长春理工大学光电工程学院相位激光测距仪方案设计

相位激光测距仪方案设计

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二〇一六年十一月

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，相位式激光测距，光电检测，误差分析

目录

一绪论 (3)

1.1引言 (3)

1.2激光测距 (3)

1.2.1激光测距简介 (3)

1.2.2激光测距方法 (3)

1.3激光测距的优点 (6)

1.4国内外研究现状 (6)

1.5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 (7)

2.1相位激光测距原理 (7)

2.2测相原理 (9)

2.3系统整体方案设计 (10)

第三章系统设计部分的选择 (11)

3.1发射部分 (11)

3.1.1激光器的选择 (11)

3.1.2激光二极管的工作原理 (11)

3.1.3调制发射部分 (11)

3.2接受电路部分 (12)

3.2.1光电探测器的选择 (12)

3.2.2雪崩二极管工作原理 (13)

3.3光电接受电路设计 (13)

3.3.1光电接收电路 (13)

3.3.2放大电路设计 (13)

3.3.3自动增益控制电路 (14)

3.4其他需要考虑的电路部分 (14)

3.4.1混频部分 (14)

3.4.2后级放大电路 (15)

第四章相位式激光测距仪误差分析 (15)

4.1元器件的稳定性 (16)

4.2频率误差 (16)

4.3电路系统误差 (17)

4.4光电探测器噪声引起的误差 (17)

4.5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。

1.2激光测距

1.2.1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。

1.2.2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关系

3

可表示为

（1.1）

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。干涉法激光测距的原理图见图1.2所示[3]

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。