激光测距论文

摘要
激光测距技术是随着激光技术的出现而发展起来的一种精密测量技术，因其良好的测距性能而广泛应用在军事和民用领域。

激光测距方法从原理上主要分为相位法测距和脉冲法测距两种。

本文将脉冲激光测距和相位激光测距进行了原理分析与比较,根据课题设计需要选择了测程远、精度高、成本低且结构简单的脉冲激光测距作为设计方法。

本文对组成脉冲激光测距系统的几个重要单元电路做了深入研究。

主要包括激光发射电路、激光接收电路、高精度时间测量电路、单片机以及LCD显示。

在发射电路中采用集成芯片LM555和74LS123设计的窄脉冲发生电路。

在接收电路中对回波信号的放大、滤波、整形和时刻鉴别进行了分析和研究，对已有的时刻鉴别电路做了对比与选择,设计了前沿时刻鉴别电路,有效地减小了由于幅度的随机抖动而引起的误差。

脉冲飞行时间测量精度直接影响着脉冲激光测距系统的整体测距精度,因此在高精度计时电路中采用了高精度计时芯片TDC—GP2测量脉冲飞行时间,不仅使电路结构变得简单,而且有效地提高了计时精度。

关键词：激光测距；脉冲法；发射电路；接收电路；高精度计时
ABSTRACT
With the development of laser technology，laser ranging becomes a new precise measurement technology, and is extensively used in the military and civil field for its high accuracy.
The laser range finder is divided into pulse and phase two types at present.This paper analyzed the pulse laser range finder and phase laser range finder，chose the pulse laser range finder as the research method because of high precision，low cost and simple structure.
The paper had been done deeply study of pulse laser measuring system, mainly including the laser emitting circuit, the laser receiving circuit, the high precision time measurement circuit,single chip and LCD display. The narrow pulse generating circuit was designed using LM555 and 74LS123 integrated chip in the emitting circuit.In the receiving circuit analyzed and studied for the signal of echo amplification, filtering, shaping and time identify circuit，cutting edge moment discrimination circuit are designed to reduce the error of due to amplitude random jitter by comparison and selection the existing time discrimination circuit.Pulse time of flight measurement accuracy directly affects the whole measurement of the pulse laser ranging system accuracy, so high precision time measurement chip TDC—GP2 is used measurement pulsed time of flight in the high precision time measurement circuit.It not only makes the circuit structure become simple but also improves accuracy.
Key words：Laser range finder；Pulse method；Emitting circuit；Receiving circuit；High precision time measurement
目录
第一章绪论 (1)
1.1课题研究背景及意义 (1)
1.2国外研究现状 (2)
1.3课题研究容 (3)
第二章激光测距系统理论分析与设计 (4)
2.1激光技术 (4)
2.1.1激光简介 (4)
2.1.2激光及其产生 (6)
2.1.3激光的特性 (8)
2.1.4激光器的基本组成 (9)
2.1.5激光器的种类 (10)
2.1.6激光器的选择 (11)
2.1.7半导体激光二极管的特性 (12)
2.2激光测距原理 (15)
2.2.1相位法激光测距 (15)
2.2.2脉冲法激光测距 (17)
2.2.3两种测距方式的性能分析及其对比 (19)
2.2.4激光测距的要求与方法的选择 (20)
第三章系统总体方案与电路设计 (21)
3.1系统总体方案 (21)
3.1.1系统基本组成 (21)
3.1.2系统工作流程 (22)
3.2系统电路的设计 (23)
3.2.1激光发射电路的设计 (23)
3.2.1.1窄脉冲发生电路 (23)
3.2.1.2激光驱动电路 (28)
3.2.1.3半导体激光器 (31)
3.2.2激光接收电路的设计 (32)
3.2.2.1接收光路 (32)
3.2.2.2光电探测器 (34)
3.2.2.3放大电路 (37)
3.2.2.4比较整形电路 (41)
3.2.2.5时刻鉴别电路 (43)
3.2.2.6高压产生电路 (45)
3.2.3高精度计时电路 (47)
第四章单片机与液晶显示 (51)
4.1单片机 (51)
4.1.1 AT89C51简介 (52)
4.1.2 AT89C51主要特性 (52)
4.1.2 AT89C51引脚说明 (53)
4.1.3 AT89C51外围电路 (55)
4.2液晶显示 (55)
4.2.1 LM016L简介 (56)
4.2.2 LM016L引脚说明 (56)
4.2.2 LM016L外围电路 (57)
第五章总结 (57)
致 (59)
参考文献 (60)
附录一激光测距仪程序框图 (61)
附录二激光测距仪程序 (62)
第一章绪论
1.1课题研究背景及意义
随着科学技术的不断发展，人们在民用和军事领域对距离测量的需求日益增加。

