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1、相位激光测距仪方案设计学生姓名 专业学号指导教师 学院二O六年十一月摘要随着半导体激光器、数字信号处理、精密机械等领域技术的飞跃发展，激光 测距仪向着高精度、便携、高速，数字化的方向不断进步。本论文先介绍了激光 测距的几种测距方法原理以及国内外现状，着重介绍了相位法测距原理，在这基 础上设计了基于相位法测距原理的总体方案。论文从发射系统和接受系统对总体设计进行了阐述，探讨了激光器选择，光 电探测器的选择，光电接受电路，放大电路，混频电路等电路的设计，系统采用 了激光二极管作为激光发射器，雪崩二极管作为光电探测器并对系统进行误差分 析，最后进行总结和发现不足之处。关键词 ：激光测距，相位式激光测
2、距，光电检测，误差分析目录一绪论31.1 引言31.2激光测距31.2.1激光测距简介31.2.2激光测距方法31.3激光测距的优点61.4 国内外研究现状61.5 论文研究内容及章节安排7第二章相位激光测距原理以及总体方案72.1 相位激光测距原理72.2 测相原理92.3 系统整体方案设计10第三章 系统设计部分的选择113.1 发射部分113.1.1 激光器的选择113.1.2激光二极管的工作原理113.1.3 调制发射部分113.2 接受电路部分123.2.1 光电探测器的选择123.2.2 雪崩二极管工作原理133.3光电接受电路设计133.3.1 光电接收电路133.3.2 放大电
3、路设计133.3.3 自动增益控制电路143.4 其他需要考虑的电路部分143.4.1 混频部分143.4.2 后级放大电路15第四章相位式激光测距仪误差分析154.1 元器件的稳定性164.2 频率误差164.3 电路系统误差174.4 光电探测器噪声引起的误差174.5 光学误差18第五章 总结和展望18参考文献20一绪论1.1 引言激光具有单色性好、方向性强、亮度高等特点。现已发现的激光工作物质有 几千种，波长范围从软X射线到远红外。激光技术的核心是激光器，激光器的 种类很多，可按工作物质、激励方式、运转方式、工作波长等不同方法分类。根 据不同的使用要求，采取一些专门的技术提高输出激光的
4、光束质量和单项技术指 标，比较广泛应用的单元技术有共振腔设计与选模、倍频、调谐、Q开关、锁模、 稳频和放大技术等。激光被广泛应用是因为它的特性。激光几乎是一种单色光波，频率范围极窄， 又可在一个狭小的方向内集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料 进行打孔。以红宝石激光器为例，它输出脉冲的总能量不够煮熟一个鸡蛋，但却 能在3毫米的钢板上钻出一个小孔。激光拥有上述特性，并不是因为它有与别的 光不同的光能，而是它的功率密度十分高，这就是激光被广泛应用的原因。12激光测距121激光测距简介激光测距技术，是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪 在工作时向目标射出一束很细的激光，由
5、光电元件接收目标反射的激光束，计时 器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪 重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之 一到数百分之一。它是在军事上最先得到实际应用的激光技术。122激光测距方法激光因其具有良好的单色性、方向性、相干性，在测距中能实现大量程、高 精度的测量，主要应用于长度、速度、距离、角度等各种测量中。激光测距的方 法有很多种，有的方法适于微位移测量，有的方法适于大量程测量，有的方法适 于高精度测距，下面就对各种激光测距方法分别作以简单介绍1。1）脉冲测距光以速度c在大气中传播、在A, B两点间往返一次所需时间与距离的
