工业级 激光测距 飞行时间法TOF 相位法 多频调制的本质!

激光测距仪中使用的相位法飞行时间(Phase-based Time-of-Flight, ToF)是一种通过测量调制光信号的相位差来计算距离的高精度方法。以下是详细解释:

一、核心原理:用"波的延迟"测距离

想象你向一堵墙拍手,通过回声的延迟时间可以估算距离。相位法类似这种思路,但用的是光波而非声波,且不直接测时间,而是通过光的"波形延迟"来间接计算距离。

关键步骤

发射调制光波

激光器发射一束强度按正弦波规律变化的光(例如每秒波动1000万次,即频率10MHz)。

类似手电筒快速明暗交替,但速度快到肉眼无法察觉。

接收反射信号

光打到目标后反射回来,被接收器捕捉到。由于光需要时间往返,反射波的波形会比发射波滞后(相位差)。

测量相位差

比较发射波和反射波的波形,计算两者的相位差(例如相差半圈,即180°)。这个差值直接对应光的飞行时间,从而算出距离。

光电探测器:接收反射光,将其转换为电信号(与发射信号同频率但相位滞后)。

混频器(Mixer):将发射信号与接收信号混合,生成包含相位差信息的低频信号(差频信号)。

相位检测电路:通过低通滤波和相位比较器(如锁相环PLL)精确提取相位差。


二、为什么相位差能换算成距离?

公式推导(简化版)

例如


三、为什么需要多频率调制?

问题:相位差的周期性限制

单频调制的局限性

++最大无歧义距离:++

10MHz 调制时,D(max )=15米。超过15米时,相位差会"循环"(如30 米目标与15米目标的相位差相同)。

++**因此也就是为了解决刻度尺嵌套。**但是在此之前,我们还需要说到的就是,为什么超过15米时,相位差会"循环"??++

在相位法激光测距中,单频调制的局限性源于相位差的周期性特性。当目标距离超过某一阈值时,相位差会"循环"(即出现多值性),导致无法唯一确定实际距离。

++1. 基本公式回顾++

相位法的核心公式为:

++2.相位差的周期性++

相位差的取值范围: (即 0∼360度)

当相位差超过,实际测量的相位差会被"截断"到 0∼2π 范围内。

为什么最大无歧义距离是半波长?


解决方法:多频率组合

低频扩展量程

加入一个低频信号(例如1MHz,波长300米),此时最大无歧义距离为150米。虽然精度较低,但能确定距离的大致范围。

高频提升精度

高频信号(如10MHz)提供厘米级精度,但只能覆盖短距离。通过结合高低频数据,既能确定大致范围(低频),又能精确到厘米(高频)。

++双频调制的实现++

中国剩余定理 Chinese Remainder Theorem, CRT

通过多个频率的相位差组合,解算唯一距离。

++如果你还是不懂!????接着看下去!++

多频调制的本质到底是什么?

以下通过一个具体数值案例刻度尺嵌套的比喻

想象你有一把主尺(刻度10cm)和一把副尺(刻度9cm)。当两把尺子对齐时,重复的刻度间隔会形成一个更长的"等效刻度",从而扩展测量范围:

主尺:每10cm一个标记(0, 10, 20, 30, ...)。

副尺:每9cm一个标记(0, 9, 18, 27, ...)

等效刻度 :主副尺标记首次重合在 90cm(最小公倍数),等效刻度间隔为90cm。

意义:通过两把尺子的组合,原本只能测10cm或9cm的尺子,现在可以唯一确定0~90cm内的任意距离。

类比到多频调制

  • 不同频率的调制信号相当于不同刻度的尺子。

  • 通过组合它们的相位差信息,等效生成一个"长刻度尺",消除单频的周期性模糊。

接下来我们再次举例子:


通俗易懂的来说就是。

假设两人各拿一个同步闪烁的手电筒(同频率),A站在山顶,B站在山脚:

  1. A打开手电筒,B看到光后立即打开自己的手电筒。

  2. A看到B的光时,发现B的光比自己的延迟了"半次闪烁"(相位差)。

  3. 已知闪烁频率和光速,A就能算出山的距离。

相位法正是通过这种"闪烁延迟"来测距,只不过用的是高频不可见激光,并由电子电路自动计算相位差。
不同频率的光调制信号实现测距,每一个测尺的回波信号分别再对应内光
路和外光路两段信号,通过计算外光路和内光路信号之间的相位差,即可获得该段测尺测
量的距离值。

任意两个直接测尺频率的差值可以作为新的间接测尺频率,其测尺长度由间接测尺频率决定,相位差由原来两个直接测尺的相位差的差值计算得到。
例如由 200MHz 和 160MHz 的两个测尺频率,可以得到 40MHz 的间接测尺信号,间接测尺长度为 3.75m ;由 152MHz 和 153MHz 的两个测尺频率信号,可以得到 1MHz 的间接测尺信号,间接测尺长度为 150m


本算法共使用了 10 组测尺,测尺长度由大到小依次 150m 、 21.42m 、 18.75m 、 3.75m 、 3.19m 、
3.12m 、 0.98m 、 0.98m 、 0.93m 、 0.75m 。由前述公式可知,对于特定测尺,只能得到不足 2π
部分相位差对应的距离,即每个测尺最大测量距离不超过其测尺长度。
为了保证测距的精度,需要小的测尺,而为了保证测量的距离,需要大的测尺。因此,必须
使用多测尺衔接算法,才能同时获得高精度和远距离的测量。

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