激光測距系統(tǒng)設計.doc

本 科 生 畢 業(yè) 設 計（論 文）開題報告題目： 激光測距系統(tǒng)設計 姓 名： 黃俠 學 號： 201006060118 指導教師： 呂岑 班 級： 光信101 所在院系： 電氣與信息工程學院 課題名稱激光測距系統(tǒng)設計課題來源科研課題課題類型工程設計類指導教師呂岑學生姓名黃俠學 號201006060118專 業(yè)光信息科學與技術1、 課題的意義以及國內外發(fā)展狀況：課題的意義：激光與普通光源有顯著的差別，它利用受激發(fā)射原理和激光腔的濾波效應，使所發(fā)射的光束具有一系列新的特點：激光有小的發(fā)散角，即所說的方向性好或準直性好;激光的單色性好，即相干性好，激光的輸出功率有限，但是功率密度很高，一般的激光亮度要比太陽表面的亮度大。在激光問世以前，人們沒有什么辦法來獲得強相干光。激光技術出現(xiàn)后，很快被應用到各種測量(大地測量、地形測量、工程測量、航空攝影測量以及人造地球衛(wèi)星的觀測和月球的光學定位等航天測量)中。與此同時，現(xiàn)代電子技術的飛速發(fā)展和光電器件性能的不斷提高，使激光測距儀成為距離測量的主要儀器之一。與其它測距技術相比，激光具有角分辨率高、抗干擾能力強，可以避免微波貼近地面的多路徑效應和地物干擾問題，并且具有天線尺寸小、質量輕、結構小巧、和安裝調整方便等優(yōu)點，激光測距儀是目前高精度測距最理想的儀器之一。由于以上各方面的原因，使得激光測距在測量領域得到了青睞，并被迅速推廣。激光測距儀的研究應用在國民經(jīng)濟和國防建設中具有非常重要的意義。激光測距的精度與操作者的經(jīng)驗和被測距離無關，誤差僅取決于儀器本身的精度。用激光測距對衛(wèi)星進行精密測軌，精度已達l cm，日本用于預防地震的長距離監(jiān)測系統(tǒng)，全程84 km，誤差小于l mm。軍事上裝備的激光測距儀，重量一般為10 kg左右，最小的只有0.36 kg，體積只有香煙盒那么大，激光由于方向性好，所以可以不用巨大的天線就可以發(fā)射極窄的光束。激光測距不僅分辨率高，而且具有抗干擾能力強的窄光束和短的脈沖寬度，不僅使橫向和縱向目標分辨率大大提高，而且不受電磁干擾和地波干擾。由于激光與激光測距技術很多優(yōu)點的存在，本課題意在研究出相位法激光測距的光學系統(tǒng)。國內外發(fā)展現(xiàn)狀：國外發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀中期，激光測距機是激光器在軍事上最早應用的項目。世界上第一臺激光測距機于1961年誕生在美國休斯飛機公司，稱為柯利達I型.經(jīng)過30年的發(fā)展，軍用激光測距機已更新了兩代，研制發(fā)展了三代。第一代激光測距機采用發(fā)射0. 6943,cun紅外紅寶石激光器和光電倍增管探測器，是最早問世的激光測距機.20世紀70年代初期少量裝備部隊，如美國的AN/GVS-3、日本的70式，因其隱蔽性差、效率低、體積大、重量重、耗電多，很快便被第二代激光測距機取代。第二代激光測距機采用發(fā)射1. 06,tnn近紅外欽激光器(主要是Nd:YAG激光器，少數(shù)為欽玻璃激光器)和硅光電二極管或硅雪崩光電二極管探測器。第二代比第一代隱蔽性好、效率高、小巧、耗電少，因此第二代激光測距機的小型化研制進展迅速。第三代激光測距機，即人眼安全的激光測距機。目前已研制成工作波長為10. 6m 和1. 54m的三種不同類型的各種型號的人眼安全激光測距機，己進入生產(chǎn)和應用階段。與此同時，激光測距技術也逐漸應用到民事領域。從20世紀70年代初至今的近30年，國外許多大學、研究機構和公司也開展了這方面的研究工作。國內發(fā)展現(xiàn)狀 我國激光測距儀的研究始于20世紀50年代，是在原固體、氣體激光測距機基礎上，發(fā)展起來的。目前，基礎技術已具備，主要是解決工程應用的問題，開發(fā)各種應用產(chǎn)品。