激光测距

脉冲激光测距系统设计

激光测距是指利用射向目标的激光脉冲测量目标距离的一种距离测量仪。脉冲激光测距法由于激光的发散角小，激光脉冲持续时间极短，瞬时功率极大（可达兆瓦以上），因而可使激光测距系统具有方向性好，测距精度高，测程远，抗干扰能力强，隐蔽性好等优点，在军事领域得到广泛的应用。目前，激光测距系统种类繁多，大体分为脉冲测距法，相位测距法和干涉测距法三类。

脉冲激光测距法相比相位激光测距法有以下几项优点：

第一，在相同的总平均光功率输出条件下，脉冲光波型激光测距仪可测量的距离远必连续光波型激光测距仪要长。

第二，测距速度较快。

第三，不需要合作目标，隐蔽性和安全性好。

考虑以上特点和实际系统设计要满足体积小，功耗低，高重频，测距速度快等特点，本实验中我们选择脉冲激光测距法作为整体系统的测距方式。

一设计任务

通过对典型光电子信息系统—激光测距系统的设计和实现，了解常见光电子信息系统的组成，掌握典型光电子信息系统的一般设计方法，利用提供的硬件模块搭建室内模拟激光测距系统，编写单片机程序计算测距距离并显示，实现室内激光模拟测距。

二工作原理

脉冲激光测距系统的原理与微波脉冲雷达测距原理相似，在测距

点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲，光脉冲发射到目标后一小部分激光反射到测距点被光功能接收器接收。设目标距离为R，激光脉冲往返经过的时间为t，光在空气中传播的速度为c，则测距公式如下：R=ct/2。

实际脉冲激光测距机是利用时钟晶体振荡器和脉冲技术起来测定时间间隔t的。时钟即晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲振荡（T=1/f），脉冲计数器的作用是对晶振产生的电脉冲个数进行计数。如在测距机和目标之间光往返的时间t内脉冲个数为N，能带测距离R==。相对测距精度为。如图:

三系统组成及总体方案论证

脉冲激光测距系统由三部分组成：激光发射部分，激光接收部分和信号处理部分。首先由半导体激光器发射一个激光脉冲，该激光脉冲经过发射光学系统准直后射向目标（本实验中激光通过一段光纤传播），同时在主波取样透取出主波的一小部分作为参考脉冲送入接收

系统，经过光电探测器转换为电脉冲后，再经放大器放大后开启门电路，这时计数器开始计数。经过一段时间后，被目标发射回来的回波脉冲信号（本实验中是经过光纤传播后的信号）通过接收光学系统的汇聚之后，射到探测器上，经过光电转换和放大后变成电信号进入门电路，使门电路关闭，计数器停止计数。这样，从开门到关门计数器进入N个脉冲，则可测得这段光纤的长度R=Nc/2f。

原理框图如下：

原理图如下：

四各分系统工作原理及实现方案1 激光源的选取

由上两个表可以看出，脉冲激光测距系统由于应用的不同，其性能参数差别较大。用于坦克，火炮和远程激光测距机等低端军用脉冲激光测距系统测程远，测距精度不高，波长逐渐向人眼安全方向转化；装备于弹上的脉冲激光测距系统和小型激光测距雷达测距精度要比普通军用测距系统高的多。综合考虑后选定的脉冲激光参数：

波长：1064nm

脉冲形状：钟形

脉冲宽度：5~20ns

重复频率：1KHZ~25KHZ

输出孔径：8mm

束散角：0.4~1mrad

激光峰值功率：1W~20KW

接收灵敏度：级

2发射光学系统的设计

发射光学系统由准直系统，直角棱镜组和光纤耦合器组成。

1）准直系统：

由于光束输出孔径存在一定大小，且出射光束有一定发散角，这样耦合进入光纤耦合器之前，随着光束传输距离的增加，光斑尺寸将变大，所以需要进行准直。

准直系统结构图：

2）耦合器：

光束经过直角棱镜组后经耦合透镜进入单模光纤，束散角DA，光纤芯径a和耦合透镜焦距f关系：DA=a/f。所以只有光束束散角满足上式，才能被耦合进入光纤。

耦合透镜原理图：

3）整体结构

入射光束经过准直系统后，需在直角棱镜组中反射，再耦合进入光纤耦合器，其光路展开如图：

准直系统口径为D，耦合器耦合透镜有效孔径为d，准直系统与耦合器之间光束传播距离为l，光束在直角棱镜中传输距离为，束散角为，则经过直角棱镜后光斑直径d为：

3接收光学系统的设计

检测束散角及光束强度空间分布时，需要将激光光斑成像到红外CCD上，通过图像处理后计算出光斑半径，通过公式计算出束散角，在通过灰度值环带得出光束强度的空间分布信息。当待检测束散角在一定范围内时，焦距越大，CCD采集的光斑所占像元越多，这样检测的光斑半径越准确。会聚光学系统选用摄远型结构，可以缩