对测量围和测量精度的要求也在不断提高，因此人们一直在研究新的测量方法和理论。

近年来，随着激光技术迅速发展和完善，导致了光学及其应用技术的巨大变革，促进了物理学和其他相关学科的发展，激光测距技术也随之发生了质的改变。

激光器已经被确认为20世纪最重要的发明之一，而激光技术的发展，标志着人们掌握和利用光波进入了一个新阶段。

激光技术出现之后，很快被应用到各种测量中。

例如测量、地形测量、工程测量、航空摄影测量，以及人造地球卫星的观测和月球的光学定位等航天测量。

这使得测量方法不断革新，测量精度显著提高，引起了测量领域的深刻变化，从而巨推动了测量技术的发展。

与此同时，现代电子技术的飞速发展和光电器件性能的不断提高，使激光测距仪获得了很大的发展，现在激光测距仪已经成为测量距离的主要仪器之一。

激光测距技术具有测量精度高、方向性好、抗干扰能力强等特点，是目前应用广泛的一种测量技术。

它与一般测量方法相比，具有测量精度高、分辨率高、体积小、重量轻、操作简便及昼夜可用等优点，所以被广泛应用于民用和军用领域。

在民用领域，例如在船舶和海洋方面用来勘探石油，在交通管制方面用来测量汽车速度，车辆倒车时起警示作用的倒车雷达装置，工业上面的炼钢炉表面轮廓测量，船舶制造过程的精确控制等。

以往在测量房屋等大型建筑物的尺寸时，往往采用人工测尺测量的方法,不仅耗时，而且受人为因素的影响，测量结果波动比较大。

在具有较高精度要求的测量场合下，不能保证测量结果的准确性。

因此，随着激光测距技术的发展，对激光测量精度的研究就变得尤为重要。

与传统的测距技术相比，激光测距的测量精度要高很多,而且具有结构简单、体积小、质量轻、效率高、功耗低、可靠性高、抗干扰能力强、价格低廉等特点。

在军事领域，随着各国在军事方面的竞争越来越激烈，现代军事的信息化程度也越来越高，世界各国对激光测距的研究也越来越广泛，各种不同类型的激光测距方式越来越多被应用。

世界各国纷纷将其研制的激光测距仪装备到陆、海、空三军，比如有轻型便携式脉冲激光测距仪、地面车载脉冲激光测距仪、对空火炮和导弹防御脉冲激光测距仪、机载脉冲激光测距仪、舰载脉冲激光测距仪、导弹靶场所用的脉冲激光测距仪、人造卫星脉冲激光测距仪、太空载脉冲激光测距仪、云高脉冲激光测距仪等。

随着激光技术研究的不断深入，激光测距有逐步取代传统测距方式的趋势，
同时也将对测距行业产生积极而深远的影响。

由于激光测距在测量领域得到了广泛青睐，并且被迅速推广应用，所以在国民经济和国防建设中具有非常重要的意义。

1.2国外研究现状
激光测距仪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。

激光测距仪是激光技术、精密机械控制、信号处理技术、电子学及光电子等多种技术的综合应用。

随着激光技术、电子技术、计算机信号处理技术和集成光学的发展，激光测距仪正朝着自动化、数字化、小型化的方向发展。

而且随着微型计算机的发展和应用，激光测距仪的测距精度和测量速度都有了很大的提高。

世界上第一台激光器是在1960年由美国休斯飞机公司的科学家梅曼首先研制成功的。

美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。

1961年第一台军用激光测距仪通过了美国军方试验，此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。

从20世纪70年代末到80年代中期，激光测距仪进入了大批生产装备和广泛应用阶段，成为军用激光市场上军方最大的采购项目。

半导体激光测距仪的研究起始于 20 世纪 60 年代末，到 80 年代中期陆续解决了光学系统及信号处理电路的关键技术，80 年代后期转入应用研究阶段，并研制了各种不同用途的样品，90 年代中期，各种成熟的产品不断出现。

1996 年下半年，美国 Bushnell 公司推出了测距能力 400m的 400 型 LD 激光测距仪Yaddaga400，1997 年被评为世界 100 项重要科技成果之一，同年又推出了测距能力 800m 的 800 型激光测距仪。

1998 年美国 Tas-co 公司研制出测距能力800m的摄像机型 Laser site LD 激光测距仪。

1995 年以来，国际上人眼安全的半导体激光测距技术发展十分迅速，已开展了波长在 800nm－900nm 围、峰值功率为 10W、脉冲宽度 20－50ns、重复频率 1-10kHz、测量距离 10m－1km 无合作目标的激光测距仪研究。