1972年，北京光學儀器廠與武漢地震大隊等聯(lián)合研制成國內首臺JCY-1型精密氣體激光測距儀，1974年研制出了JCY-2型激光測距儀，測程為15-20km,測距精度(10mm + 1 ppm x D) 。He-Ne激光管，2. 5 mW，調制方式為石英超聲外調制，采用了5種調制頻率，測相采用手動方式，速度慢。1973-1976年，北京測繪儀器廠與北京大學、北京光學儀器廠、清華大學、國家測繪總局測繪科學研究所和北京市地質地形勘測處分別合作，先后研制成HGC-1型及DCH-1型紅外測距儀，精度分別為1. 5 mm和5mm，測程分別為l km和1. 5 km。它們采用半導體激光器作為光源，直接內調制方式，2種調制頻率。測量時間分別為6.6s和10s。 本課題的研究內容、方法、手段及預期成果： 研究內容：激光測距的方法主要有：脈沖法、相位法、干涉法測距、三角測量法、反饋法測距、縱模拍頻測距法，就對技術成熟性和測程的要求，脈沖法和相位法是首選。(1)脈沖式激光測距. 脈沖激光測距技術利用激光脈沖能量在時間上相對集中，瞬時功率很大(一般可達兆瓦級)的特點，在有合作目標的情況下，脈沖激光測距可以達到極遠的測程，一般的脈沖激光測距機可測量數(shù)十甚至數(shù)萬公里的距離，達到十幾個厘米的測量精度。缺點就是絕對測距精度不是很高。(2)相位式激光測距，相位式激光測距是利用固定頻率的高頻正弦信號，連續(xù)調制激光源的發(fā)光強度并測定調制激光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲。通過相位延遲計算測量的距離。相位測距方法既能保證大的測量范圍，又能保證較高的測量精度，通常在毫米量級。 通過對上述兩種測距方法之比較，可以看出不同的測距方法適合于不同測距范圍。脈沖測距法適合于遠距離的測量，相位測距法適合于中遠距離的測量?？偟膩碚f，在中遠距離的測量上，相位測距法的精度比脈沖測距法的精度高；由于本系統(tǒng)設計將應用于中遠距離的測量，所以相位式測距法具有非常好的優(yōu)勢。激光相位法測距的原理 激光相位測距中，把連續(xù)的激光進行幅度調制，調制光的光強隨時間做周期性變化，測定調制光往返過程中所經(jīng)過的相位變化即可求出時間和距離。發(fā)射處發(fā)射處 圖2.1 相位式激光測距原理示意圖 如圖2.1所示，設發(fā)射處與反射處的距離為x，激光的速度為c，激光往返它們之間的時間為t，則有： (2.1)設調制波頻率為f，從發(fā)射到接收間的相位差為，則有： (2.2)其中，N為完整周期波的個數(shù)，為不足周期波的余相位。因此可解出： (2.3)其中，稱為測尺或刻度，N即是整尺數(shù)，為余尺。根據(jù)測得的相位移的大小，可知道余尺的大小。而整尺數(shù)N必須通過選擇多個合適的測尺頻率才能確定，測尺頻率的選擇是提高精度的關鍵因素之一。 激光相位法測距的系統(tǒng)設計對于相位式激光測距系統(tǒng)的設計，理論分析與實驗工作相結合，采取的研究方法為:查閱并收集資料、選擇合適的器件，測距理論總體設計和各個部分電路的研究設計，從而給出了整個相位式激光測距系統(tǒng)的電路系統(tǒng)實現(xiàn)方案。整個電路系統(tǒng)包括了四大部分，它們分別是:(1) 半導體激光器的調制驅動電路，這部分采用高頻正弦信號對激光器的注入電流進行調制，使得激光器光強隨注入電流而變化。(2) 光電檢測放大濾波電路，這部分采用P-I-N光電二極管對激光信號進行探測。(3) 鎖相環(huán)頻率綜合電路，這部分先對鎖相環(huán)原理作了簡單介紹，然后應用高精度的頻率計作頻率校準,自動調節(jié)本機振蕩頻率, 確保用作檢相的低頻信號的頻率穩(wěn)定不變.(4) 利用數(shù)字測相系統(tǒng)進行測相，最后通過屏幕顯示出來。相位式激光測距是通過測量連續(xù)的幅度調制信號在待測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位延遲，間接地測定信號傳播時間，從而得到被測距離的。