激光测距系统的设计

编号： 20150107017
本科毕业论文（设计）
激光测距系统的设计
Design of laser ranging system
姓名张亚星
学院信息工程学院
专业测控技术与仪器
班级2011级测控1班
学号**********
指导教师郝允慧讲师
2015 年 6 月 2 日
激光测距系统的设计
【摘要】激光测距是对激光技术、计算机技术等多门技术的综合运用，因此集多种技术的优点于一身，比光学测距技术更精密。

随着激光技术的日益成熟，激光测距的精度越来越高，应用得到不断推广，逐步扩展到国民生活的各个方面，在军事上也得到广泛的应用。

本文介绍了激光测距的三种方法，重点阐述了相位式激光测距的原理，着重介绍了相位式激光测距系统的电路组成，包括回波接收电路、数据采集及显示电路、激光发射电路等。

在此测距系统中采用了自动数字测相的方法，从而有效的提高了测相的精度。

每个系统都会或多或少产生误差，为了减小系统误差，对系统误差进行分析，并提出最佳解决方案，再次检测系统误差最终被控制在允许范围内。

【关键词】激光测距相位测量自动数字测相
Design of laser ranging system
[Abstract]The laser ranging is a technology for precision measurement, it is developing along with the development of the laser technology, which is extensively used in the military field and the civil field because of the good accuracy. Laser has a strong directional, high brightness, good monochromaticity, suitable as a light source of photoelectric distance measurement The laser ranging is comprehensive application of various technologies, for example the optics, laser technology, precise machinery, electronics, calculate technology and photoelectron etc. Along with the development of laser technology, digital and electronic technology, and integrated circuit, the laser ranging is developing to digitalize, automation and small-sized portable direction.
This paper introduced a few methods of laser ranging. For example, phase laser range finding, the laser triangle measure pulse laser measures, etc. This design introduced the theory of phase laser range finding and expatiated the circuit forms of phase type laser range finding system. The system included the emitting circuit of the laser, receiving circuit, data acquisition circuit and shows electric circuit etc. This range finding system has adopted a method of the auto numeral phase-detection, and then improves the precision for measurement.
Finally, the system generated is theoretically analyzed, and specific solutions are introduced. The deficiencies of the system are analyzed and the work to be carried out after that is given.
[Keywords]laser range phase measurement the auto numeral phase-detection
目录
引言 (1)
第1章绪论 (2)
1.1 课题背景 (2)
1.2 激光测距技术的优点 (2)
1.3 激光测距技术的发展 (2)
1.4 本课题研究的主要内容 (4)
第2章激光测距的原理 (5)
2.1 激光测距原理的介绍 (5)
2.2 激光测距方法综述 (5)
第3章相位式激光测距系统的设计 (8)
3.1 设计方案的拟定 (8)
3.2 基本公式及频率选择 (9)
3.3 发射系统设计 (10)
3.4 接收系统设计 (14)
第4章数据处理与误差分析 (24)
4.1 数据采集与显示电路设计 (24)
4.2 程序实现 (29)
4.3 误差分析 (30)
结论 (33)
参考文献 (34)
致谢 (34)
附录Ⅰ：英文原文 (37)
附录Ⅱ：译文 (44)
附录Ⅲ：电路图 (49)
引言
光波早在人类以前就已经存在，自从有了人类以后，光波最早不被发现，直到人类技术逐步先进，光波才被利用。

