长春理工大学光电工程学院相位激光测距仪方案设计

相位激光测距仪方案设计

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二〇一六年十一月

摘要

随着半导体激光器、数字信号处理、精密机械等领域技术的飞跃发展，激光测距仪向着高精度、便携、高速，数字化的方向不断进步。本论文先介绍了激光测距的几种测距方法原理以及国内外现状，着重介绍了相位法测距原理，在这基础上设计了基于相位法测距原理的总体方案。

论文从发射系统和接受系统对总体设计进行了阐述，探讨了激光器选择，光电探测器的选择，光电接受电路，放大电路，混频电路等电路的设计，系统采用了激光二极管作为激光发射器，雪崩二极管作为光电探测器并对系统进行误差分析，最后进行总结和发现不足之处。

关键词：激光测距，相位式激光测距，光电检测，误差分析

目录

一绪论 (3)

1.1引言 (3)

1.2激光测距 (3)

1.2.1激光测距简介 (3)

1.2.2激光测距方法 (3)

1.3激光测距的优点 (6)

1.4国内外研究现状 (6)

1.5论文研究内容及章节安排 (7)

第二章相位激光测距原理以及总体方案 (7)

2.1相位激光测距原理 (7)

2.2测相原理 (9)

2.3系统整体方案设计 (10)

第三章系统设计部分的选择 (11)

3.1发射部分 (11)

3.1.1激光器的选择 (11)

3.1.2激光二极管的工作原理 (11)

3.1.3调制发射部分 (11)

3.2接受电路部分 (12)

3.2.1光电探测器的选择 (12)

3.2.2雪崩二极管工作原理 (13)

3.3光电接受电路设计 (13)

3.3.1光电接收电路 (13)

3.3.2放大电路设计 (13)

3.3.3自动增益控制电路 (14)

3.4其他需要考虑的电路部分 (14)

3.4.1混频部分 (14)

3.4.2后级放大电路 (15)

第四章相位式激光测距仪误差分析 (15)

4.1元器件的稳定性 (16)

4.2频率误差 (16)

4.3电路系统误差 (17)

4.4光电探测器噪声引起的误差 (17)

4.5光学误差 (18)

第五章总结和展望 (18)

参考文献 (20)

一绪论

1.1引言

激光具有单色性好、方向性强、亮度高等特点。现已发现的激光工作物质有几千种，波长范围从软X射线到远红外。激光技术的核心是激光器，激光器的种类很多，可按工作物质、激励方式、运转方式、工作波长等不同方法分类。根据不同的使用要求，采取一些专门的技术提高输出激光的光束质量和单项技术指标，比较广泛应用的单元技术有共振腔设计与选模、倍频、调谐、Q开关、锁模、稳频和放大技术等。

激光被广泛应用是因为它的特性。激光几乎是一种单色光波，频率范围极窄，又可在一个狭小的方向内集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔。以红宝石激光器为例，它输出脉冲的总能量不够煮熟一个鸡蛋，但却能在3毫米的钢板上钻出一个小孔。激光拥有上述特性，并不是因为它有与别的光不同的光能，而是它的功率密度十分高，这就是激光被广泛应用的原因。

1.2激光测距

1.2.1激光测距简介

激光测距技术，是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。它是在军事上最先得到实际应用的激光技术。

1.2.2激光测距方法

激光因其具有良好的单色性、方向性、相干性，在测距中能实现大量程、高精度的测量，主要应用于长度、速度、距离、角度等各种测量中。激光测距的方法有很多种，有的方法适于微位移测量，有的方法适于大量程测量，有的方法适于高精度测距，下面就对各种激光测距方法分别作以简单介绍[1]。

1）脉冲测距

光以速度c在大气中传播、在A, B两点间往返一次所需时间与距离的关系

3

可表示为

（1.1）

式(1.1)中，D为待测两点A, B间的直线距离，c为光在大气中传播的速度，t为光往返AB一次所需时间。

脉冲式激光测距原理基于光的传播速度为恒量C。激光器发射光脉冲通过光学透镜照射到待测目标上，通过目标的漫反射再由接光学透镜接收，经过光电转换器件转变为电信号并经过信号调理电路后，再经软件运算直接测得光往返一次所需时间，然后计算出距离并显示。

当使用脉冲法测量距离时，一般测控误差比较大，但是其测量的距离比较长，所以一般应用在测量距离比较远，也有一定的盲区，如果要减少这个盲区，就需要减少脉冲宽度，所以要求测量精度不高的测距系统中可以使用此种方法。

