脉冲发射的相位式激光测距技术研究
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总之，随着激光技术和电子技术的发展，激光测距向着高精度、大量程的方向发展， 势必在多种领域得到更为广泛的应用。尤其是在激光大气通信，非合作目标的高精度、 远距离激光测距的应用方面具有很大的应用空间。
关键词：激光测距技术、相位、脉冲
ABSTRACT
II
Abstract
Laser Ranging technique, particularly, phase-laser ranging technique, is widely used in distance measurement with high precision, available in day and night, and reliable, and is widely used in the engineering measurement. Normally, phase-modulated laser ranging uses a continuous light wave signal for the launch system, by frequency mixing, and automatic phase measuring technique, measuring “modulated waves”. Based on the phase difference between the reflected signal and the local emitting signal, the unknown distance can be obtained. However, the light wave with continuous waveform modulation is easily changed in the transmission, and with the increase in modulation frequency, modulation depth will be reduced, especially at high frequencies; Compared with the pulsed laser ranging, continuous light modulation has large power consumption, and can not be used in the long distance situation. In order to overcome the drawbacks of continuous light wave Modulation, we propose a pulse-modulation scheme.
复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影
印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥
写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）
本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。
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导师签名：
日期
第一章 绪论
It is expected that this method could be used in the space laser communication, high-precision, long-range laser ranging on non-cooperative targets.
Keywords：Laser ranging technique, phase modulation, pulse modulation.
西安电子科技大学 学位论文独创性（或创新性）声明
秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指
导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所
罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得
西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志
脉冲发射的相位式激光测距技术研究
2
制，出现了半导体激光自混合干涉测距技术 [5] 。它是利用被测物体形成的反馈光对线性 调频 LD 光源输出光功率的调制特性，实现绝对距离测量。由于其光学系统仅包含一个 光源和一个准直透镜，结构极其简单、紧凑，系统易准直，因此倍受关注。
除了主动激光测距外，还有一种被动光学测距方法，叫做光子微分法。它指对目标 辐射光提取两个或更多个不同的光测数据，并从这些数据中求出距离。称为被动测距的 光度测量测距技术 [6]−[7] 就是一种光子微分法。
In this method, the constant periodic pulse modulation of laser light waves is used, instead of continuous modulation laser light wave. The pulse position represents the zero position of continuous modulated signal, and the amplitude and width of the laser light pulse remain unchanged. Therefore, when the laser power is unstable, the intensity variation of the laser pulse will not affect the phase information of the modulation signal. In this paper, based on DDS frequency synthesis technology and the design theory of the high-frequency circuit, a pulse-modulated laser ranging system has been designed, the relationship between a continuous high-frequency sinusoidal signal and the same frequency of pulses(square wave) signal is analyzed. By use of CPLD-based digital phase detection technique the signal processing system is made.
激光测距技术是以集光学、激光技术、精密机械、电子学、计算技术及光电子等多 种技术的综合应用。随着激光技术、电子技术、计算技术和集成光学的发展，激光测距 仪朝着数字化、自动化、小型轻便化方向发展。并且而随着小型专用计算机的发展和应 用，使激光测距仪的工作效率、测距精度和测量速度有了非常大的提高。此外，半导体 激光器的出现使整个仪器的体重和重量也大为减少。因此研究激光测距对于军工、科研 等高精度要求的测距以及需要野外作业的测距有着很大的意义。