這種方法測量精度高，通常在毫米量級。相位式激光測距的原理框圖如圖所示。它由激光發(fā)射系統(tǒng)、頻率調制系統(tǒng)、回波接收系統(tǒng)、混頻鑒相系統(tǒng)和計數(shù)顯示系統(tǒng)等組成。激光信號由調制系統(tǒng)調制后，經(jīng)被測物反射，接收系統(tǒng)將反射的光信號轉換為電信號并進行放大,后轉到混頻器中進行混頻，混頻結果又進測中進行測相最后通過屏幕出來。 設計方案：本課題研究的步驟：（1） 查閱大量的科技文獻資料，掌握關于該設計研究的基本知識。了解激光測距的結構及工作原理，對激光測距有全面的認識。（2） 對收集的資料進行整合，根據(jù)相位法激光測距要實現(xiàn)的功能進行方案論證，確定各模塊的電子器件及相關參數(shù)，從而確定各模塊的實現(xiàn)方案。（3） 利用硬件仿真軟件Multisim按功能塊設計各硬件原理圖，包括：主控震蕩電路、激光調試發(fā)射電路、光電轉換電路、高頻放大濾波電路、混頻電路等，在MCU中用匯編（C語言）程序設計語言對硬件電路設計功能控制程序。（4） 在調試軟件KEIL C51上對功能控制程序進行調試和分析。（5） 將Multisim和 KEIL C51聯(lián)合調試，觀察運行結果，對結果進行分析、研究，對于不成熟的部分，做必要的改進。（6）根據(jù)自己的能力，畫出系統(tǒng)設計PCB板和嘗試做出相位法激光測距的實物設計。預期成果： （1） 相位法激光測距光學系統(tǒng)經(jīng)過方案優(yōu)選和詳細的理論分析，通過電路仿真軟件multisim仿真和KEIL C51調試，能得到較為理想的結果，基本上符合設計要求。（2）利用所學知識及收集查閱的資料，寫出該系統(tǒng)設計分析的初稿。經(jīng)指導老師審閱，在測試、分析無誤的情況下，廣泛聽取指導老師的意見，按照學院論文撰寫格式要求修改論文初稿，最終完成論文寫作。 設計（論文）進度安排及完成的相關任務（以教學周為單位）：任務完成的階段安排及時間安排1周3周文獻資料收集4周相關背景知識學習及資料分析，做好開題報告5周7周系統(tǒng)方案研究并設計半導體激光器的調制驅動系統(tǒng)，進行系統(tǒng)電路仿真8周10周設計激光器的激光接收系統(tǒng)，進行系統(tǒng)電路仿真11周編寫功能控制程序并進行調試與分析12周進行整體系統(tǒng)的仿真與調試1314周整理資料，撰寫論文1516周修改論文和準備答辯參 考 文 獻1汪友生, 徐小平. 相位法激光測距的實現(xiàn)D. 北京工業(yè)大學報. 2003.2丁燕. 相位法激光測距儀設計及其關鍵技術研究D. 同濟大學. 2007.3馮其波. 光學測量技術與應用M. 北京：清華大學出版社，2008, 190-196.4陳家璧，彭潤玲. 激光原理與應用M.北京：電子工業(yè)出版社, 2008, 140-145.5周德亮，張興敢. 一種脈沖相位式激光測距儀的設計D. 電子測量技術. 2009. 6金寧, 汪偉. 用于相位法激光測距的系統(tǒng)設計D. 西安電子科技大學. 2007.7呂曉玲. 半導體激光測距接收系統(tǒng)研究D. 長春理工大學. 2007.8孫芳方，陳寧，喬彥峰，李鵬. 光電經(jīng)緯儀中激光測距發(fā)射系統(tǒng)設計J. 2008.9張志勇,張靖,朱大勇. 一種基于相位測量的激光測距方法D.成都：電子科技大學, 2006.10賈方秀,丁振良,袁鋒. 相位法激光測距接收系統(tǒng)J. 光學精密工程. 2009.11Lawrence JKusher,The Composition DDS-A New Direct Digital Synthesizer ArchitectureIEEE International Frequency Control ,1993.12Venceslow F. Krupa，Spectral Purity of Direct Digital Frequency Sy