2）三角法测距

三角法测距是将激光的发光源、被测物体的反射表面和光电接收系统构成一个三角形的光路系统[2]。该测距系统结构简单切容易实现，因此在实际中有较广的应用，尤其是在高方向性、高单色性、高亮度的激光问世以后，再加上最新的光电扫描技术和光电探测器的逐步发展以及采用微机控制与新的信息处理技术相结合的方式，使三角法激光测距得到更多的应用，三角法测距原理图如图1.1所示。

图1.1三角法测距原理图

3）干涉法测距

根据光的干涉原理，利用干涉仪进行距离测试。在原理上，干涉法激光测距也是相位式激光测距中的一种，但在原理上它不是通过对激光调制信号相位差的测量来完成测距的，而是通过对没有经过调制的自身光波的相位迭加来进行测距的。干涉法激光测距的原理图见图1.2所示[3]

图1.2 干涉法激光测距原理图

干涉法激光测距系统中采用的激光波长很短，又因激光具有很好的单色性，其波长精度很高，所以此方法的分辨率最少可以达到半个波长，精度可达微米级。干涉法激光测距的高精度是任何其他激光测距方法都无法比拟的。目前，干涉法激光测距以其具有的精度高的独特性质，在地壳变形的测绘、预报地震与火山以及地下爆炸的侦查中得到了实质性的应用，但是因为干涉法激光测距系统测出的距离仅为相对距离，所以该方法的应用不是很广泛。

4）相位法测距

相位法测量距离的时候，是利用光发射机发射出一个携带正弦波的光束，再通过光接收机接收经被测物体反射回携带正弦波的光束，我们只需要测量调制到发射机上的正弦信号与接收机解调出来的正弦信号的相位差，通过此相位差可以计算出要测量的距离;原理详见第二章。

1.3激光测距的优点

由于激光器与普通光源有显著的区别，它利用受刺激发射原理和激光腔的

滤波效应，使所发光束具有一系列特点:激光有小的光束发散角，即所谓的方向

性好或准直性好;激光的单色性好，或者说相干性好，普通灯源或太阳光都是非

相干光;激光的输出功率虽然有限度，但光束细，所以功率密度很高，一般的激

光亮度远比太阳表面的亮度大。因而采用激光器做光源的测距仪也就有一些优于其他测距仪的特点。

1）测距精度高

高精度是激光测距最大的一个优点，激光测距的误差仅仅取决于仪器的精度，与实际操作者的操作和被测距离都无关。通常，战术激光测距仪的误差一般在

5m以内，科学实验用到的测距仪精度更高。

2）测距仪体积小重量轻

小型化重量轻是测距设备的一个重要特点。在军事装备上的激光测距仪，体积小巧，只有普通手机那么大，重量只有10kg，而最小测距仪的重量仅有

0.36kg 。

3）分辨率高，抗干扰能力强

要求一定的分辨率和具备足够的抗干扰能力是设备必须达到的技术指标，激光所具有的的窄光束和短脉冲宽度的特点，不但大大提高了微波的横纵双向的目标分辨率，而且还使得其不会受到电磁波和地波的干扰。例如，在导弹的初始阶段，微波测距由于受到地波的严重干扰，使其不能得到应用，而激光却能在此发挥良好的作用。

1.4国内外研究现状

目前，瑞士、美国等国家相位式激光测距仪发展比较迅速，如瑞士的DISTO 系列采用了相位式测距原理，测距精度达到了1mm左右。相位式测距在全站仪上应用的也很多，如索佳SET10K全站仪，采用单棱镜测距测程为2700m，精度达

2mm，采用三棱镜测距测程3100m，精度为2mm。但最近凡年国内一些大学及研究机构都在研究提高相位式激光测距的手段。

目前，国内己经有很多厂家生产激光测距仪，有良好的性价比优势，但是相对于国外，小型化、低功耗、多功能的半导体激光测距仪，由于国内技术相对落后，光学加工和集成电路设计等还无法与发达国家相比，因此，在性能和精度上

均落后于国外的激光测距仪。

1.5论文研究内容及章节安排

本文分析了几种激光测距方法的特点，提出了一种成本低、精度高、速度快、结构简单、近距离的相位激光测距仪系统。

论文的主要工作包括：

第一章:主要介绍本论文的研究背景和常见的激光测距方法，以及阐述了激光测距技术的国内外的研究现状。

第二章：主要介绍相位式激光测距基本工作原理，提出了本课题设计要求和系统的总体方案设计。

第三章：介绍系统各部分的选择。

第四章：误差分析。

第五章：对课题做了总结和展望，提出设计中可能存在的问题及改进方法。

第二章相位激光测距原理以及总体方案

2.1相位激光测距原理

假设己调激光信号穿过的距离为D，光在大气中的传播速度为c，调制波在距离D上的往返时间为t，那么距离D可表示为[4].

