激光测距仪的设计共92页文档
激光相位测距仪设计说明
课程设计报告（2014—2015年度第一学期）题目：激光相位测距仪设计院系：物理与电子信息工程学院姓名：学号：专业：光信息科学与技术指导老师：2015年01月03日目录1.设计目的与任务 (4)2.相位式激光测距仪的实现原理 (5)3.激光测距仪的原理方案 (6)3.1 直接测尺频率 (6)3.2 间接测尺频率 (7)4.测距精度的分析 (9)4.1 误差分析 (9)4.2精度分析 (10)5.总结 (12)6.参考文献 (12)1.设计目的与任务课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次专业训练。
通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计打下基础。
1、进一步巩固和加深学生所学的专业理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；2、培养学生独立分析和解决工程实际问题的能力；3、培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨的工作作风。
光电子技术基础课程设计是在学生已经完成光电子技术基础课程教学之后所进行的综合性设计过程。
其意义在于进一步巩固、加强课程的教学效果，并将这些知识真正应用于实际的设计过程中。
根据设计容要求，完成方案论证，完成一类光电仪探测器特性实验测试开发；或利用光电探测器设计测试装置针对一物理量进行测量；或利用光电系统进行信息的传输;或能根据工程条件设计一光电技术的具体应用。
写出完整的设计报告，设计报告(论文)字数要求不少于3000字，文字通顺，书写工整。
2.相位式激光测距仪的实现原理相位测量一般采用差频测相技术。
差频测相的原理如图2.1所示2.1差频测相原理图示设主控振荡器的信号为cos()d s s e A t ωϕ=+ 2-1经过调制器发射后经2L 距离返回光电接收器，接收到的信号为cos()ms s s e A t ωϕ∆ϕ=++ 2-2ϕ∆表示相位变化。
设基准振动器信号为cos()l l l e C t ωϕ=+ 2-3把l e 送到混频器分别与d e 和ms e 混频，在混频器的输出端得到差频参考信号r e 和测距信号m e ，他们可分别表示为cos[()()]r s l s l e D t ωωϕϕ=-+- 2-4cos[()()]m s l s l e E t ωωϕϕ∆ϕ=-+-+ 2-5 用相位检测电路测出这两个混频信号相位差'ϕϕ∆=∆。
激光相位测距仪设计
课程设计报告（2014—2015年度第一学期）题目：激光相位测距仪设计院系：物理与电子信息工程学院姓名：学号：专业：光信息科学与技术指导老师：2015年01月03日目录1.设计目的与任务 (3)2.相位式激光测距仪的实现原理 (4)3.激光测距仪的原理方案 (6)3.1 直接测尺频率 (6)3.2 间接测尺频率 (6)4.测距精度的分析 (9)4.1 误差分析 (9)4.2精度分析 (10)5.总结 (12)6.参考文献 (12)1.设计目的与任务课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次专业训练。
通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计打下基础。
1、进一步巩固和加深学生所学的专业理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；2、培养学生独立分析和解决工程实际问题的能力；3、培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。
光电子技术基础课程设计是在学生已经完成光电子技术基础课程教学之后所进行的综合性设计过程。
