激光测距系统设计

本科生毕业设计（论文）

开题报告

题目：激光测距系统设计

姓名：黄侠

学号：201006060118

指导教师：吕岑

班级：光信101

所在院系：电气与信息工程学院

课题名称激光测距系统设计

课题来源科研课题课题类型工程设计类指导教师吕岑

学生姓名黄侠学号201006060118 专业光信息科学与技术

一、课题的意义以及国内外发展状况：

课题的意义：

激光与普通光源有显著的差别，它利用受激发射原理和激光腔的滤波效应，使所发射的光束具有一系列新的特点：激光有小的发散角，即所说的方向性好或准直性好;激光的单色性好，即相干性好，激光的输出功率有限，但是功率密度很高，一般的激光亮度要比太阳表面的亮度大。在激光问世以前，人们没有什么办法来获得强相干光。激光技术出现后，很快被应用到各种测量(大地测量、地形测量、工程测量、航空摄影测量以及人造地球卫星的观测和月球的光学定位等航天测量)中。与此同时，现代电子技术的飞速发展和光电器件性能的不断提高，使激光测距仪成为距离测量的主要仪器之一。与其它测距技术相比，激光具有角分辨率高、抗干扰能力强，可以避免微波贴近地面的多路径效应和地物干扰问题，并且具有天线尺寸小、质量轻、结构小巧、和安装调整方便等优点，激光测距仪是目前高精度测距最理想的仪器之一。由于以上各方面的原因，使得激光测距在测量领域得到了青睐，并被迅速推广。

激光测距仪的研究应用在国民经济和国防建设中具有非常重要的意义。激光测距的精度与操作者的经验和被测距离无关，误差仅取决于仪器本身的精度。用激光测距对卫星进行精密测轨，精度已达l cm，日本用于预防地震的长距离监测系统，全程84 km，误差小于l mm。军事上装备的激光测距仪，重量一般为10 kg左右，最小的只有0.36 kg，体积只有香烟盒那么大，激光由于方向性好，所以可以不用巨大的天线就可以发射极窄的光束。激光测距不仅分辨率高，而且具有抗干扰能力强的窄光束和短的脉冲宽度，不仅使横向和纵向目标分辨率大大提高，而且不受电磁干扰和地波干扰。

由于激光与激光测距技术很多优点的存在，本课题意在研究出相位法激光测距的光学系统。

国内外发展现状：

国外发展现状

20世纪中期，激光测距机是激光器在军事上最早应用的项目。世界上第一台激光测距机于1961年诞生在美国休斯飞机公司，称为柯利达I型.经过30年的发展，军用激光测距机已更新了两代，研制发展了三代。第一代激光测距机采用发射0. 6943,cun红外红宝石激光器和光电倍增管探测器，是最早问世的激光测距机.20世纪70年代初期少量装备部队，如美国的AN/GVS-3、日本的70式，因其隐蔽性差、效率低、体积大、重量重、耗电多，很快便被第二代激光测距机取代。第二代激光测距机采用发射 1. 06,tnn近红外钦激光器(主要是Nd:YAG激光器，少数为钦玻璃激光器)和硅光电二极管或硅雪崩光电二极管探测器。第二代比第一代隐蔽性好、效率高、小巧、耗电少，因此第二代激光测距机的小型化研制进展迅速。第三代激光测距机，即人眼安全的激光测距机。目前已研制成工作波长为10. 6μm和1. 54μm 的三种不同类型的各种型号的人眼安全激光测距机，己进入生产和应用阶段。与此同时，激光测距技术也逐渐应用到民事领域。从20世纪70年代初至今的近30年，国外许多大学、研究机构和公司也开展了这方面的研究工作。

国内发展现状

我国激光测距仪的研究始于20世纪50年代，是在原固体、气体激光测距机基础上，发展起来的。目前，基础技术已具备，主要是解决工程应用的问题，开发各种应用产品。1972年，北京光学仪器厂与武汉地震大队等联合研制成国内首台JCY-1型精密气体激光测距仪，1974年研制出了JCY-2型激光测距仪，测程为15-20km,测距精度±(10mm + 1 ppm x D) 。He-Ne 激光管，2. 5 mW ，调制方式为石英超声外调制，采用了5种调制频率，测相采用手动方式，速度慢。1973-1976年，北京测绘仪器厂与北京大学、北京光学仪器厂、清华大学、国家测绘总局测绘科学研究所和北京市地质地形勘测处分别合作，先后研制成HGC-1型及DCH-1型红外测距仪，精度分别为±1. 5 mm 和±5mm ，测程分别为l km 和1. 5 km 。它们采用半导体激光器作为光源，直接内调制方式，2种调制频率。测量时间分别为6.6s 和10s 。