（2.1）

将调制波按照往返的距离在测线上展开，如图2.1所示。由图可以明显看出，调制波最后回到收发点时的相位超出了出发时相位的Φ角，这时有

（2.2）其中，f表示调制波的频率。

图2.1 相位式距离测量原理图

将(2.1)与(2.2)两式相结合，那么就有

（2.3）

其中，Φ表示调制波的N个整周期再加上不到一个整周期的尾数?φ，那么(2.3)

式可表示为:

（2.4）式中，N是目前无法得知的。

由式(2.4)可知，在给定频率fo条件下，想要得到被测距离D，需要确定整尺数N和不足整周期的余数?φ。相位式激光测距中相位差计算是用鉴相器完成的，对于鉴相器，只能求出不足2π的相位余数?φ，而整周期数N不能确定，因此，当被测距离大于最大可测模糊距离时，式2.4中会产生多值解的问题，所以，当距离大于最大可测模糊距离时，仅仅使用一把测尺是无法测出被测距离D的，只有当被测距离小于最大可测模糊距离时，方可确定距离。因此采用较低频率的测尺来测量整周期的个数N，也就是测量路程的大概范围，再采用一个较高频率的测尺来计算确定尾数?φ，这样就解决了高精度和大测量路程之间的矛盾。要想保证所测量距离结果的单一性，就必须满足:

（2.5）

2.2测相原理

相位式激光测距仪中测距光波被接收以后通过测量相位差来计算光波飞行时间，因此相位测量是测距仪中关系到测距精度的一个关键部分。主要的数字相位测量方法有以下几种:自动数字测相、欠采样同步检测法、向量内积法。

1）自动数字测相

随着半导体，集成电路和数字计算技术的发展，自动数字测相，进入了一个新的阶段。自动数字测相方式速度快、精度高、而且便于实现速度的测量。自动数字测相方式电路较平衡式移相一鉴相法复杂，成本较高。目前在各种短程测距仪中己普遍采用，而中程测距仪也正朝这个方向发展。

自动数字测相的原理框图如图2-2所示：

图2.2自动数字测相的原理图

采用自动数字测相法时，由于测距精度受大气抖动、接收电路噪音等的影响，造成测距结果误差，降低测距精度。解决这一问题的方法是在检相电路中增加一个闸门时间Tg，在Tg内取多次(其次数可为几百到几万次检相的平均值，作为检相结果。最后得到误差很小的检相结果。由于相位式激光测仪的测距要求精度比较高，测距光波的调制频率比较高，因此直接进行相位测量，则对器件的要求比较高，现在一般都采用混频的方式与数字检相搭配使用，这样可以先把高频信号差频成中频或低频信号，然后再进行相位比较。

2）欠采样同步检测法

假设信号为中频带通型，对这种信号应采用带通采样的方法用低于抽样定理中Nyquist的抽样方式进行A\U转换，提高了模数转换器的性能，如果在相位式激光测距仪中用欠采样同步检测法测量相位，降低了硬件电路的设计，但是在

一定程度上增加了程序的设计，只需要采样率大于两倍的信号带宽，这样对时域的采样不会使得信号的频谱重益，所以此种方法测相和混频的方法测量误差会大一些，但是相位幅度和偏移量变化的比较小，因此此欠采样同步检测法有很好的应用前景[5]。

3）向量内积法

该方法使用向量空间和向量的概念，对经过调制的发射光波信号和含有相位改变信息的反射回波经过A/D采样后可以得到一组正弦数字序列，再通过对实属序列的优化处理最后得到相位差信息，这种方法最大的优点就是可以具有较好的实时测量性能。但在同样信号调制频率的情况下，采样频率大于等于两倍信号所包含的频率，对接收信号的模数转化和数字信号处理要求很高，只能用专门的数字采集卡进行信号处理。即使这样还不能完成数据信息的复杂运算，要依靠计算机的支持去完成一般信号处理芯片所难以完成的工作，这就在很大程度上限制了激光测距仪小型化，便携性发展方向的特点