1977 年美国研制成功第一个手持使用的小型Nd:YAG 激光测距仪AN/GVS-5型，该机的外形结构首次采用双目望远镜式结构，适合手持使用，大小相当于标准的7 50军用双目望远镜，总重量仅 2kg。

与此同时，激光测距技术也逐渐被应用到民用领域，在建筑等行业中得到了广泛的应用。

德国博世(BOSCH)公司研制生产的手持式高精度激光测距仪，体积小巧，携带方便，广泛适用于房地产、室装潢、建筑施工、测量测绘等众多领域。

该公司研制生产的DLE150激光测距仪不但可以测量、计算，而且可以非常快速
地进行探测。

它的测量围为0.3m－150m,测量时间一般小于0.5秒，测量精度小于±3mm 。

它采用先进软件技术，能够测量面积，高度，角度或斜面，对于测定固定参考点的最大或最小距离可以多次持续测量，对一些不能直接测量的距离进行间接测量，非常方便。

国常见的手持式短距离激光测距仪主要是瑞士 Leica 公司的 DISTO 系列。

近两年日本索佳(SO KK IA)也研制开发出了手持式短距离激光测距仪 MiNiMeter MM 系列。

瑞士徕卡新型手持测距仪DISTO主要包括简便型 Lite5、经典型Classic5、智能型 Pro4、智能增强型 Pro4a，它们的特点是测量距离远(0.3-300m)，其中智能增强型 Pro4a测量围：0.3-100m，测量快(0.4 秒)，测量精度高，测量精度可以达到±1.5 mm 。

我国激光测距仪的研究开始于 20 世纪70年代，是在原来的固体、气体激光测距仪的基础上发展起来的。

目前，基础技术已经具备，主要是解决工程应用问题，开发各种应用产品。

航天科工集团八三五八所研制出测程 200m，精度0.5m，重复测量频率 100Hz 的激光测距仪。

中科院光机所研制出便携式激光测距仪，对漫反射水泥墙的测距达100m，采用 300MHz 计数方式，测距精度 0.5m，重复测量频率1kHz。

中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作开发了低价便携式半导体激光测距仪，采用 4MHz 晶振，线性时间放大技术，测量距离 1km，精度小于 1m 。

莱赛公司研制的测量距离 200m，测距精度 0.5m 的半导体激光测距仪。

西南技术物理研究所研制的半导体激光测距仪，其工作波长为905nm，重复测量频率为100Hz，测程 2-800m，测量精度士 lm 。

测量厂生产的 D3000 系列测距仪，采用发光二极管作为光源，其最大测程可达 4.5km 。

船舶重工集团第717研究所研制的激光测距仪测量围20 km，精度±2.5 m，重复频率25 Hz。

国主要的民用激光测距产品主要由莱卡及一些国际大型公司垄断，国虽然有很多家单位研制激光测距产品，但是其测距精度比较低，一般在 0.5m 左右，并且成本较高，很难同国外的企业进行竞争。

在众多激光测距产品中，近年来发展起来的脉冲式半导体激光测距以其测程远、测距精度高、不需合作目标等优点获得了广泛的应用。

在地理测量测绘、军事目标打击等方面都有广泛的使用。

随着科学技术的进步以及激光技术的发展，激光测距技术的应用将会更加普及，而且会向着小型化、使用方便、低功耗等方向发展。

因此，研究一种性能优良、价格低廉、便携式的民用脉冲半导体激光测距仪是非常有必要的。

1.3课题研究容
本课题研究的是脉冲激光测距系统，通过向待测物体发射与接收从待测目标返回的脉冲激光信号，精确地测量发射脉冲和回波脉冲之间的时间间隔，根据光
速就可以计算出脉冲激光测距仪和待测目标之间的距离。