小光学系统结构尺寸。

会聚光学系统结构图：

4接收电路设计

1）光电探测器的选择

光电探测器是把光信号转换为便于测量的电信号，然后进行放大处理的电路，光电转换的原理是光电效应。常见的光电探测器有：光电管，PMT(光电倍增管)，硅光电池，光电二极管，APD（雪崩光电二极管），PIN光电二极管等。

在激光测距系统中，由于需要精确测量激光脉冲的飞行时间，所以对光电检测传感器的响应时间有很高的要求。另外，由于传感器接收的是反射回来的光信号，所以必须对微弱光信号敏感。根据这两点要求，可供选择的光电传感器有PMT,PIN型光电二极管和雪崩光电二极管APD。其中PMT尽管有很高的增益和较低的噪声，但体积比较大，抗外部磁场干扰差，动态响应范围较小而且需要多组电压，一般很少在脉冲激光测距系统中使用。关于PIN和APD的比较

综合以上考虑，选择APD雪崩光电二极管。

2）接收电路原理图

如图所示，高压发生电路产生高压，作为APD的工作电压。反馈回路时产生的高压稳定，不受电源电压，温度等因素的影响，同时使该高压在一定范围内可调。通过APD驱动电路，把接收到的回波光脉冲信号转换为电压脉冲信号，输入到前置放大电路。信号经过预处理，然后再经过一级放大和整形等操作，即可作为回波截止信号，送至测量单元，进行时间间隔的测量。

①APD驱动电路

如图，为高压发生电路产生的160V电压，作为APD的工作电压。

为限流电阻，保护APD,防止电流过大烧坏晶体管；C为滤波电容，靠近APD放置，滤除高压产生的杂波。输出信号为，提供给后续电路。

②高压发生电路

在APD的驱动电路中，需要用到160V的高压偏置，因此在系统中，需要用到5V的电源电压升到160V的高压发生电路。该电路中，由555振荡器组成的方波发生器，产生一定占空比的方波，控制开关

三极管的导通和截止。由于该电路产生的电压会受到电源电压，温度等因素的影响，因此为了使其产生的高压稳定，并且使高压在一定范围内可调，在高压发生电路中加入一个反馈回路，如图：

③前置放大电路

测距时，由于测量距离的远近不同，导致APD驱动电路输出的电压信号变化的幅度很大。为了得到一个幅值变化较小的信号，在前置放大电路中，选取具有自动增益控制（AGC）功能的放大器，如图。

④放大整形电路

前置放大电路输出的信号，幅度，信噪比还不足以满足测量单元的要求。为了得到足够的放大倍数和更高的信噪比，后续的信号处理还需要进行放大和整形。信号的放大处理采用同相比例运算电路，进行固定增益的。信号整形处理采用比较器MAX913，正端为输入信号，负端接电源，通过电位器调节电压，作为比较电压，提取出干净的脉冲信号，以提高测量精度。

5信号处理系统的设计

在脉冲激光测距中，由于大气湍流，跟瞄抖动，目标姿态变化等会引入对待定目标的回波信号幅度小范围的快速涨落。雪崩二极管产生的电流经过放大电路放大后最终送到电压比较器以产生计时点。同时，必须采用相应的时间鉴别技术以减小这种由于幅度的随机抖动而引入的定时误差。

时间鉴别电路主要作用是对放大电路的输出信号进行实时监测，为系统产生起始信号和同步信号。主要由高速比较器和其附属电路实现。

原理图如下：

输入的高斯脉冲信号分为两路：一路经延迟电路延迟加于高速比较器的同相输入端，另一路经衰减电路加于高速比较器的反相输入端，比较器的转态发生于两输入端之信号的相对大小改变的时刻，阈值比较器的作用是使幅度大于规定阈值的信号才能在输出端产生相应的输出信号，这样可防止噪声误触发，降低系统的虚警率。

关于延迟衰减电路的设计：

信号在经过一定的器件和传输线之后总有微小的时间延迟，高速模拟信号的延迟一般通过传输线来实现的。设计考虑采用电容和电阻组成的RC延时电路来实现信号的延迟。具体电路如下：