激光测距系统方案

远距离激光测距系统方案

一、激光的基本特点：

激光亮度高的一个原因是，激光束的面积比普通光源的发光面积小得多。激光的发散角是普通光源的几百万分之一，由于激光的能量在空间上高度集中，从而提高了亮度。激光亮度高的另一个原因是，采用了压缩发射时间的方法来提高瞬时发射功率。以一般脉冲工作的激光器，输出一个脉冲的持续时间可短至几十毫微秒。如果输出一个脉冲的能量为0.1焦耳，则激光功率可达到千万瓦。采用特殊的脉冲压缩技术，还可把脉冲时间压缩到数纳秒，使激光功率达到万亿瓦。所以说激光是在受激辐射过程中产生并被放大了的光。

这一现象最早是由著名科学家爱因斯坦在1916年首先发现的。光的受激辐射理论的提出，为激光的发明定了理论基础。1960年7月，美国休斯公司实验室从事红宝石材料研究的年轻科学家梅曼，发明了世界上第一台红宝石激光器。这之后不同类型的激光器便接二连三地发明出来。目前激光技术已经渗透到侦察、通信、武器制导和定向能武器等各个军事领域。

二、激光测距基本原理

激光测距就是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。地址：深圳市高新技术产业园中区深圳软件园4栋522室

激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光

测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速（30万千米/秒）乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。现在广泛使用的手持式和便携式测距仪，作用距离为数百米至数十千米，测量精度为五米左右。我国研制的对卫星测距的高精度测距仪，测量精度可达到几厘米。连续波相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射被测目标，从测量光束往返中造成的相位变化，可换算出被测目标的距离。为了确保测量精度，一般要在被测目标上安装激光反射器。它测量的相对误差为百万分之一。激光测距就是以连续波激光为载波的相位式精密测距方法。激光工作于脉冲状态的测距仪，亦称激光测距仪，属于脉冲测距法；红外测距仪中采用红外激光载波的称为红外激光测距仪。由于激光的单色性好、方向性强等特点，激光测距不仅可以日夜作业，而且能提高测程精度， 显著减少仪器重量和功耗。 激光测距仪与微波雷达结合，还可以发挥激光波速窄的特长，弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足。激光测距与光学经纬仪、红外及电视跟踪系统相结合，组成光电跟踪测量系统，既可作为靶场试验的测量设备，又常用作武器的光电火力控制系统。这种激光测距仪已广泛用于地面火炮、坦克炮的火控系统，大大提高了命中率。在军事技术侦察中，激

光测距具有反应灵敏，分辨率高，适于夜间使用等特点。战略激光侦地址：深圳市高新技术产业园中区深圳软件园4栋522室

察技术中又分为高空激光侦察和空间激光监视。在高空激光侦察中用于机载的激光侦察设备有激光侧视雷达、激光行扫描传感器、激光帧扫描传感器等。在空间监视中，激光多用于预警卫星和侦察卫星等观察设备上。用这些设备可以监视敌方兵力的调动和大型兵器的部署，并可完成对交通要道、机场、仓库及其他军事设施的监视。

半导体激光测距望远镜民用半导体激光测距望远镜是国外20世纪90年代中期发展起来的产品，该产品具有体积小，重量轻，对人眼安全，使用方便等优点。主要用于城市道路建筑和电缆架设等工程测量，以及打高尔夫球等娱乐活动，还可用于汽车防撞系统测距等。该产品结合了普通望远镜和激光测距仪的功能；在观察远处目标的同时，可测量在一定距离范围内物体的距离，测距时间快，距离显示直观（液晶显示），具有码米转换、多种测距模式转换、省电，不使用时自动切断电源等特点。激光测距仪结合了普通望远镜和激光测距仪的功能，在观察镜内物体的同时，可测量在一定距离范围内物体的距离，并且测距时间快、距离显示直观、耗电省，不使用时自动断电。测距望远镜激光发射功率小，对人眼安全；不需合作目标，可对任意物体测距；体积小、重量轻，便于携带；机内使用一节3V电池，更换和新购均很方便。利用“RAIN”模式，即使雨天也不影响测距；利用“＞150”模式,可消除近距离电线、树枝等小目标的影响。

三、激光测距望远镜基本结构与性能

3.1、主要单元

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望远镜目镜（境内距离显示）

望远镜物镜（激光发射物镜）

激光接收物镜

模式选择

触发选择

电源部分

3.2、主要性能

测距范围：15-600m

测距方式:半导体激光测距(对人眼无害)

测距误差：±0.75m±0.1%

测距显示方式:视野内LCD显示

有效物镜口径:25mm

镀膜:多层镀膜

出瞳直径:3.8mm

出瞳距离:12mm

对焦方式:目镜调焦

望远镜倍率：6X

在1000m之视野:122m

测距模式:RAIN;RELF;>150;无显示为标准模式. 电源：3V(不含)

