激光脈沖測距實驗報告講解

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"工作原理 3\o"CurrentDocument"測距儀工作原理 3\o"CurrentDocument"激光脈沖測距儀光學原理結(jié)構 3\o"CurrentDocument"測距儀的大致結(jié)構組成 4\o"CurrentDocument"主要的工作過程 4\o"CurrentDocument"激光脈沖發(fā)射、接收電路板組成及工作原理 5\o"CurrentDocument"激光脈沖測距的應用領域 5\o"CurrentDocument"關鍵問題及解決方法 6\o"CurrentDocument"（1）優(yōu)點 6\o"CurrentDocument"（2）問題及解決方案 7一工作原理(1)測距儀工作原理現(xiàn)在就脈測距儀沖激光測距簡要敘述其工作原理。簡單地講，脈沖法測距的過程是這樣的：測距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測量物體的反射后又被測距儀接收，測距儀同時記錄激光往返的時間3光速c和往返時間t的乘積的一半，就是測距儀和被測量物體之間的距離。一般一個典型的激光測距系統(tǒng)應具備以下四個模塊：激光發(fā)射模塊；激光接收模塊；距離計算與顯示模塊；激光準直與聚焦模塊，如圖2-1所示。系統(tǒng)工作時，由發(fā)射單元發(fā)出一束激光，到達待測目標物后漫反射回來，經(jīng)接收單元接收、放大、整形后到距離計算單元計算完畢后顯示目標物距離。在測距點向被測目標發(fā)射一束強窄激光脈沖，光脈沖傳輸?shù)侥繕松弦院螅渲幸恍〔糠旨す夥瓷浠販y距點被測距系統(tǒng)光功能接收器所接受。假定光脈沖在發(fā)射點與目標間來回一次所經(jīng)歷的時間間隔為3那么被測目標的距離D為：式中：c為激光在大氣中的傳播速度；D為待測距離；t為激光在待測距離上的往返時間。R二C*T/2 (公式1)圖一脈沖激光測距系統(tǒng)原理框圖(2)激光脈沖測距儀光學原理結(jié)構口發(fā)射激光衛(wèi)圖.(3)測距儀的大致結(jié)構組成脈沖激光測距儀主要由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、光電接收系統(tǒng)、門控電路、時鐘脈沖振蕩器以及計數(shù)顯示電路組成(4)主要的工作過程其工作過程大致如下：首先接通電源，復原電路給出復原信號，使整機復原，準備進行測量；同時觸發(fā)脈沖激光發(fā)生器，產(chǎn)生激光脈沖。該激光脈沖有一小部分能量由參考信號取樣器直接送到接收系統(tǒng)，作為計時的起始點。大部分光脈沖能量射向待測目標，由目標反射回測距儀的光脈沖能量被接收系統(tǒng)接收，這就是回波信號。參考信號和回波信號先后由光電探測器轉(zhuǎn)換成為電脈沖，并加以放大和整形。整形后的參考信號能觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，控制計數(shù)器開始對晶格振蕩器發(fā)出的時鐘脈沖進行計數(shù)。整形后的回波信號使觸發(fā)器的輸出翻轉(zhuǎn)無效，從而使計數(shù)器停止工作。這樣，根據(jù)計數(shù)器的輸出即可計算出待測目標的距離。三實驗裝置實驗裝置包括激光脈沖發(fā)射、接收電路和單片機開放板。激光脈沖發(fā)射、接收電路板組成及工作原理激光脈沖發(fā)射/接收電路板原理框圖如圖2.3所示。圖中EPM3032為CPLD；MAX3656為激光驅(qū)動器；MAX3747為限幅放大器；T22為單端信號到差分信號轉(zhuǎn)換芯片；T23為差分信號到單端信號轉(zhuǎn)換芯片；LD為半導體激光器；PD為光電探測器。板子上端的EPM3032被編程為脈沖發(fā)生器，輸出重復頻率為1KHz，脈沖寬度為48ns的電脈沖信號。此信號經(jīng)MAX3656放大后驅(qū)動LD發(fā)光。板子下端的EPM3032被編程為計數(shù)器，對125MHz晶振進行計數(shù)。其計數(shù)的開門信號來自上端的TX信號，關門信號來自PD的輸出。計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果采用12位二進制數(shù)據(jù)輸出，對應的時間范圍為0?32.7.s。二激光脈沖測距的應用領域激光測距儀一般采用兩種方式來測量距離:脈沖法和相位法.脈沖法測距的過程是這樣的:測距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測量物體的反射后又被測距儀接收.測距儀同時記錄激光往返的時間.光速和往返時間的乘積的一半.就是測距儀和被測量物體之間的距離.脈沖法測量距離的精度是一般是在+/-1米左右.另外.此類測距儀的測量盲區(qū)一般是15米左右。激光測距儀已經(jīng)被廣泛應用于以下領域:電力.水利.通訊.環(huán)境.建筑.地質(zhì).警務.消防.爆破.航海.鐵路.