激光测距实验报告

激光脉冲测距实验

激光脉冲测距实验

1.实验目的

通过学习激光脉冲测距的工作原理；了解激光脉冲测距系统的组成；搭建室内模拟激光脉冲测距系统进行正确测距，为今后的工程设计奠定理论基础和工程实践基础。

2.实验原理

激光脉冲测距与雷达测距在原理上是完全相同的，如图2.1所示。在测距点激光发射机发射激光脉冲，光脉冲经过光纤到达接收端，并被测距机上的探测系统接收。测出从激光发射时刻到被接收时刻之间的时间间隔t ，根据已知光速，即可求出光纤的长度R 为 R=错误！未找到引用源。/2 (2-1) 式中c 为光速。真空中的光速是一个精确的物理常数

错误！未找到引用源。=2.99792458X 错误！未找到引用源。m/s

光纤中的平均折射率n 为

n=1.000275266 故光纤中的光速为

c=2.9971x 错误！未找到引用源。

图2.1 激光测距原理框图 可见，激光测距的任务就是准确地测定时间间隔t 。当不考虑光纤中光速的微小变化时，测距精度错误！未找到引用源。主要是由测时精度错误！未找到引用源。t 确定的

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。/2 (2-2)

实际脉冲激光测距机中是利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来测定时间间隔 t 的。时钟晶体振荡器用于产生固定的频率的电脉冲振荡，脉冲计数器的作用是对晶体产生的电脉冲个数进行计数。设晶体振荡器产生的电脉冲频率为f ，则脉冲间隔T=1/f 。若从激光脉冲发出时刻脉冲计数器开始计数，到光脉冲被接收时刻停止计数。设这段时间内脉冲计数器共计得脉冲个数为m ，则可计算出被测光纤的长度为

R=1/2错误！未找到引用源。

(2-3)

相应的测距精度为

错误！未找到引用源。=1/2错误！未找到引用源。/2 (2-4)

可见，脉冲激光测距机的测距精度由晶振的频率决定。常用军用激光测距仪的晶振频率有15MHz、30MHz、75MHz和150MHz等，与其相对应的测距精度分别为错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。。晶振的频率愈高，测距精度就愈高，但随之而来的，不仅是计数器的技术难度增加，而且要求激光脉冲的宽度愈窄，激光器的难度也增加。

对脉冲测距系统，计数器的“开门”信号是由取出一小部分发射激光脉冲经光探测器转换成电信号形成的。这两个信号既可由同一探测器提供，也可以用两个探测器提供。

激光脉冲测距机由激光器、发射光学系统、接收及瞄准光学系统、取样及回波探测放大系统、技数及显示器和电源几部分组成，如图2.2所示

测放大系统

图2.2 脉冲激光测距机组成框图

系统操作人员一旦下达发射激光命令，激光器发射一束窄激光脉冲，经发射光学系统扩束后射向接收系统，其中一小部分经取样后启动计数器开始计数。

激光回波经测距机的接收和瞄准光学系统，聚焦到前面有窄带滤光片的光探测器上。由探测器将其转换成电信号，再经取样及回波探测放大系统处理后产生“关门”信号用于关闭计数器。由计数器计得的脉冲个数计算出光纤得长度，再通过显示器显示出来。

3.实验装置

实验装置包括“激光脉冲发射/接收电路板”、电脑和“单片机开放板”。

1.激光脉冲发射/接收电路板组成及工作原理

激光脉冲发射/接收电路板原理框图如图2.3所示。图中ＥＭＰ3032为ＣＰＬＤ；ＭＡＸ3656为激光驱动器；ＭＡＸ3747为限幅放大器；Ｔ22为单端信号到分差信号转换芯片；Ｔ23为差分信号单短信号转换芯片；Ｌ

Ｄ为半导体激光器；ＰＤ为光探测器。板子上端的ＥＭＰ3032被编程为

脉冲发生器，输出重复频率为1KHz,脉冲宽度为48ns的电脉冲信号。此信号经MAX3656放大后驱动LD发光。板子下端的ＥＭＰ3032被编程为计数器，对125MHz晶振计数器。其计数的开门信号来自上端的TX信号，关门信号来自PD的输出。计数器的计数结果采用12位二进制数据输出，对应时间范围为0~32.76us.

图2.3 发射/接收模块原理框图

发射/接收模块布局如图2.4所示，TX、RX1、RX2为三个Q9插座。其中，LD的驱动信号由TX口输出；PD接收到的信号由RX输出。

插座J9为计数结果输出管脚，包括12位数据管脚和1位计数指示管脚：•数据管脚的高八位（从第12到5位）分别对应J9的1、3、5、7、9、11、13、15；

数据管脚的低四位（从第4到11位）分别对应J9的16、14、12、10。

高电平为1，低电平为0；

•计数指示管脚为J9的第六位。计数指示为1表示正在计数，0表示计数结束。

4.实验内容与要求

图2.4 实验系统组成框图

实验系统主要由激光脉冲发射/接收电路板（其上包括脉冲半导体驱动器、脉冲半导体激光器、光电探测接收系统、计数器）和单片机开发板（其上包括单片机及显示模块）组成。其中脉冲半导体激光驱动器产生重复频率为1KHz，脉冲宽度为24ns的电脉冲信号驱动半导体激光器工作，同时此脉冲信号作为计数器的开门信号启动计数器开始对高速晶振输出的脉冲个数计数。半导体激光器输出光脉冲耦合到光纤中，经过一定长度的光纤传输后再被光电探测器接收转换成电信号，经过放大后作为计数器的关门信号，使计数器停止计数。此时计数器计到的脉冲个数再乘以晶振的周期即为光脉冲在光纤中的传输时间，此时间乘以光在光纤中的传播速度即为光线的长度。单片机将计数器的计数值读入，计算出距离值并显示出来。

单片机程序：

/****************************************/

//-------------脉冲测距程序-------------//

//------//

/****************************************/

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

uchar code SEG7[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00}; uchar SAV[6]={0xa0,0xa0,0xa0,0xa0};

uchar code ACT[6]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf};

void delay(uchar);

void display();

void count(uint);

uint Get_Data();

void main()

{ unsigned int R;

while(1)

{

int v=180;

uint Re_Data=Get_Data();

R=16*Re_Data;

count((uint)R);

while(v)

{

display();

v--;

}

}

}

void delay(uchar time)

{

while(time>0)time--;

}

void count(uint Con_Data)

{