其意义在于进一步巩固、加强课程的教学效果，并将这些知识真正应用于实际的设计过程中。
根据设计内容要求，完成方案论证，完成一类光电仪探测器特性实验测试开发；或利用光电探测器设计测试装置针对一物理量进行测量；或利用光电系统进行信息的传输;或能根据工程条件设计一光电技术的具体应用。
写出完整的设计报告，设计报告(论文)字数要求不少于3000字，文字通顺，书写工整。
2.相位式激光测距仪的实现原理相位测量一般采用差频测相技术。
差频测相的原理如图2.1所示2设主控振荡器的信号为cos()d s s e A t ωϕ=+ 2-1经过调制器发射后经2L 距离返回光电接收器，接收到的信号为cos()ms s s e A t ωϕ∆ϕ=++ 2-2 ϕ∆表示相位变化。
设基准振动器信号为cos()l l l e C t ωϕ=+ 2-3把l e 送到混频器分别与d e 和ms e 混频，在混频器的输出端得到差频参考信号r e 和测距信号m e ，他们可分别表示为cos[()()]r s l s l e D t ωωϕϕ=-+- 2-4cos[()()]m s l s l e E t ωωϕϕ∆ϕ=-+-+ 2-5 用相位检测电路测出这两个混频信号相位差'ϕϕ∆=∆。
激光测距仪系统设计
2、纲要 激光测距仪系统设计
整体 设计 方案
系统 硬件 部分
性能 要求
技术 特点
单激 片光 机发 的射 选部 型分
回信 波号 接处 收理 部部 分分
系统 软件 设计
机械 结构 设计
发 接信 射 收号 程 程处 序 序理 设 设程 计 计序
外支测 部架距 整结仪 体构外
型
3、 创新思路
• 1．根据相位式激光测距原理，采用测尺组合频率和差频测相的 方法完成测量，提高测量精度。
• 2. 提高整体的稳定性，降低消耗。 • 3. 采用模块形式提高电路的分辨率，克服电路系统中各个频率
的干扰。 • 4. 优化系统结构，采用支架式结构避免测量时系统晃动现象的
产生。
驱动L1
+
锁相产生 15.01MHz信号 作为本振1
15MHz有源晶 振信号作为主 振1
4、设计原理图
CPLD分频产 生1.5MHz信号 作为主振2
锁相产生 1.501MHz信号 作为本振2
光电转换器
1.5MHz回 波信号滤 波放大
15MHz回波 信号滤波放 大
混频器1
混频器2
10KHz滤波 放大
10KHz滤波 放大
正弦波变方 波
正弦波变方 波
用CPLD测量 15MHz信号发 射波与回波的相 差
混频器3
10KHz滤波 放大
正弦波变方 波
混频器4
激光测距仪系统设计
System Design of a Laser Range Finder
专 业： 学 号： 姓 名： 指导老师：
1、背景
• 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。脉冲式激光测距法主要是运用于长距离 的测量，但其精度不高。而相位测距法主要运用于短距离的测 量，但其测程较短。本设计采用多测尺测量法解决了测程和精 度的矛盾。
激光测距系统的设计
一 、引言
随着激光技术的发展 ,激光的应用越来越广泛 , 尤其是在军事上 ,激光测距机的诞生 ,对军队的作战 和训练等产生了革命性的影响 。在激光测距机出现 以前 ,坦克炮 、地炮 、高炮和舰炮等通常用光学测距 机测距 。光学测距机无论是合象式的还是体视式 的 ,其测试精度随距离而变化 ,测程越远 ,精度越差 , 操作也比较复杂 , 而且仪器的体积受基线长短的限 制 。针对上述光学测距存在的问题 , 本文设计了激 光测距光学系统 。该系统突出的优点是 : (1) 测距精 度高 ,并且与测程远近无关 ; (2) 仪器体积小 ,测距迅 速 ; (3) 便于数字信息处理 ; (4) 角分辨力高 , 抗干扰 能力强等 。
输出功率 15mW
重复频率 90pps (每秒钟的周期数或脉冲
数)
接收探测器 硅雪崩光电二极管
接收镜孔径 18～100mm