外形尺寸:40X99X68mm

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重量：180g

防水性:不防水/防水

3.3、镜内符号及功能

符号示意如图

望远镜内测距符号示意图

瞄准标记:在视场中心，用“+”表示，测距时用中心圆瞄准目标。 距离显示：在视场正上方，三位数；无距离时显示：“---”。

距离单位：在视场右上方，用“METERS”（米）或“YARDS”（码）表示。

测距模式：视场左上方，有四种状态：

无字母显示-标准状态；

“RAIN”-适用于下雨天测距,且目标距离>60m;

“REFL”-适用于薄雾天或水气严重天气。

“＞150”-适用于150m内有干扰的目标（例如：电线、树枝等），

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此时，被测目标必须大于150m。

测距质量：在视场正下方，用“QUALITY---- ”表示，“?--”个数多，表示回波强，一般显示6个，即可显示距离，若不足6个，表示回波弱，不能显示距离。

激光发射：在视场左下方，用“LASER”表示，发射激光时，“LASER”闪烁。

电池欠压：在视场右下方，当显示“BATT”时，表示电池电压不足，须更换。

3.4、测距操作

调节望远镜目镜视度，使视场内的物体清晰。

点动“触发”按扭，镜内显示“+”，将中心圆对准待测目标，“模式”一般置于标准状态，再次持续按下“触发”按扭3秒钟左右，目标距离显示，若不使用15秒后自动关机。

为了可靠地测回目标，第二次按下“触发”按扭时，可持续3秒以上，直至目标距离显示，按下时间也不能太长，否则会显示噪声产生的小数。若3秒以后仍无距离显示，说明目标回波质量差，此时显示“----”。

每按“模式”按扭一次，即可改变状态。各种模式的用途可按第3条的说明选择，接通电源时，处于上一次的使用模式。

要进行距离单位转换时，需按下“模式”按扭3秒以上。

测距望远镜的测距远近与被测目标的性质、发射光束与目标表面的角地址：深圳市高新技术产业园中区深圳软件园4栋522室

度及天气能见度有关，一般来说，目标表面光滑、亮色、面积大，光束与目标表面垂直，天气晴朗的情况下测的距离远；目标表面粗糙、暗色、面积小，光束与目标表面倾斜，雾天的情况下测的距离近。

四、激光测距的ASIC实现原理

4.1 功能框图

被

测

物

体

4.2 功能描述

如4.1功能框图所示，由MCU发控制指令给控制IC TM0610，TM0610发出触发控制信号，通过高压驱动器驱动半导体激光器发射激光，发射出的激光经过物体反射回来后，激光接收器接收到信号经过高速运放后送回控制IC，控制IC TM0610通过处理发射和接收到数据的时间差得到该时间差值送给MCU，MCU通过计算、校准后显示该测量得到的数值，并完成本次的测量，下次测量时重复该过程。

4.3 测距专利算法

4.3.1 ASIC 使用的测量办法

ASIC 通过使用计数器测量发射和返回信号之间的时间差值。

4.3.2 测量精度

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ASIC为实现所规定的测量误差，以此来估算测量的最小时间精度，

假设要实现±0.75m的测量误差，最小的时间计量精度为5ns，所要求的计量频率为200MHz，因此，要达到要求的计量距离精度，需要达到相应的时间精度。

4.3.3 计数器的实现方法

通过ASIC内部的延迟锁相环（DLL）以及锁相倍频器（PLL），来生成延时差分高频信号来生成高频的计量频率，再通过N组同步计数器来计算时差，再通过ASIC的转换将数据输出出来。

4.4 ASIC实现

通过上述算法可见，通过ASIC实现的部分主要包括差分计数器、延迟锁相环（DLL）、锁相倍频器（PLL）、数据转换器，输入触发单元，接收高速检测单元等。通过专利的分频、倍频、差分算法实现在较低的频率下实现较高的测量精度。由于要在芯片上实现上述单元，需要采用0.25uM以上的加工工艺进行设计制造该ASIC。

五、激光测距的成本与市场价值体现

从4.1功能框图可见，ASIC TM0610和MCU共同构成该激光测距的核心计量部分，由于激光测距产品的成本由望远镜目镜、望远镜物镜、激光发射管和激光接收管和激光测距的核心计量部分共同决定，而核心计量部分是成本的主要部分，当该部分成为ASIC以后，激光测距产品的成本、测试将直线下降，并且产品的质量和产品的一致性得到

严格的保证，同时该模块的尺寸和功耗均较小适合于各种便携式产品地址：深圳市高新技术产业园中区深圳软件园4栋522室

应用。采用ASIC方式的激光测距产品较目前现有的激光测距产品具有以下优势：

5.1 模块的成本低，是目前同类产品的十分之一。

5.2 模块的体积小，便于集成在其他产品中作为辅助功能，如军/民用望远镜等。

5.3 产品一致性好，便于调试。

5.4 功耗低，有利于野外作业。

5.5 产品精度高，可以达到±0.5的精度，甚至更低。

5.6 抗干扰性强，可实现高干扰情况下测量。

基于上述特征的激光测距产品优势是很明显的，由于成本与性能的因素，该产品可以广泛推广用于军事、科研、工业以及民用等诸多领域，有良好的市场应用前景。

六、系统框图：

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