2.3系统整体方案设计

相位式激光测距主要由发射系统，反射器，接受系统，相位测量，显示以及电路系统组成。

图2.3相位式激光测距原理图

工作原理是，主控振荡器产生的测距信号对激光进行光强调制，通过准直透镜发射到被测目标，被反射的回波测距光波经过汇聚透镜，聚焦到光电探测器上。从而光信号转变为电信号，经过后期的放大滤波处理，达到后续电路要求。由于测距的调制信号频率比较高，如果直接侧量相位信息，则对测相芯片的分辨率要

求比较高，而且误差比较大。因此通常测距仪都采用了混频测相的方式对，高频信号与本振信号进行差频然后得到中低频信号，进行相位比较，后续通过AD转换和单片机把相位差信息转换成我们所需要的距离信息并且显示出来。

第三章系统设计部分的选择

3.1发射部分

3.1.1激光器的选择

如果电子从导带跳入到价带的时候，会有一部分能量的损失，损失的能量变成了光子，并发射出去，这就是半导体激光器的发光过程。

半导体激光器在各种类型的激光器中是最重要的一类激光器，例如气体激光器、固体激光器、液体激光器等都没有半导体激光器应用广泛，其主要特点是容易受温度的影响，如果温度过高会影响激光器的出光功率，而且发出光的发散角比较大，所以其方向性也比较差，但是半导体激光器的封装比较小，可直接将信号调制到半导体激光器上，另外半导体激光器出光功率可以做到很大，还可以输出高频的调制光，所以其应用范围比较广泛，例如光纤通信、激光测距等。根据上面所述，本系统选用激光二极管激光器为光源。

3.1.2激光二极管的工作原理

晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建激光二极管电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流Io。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

3.1.3调制发射部分

激光测距仪中采用的调制方式有内调制和外调制两种。内调制又称直接调制[23]，该调制过程在激光器内完成。直接调制中，激光器与调制器为一个整体，因而激光输出的光束就已经发生了强度的变化。相位测距仪大部分都采用半导体激光器作为光源，调制方式主要是内调制。LD或LED的光强调制是靠改变它们的注入电流，发光强度也随之变化来实现的。这种调制方式只须将调制信号迭加

在偏压上，于是注入电流随调制信号而变化，即得幅度的强度调制。调制信号可以是正弦信号，方波或脉冲波。该法的调制效率高，调制简便[6]。调制频率可达兆赫兹。

因此采用直接调制方法调制电路如图3.1所示：

图3-1发射系统直接调制电路

3.2接受电路部分

3.2.1光电探测器的选择

在相位式激光测距系统中，考虑到距离测量的精度问题，就需要准确测量相位的变化，因此对光电探测器的响应时间有很高的要求，其次，探测器接收到的是传播一定距离后的光信号，因此必须对微弱信号敏感。

常见光电探测器主要有:光敏电阻，光电池，光电二极管，光电倍增管等，基本性能参数有光谱响应度，响应度，响应时间，频率响应，峰值波长等。光电探测器的基本功能是实现光信号到电信号的转换，选择光电探测器时，其工作波长范围，响应波长应该与接收到的回波调制激光保持一致，持此之外还应考虑其响应度、响应时间、带宽和噪声等。依据本系统可以考虑光电倍增管，雪崩二极管，光电二极管。这些探测器都具有其对应的响应波长和响应速度比较快的优点。由于雪崩二极管的具有能够在其内部产生光电增益的特性，使得电流信号能够在进入放大器之前在雪崩二极管的内部进行放大，进而能够得到较大的输出电流，提高了后级调理电路输入信号的信噪比。

3.2.2雪崩二极管工作原理

在材料掺杂浓度较低的PN结中，当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。这样，通过空间电荷区的电子和空穴，就会在电场作用下获得的能量增大，在晶体中运动的电子和空穴将不断地与晶体原子又发生碰撞，当电子和空穴的能量足够大时，通过这样的碰撞的可使共价键中的电子激发形成自由电子–空穴对。新产生的电子和空穴也向相反的方向运动，重新获得能量，又可通过碰撞，再产生电子–空穴对，这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，这样，反向电流剧增，PN结就发生雪崩击穿。

3.3光电接受电路设计

3.3.1光电接收电路

光电接受电路设计原理如图3.2所示:

图3.2光电接收电路设计结构图

3.3.2放大电路设计

由于光电探测器输出的电流比较微弱，因此需要对电流进行放大。在光电检测电路中光电探测器与前置放大电路，一般有三种连接方式:电流放大型，电压放大型和阻抗变换型。其中电流放大型电路输出信号与输入的光通量成正比。电压放大型输出信号与输入的光通量成非线性变化，阻抗变换型输出信号与输入光通量虽然成正比，但是，响应时间比较慢，一般只用在对带宽没有要求的缓变光电检测电路中。因此本论文选用电流放大型做雪崩二极管的前置放大电路。电流放大型前置放大电路基本原理如图:

图3.3电流放大型前置放大电路

3.3.3自动增益控制电路

自动增益控制电路就是根据输入信号的大小自动的调节增益从而使输出信号稳定在一定范围之内。

3.4其他需要考虑的电路部分

3.4.1混频部分

混频器的主要作用是将调制测距信号与锁相环产生的本振信号进行混频得到的中频信号作为测相电路的参考信号，光电探测器接收的回波测距信号与本振信号进行差频得到一个中频信号作为测相电路的测距信号。

常用的混频器件有二极管、三极管、以及集成乘法器。本论文选用模拟乘法器做混频电路，构成的混频电路具有寄生干扰少，混频增益大，输出信号频谱纯净等优点，对本振电压幅值的大小要求低，端口之间隔离度较高。经过分析本系统采用Motorola公司的MC 1496模拟乘法器作为混频器。由MC 1496构成的混频电路如图3.4所示:

图3.4 MC1496构成的模拟乘法器电路

3.4.2后级放大电路

为了满足混频电路输入信号幅值的要求，如果仅有自动增益控制电路，放大倍数无法满足要求，其次，参考信号和测量信号如果只通过自动增益放大，两路信号增益差会引入更大的相移，因此需要后级放大电路，使经过自动增益控制电路后的信号放大到1V左右。

第四章相位式激光测距仪误差分析

激光测距仪的精度由各种误差而决定，由公式（2-3）推出:

D=1

2ct=1

2

cφ

ω

=1

2

cΦ

2πft

=1

4π

cφ

f

（4-1）

由于测距激光在大气中传播，n为大气的折射率，光速c应该表示为：

（4-2）于是测距公式可以改写成：

（4-3）上式取全微分：

（4-4）

由式(4-4)可知，影响测距仪测量结果的主要因素有光真空中光速c0、大气折射率n、相位φ以及测尺频率f的计算，任意一个因素微小的变化都会引起最后的测距结果的一个变化。

4.1元器件的稳定性

元器件的稳定性对于系统的测量是至关重要的。如果系统的工作频率很高，元器件容易发热，它的相应参数发生漂移，从而使得震荡频率不稳定。比如半导体激光二极管，半导体激光二极管的电流和光的功率受温度的影响很大，当温度升高时，它的P一I特性曲线会向右移动，输出功率也会随之下降，阈值电流也会成比例的增大，所以，系统为了发射出较高频率的调制光，应用半导体激光二极管时需要将工作温度保持一定[3]。通过实验证实，当调制电流的温度性能达到±5μA的时候，温度的稳定性可以控制在±10mk。要想取得良好的效果，通过开机预热的方法也能在一定程度上解决这个问题。

4.2频率误差

信号源的频率和相位稳定度保证了调制光稳定度。频率误差与距离误差的关系为dD f=?Ddf/f,即测程越大，误差值越大。消除系统由于自激所产生的寄生振荡才能实现调制频率的稳定。同时放大电路、元件选择及供电技术指标也是提高频率稳定的条件。

4.3电路系统误差

电路系统误差主要包括元器件在高频信号作用下的稳定性，晶振频率的稳定度，接收器的响应时间等。如果接收波形存在谐波，经过窄带滤波器后的测距信号变形严重，经过比较器之后变为占空比变化的方波，与参考信号共同测量时会影响到测距精度。

4.4光电探测器噪声引起的误差

引起相位式激光测距仪的噪声误差主要有光电探测器的背景噪声和热噪声。背景噪声:

对相位式激光测距仪而言，直流背景主要的干扰源就是日光辐射，太阳近似为6000K的黑体，则根据黑体辐射公式为:

(4-5) 式中

E

一太阳的光谱辐照度（W/m2?μm?1）;

λ

h一普朗克常数(6.62 X 10?34);

K一玻尔兹曼常数((1.38x10-23J/K);

T一温度(K)。

图4-1给出了作为波长函数的太阳的光谱辐照度(6000K)曲线