早在激光问世以前，强相干光的获得很难完成。

二十世纪六十年代第一台红宝石激光器诞生，推动了激光技术的迅速发展，光学及其应用技术也得到了巨大的变革，许多相关学科也不断被完善。

从此激光技术被认为是二十世纪最伟大的发明之一。

激光技术的不断发展，标志着光波应用技术进入一个崭新的阶段。

激光技术主研究的主要内容有激光的产生、变换、传输、探测及其与物质的相互作用等内容。

本设计中研究的主要内容是利用激光技术对距离进行测量。

光学测距是在激光测距以前，被通常采用的测距方法。

距离的改变会改变光学测距的精度，测量的距离越远，测量精度越差，一起的体积往往较大，导致操作也很复杂。

但是相比之下，光学测距就不会存在这些问题，并且测距精度还很高，在目前来说是最受欢迎的测距方法。

相位法、干涉法、三角法和脉冲法是激光测距常用的方法。

几乎社会生活的每个领域都要用到激光技术。

可用于汽车防撞雷达，激光测距具有高数据率，行驶汽车在行驶时的速度，与障碍物之间距离，能被快速显示，减少交通事故，保证行车安全。

其次，激光相位测距技术被广泛地应用在大地测量、地质勘探、水利工程、隧道施工
，相位式激光测距适等。

本设计中主研究对静态物体进行测距，并且测距范围10m
合于短距离测量，并且测量精度高。

因此，本设计选择相位式激光测距系统。

第1章绪论
1.1 课题背景
第一台红宝石激光器是1961年诞生，从这以后激光技术就被认为是对人类很重要的一项新技术。

激光测距是多门技术的综合应用，它整合了激光技术，计算技术等多门技术的优点于一体。

被广泛的应用在军事上，为各国军事储备和作战技术奠定了基础。

目前常用的测距方法有相位法、三角法、脉冲法和干涉法等，激光的特点有方向性强和单色性、相干性好等，这些特点奠定了激光测距的基础，可以做到高精度的检测、计量。

1.2 激光测距技术的优点
一、测距精度高
激光测距系统的精度不受被测距离的影响，同时不同经验的操作者进行测距时也不会影响测距的精度。

激光测距的精度高，战术激光测距的误差小于5m，实验室的话，测距误差会比战术测距误差小很多。

二、测距仪体积小、重量轻
我们知道光学测距仪体积较大且笨重，测距时不方便操作，携带起来也很麻烦。

不同于光学测距仪，激光测距仪体积较小。

军事上装备的激光测距仪，重量一般为l0kg左右，最小的只有0.36kg。

三、分辨率高、抗干扰能力强
激光测距仪的分辨率取决于窄的光束和短的脉冲宽度，而且电磁和地波无法干扰其分辨率。

仰角较低时，激光测距雷达的工作可以不受地面信号的干扰，从而测量结果不被影响，这样激光测距雷达可以正常反馈监测信息。

微波雷达相比之下受到干扰就会比较严重，使监测数据不准确。

有了激光测距雷达就不会再纠结地面信号的干扰。

一些军用的坦克应用了激光测距仪以后其命中率得到大幅度提高，从而巩固了国防实力。

1.3 激光测距技术的发展
一、激光测距仪分类
根据测量距离来分，激光测距仪可以被分为三大类[1][2]：
首先是短程激光测距仪，其测量距离是5km以内。

测量高度不是很高及测量距离
在5km 内的测量作业，都适合采用短程测距。

其次是远程或中长程激光测距仪，它的测量距离范围是5公里到几十公里不等。

地震的发生具有随机性，为了准确监测地震发生情况，采用远程激光测距仪；地面有很多需要控制的因素，而这些因素分布不均，也采用此种方法测量。

导弹发射距离很远，人造地球卫星离地面遥远这种测量属于远程及超远程激光测距的范畴。

二、 国内外概况
激光测距技术是现代探测最重要的一门技术，对军事和人们的生活领域影响较大。

继世界上第一台激光测距机发明以后，被研发出来的还有用于军事的实验型激光测距机，经过试验，这种测距机性能可靠、稳定，可以后被运用到实际生活中，各种激光测距机为人类带来福利的同时，也取代了光学测距机，充分利用激光的优点，完成光学测距机不能完成的任务。

经过几十年的不断发展，军用激光测距机已经研制发展到了三代[3]，其功能和测量精度不断提高。

第一代激光测距机是最早问世的激光测距机，采用发射0.6943m μ红外红宝石激光器和光电倍增管探测器， 1970年初期第一代激光测距机很快便被第二代激光测距机取代。