四 、应用与展望
随着激光 、红外 、电视 、微光 、光纤 、多光谱和全 息等现代光学技术的不断发展以及它们与电子技 术 、计算机技术等日益密切的结合 ,使得光电子技术 在侦察 ,测距 、火控 、导航 、制导 、指挥 、控制 、通讯等 军事领域的应用日益广泛 。精确测距 、精确制导的 导弹 、炮弹和炸弹等武器 ,攻击目标广 ,命中精度高 , 是现代战争中的重大威胁力量 。预计激光测距以及 激光武器将是未来战略威胁力量的一个重要组成部 分。
激光测距系统进一步发展的主要环节应该是以 下几个方面 :一是大视场 ;二是由于激光束的漂移 , 加之激光束的发散角极窄 ,因而难以捕获目标 ,为此 必须解决激光束稳定问题 , 所以采用高稳定度的 CO2 激光器 ;三是频移调制器 ;四是快速扫描的双轴 机械扫描器 。
参考文献
[ 1 ] 张承铨. 国外军用激光仪器手册. 兵器工业出版社 ,1989 [ 2 ] Dang K V , Kauff man1CL ,Derzko ZI1SPIE ,1992 ,1686 [ 3 ] 贺安之 ,阎大鹏. 激光瞬态干涉度量学. 机械工业出版社 ,1993
激光测距仪课课程设计
激光测距仪课课程设计一、教学目标本节课的教学目标是让学生掌握激光测距仪的基本原理、结构和使用方法。
知识目标包括了解激光测距仪的工作原理、掌握其构造特点和熟悉其使用技巧。
技能目标则要求学生能够独立操作激光测距仪，进行实际测量并准确读取数据。
情感态度价值观目标则是培养学生的实践操作能力，提高他们对科学技术的兴趣和好奇心，增强他们的创新意识和探究精神。
二、教学内容本节课的教学内容主要包括激光测距仪的原理、构造和使用方法。
首先，学生需要了解激光测距仪的工作原理，包括激光发射、接收和信号处理等方面。
其次，学生要掌握激光测距仪的构造特点，如激光器、接收器、显示器等部件的功能和作用。
最后，学生要熟悉激光测距仪的使用方法，包括仪器的设置、测量操作和数据读取等步骤。
三、教学方法为了实现本节课的教学目标，我们将采用多种教学方法。
首先，通过讲授法，向学生讲解激光测距仪的基本原理和构造特点。
其次，利用讨论法，让学生分组讨论激光测距仪的使用方法和操作技巧，促进学生之间的交流与合作。
此外，我们还将采用案例分析法，通过分析实际案例，使学生更好地理解和应用所学知识。
最后，结合实验法，让学生亲自动手操作激光测距仪，进行实际测量，提高他们的实践能力。
四、教学资源为了支持本节课的教学内容和教学方法的实施，我们将准备以下教学资源。
首先，教材和参考书，为学生提供理论知识的学习材料。
其次，多媒体资料，如教学PPT、视频等，为学生展示激光测距仪的工作原理和操作方法。
再次，实验设备，包括激光测距仪、测量工具等，为学生提供实践操作的机会。
最后，网络资源，如相关、论坛等，为学生提供更多的学习资源和交流平台。
五、教学评估本节课的教学评估将采用多元化的评估方式，以全面、客观、公正地评价学生的学习成果。
评估方式包括平时表现、作业、考试等。
平时表现主要考察学生的课堂参与度、提问回答、小组讨论等，占总评的30%。
作业主要包括课后练习和实验报告，占总评的30%。
课程设计脉冲激光测距仪
外设接口设计
设计必要的外设接口，如按键、显示屏、通信接口等，以便于用户操作和数据显示。
软件编程
编写控制程序，实现测距仪的初始化、参数设置、数据采集、数据处理和结果显示等功能。
微控制器选择
根据测距需求和预算，选择合适的微控制器，如STM32、Arduino等。
04
CHAPTER
脉冲激光测距仪软件设计
脉冲接收
控制与显示系统
发射光学系统
将激光脉冲聚焦并导向目标，包括准直透镜和发射镜等。
光电探测器
将接收到的光信号转换为电信号，通常采用雪崩光电二极管或PIN光电二极管等。
信号处理电路
对电信号进行放大、滤波和数字化处理，以便后续的距离计算和显示。
产生短促、高强度的激光脉冲，通常采用半导体激光器或固体激光器。
实现基本测距功能