利用激光的干涉性好特性，激光测距技术出现了干涉法距离测量方法。它是将一束 相干光照射到远距离的目标上，用一个参考光与反射回来的光进行干涉，再通过光电探 测测量该相干光。该相干光中包含有 cos2ks，由 cos2ks 可以计算出距离等于多少个λ/2。
随着激光理论、激光器件的发展和提高，基于电光效应、声光效应等激光调制器件 的成熟，使对激光输出频率进行调制成为可能，出现了可调谐激光器。基于可调谐激光 器产生了调频连续波(FMCW)激光测距法 [4] 它主要是通过发射一频率连续可调的激光， 测量接收到激光的频率来推算距离。半导体激光器的出现以及对半导体激光器的直接调
对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。
本人签名：
日期
西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明
本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校
攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的
1
第一章 绪 论
§1.1 激光测距技术的发展
随着人类社会的发展，人们对距离测量的需求越来越多，由原来的建筑物等局部测 量到大地地貌、月球等超远距离测量，测量精度要求也越来越高。因此人类在不停的研 究新的测量方法和理论，同时随着技术手段的不断进步，测量方法和技术也不断进步。 现代电子技术的飞速发展，大大推进了距离测量技术和仪器的发展。在激光没有发明前， 利用光学距离测量是基于三角测量法。用二个分开的点对测量目标进行瞄准，两点的距 离为 D，测量两个点分别与目标连线所形成的夹角α，可以测得距离 L=D/α。自 1960 年第一台激光器一红宝石激光器发明后，光学距离测量进入了基于激光技术的距离测量 时代。由于激光的方向性好，能量集中、单色性等特点，利用激光进行距离测量，可实 现距离测量的高精度，远距离等优势，使激光测距技术成为距离测量的主要技术之一， 广泛应用在军事和民用领域。
西安电子科技大学 硕士学位论文
脉冲发射的相位式激光测距技术研究 姓名：王刚
申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：曾晓东 20100101
中文摘要
I
中文摘要
激光测距技术，尤其是相位式激光测距技术，是一种应用广泛的距离测量技术，具 有精度高、昼夜可用且性能可靠等特点，受到工程测量部门的广泛使用。一般情况下， 相位式激光测距是用一调制信号对发射连续的光波进行光强调制，利用混频技术和自动 测相技术，测量“调制光波”往返于被测距离的相位差，间接求得待测距离。然而对光 强的连续调制存在调制波形易变形，且随着调制频率的增加，调制深度会降低，特别是 在高频时就更为严重；并且与脉冲式激光测距相比，连续光强调制消耗功率大，测量距 离不远等不足。从而限制了相位式激光测距技术的应用。针对连续光波光强调制存在的 不足，分析相位式激光测距的检相过程，发现对检相有用的信号是整形过程中的过零点 的部分，而连续信号的其他部分对数据处理没有贡献，反而这些部分使激光器连续工作， 既损耗着功率，也在减少激光器的寿命。根据信号的傅里叶变换理论、频谱分析方法， 脉冲（方波）与同频正弦信号之间的关系，并借鉴脉冲式激光测距技术的优点，产生了 基于脉冲信号调制的相位式激光测距想法。
该方法是通过用等周期脉冲调制激光光波来代替连续光强调制激光光波，即脉冲出 现的位置代表原连续调制信号的过零点位置，而激光光波脉冲的幅度和宽度不变。因此， 当激光功率不稳定时，发射的激光脉冲强度变化时不会影响到调制信号的相位信息。利 用等周期激光脉冲光波往返于被测距离的相位差，求得待测距离。根据该激光测距原理， 本文利用 DDS 频率合成技术和高频电路设计知识，设计了激光测距系统方案，并对该方 案进行分析，包括高频连续正弦信号与同频脉冲（方波）信号之间的关系，产生高精度 高频率脉冲（方波）的方法，高频脉冲（方波）信号的混频技术以及基于 CPLD 的数字 鉴相技术等。随后进行了电路制作，硬件实现和系统调试等工作。这样即实现了脉冲测 距的测程远，功耗小的优点，也实现了相位式激光测距的高精度优点，有效地解决了相 位法测距中测程与测量精度之间的矛盾，具有实际使用价值。
激光测距是测量光束从光源发射到目标，再经反射回光源处的时间延时 T=2L/c， 算得距离 L=cT/2。光行进的时间测量分为脉冲式测距技术和正弦波（相位）式测距技术。 第一种技术是关于远距离的测量，主要应用在大地测量学中和军事领域中，它能测量到 100km 以上的距离。例如 1969 年的月距实验（LURE）[1] ，它是用调 Q 红宝石激光器通 过脉冲测量方法测量地球与月球的距离，测得从地球到月球的基准直线距离为 384000km，大约只有 30cm 的误差；而第二种技术是关于大地测绘、大气测量等地貌测 量的测距（<1km），它主要应用在土木工程和建筑行业中。1970 年研制的正弦波式的激 光二极管测距仪 [2] ，现在已经在建筑领域中得到了广泛的应用，代替了军用工程领域中 的经纬仪，它能直接测量几百米的距离，有厘米数量级的分辨率。我国也在 70 年代中 期研制成功了红外光电测距仪 [3] 。
关键词：激光测距技术、相位、脉冲
ABSTRACT
II
Abstract
Laser Ranging technique, particularly, phase-laser ranging technique, is widely used in distance measurement with high precision, available in day and night, and reliable, and is widely used in the engineering measurement. Normally, phase-modulated laser ranging uses a continuous light wave signal for the launch system, by frequency mixing, and automatic phase measuring technique, measuring “modulated waves”. Based on the phase difference between the reflected signal and the local emitting signal, the unknown distance can be obtained. However, the light wave with continuous waveform modulation is easily changed in the transmission, and with the increase in modulation frequency, modulation depth will be reduced, especially at high frequencies; Compared with the pulsed laser ranging, continuous light modulation has large power consumption, and can not be used in the long distance situation. In order to overcome the drawbacks of continuous light wave Modulation, we propose a pulse-modulation scheme.
