手持式激光测距仪的设计

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

1 前言 (3)

1.1激光测距研究及发展现状 (3)

1.2课题的研究目的和意义 (4)

1.3课题研究的内容 (7)

2 相位式激光测距技术研究 (7)

2.1相位式激光测距技术原理 (7)

2.2相位式激光测距多测尺原理 (9)

2.3差频测相原理 (11)

2.4自动增益控制原理 (12)

2.5光电探测器 (13)

3 相位式激光测距仪控制电路的设计 (18)

3.1相位式激光测距仪的整体设计 (18)

3.2光电检测器的选择 (19)

3.3APD高压偏置电路的设计 (20)

3.4温度补偿电路 (23)

3.5自动增益控制电路AGC (27)

3.6混频电路 (32)

4 相位式激光测距仪软件系统设计 (34)

5 仿真结果及分析 (35)

5.1APD高压偏置电路的仿真结果及分析 (35)

5.2自动增益控制电路的仿真结果及分析 (39)

6 结论 (42)

参考文献 (43)

致谢 (43)

附录 (48)

手持式激光测距仪的设计

摘要:本文首先介绍了相位式激光测距仪的研究背景、意义，总结和概括了激光测距的有关理论基础，并且介绍了相位式激光测距仪的测距原理，提出了测距系统的实现框图；接着围绕接收系统的性能开展深入研究，主要研究探测器件的选择，偏压电路、混频电路、自动增益控制电路的设计等问题；利用Proteus技术对APD偏压电路和自动增益控制电路进行仿真，通过仿真结果不断完善设计，并对这一设计进行研究、发展和创新，使得测距系统的测量精度得到了很好的保证及提高，降低了硬件成本，简化了控制电路。

关键词: 激光测距；雪崩二极管；相位；混频；自动增益控制

Design of Hand-held Type Laser Rangefinder

Abstract:This paper started from the background, the purposes, meanings of phase-shift laser ranging, then summarized the related theoretical basis of it. The principle of phase laser ranging and a practical ranging system is discussed. This paper concentrate on the researh of improving the porperty of receiving system. Lots of research have done on choosing detection element，design of the bias circuit and automatic gain control circuit. Then，the proteus is used for simulation of them. With the help of the simulation, the design was improved,and with the research, development and innovation of the technology, we have ensured and developed the measurement accuracy of the ranging system, reduced the cost of the hardware and simplified the control circuit.

Key Words:laser ranging; avalanche diode; phase; mixer circuit; automatic gain control

1 前言

在各个应用领域中，随着我国科学技术的日益发展，对距离量的测量要求愈来愈高。为了追求测量范围高和测量精度高的结合，人们不停的研究新的测量方法。20世纪激光技术作为最重要的发明之一与原子能、半导体及计算机齐名。三十多年来，以激光器为基础的激光技术在我国迅速发展，导致了光学及其应用技术的巨大革命。

激光与普通光源有显著的差别，所发射的光束具有一系列新的特点：激光有小的发散角，即方向性好或准直性好；激光的单色性好，即相干性好；激光的输出功率虽然有限，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。上述的激光的特点使其成为测距的理想光源，而半导体激光器功耗小、体积小、光源和调制器合为一体，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，激光具有角分辨力高、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[1]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。以上各种原因使得激光测距在测量领域得到了青睐，被迅速推广应用，使激光测距仪成为目前高精度测距最理想的仪器之一。

1.1 激光测距研究及发展现状

最早的激光测距技术应用于军事中，1961年世界上第一台激光测距机于诞生在美国休斯飞机公司，1962年第一台军用激光测距机成功地进行了示范表演，之后该公司相继研制成几种军用激光测距机在部队进行试验和鉴定，证明激光测距机可作为一种新的测距仪代替原装备的光学测距机。经过30年的发展，军用激光测距仪己经更新了两代，研制发展了三代。第一代激光测距机采用发射0.6943um红外红宝石激光器和光电倍增管探测器，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1.06um近红外钕激光器和硅光电二极管或硅雪崩光电二极管探测器,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10.6um和1.54um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年代初至今持续了近30年，国外许多大学，研究机构和公司都开展了这方面的研究工作。研究最早的是芬兰奥鲁大学电器工程系和芬兰技术研究中心，研究内容从各分系统到整机及其应用，并且与美国、俄罗斯几家著名公司联合开展了应用研究，其产品涉及工业、航天、海洋及机器人视觉等许多方面。美国有多家著名