6、关系可表示为式(1.1)中，D为待测两点A, B间的直线距离，c为光在大气中传播的速度, t为光往返AB 一次所需时间。脉冲式激光测距原理基于光的传播速度为恒量C。激光器发射光脉冲通过光 学透镜照射到待测目标上，通过目标的漫反射再由接光学透镜接收，经过光电转 换器件转变为电信号并经过信号调理电路后，再经软件运算直接测得光往返一次 所需时间，然后计算出距离并显示。当使用脉冲法测量距离时，一般测控误差比较大,但是其测量的距离比较长, 所以一般应用在测量距离比较远，也有一定的盲区，如果要减少这个盲区，就需 要减少脉冲宽度，所以要求测量精度不高的测距系统中可以使用此种方法。2) 三角法测距三角法测距是
7、将激光的发光源、被测物体的反射表面和光电接收系统构成一 个三角形的光路系统2。该测距系统结构简单切容易实现，因此在实际中有较 广的应用，尤其是在高方向性、高单色性、高亮度的激光问世以后，再加上最新 的光电扫描技术和光电探测器的逐步发展以及采用微机控制与新的信息处理技 术相结合的方式，使三角法激光测距得到更多的应用，三角法测距原理图如图 1.1所示。图1.1三角法测距原理图3）干涉法测距根据光的干涉原理，利用干涉仪进行距离测试。在原理上，干涉法激光测距 也是相位式激光测距中的一种，但在原理上它不是通过对激光调制信号相位差的测量来完成测距的，而是通过对没有经过调制的自身光波的相位迭加来进行测距 的
8、。干涉法激光测距的原理图见图1.2所示331L51-激光器 2-分束器3-反射透儘4-反射養 看光电探测器图1.2干涉法激光测距原理图干涉法激光测距系统中采用的激光波长很短，又因激光具有很好的单色性， 其波长精度很高，所以此方法的分辨率最少可以达到半个波长，精度可达微米级。 干涉法激光测距的高精度是任何其他激光测距方法都无法比拟的。目前，干涉法 激光测距以其具有的精度高的独特性质，在地壳变形的测绘、预报地震与火山以 及地下爆炸的侦查中得到了实质性的应用，但是因为干涉法激光测距系统测出的 距离仅为相对距离，所以该方法的应用不是很广泛。4）相位法测距相位法测量距离的时候，是利用光发射机发射出一个携
9、带正弦波的光束， 再通过光接收机接收经被测物体反射回携带正弦波的光束，我们只需要测量调制 到发射机上的正弦信号与接收机解调出来的正弦信号的相位差，通过此相位差可 以计算出要测量的距离;原理详见第二章。13激光测距的优点由于激光器与普通光源有显著的区别，它利用受刺激发射原理和激光腔的 滤波效应，使所发光束具有一系列特点:激光有小的光束发散角，即所谓的方向 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度，但光束细，所以功率密度很高，一般的激 光亮度远比太阳表面的亮度大。因而采用激光器做光源的测距仪也就有一些优于 其他测距仪的特点1）测距精度
10、高高精度是激光测距最大的一个优点，激光测距的误差仅仅取决于仪器的精度, 与实际操作者的操作和被测距离都无关。通常，战术激光测距仪的误差一般在 5m以内，科学实验用到的测距仪精度更高。2）测距仪体积小重量轻小型化重量轻是测距设备的一个重要特点。在军事装备上的激光测距仪 体积小巧，只有普通手机那么大，重量只有10kg，而最小测距仪的重量仅有 0.36kg 。3）分辨率高，抗干扰能力强要求一定的分辨率和具备足够的抗干扰能力是设备必须达到的技术指标，激 光所具有的的窄光束和短脉冲宽度的特点，不但大大提高了微波的横纵双向的目 标分辨率，而且还使得其不会受到电磁波和地波的干扰。例如，在导弹的初始阶 段，微
