法及Max 算法,本文提出一种基于Mean_Atan
和Max 的优化算法,并验证该算法的优越性。温度是影响相位法测距精度的另
一个重要因素。关于温度对相位法测距精度的影响国内外做了一些相关研究。本
文从电阻电容的温度特性出发,研究了温度对相位法测距精度的影响。通过实验
得出选择低温度系数的电阻电容能够提高相位法测距精度。
测角是系统的另一个重要功能,本文对测角的若干关键技术进行了研究。
本文对测角过程做了合理的简化,在简化模型的基础上推导并验证了基于FFT
四路信号幅度求取脱靶量的可行性和正确性。方位角和俯仰角的估计精度直接决
定测角精度,而四象限测角算法是影响方位角和俯仰角估计精度的重要因素。本
文在传统等间距插值法的基础上,分析特性曲线,提出基于特性曲线分析插值法
的四象限测角算法。通过实验仿真得出,相同插值点数条件下,该算法得到的最
大方位角和俯仰角误差比等间距插值法小。为分析基于FFT 获取的幅度信息对
测角精度的影响,建立了脱靶量精度估计模型。通过理论推导和仿真得出,提高
输入信噪比、选择矩形窗、减小频率偏移量及增加FFT 运算长度均能提高脱靶
量估计精度。
为验证该系统可行性,搭建了实验系统的平台。为了考查各个模块对测距
精度的影响,分别对数字系统、模拟电路板及整个系统做了相应的实验。在数字
系统实验中,得出该部分的测距误差的标准差小于0.7mm,100 次平均后小于
0.07mm,相比其他部分可以忽略。在模拟电路板的参考通道和测量通道差异性
实验中,得出了该部分的测距误差标准差为1.5mm,100 次平均后标准差为0.2mm。
在整个系统测试中,针对高频测尺和低频测尺做了测距实验。在高频信号实验中,测距误差标准差为1cm,100 次平均后为0.8cm。在低频信号实验中,得到100
次平均后的峰峰值误差为3m,满足多频测尺的衔接条件。为考查脱靶量的稳定
性,做了脱靶量测试实验。实验结果显示,在X 轴上的归一化脱靶量的标准差
为0.003,在Y 轴上的归一化脱靶量标准差为0.001。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/3058
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作者单位: 中国科学院光电技术研究所

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蒲磊. 测角相位式激光雷达若干关键技术研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2015.
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