复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影
印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥
写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）
本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。
本人签名：
来自百度文库日期
导师签名：
日期
第一章 绪论
It is expected that this method could be used in the space laser communication, high-precision, long-range laser ranging on non-cooperative targets.
Keywords：Laser ranging technique, phase modulation, pulse modulation.
西安电子科技大学 学位论文独创性（或创新性）声明
秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指
导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所
罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得
西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志
脉冲发射的相位式激光测距技术研究
2
制，出现了半导体激光自混合干涉测距技术 [5] 。它是利用被测物体形成的反馈光对线性 调频 LD 光源输出光功率的调制特性，实现绝对距离测量。由于其光学系统仅包含一个 光源和一个准直透镜，结构极其简单、紧凑，系统易准直，因此倍受关注。
除了主动激光测距外，还有一种被动光学测距方法，叫做光子微分法。它指对目标 辐射光提取两个或更多个不同的光测数据，并从这些数据中求出距离。称为被动测距的 光度测量测距技术 [6]−[7] 就是一种光子微分法。
In this method, the constant periodic pulse modulation of laser light waves is used, instead of continuous modulation laser light wave. The pulse position represents the zero position of continuous modulated signal, and the amplitude and width of the laser light pulse remain unchanged. Therefore, when the laser power is unstable, the intensity variation of the laser pulse will not affect the phase information of the modulation signal. In this paper, based on DDS frequency synthesis technology and the design theory of the high-frequency circuit, a pulse-modulated laser ranging system has been designed, the relationship between a continuous high-frequency sinusoidal signal and the same frequency of pulses(square wave) signal is analyzed. By use of CPLD-based digital phase detection technique the signal processing system is made.
激光测距技术是以集光学、激光技术、精密机械、电子学、计算技术及光电子等多 种技术的综合应用。随着激光技术、电子技术、计算技术和集成光学的发展，激光测距 仪朝着数字化、自动化、小型轻便化方向发展。并且而随着小型专用计算机的发展和应 用，使激光测距仪的工作效率、测距精度和测量速度有了非常大的提高。此外，半导体 激光器的出现使整个仪器的体重和重量也大为减少。因此研究激光测距对于军工、科研 等高精度要求的测距以及需要野外作业的测距有着很大的意义。
利用激光的干涉性好特性，激光测距技术出现了干涉法距离测量方法。它是将一束 相干光照射到远距离的目标上，用一个参考光与反射回来的光进行干涉，再通过光电探 测测量该相干光。该相干光中包含有 cos2ks，由 cos2ks 可以计算出距离等于多少个λ/2。