在一代的基础上第二代激光测距机采用发射1.06m μ近红外铷激光器和硅光电二极管（或硅雪崩光电二极管）探测器。

相对于一代来说各方面都很成功。

二十世纪七十年代第一个手持使用的小型Nd ：YAG 激光测距机在美国成功问世，被称之为AN/GVS-5。

人眼安全的激光测距机是第三代激光测距机。

目前第三代激光测距机有工作波长为10.6m μ和1.54m μ三种不同类型。

三、 发展趋势
目前适合人眼安全的激光测距机分为三种[3]：
(1)2CO 激光测距机：2CO 激光测距机发射的激光为人眼安全范围内的10.6m μ波长。

其优点有：其传输性能在烟雾中不受影响；兼容性好。

缺点是：水蒸气能够吸收2CO 激光，对其影响较大；目标反射率较低；与Nd ：YAG 激光测距机相比其成本较高、体积较大和重量较重。

(2) 喇曼频移Nd ：YAG 激光测距机：这种激光测距机利用喇曼频移技术将Nd ：YAG 激光器1.06m μ波长的激光下频移为眼睛安全的1.54m μ波长的激光。

其优点有： Nd ：YAG 泵浦激光输出的脉冲宽度比喇曼频移激光脉冲的要宽。

这种激光测距机能以较高的重复频率工作。

主要缺点有：受激后喇曼散射会产生一些不必要的非线性效应，使转换效率降低。

(3)饵玻璃激光测距机：饵玻璃激光测距机可以发射1.54m μ波长的激光。

主要优点有：对于人眼安全性最高的激光波长是1.54m μ，不会损坏人眼。

其次它的结构简单、便宜，手持比较方便，故得到广泛使用。

其缺点主要表现在：工作复频率较低；效率低、阈值高；至今为止还没有适用的被动染料Q 开关。

四、激光测距的应用
军事史一个国家安全的保障，激光测距仪在军事上的应用大大提高了国防实力。

随着车企的发展，车辆越来越多，从而交通事故也增加，为了减少事故发生率汽车上可以使用此技术，在行驶过程中随时测量与前后车之间的距离。

激光测距技术具有的测量距离远，测距结果精度比一般测距仪高，这项技术被迅速应用到各种类型的测距机。

侦查需要先进的、精密的仪器才能使侦查结果准确无误，而激光测距仪就能做到这点，将其应用在侦察设备中能有效的完成侦察任务。

并且使使侦查更加容易且测距范围变大，测距精度提高。

激光测距仪与其他测距仪相比具有测距精度高、测距速度快（测距时间1到2秒）、轻小灵活、测量距离数字显示、训练简单、操作容易等优点。

激光测距仪已经被广泛应用于社会生活的各个领域。

当今，激光测距仪已经应用于交通事故现场的勘查，有效地提高了交通事故现场勘查效率和准确性。

办案交警只需手持“莱卡PLUS型”激光测距仪瞄准目标轻轻一按，交通事故现场数据即可搞定。

其次，为了降低交通事故很多汽车装置内具有激光探测仪，在行驶过程中可以精确测量与前面汽车车距。

同时改变行车速度，大大降低了交通事故率。

出现交通事故时，激光测距仪可以勘测现场，将现场测量数据发送到电脑，即使反映事故的状况。

1.4 本课题研究的主要内容
本课题要求设计一个激光测距系统，技术条件、技术参数要求为：
1、以静态物体为分析设计对象；
2、测距范围10m。

本设计研究的内容有：介绍各种激光测距的方法及原理；针对设计要求选择最佳的测距方法；相位式激光测距系统的电路设计；数据采集及显示部分的设计；误差分析；最后总结了论文所做的工作，以及今后的发展方向。

第2章 激光测距的原理
2.1 激光测距原理的介绍
一个典型的激光测距系统是由以下几个单元组成：激光接收单元，激光发射单元，准直与聚焦单元，距离计算及显示单元，如图2-1所示[4]。

激光测距的基本原理是利用激光发射单元发射的单次激光脉冲或激光脉冲串激光，以光速到达目标物，经过反射在接收单元被接收，然后计算目标物距离，最后将结果显示在显示器上。