11、波测距由于受到地波的严重干扰，使其不能得到应用，而激光却能在此发 挥良好的作用。1.4内外研究现状目前，瑞士、美国等国家相位式激光测距仪发展比较迅速，如瑞士的DISTO 系列采用了相位式测距原理，测距精度达到了 1mm左右。相位式测距在全站仪上 应用的也很多，如索佳SET10K全站仪，采用单棱镜测距测程为2700m，精度达 2mm，采用三棱镜测距测程3100m，精度为2mm。但最近凡年国内一些大学及研究 机构都在研究提高相位式激光测距的手段。目前，国内己经有很多厂家生产激光测距仪，有良好的性价比优势，但是相 对于国外，小型化、低功耗、多功能的半导体激光测距仪，由于国内技术相对落 后，光学加工和
12、集成电路设计等还无法与发达国家相比，因此，在性能和精度上均落后于国外的激光测距仪。1.5 论文研究内容及章节安排本文分析了几种激光测距方法的特点，提出了一种成本低、精度高、速度快、 结构简单、近距离的相位激光测距仪系统。论文的主要工作包括：第一章:主要介绍本论文的研究背景和常见的激光测距方法，以及阐述了激 光测距技术的国内外的研究现状。第二章：主要介绍相位式激光测距基本工作原理，提出了本课题设计要求和 系统的总体方案设计。第三章：介绍系统各部分的选择。第四章：误差分析。第五章：对课题做了总结和展望，提出设计中可能存在的问题及改进方法。第二章相位激光测距原理以及总体方案2.1 相位激光测距原理假
13、设己调激光信号穿过的距离为D,光在大气中的传播速度为c,调制波在 距离D上的往返时间为t,那么距离D可表示为4.将调制波按照往返的距离在测线上展开,如图2.1所示。由图可以明显看出调制波最后回到收发点时的相位超出了出发时相位的角，这时有(2.2)-2n/t其中，f表示调制波的频率。图 2.1 相位式距离测量原理图将(2.1)与(2.2)两式相结合，那么就有1 I )=11_L2 2 2帧(2.3)其中，表示调制波的N个整周期再加上不到一个整周期的尾数申，那么(2.3)式可表示为:式中，N是目前无法得知的。由式(2.4)可知，在给定频率fo条件下，想要得到被测距离D,需要确定整 尺数N和不足整周
14、期的余数申。相位式激光测距中相位差计算是用鉴相器完成 的，对于鉴相器，只能求出不足2n的相位余数申，而整周期数N不能确定，因 此，当被测距离大于最大可测模糊距离时，式2.4中会产生多值解的问题，所以， 当距离大于最大可测模糊距离时，仅仅使用一把测尺是无法测出被测距离D的, 只有当被测距离小于最大可测模糊距离时，方可确定距离。因此采用较低频率的 测尺来测量整周期的个数N,也就是测量路程的大概范围，再采用一个较高频率 的测尺来计算确定尾数申，这样就解决了高精度和大测量路程之间的矛盾。要 想保证所测量距离结果的单一性，就必须满足:2.2 测相原理相位式激光测距仪中测距光波被接收以后通过测量相位差来计
15、算光波飞行 时间，因此相位测量是测距仪中关系到测距精度的一个关键部分。主要的数字相 位测量方法有以下几种:自动数字测相、欠采样同步检测法、向量内积法。1）自动数字测相随着半导体，集成电路和数字计算技术的发展，自动数字测相，进入了一个 新的阶段。自动数字测相方式速度快、精度高、而且便于实现速度的测量。自动 数字测相方式电路较平衡式移相一鉴相法复杂，成本较高。目前在各种短程测距 仪中己普遍采用，而中程测距仪也正朝这个方向发展。自动数字测相的原理框图如图 2-2 所示：图2. 2自动数字测相的原理图采用自动数字测相法时，由于测距精度受大气抖动、接收电路噪音等的影响， 造成测距结果误差，降低测距精度。解决这一问题的方法是在检相电路中增加一 个闸门时间Tg，在Tg内取多次（其次数可为几百到几万次检相的平均值，作为 检相结果。最后得到误差很小的检相结果。由于相位式激光测仪的测距要求精度 比较高，测距光波的调制频率比较高，因此直接进行相位测量，则对器件的要求 比较高，现在一般都采用混频的方式与数字检相