随着激光理论、激光器件的发展和提高，基于电光效应、声光效应等激光调制器件 的成熟，使对激光输出频率进行调制成为可能，出现了可调谐激光器。基于可调谐激光 器产生了调频连续波(FMCW)激光测距法 [4] 它主要是通过发射一频率连续可调的激光， 测量接收到激光的频率来推算距离。半导体激光器的出现以及对半导体激光器的直接调
对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。
本人签名：
日期
西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明
本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校
攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的
1
第一章 绪 论
§1.1 激光测距技术的发展
随着人类社会的发展，人们对距离测量的需求越来越多，由原来的建筑物等局部测 量到大地地貌、月球等超远距离测量，测量精度要求也越来越高。因此人类在不停的研 究新的测量方法和理论，同时随着技术手段的不断进步，测量方法和技术也不断进步。 现代电子技术的飞速发展，大大推进了距离测量技术和仪器的发展。在激光没有发明前， 利用光学距离测量是基于三角测量法。用二个分开的点对测量目标进行瞄准，两点的距 离为 D，测量两个点分别与目标连线所形成的夹角α，可以测得距离 L=D/α。自 1960 年第一台激光器一红宝石激光器发明后，光学距离测量进入了基于激光技术的距离测量 时代。由于激光的方向性好，能量集中、单色性等特点，利用激光进行距离测量，可实 现距离测量的高精度，远距离等优势，使激光测距技术成为距离测量的主要技术之一， 广泛应用在军事和民用领域。
西安电子科技大学 硕士学位论文
脉冲发射的相位式激光测距技术研究 姓名：王刚
申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：曾晓东 20100101
中文摘要
I
中文摘要
激光测距技术，尤其是相位式激光测距技术，是一种应用广泛的距离测量技术，具 有精度高、昼夜可用且性能可靠等特点，受到工程测量部门的广泛使用。一般情况下， 相位式激光测距是用一调制信号对发射连续的光波进行光强调制，利用混频技术和自动 测相技术，测量“调制光波”往返于被测距离的相位差，间接求得待测距离。然而对光 强的连续调制存在调制波形易变形，且随着调制频率的增加，调制深度会降低，特别是 在高频时就更为严重；并且与脉冲式激光测距相比，连续光强调制消耗功率大，测量距 离不远等不足。从而限制了相位式激光测距技术的应用。针对连续光波光强调制存在的 不足，分析相位式激光测距的检相过程，发现对检相有用的信号是整形过程中的过零点 的部分，而连续信号的其他部分对数据处理没有贡献，反而这些部分使激光器连续工作， 既损耗着功率，也在减少激光器的寿命。根据信号的傅里叶变换理论、频谱分析方法， 脉冲（方波）与同频正弦信号之间的关系，并借鉴脉冲式激光测距技术的优点，产生了 基于脉冲信号调制的相位式激光测距想法。
该方法是通过用等周期脉冲调制激光光波来代替连续光强调制激光光波，即脉冲出 现的位置代表原连续调制信号的过零点位置，而激光光波脉冲的幅度和宽度不变。因此， 当激光功率不稳定时，发射的激光脉冲强度变化时不会影响到调制信号的相位信息。利 用等周期激光脉冲光波往返于被测距离的相位差，求得待测距离。根据该激光测距原理， 本文利用 DDS 频率合成技术和高频电路设计知识，设计了激光测距系统方案，并对该方 案进行分析，包括高频连续正弦信号与同频脉冲（方波）信号之间的关系，产生高精度 高频率脉冲（方波）的方法，高频脉冲（方波）信号的混频技术以及基于 CPLD 的数字 鉴相技术等。随后进行了电路制作，硬件实现和系统调试等工作。这样即实现了脉冲测 距的测程远，功耗小的优点，也实现了相位式激光测距的高精度优点，有效地解决了相 位法测距中测程与测量精度之间的矛盾，具有实际使用价值。
激光测距是测量光束从光源发射到目标，再经反射回光源处的时间延时 T=2L/c， 算得距离 L=cT/2。光行进的时间测量分为脉冲式测距技术和正弦波（相位）式测距技术。 第一种技术是关于远距离的测量，主要应用在大地测量学中和军事领域中，它能测量到 100km 以上的距离。例如 1969 年的月距实验（LURE）[1] ，它是用调 Q 红宝石激光器通 过脉冲测量方法测量地球与月球的距离，测得从地球到月球的基准直线距离为 384000km，大约只有 30cm 的误差；而第二种技术是关于大地测绘、大气测量等地貌测 量的测距（<1km），它主要应用在土木工程和建筑行业中。1970 年研制的正弦波式的激 光二极管测距仪 [2] ，现在已经在建筑领域中得到了广泛的应用，代替了军用工程领域中 的经纬仪，它能直接测量几百米的距离，有厘米数量级的分辨率。我国也在 70 年代中 期研制成功了红外光电测距仪 [3] 。