要求学生所设计的脉冲激光测距仪应达到一定的性能指标，如测量范围、测量精度、分辨率等。
性能指标要求
要求学生完成实验报告，包括设计原理、制作过程、实验结果分析和结论等，并进行答辩，展示设计成果和实验效果。
完成实验报告和答辩
02
CHAPTER
脉冲激光测距仪基本原理
通过测量激光脉冲从发射到接收的时间差来计算距离。
激光器
接收光学系统
接收反射回来的激光脉冲，并将其聚焦到光电探测器上，包括接收镜和聚焦透镜等。
控制测距仪的工作状态，显示测量结果，通常采用微处理器和液晶显示屏等实现。
03
CHAPTER
脉冲激光测距仪硬件设计
根据测距需求和预算，选择合适的激光器，如固体激光器、半导体激光器等。
激光器选择
设计合适的驱动电路，以提供稳定的电流和电压，确保激光器正常工作。
激光测距机的设计
激 光 发 射 机 组 成 。当 系 统 发 出 发 射 指 令
我 所 选 择 的 驱 动 器是 由Ｍ Ｉ ＣＲＥＬ公司 生产 片。 效应、 探 测 灵敏 度 高 的 优 点 ， 而 且 其更 适 合
用于 远程 测 距 ， 在本 系 统 中即为 远 距 测距 ， ５ ２ 的一 款 高 效率 的驱 动 芯 所 以我 们 在 此 选 用 ＡＰ Ｄ 光 电二 极 管 作 为探 ４ ． ３ 前置 放 大器
中图分类号 ： Ｔ Ｎ ２ ４ ９
文献标 识码 ：Ａ
大 电路 。
文章 编号： １ ６ ７ ４ — ０ ９ ８ Ｘ （ ２ ０ １ ４ ） Ｏ ｌ （ ｂ ） 一 ０ ０ ６ ６ — ０ １ 对 于光电二极管的选择 ， 我们 对 其 的 要 求 就 是 其 对 发 射 单 元 发 射 出 的 光源 波 长 范 围
处理 速度能够达 到 ４ ｌ Ｍ Ｉ Ｐ Ｓ，片 上 自 带 ６ ２ Ｋ Ｂ的 Ｆｌ ａ Ｓ ｈ存 储 器 和 ８ Ｋ Ｂ的
ＳＲ Ａ Ｍ 。
而 能够 驱 动 激光 器发 射 激 光。 为了提 高 系统 换 器与Ｐ Ｉ Ｎ转换 器相 比 较 ， 具 有 载 流子 倍 增 可靠性 ， 应 选 用集 成 电路 来 作为 驱动 部 分。
统 能 够 进行 高速 测 量 和 数 据 采集 ， 在 本 ３ 的 工作 场 合完 成 光 电任务 。 然 后 二者 又有 很 ． ３ 系统 的 驱动 电路 单元 系统 中， 我 们 选 择 的 是 Ａ ＲＭ７ ＴＤＭ １ 的 系统 的 驱 动 电 路 包 括 电源 单 元 、时 基 大 的 区别 ， Ｐ Ｉ Ｎ型 光 电二 极 管每 吸 收一 个 光
２ 系统 控 制 单元
雪崩 （ ＡＰ Ｄ ） 光 电 二极 管 和 Ｐ Ｉ Ｎ型二 极 功 的 避 免了上述 的问 题 ， 同时 能 够 满 足系统 为 了 提 高 系统 的 测 量 精 度 ， 就 需 要 系 精 度的 要求 。 管 都 是 光 电转 换 器 件 ， 二 者 都 可 以在 特 定
激光测距仪的设计
分类：工业控制类（TMS320C2000），低功耗类 （ TMS320C55x ），浮点类（ TMS320C67x ）， 高速类（ TMS320C64x）
选择原则：应用场合、算法的复杂度、功耗的要求
西安电子科技大学 综合开发应用实验室
单元电路设计—微处理器的选择
常用处理器分类及其特点: CPLD、FPGA：
V170~45来自81~2（低） 3．5~11
静态电流 （μA）
0．25~5
响应速 度
20ns
西安电子科技大学 综合开发应用实验室
单元电路设计—小信号放大
常用模拟开关--CD4051 特性：单刀多掷，模数信号均能传输，300欧姆，600ns
西安电子科技大学 综合开发应用实验室
单元电路设计—小信号放大
数控电位器
分类：按键式和串行总线式，其中串行总线控制又分为三 线控制、I2C接口控制和SPI接口控制。
西安电子科技大学 综合开发应用实验室
单元电路设计—小信号放大
数控电位器—x9c102/ x9c103/ x9c503/ x9c104 特性：三线控制，100档可调