对脉冲激光测距系统测量精度影响最大的是脉冲飞行时间的测量精度。

对脉冲飞行时间测量越精确，系统的精度就越高。

发射激光脉冲的上升时间、激光接收系统的信噪比、高精度计时电路的计时精度都间接或直接地影响着脉冲飞行时间的测量精度。

脉冲激光测距仪系统主要窄脉冲激光发射系统、激光接收系统、TDC-GP2高精度时间间隔测量系统、单片机控制系统、LCD显示等组成。

下面简要介绍一下本课题的研究容：
第一章为绪论部分，主要介绍了本课题的研究背景及意义，国外在激光测距领域的研究现状以及本课题的研究容。

第二章为激光测距系统理论分析与设计部分，主要介绍了激光及其原理，激光器的种类及选择，激光测距原理，激光测距方法以及激光测距方法的选择。

第三章为系统总体方案与电路设计部分，主要介绍了激光测距系统的总体方案，系统电路的设计。

其中介绍了激光发射电路，包括窄脉冲发生电路、激光驱动电路以及半导体激光器。

激光接收电路，包括接收光路、光电探测器、放大电路、比较整形电路、时刻鉴别电路以及高压产生电路。

最后简单介绍了高精度计时电路。

第四章为单片机与液晶显示部分，主要介绍了AT89C51单片机的特性、引脚说明及外围电路，以及LCD液晶显示。

第五章为总结部分，对本课题的主要工作进行总结。

第二章激光测距系统理论分析与设计
2.1激光技术
2.1.1激光简介
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发
明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。

它的亮度约为太的100亿倍。

激光的原理早在 1916 年就被著名的美国物理学家爱因斯坦发现。

爱因斯坦根据物质发光和吸收必须符合能量守恒的基本原则，预言除了大量的自发辐射以外还必然存在着少量的受激辐射，并且这种受激辐射还会进一步引发同类的受激辐射，因此可以获得受激辐射被增强的效应。

爱因斯坦的论断为激光的发明提供了理论基础。

但直到 1960 年激光才首次被成功制造出来。

之后，激光研究出现了空前繁荣的局面。

1960年美国和欧洲的激光研究组的数量大约在25—50之间，仅两年之后单单在美国就有500个。

1963年之后，研究者开始指导自己发现激光的特殊性质。

对材料和受激方法的研究带来了不同种类的激光：半导体激光、离子激光和化学激光等，而对激光的性质和效应的研究则反过来进一步促进了激光技术的发展。

新的激光类型不断出现，1965—1968年已经有100多种新的激光出现。

激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致了一个新兴产业的出现。

激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。

激光技术发展到今天已，形成了一个产业。

美国、日本、德国三个国家激光产业的发展代表了当今世界激光产业发展的趋势。

美国在500瓦以下的中、小功率激光器方面占优势，德国在500瓦以上用于材料加工的高功率激光器方面占优势，而小功率的半导体激光器则是日本占优势,占世界市场的70%以上。

中国的激光技术研究起步很早。

中国第一台红宝石激光器于1961年8月在中国科学院光学精密机械研究所研制成功。

在这以后，我国的激光技术得到了迅速发展，并在各领域得到了广泛应用。

1987年6月1012W的大功率脉冲激光系统——神光装置,在中国科学院光学精密机械研究所研制成功，多年来为我国的激光聚变研究作出了巨大的贡献。

我国激光技术的发展经过40多年的艰苦努力,在技术研究方面获得重大突破,成为我国科学界最活跃的领域之一。

激光产业也从无到有，目前全国共有5个国家级的激光技术研究中心，10多个产品研究机构，有150多家公司生产和销售激光及激光配套产品，并有多家公司已经形成了具有一定规模的生产能力。

公司主要分布在、、、和等地区，国现已形成的激光产业主要包括有激光光盘、激光通讯、激光加工、激光医疗、激光检测、激光印刷设备及激光全息等，这些产业正在成为新的经济增长点，从而引起了社会各界的高度重视。

2.1.2激光及其产生
激光是由受激发射的光放大产生的辐射。

激光最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。

意思是“通过受激发射光扩大”。

激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。

1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。

普通光源（如电灯、火焰、太阳等）是由于外界作用（例如光照、受到其他原子或电子的碰撞等），基态原子吸收了外界能量后，从基态变为激发态，即原子被激发。

激发的过程是一个“受激吸收”过程。

激光是由于处于高能级的原子受到入射光子的作用，当该光子的能量恰好等于其两相应能级的能量差时，受激原子将发生由高能态向低能态的跃迁，这种跃迁称为受激跃迁，其辐射称为受激辐射。

受激辐射产生的光子与入射光子的传播方向、频率、振动方向、相位完全一样。

也就是说，普通光源发光是由于电子从低能级跃迁到高能级,是受激吸收和自发辐射。

而激光的产生，是由于电子从亚稳态能量级跃迁到低能量级，是受激辐射和光的放大的结果。

激光产生的条件是实现粒子数反转分布和满足阀值条件。

1．粒子数反转分布
在自然状态下，光源中的粒子受到辐射的几率很小。

实际情况是当一定频率的光射向工作物质时，受激辐射与受激吸收两种状态同时并存，虽然受激辐射在不断地释放光子使光子数增加，可是受激吸收也在不停地吸收光子使光子数减小。