公司开展了这方面的研究，Schwartz Electro-Optics公司为美国国家数据中心研制了激光海浪测量装置，用于无人看守的海浪测量站；为美国联邦政府高速公路管理局研制了激光自动传感系统，用于车辆速度和高度的测量。1992年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的手持式人眼安全激光二极管测距机，用于对车辆的测距和测速。近十几年来，又有关于几家美国公司开展这方面研究的报道。1996年，美国Bushnell公司推出了测距能力400m的400型LD激光测距机Yardaga400, 1997年被评为世界100项重要科技成果之一，随后又推出了测距能力500m－1000m系列激光测距机。1998年美国Tasoc公司测距能力为800码的摄像机型Laserstie LD激光测距仪。最近几年美国LaserTech、Leica等公司也相继推出测距能力1000米，精度1米的手持式望远镜测距仪。1995年以来，国际上对人眼安全的半导体激光测距技术发展十分迅速，已开展了波长在800-900nm范围内，峰值功率为10W，脉冲宽度20-50ns、重复频率1-10kHz、测量距离10m-1km的激光测距机研究[2]。

国内激光测距仪样机的研究始于20世纪80年代，是在原固体、气体激光测距仪基础上发展起来的。目前，航天科工集团八三五八所研制出测程200m，精度±0.5m，重复率100Hz的激光测距仪。中科院上海光机所1996年研制出便携式半导体激光测距仪，工作波长为800-900nm，对漫反射水泥墙的测距达100m，采用300MHz计数方式，测距精度±0.5m，重复频率1kHz。中国计量学院1999年报道信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距仪，工作波长为905nm，作用测距1km，重复频率100Hz，精度<±1m，在上海第四届科技博览会上获银奖。常州莱赛公司研制了作用距离200m、测距精度±0.5m的半导体激光测距仪。国内许多大学也在致力于对激光测量系统的研究。清华大学电子工程系多年来一直在对激光测距技术进行研究，2002年陈千颂、霍玉晶等人对激光飞行时间测距的若干个关键技术进行了总结，其中包括时间间隔测量技术、时刻判别技术以及激光相位测距的相位调制技术。2005年提出了一种新型脉冲激光测距方法，即自触发脉冲飞行时间激光测距方法，该方法有效地解决了传统脉冲激光测距法中存在的提高测距精度和缩短测量时间两者之间的矛盾。据报道2005年中南大学成功研制出激光平直度自动测量系统，达到国际先进水平、填补了国内的空白[2]。

1.2 课题的研究目的和意义

所谓激光测距是利用激光的单色性好、相干性好、方向性强等特点，实现高精度的距离测量和其它检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。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。相位式激光测距以后的章节将详

细介绍，下面对脉冲测距、干涉法测距三角测量法作一些简单介绍。

1.2.1 脉冲测距

在测绘领域中的最早应用的激光技术便是脉冲法测距。由于激光的发散角小，激光脉冲持续时间极短，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)的特点，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。脉冲式激光测距机的工作原理是利用脉冲激光器向目标发射单次激光脉冲或激光脉冲串，计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间，由此运算目标的距离。其本质是测量由发射激光到收到反射回的激光的时间差，由于反射物表面的高低不平及时间测量技术的限制，这种测距装置精度较低。

目前，脉冲激光测距在地形测量、工程测量、云层和飞机高度测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪、人造地球卫星测距、地球与月球间距离的测量等方面已得到广泛的应用。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。采用“锁模技术”[3]可以获得超短激光脉冲和极大的峰值功率输出。

1.2.2 干涉法测距

干涉测距法原则上也属于相位法测距。它与后叙的相位测距法的区别在于它不是通过测量激光调制信号的相位来测定距离，干涉测距法是基于光波的干涉原理，利用各种干涉仪测距的方法。根据光的干涉原理，两列具有固定相位差，而且有相同频率、相同振动方向或振动方向之间夹角很小的光相互交叠，将会产生干涉现象，通过测量激光光波本身的干涉条纹变化来测定距离。

由于光的波长极短．特别是激光的单色性高，其波长值很准确，所以利用干涉法测距的分辨率至少为半波长，精度为微米级。利用现代电子技术还可以把干涉条纹细分到1%，因此干涉法测距的精度是任何其他测距法无法比拟的。激光的单色性使其光波带宽极窄，增加了光的相干长度，从原理上测程将大大提高。然而，由于这种方法只能测量反射镜的动态位移量，所以它仅用于测量相对距离，而不能测量绝对距离。因此这种测距技术的使用仍然有局限性。

1.2.3 三角测距法

将被测物面、激光光源及接收系统摆放在三个点，构成三角形光路，激光光源发出的光束经透镜聚焦照射到被测物面上，光线由物面散射，一部分被光电接收系统接收。为了能使光敏面清晰成像，在其前方加一聚焦镜头。如果物面发生移动，可根据三角形相似原理求出光敏面上光斑的移动。反过来，如果知道光敏面上光斑的移动量也可求出物面的移动量[3]。这即为三角测距法。

激光三角测距法适合于中近距离的测量，被广泛应用于物体的表面轮廓、宽度、厚度、位移及振动的测量。在实时动态测量中三角法由于其原理简单，构造容易，也被广泛采用。

1.2.4 相位式激光测距法

相位法激光测距是用连续调制的激光光束照射被测目标，通过测量光束往返中产生的相位变化，换算出被测目标的距离。具体的测距原理我们将在第二章进行讲述。相位式激光测距比较适合于较大距离的测量，在采用合作目标反射器，多把尺的情况下，可实现高精度的远距离测量。