本课题的研究内容、方法、手段及预期成果：

研究内容：

激光测距的方法主要有：脉冲法、相位法、干涉法测距、三角测量法、反馈法测距、纵模拍频测距法，就对技术成熟性和测程的要求，脉冲法和相位法是首选。(1)脉冲式激光测距. 脉冲激光测距技术利用激光脉冲能量在时间上相对集中，瞬时功率很大(一般可达兆瓦级)的特点，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程，一般的脉冲激光测距机可测量数十甚至数万公里的距离，达到十几个厘米的测量精度。缺点就是绝对测距精度不是很高。(2)相位式激光测距，相位式激光测距是利用固定频率的高频正弦信号，连续调制激光源的发光强度并测定调制激光往返一次所产生的相位延迟。通过相位延迟计算测量的距离。相位测距方法既能保证大的测量范围，又能保证较高的测量精度，通常在毫米量级。 通过对上述两种测距方法之比较，可以看出不同的测距方法适合于不同测距范围。脉冲测距法适合于远距离的测量，相位测距法适合于中远距离的测量。总的来说，在中远距离的测量上，相位测距法的精度比脉冲测距法的精度高；由于本系统设计将应用于中远距离的测量，所以相位式测距法具有非常好的优势。

激光相位法测距的原理

激光相位测距中，把连续的激光进行幅度调制，调制光的光强随时间做周期性变化，测定调制光往返过程中所经过的相位变化即可求出时间和距离。

π

2x

x

N

π2发射处

发射处

Φ

?

?

图2.1 相位式激光测距原理示意图

如图2.1所示，设发射处与反射处的距离为x ，激光的速度为c ，激光往返它们之间的时间为t ，则有：

c x

t 2=

(2.1)

设调制波频率为f ，从发射到接收间的相位差为?，则有：

?πππ??+==

=N c fx

ft 242 (2.2)

其中，N 为完整周期波的个数，??为不足周期波的余相位。因此可解出：

)(2)22(24N N f c N f c f c x ?+=?+==

π?ππ? (2.3)

其中，

f

c L s 2=称为测尺或刻度，N 即是整尺数，π?2?=?N 为余尺。根据测得的相位移

的大小，可知道N ?余尺的大小。而整尺数N 必须通过选择多个合适的测尺频率才能确定，测尺频率的选择是提高精度的关键因素之一。

激光相位法测距的系统设计

对于相位式激光测距系统的设计，理论分析与实验工作相结合，采取的研究方法为:查阅并收集资料、选择合适的器件，测距理论总体设计和各个部分电路的研究设计，从而给出了整个相位式激光测距系统的电路系统实现方案。整个电路系统包括了四大部分，它们分别是:

(1) 半导体激光器的调制驱动电路，这部分采用高频正弦信号对激光器的注入电流进行调制，使得激光器光强随注入电流而变化。

(2) 光电检测放大滤波电路，这部分采用P-I-N 光电二极管对激光信号进行探测。

(3)锁相环频率综合电路，这部分先对锁相环原理作了简单介绍，然后应用高精度的频率计作频率校准,自动调节本机振荡频率, 确保用作检相的低频信号的频率稳定不变.

(4) 利用数字测相系统进行测相，最后通过屏幕显示出来。

相位式激光测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，间接地测定信号传播时间，从而得到被测距离的。这种方法测量精度高，通常在毫米量级。相位式激光测距的原理框图如图所示。它由激光发射系统、频率调制系统、回波接收系统、混频鉴相系统和计数显示系统等组成。激光信号由调制系统调制后，经被测物反射，接收系统将反射的光信号转换为电信号并进行放大,后转到混频器中进行混频，混频结果又进测中进行测相最后通过屏幕出来。

设计方案：

本课题研究的步骤：

（1）查阅大量的科技文献资料，掌握关于该设计研究的基本知识。了解激光测距的结构及工作原理，对激光测距有全面的认识。

（2）对收集的资料进行整合，根据相位法激光测距要实现的功能进行方案论证，确定各模块的电子器件及相关参数，从而确定各模块的实现方案。

（3）利用硬件仿真软件Multisim按功能块设计各硬件原理图，包括：主控震荡电路、激光调试发射电路、光电转换电路、高频放大滤波电路、混频电路等，在MCU中用汇编（C语言）程序设计语言对硬件电路设计功能控制程序。

（4）在调试软件KEIL C51上对功能控制程序进行调试和分析。

（5）将Multisim和KEIL C51联合调试，观察运行结果，对结果进行分析、研究，对于不成熟的部分，做必要的改进。

（6）根据自己的能力，画出系统设计PCB板和尝试做出相位法激光测距的实物设计。

预期成果：

（1）相位法激光测距光学系统经过方案优选和详细的理论分析，通过电路仿真软件multisim仿真和KEIL C51调试，能得到较为理想的结果，基本上符合设计要求。

（2）利用所学知识及收集查阅的资料，写出该系统设计分析的初稿。经指导老师审阅，在测试、分析无误的情况下，广泛听取指导老师的意见，按照学院论文撰写格式要求修改论文初稿，最终完成论文写作。

设计（论文）进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：

任务完成的阶段安排及时间安排

1周—3周文献资料收集

4周相关背景知识学习及资料分析，做好开题报告

5周—7周系统方案研究并设计半导体激光器的调制驱动系统，进行系统电

路仿真

8周—10周设计激光器的激光接收系统，进行系统电路仿真

11周编写功能控制程序并进行调试与分析

12周进行整体系统的仿真与调试

13—14周整理资料，撰写论文

15—16周修改论文和准备答辩

参考文献

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本科生毕业设计（论文）开题报告考核

一、指导教师对开题报告的评语：

指导教师 2012年 月 日

二、开题报告答辩评语及成绩:

答辩小组负责人 2012

年 月 日

成绩