当物质处于热平衡状态时，粒子在各能级上的分布呈金字塔状，符合平衡状态下粒子的统计分布规律，处在较高能级层上的粒子数总是少于处在较低能级层上的粒子数。

因而光照射工作物质时，受激吸收总是占优势，所以光的能量只会减弱不会加强。

要想使光的能量增强，必须使受激辐射占主导地位。

也就是说，要使分布在高能级的粒子数目大于分布在低能级的粒子数。

这种粒子分布恰好与粒子处于平衡状态时的统计分布相反，被称为粒子数反转分布，简称粒子数反转。

实现粒子数反转是产生激光的必要条件。

从理论上来说，无论何种工作物质，只要对其施加适当的激励，就可以在粒子分布体系某两个能级间实现粒子数反转，如图2-1所示。

图2-1 粒子数反转
实现粒子数反转的方法很多，如光照、气体放电、化学反应等来对基态原子进行激励。

这种激励方式与水泵将低处的水抽往高处的原理相似，所以人们把各种对基态原子的激励手段又叫泵浦或抽运。

用强光进行激励时叫光泵浦，而激励光则叫泵浦光。

虽然初期受激吸收过程强于受激辐射过程，但是在泵浦光的作用下，基态原子不断地跃迁到高能态上，并逐渐地积累，最终可以是高能态的原子数多于基态原子数目而实现粒子数反转。

一旦实现了粒子数反转，受激辐射过程就占主导地位了。

2．满足阀值条件
形成激光不能只有粒子数的反转分布，由于激发状态的激光是不稳定的，它们在激发状态的时间围会纷纷跳回到基态，形成自发辐射，这些光子会射向四面八方。

要产生激光振荡还必须有起着正反馈、谐振和输出作用的光学谐振腔。

激光谐振腔由两块相互平行的反射镜组成，其中一块为全反射镜，另一块为部分反射镜。

实现了粒子数反转分布的工作物质称为增益介质。

在谐振腔中，从增益介质中辐射出来的光子刚开始时其辐射方向是杂乱无章，其中偏离工作物质轴向的光子逸出腔外，只有沿着轴向传播的光子在谐振腔两端反射镜作用下才能往返传播。

这些光子就成为引起受激辐射的激发因子，它们可导致轴向受激辐射的产生。

受激辐射发出的光子与引起受激辐射的光子有相同的频率、相位、传播方向和偏振状态。

它们沿轴线方向不断地往返，穿过已实现粒子数反转的工作物质，从而不断地引发受激辐射，使轴向行进的光子不断得到放大和振荡。

这种雪崩式的光放大过程使得谐振腔沿轴线方向的光量骤然增大。

并从谐振腔的部分反射镜端射
出，这就是激光，也即受激辐射光。

产生激光时，增益介质的单位体积高能级的粒子数与低能级的粒子数之差，叫做阀值反转密度。

而外来激励使工作物质开始产生受激辐射的能量、功率或电流，分别叫做阀值能量、阀值功率、阀值电流。

综上所述，要产生激光，首先必须利用激励能源使激光工作物质实现粒子数反转分布，这是产生激光的前提条件。

但这还不够，还必须满足阀值条件，这是产生激光的决定性条件，两者缺一不可。

2.1.3激光的特性
激光与普通光都是一种电磁波，但它又具有普通光所不能比拟的特性。

1．相干性好
相干性是所有波的共性，但由于各种光波的品质不同，导致它们的相干性也有差别。

由于激光是受激辐射光，所以具有很好的相干性。

2．单色性好
光是一种电磁波。

光的颜色取决于它的波长。

普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。

太包含红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光及红外光、紫外光等不可见光。

激光的波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。

光的颜色由光的不同波长决定，不同的颜色，是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来的。

而某些激光的波长，只集中在十分窄的光谱波段或频率围。

如氦氖激光的波长为632.8nm，其波长变化围不到万分之一纳米。

由于激光的单色性好，为精密仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了非常有利的条件。

3．方向性好
普通光源(太阳、白炽灯或荧光灯)向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角，这就使得在照射方向上的照度提高了千万倍。

激光发射后发散角非常小，射到38万公里的月球上，其光斑直径还不到2公里。

激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。

4．亮度高
激光的亮度很高，比普通光源高数亿倍，这是由于激光的发射能力强和能量的高度集中，亮度是衡量一个光源质量的重要指标，若将中等强度的激光束经过汇聚，可在焦点处产生几千到几万度的高温。

激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。

激光的上述特性，使激光具有广阔的应用前景。

例如，工业上的激光打孔、切割、焊接、准直、测距；农业上用激光辐射改良种子、改变遗传物性；医学上。