1.2.5 激光测距的优点

由于激光光束具有下列特点：激光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，但光束细，功率密度很高，一般的激光亮度远比太阳表面的亮度大。因而激光测距仪也就有如下优点：

1、测距精度高

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。战术激光测距仪的误差在5m以内，科学实验的测距仪精度更高，例如，在月球上安装角反射器（合作目标），最好的测距记录是384401km，误差仅为10cm[3]。

2、体积小，重量轻，携带方便

军事上装备的激光测距仪，重量一般为10kg左右，最小的只有0.36kg，体积只有香烟盒那么大，激光由于方向性好，所以可以发射极窄的光束[3]。

3、分辨率高，抗干扰能力强

窄的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，例如在导弹的初始阶段，微波测距由于严重的地波干扰而不能使用，激光测距却能得心应手[4]。

目前，在工业生产中，高精度激光测距仪是解决在实际测量中需要人工跑尺，以及在人无法到达的地方进行安全测距工作的有效方法之一。小型、低价、省电、对人眼安全、无合作目标的高精度激光测距仪系列产品具有迫切的市场需求和广泛的应用前景。

目前空间目标距离的激光测量主要使用脉冲式激光测距方法和相位式激光测距方法。脉冲式激光测距是根据发射波信号与回波信号之间的时间间隔，即通过测量激光脉冲从激光器到待测目标之间往返时间t，来进行距离测量的，激光的传播速度很快，

而目前高频的脉冲产生电路和计时电路存在着技术瓶颈，测距的分辨率只能达到厘米级，在短距离测量时其精度无法满足当前的需求。相位式激光测距是用连续波对激光进行调制，距离信息就隐含在从目标物反射回的调制光波的相位信息中。测出发射与接收光波之间的相位差，通过适当的换算，即可得到待测距离的实际值。在高频连续波的调制下其测距精度可以达到毫米级以下，且硬件实现简单，具有很好的方向性和功率,发展潜力比较大，逐渐成为短量程高精度测距的主要研究方向。当代电子技术的发展，使得对相位差的测量可能达到非常高的精度，故而相位法测距成为激光测距中的首选[5]。

虽然半导体激光测距机具有结构简单、体积小、重量轻、低成本、高重复频率、高效率等特点，在中、近程测距方面有明显优势，但是由于输出能量低而使得测程偏低，因此，提高测程是半导体激光测距系统急待解决的问题。提高半导体激光测距接收系统的性能是解决该问题的有效方法之一。因此本课题的研究具有重要意义。

1.3 课题研究的内容

课题要求设计基于单片机的手持式激光测距仪，目的是实现距离的测量。设计的技术参数具体为：称量距离范围0～ 50m ，精度在2cm 左右。设计的主要内容如下：

1.电源电路设计

目的是为系统提供可靠稳定的电源。

2.激光测距方式选择的电路设计

3.系统抗干扰设计

根据课题的要求本设计采用相位式激光测距法来实现上述技术要求。

2 相位式激光测距技术研究

相位法测距是光电测距的主要方式之一，也是目前测距精度最高，应用最广泛的一种测距方法。相位法激光测距利用发射的调制光和被测目标反射的接收光之间光强的相位差包含的距离信息，来实现对被测目标距离的测量，由于采用调制和差频测相等技术，具有测量精度高的优点，广泛用于有合作目标的精密测距场合。

2.1 相位式激光测距技术原理

相位式测距，就是间接地测出发射与接收光波之间的相位差φ，以代替测定时间t ，从而得到待测距离的实际值D ［５］。

光在大气中以速度c 传播，在A 、B 两点间往返一次所需要的时间与距离的关系为

ct D 2

1 （1）

式（2.1）中:D —待测两点A 、B 间的直线距离

C —光在大气中的传播速度

t —光往返AB 一次所需要的时间

由上式可知，距离测量的可以转化为对光在AB 之间传播时间的测量。由于对时间测量不够精确，所以将对间的测量转化为对相位差的测量，相位差的测量可以达到很高的精度，从而使距离的测量也达到了很高的精度。

设载波频率为f 的调制光波，在待测距离AB 上往返的时间为t 2d ，其相移为Φ。图1是其波形展开图。

图1在AB 间传播的正弦波展开图

Fig. 1 The sine wave of transmission expansion graph between AB

设在起始时刻t 1发射的调制光光强为

)s i n (101φω+=t A I （2） 接收时刻的调制光的光强为

)s i n (2021φωω++=d t t A I （3） 则发射时刻与接收时刻的相位差为

d d ft t 222πω==Φ （4） 时间差为

f

t d π22Φ=

（5） 代入可得测距方程为

)()2(222121N N Ls N f c ct D ?+=?+=Φ==πφλπ （6）