反恐/軍事.農(nóng)業(yè).林業(yè).房地產(chǎn).休閑/戶外運動等。由于激光在亮度、方向性、單色性以及相干性等方面都有不俗的特點，它一出現(xiàn)就吸引了眾多科學工作者的目光，并被迅速地被應用在工業(yè)生產(chǎn)方面、國防軍工方面、房地產(chǎn)業(yè)、各級科研機構、工程、防盜安全等各個行業(yè)各個領域：激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、異孔、膏藥打孔、水松紙打孔、鋼板打孔、包裝印刷打孔等）、激光淬火、激光熱處理、激光打標、玻璃內(nèi)雕、激光微調(diào)、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修復電路、激光布線技術、激光清洗等。有關于激光的研究與生產(chǎn)制造也如火如荼地開展了起來。激光與普通光源所發(fā)出的光相比，有顯著的區(qū)別，形成差別的主要原因在于激光是利用受激輻射原理和激光腔濾波效應。而這些本質(zhì)性的成因使激光具有一些獨特的特點：.激光的亮度高。固體激光器的亮度更可高達1011W/cm2Sr這是因為激光雖然功率有限，但是由于光束極小，于是具有極高的功率密度，所以激光的亮度一般都大于我們所見所有光（包括可見光中的強者：太陽光），這也是激光可用于星際測量的根本原因所在；.激光的單色性好。這是因為激光的光譜頻率組成單一。.激光的方向性好。激光具有非常小的光束發(fā)散角，經(jīng)過長距離的飛行以后仍然能夠保持直線傳輸；.激光的相干性好。我們通常所見到的可見光是非相干光，激光可以做到他們都做不到的事情，比如說切割鋼材。在測距領域，激光的作用更是不容忽視，可以這樣說，激光測距是激光應用最早的領域（1960年產(chǎn)生，1962年即被應用于地球與月球間距離的測量）。測量的精確度和分辨率高、抗干擾能力強，體積小同時重量輕的激光測距儀受到了大多數(shù)有測距需求的企業(yè)、機構或個人的青睞，其市場需求空間大，應用領域廣行業(yè)需求多，并且起著日益重要的作用。三關鍵問題及解決方法（1）優(yōu)點脈沖激光測距法相比相位激光測距法有以下幾項優(yōu)點：第一，在相同的總平均光功率輸出條件下，脈沖光波型激光測距儀可測量的距離遠必連續(xù)光波型激光測距儀要長。第二，測距速度較快。第三，不需要合作目標，隱蔽性和安全性好?？紤]以上特點和實際系統(tǒng)設計要滿足體積小，功耗低，高重頻，測距速度快等特點，本實驗中我們選擇脈沖激光測距法作為整體系統(tǒng)的測距方式。（2）問題及解決方案在脈沖式激光測距儀的設計當中，時差測量成為了一個影響整個測量精度最關鍵的因素。在當今這個科技發(fā)達的社會，激光測距的應用越來越普遍。在很多領域，電力，水利，通訊，環(huán)境，建筑，地質(zhì)，警務，消防，爆破，航海，鐵路，反恐/軍事，農(nóng)業(yè)，林業(yè)，房地產(chǎn)，休閑/戶外運動等都可以用到激光測距儀。激光測距儀一般采用兩種方式來測量距離：脈沖法和相位法脈沖式激光測距儀是通過測量激光從發(fā)射到返回之間的時間來計算距離的。因此時間測量對于脈沖式激光測距儀來說是非常重要的一個環(huán)節(jié)。由于激光的速度特別快，所以發(fā)射和接收到的激光脈沖之間的時間間隔非常小。。例如要測量1公里的距離，分辨率要求1cm,則時間間隔測量的分辨率則要求高達67ps。德國acam公司的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2單次測量分辨率為典型65ps,功耗超低，集成度高，測量靈活性高，是脈沖式激光測距儀時差（TOF）測量非常理想的選擇。激光發(fā)射裝置發(fā)射出光脈沖同時將發(fā)射脈沖輸入到TDC-GP2的start端口，觸發(fā)時差測量。一旦從物體傳回的反射脈沖達到了光電探測器（接收電路）則給TDC產(chǎn)生一個Stop信號，這個時候時差測量完成。那么從Start到Stop脈沖之間的時差被TDC-GP2精確記錄下來，用于計算所測物體與發(fā)射端的距離。在這個原理中，單片機對于TDCGP2進行寄存器配置以及時間測量控制，時間測量結(jié)果傳回給單片機通過算法進行距離的精確計算，同時如果有顯示裝置的話，將距離顯示出來。在這個原理當中距離的測量除了與TDC-GP2的時差測量精度有關外還與很多其他因素有關系：-激光峰值功率-激光束發(fā)散程度-光學元件部分光傳輸?shù)拿襟w（空氣，雨天，霧天等）物體的光反射能力光接收部分的靈敏程度等等-被測物體特性以及傳輸媒介的鐵性一般是由應用的條件給出的，那么可以根據(jù)應用的條件來選擇激光的發(fā)射器（波長，驅(qū)動條件，光束的特性等）和接收器（類型，靈敏度，帶寬等）。測量的范圍在激光峰值功率更高以及信噪比更高的情況下也會相應增加。那么時差測量的精度除了與TDC-GP2芯片本身測量精度有關系外還與激光的脈沖特性有關，比如脈沖的形狀（寬度，上升下降沿的時間），以及探測器帶寬和信號處理電路。對于tdc-gp2而言，脈沖信號的速度越快，帶寬越寬，則測量精度相應得會越高