图2-1 激光测距系统构成框图
2.2 激光测距方法综述
一、 脉冲式激光测距
脉冲测距[5]是基于测量脉冲激光束传播时间确定距离的技术。

被测距离值的计算通过脉冲激光在传播路径上往返的时间，可以按下面式子求出： n
ct L 2= (2-1) 式中：L ——待测距离（注：本文中所涉及变量的单位如没有特别说明均为国际单位）；
c ——真空中光速，其中s m c /1099792458.28⨯=；
t ——激光脉冲在测线上往返经过的时间；
n ——标准大气条件下传输介质对激光的平均折射率。

由式计算可知脉冲测距不适合用于短距离测量。

但对于远程测量脉冲测距还是比较准确的，因此军事上对各种战场目标测距通常选用脉冲测距。

二、 相位式激光测距
相位法测距[6]就是通过测定调制激光往返过后所产生的相位变化来间接测定往返时间，从而求得光波所经过的距离。

2f t πϕ= (2-2) 式中：ϕ——接收信号与发射信号的相位差；
0f ——调制信号的频率。

由以上两式可以得相位法测距的一般公式： π
ϕ220nf c L = (2-3) 式中未说明变量同公式(2-1)后的变量说明。

测量精度高、近距离不存在盲区是相位式激光测距具有的主要优点。

为了使信号完全的反射，并使测定的目标稳定在与仪器精度相称的某一特定点上，在测量时需要在被测点放置角反射器（也称合作目标的反射镜），这就只适应于静止或移动相对缓慢的物体，对于在互相运动着的物体之间进行距离测量是不适合的。

利用相位式研制的激光测距仪在测量精度上无可挑剔，其他测距仪测量精度要逊色很多。

由于具有这些优势，该种测距仪适合精密测距，一般测距量级为毫米级。

三、 激光三角法测距
将物面与光源及接收系统摆放在三个点，构成三角形光路，即为三角测距法，该方法是一种传统的测距方法。

该测距方法在实际中的应用比较多，轻巧、便携、并且结构不复杂，制造工序少且容易。

随着科学技术的不断进步，激光很多不为人知的秘密也被发现，比如它的亮度比其他光源高，色度单，并且激光的方向性比其他光源强。

近几年新的光电探测器（阵列行）技术快速发展，光电扫描发展速度也很快，这些技术带动了三角测距法，三角测距方法由传统变得现代起来。

四、 干涉法激光测距
干涉测距法原理基础是光波的干涉，利用各种干涉仪测距的方法。

但在目前，激光干涉仪的实际操作距离只有300m 左右，大气起伏过程是影响其原因所在。

干涉法测量距离的精度极高。

五、 几种测距方法的比较
脉冲激光测距法一般是通过测量激光的传输时间来测距的方法，测距范围较大，测程较远，像各类行星距离地球非常遥远，即使是光速也要很长时间才能到达，以前测距比较困难，精度也较低，但是现在有了脉冲激光测距完全可以对其进行测量，操作起来也会比其他光源测距仪简单。

但是远距离测量精度较低，一般大于l 米。

相位测距法通常采用激光调制的方法，对距离的测量，可以通过改变载波调制频率的相位。

中程、短程距离可以使用此种方法，比如要想提高测距的精度，必须提高系统的相位测量精度和激光调制频率，增加设备的性能要求。

激光三角测距法被广泛应用于物体的表面轮廓、宽度、厚度、位移及振动测量，比较适合于短距离的测量。

在实时动态测量中，三角法基于其简单的原理、构造的容
易，也得到广泛的应用。

)，环境会干涉测距法测距精度则较高，适用于微小位移的测量(一般小于1m
影响测量的精度，高精度的实验室比较适合用该种方法。

第3章相位式激光测距系统的设计
3.1 设计方案的拟定
一、方案拟定
综合第二章激光测距方法的介绍可知，相位式激光测距适合于短距离测量，并且测量精度比较高。

本设计主要以静态物体为分析对象，并且测距范围10m
，因此，相位激光测距法无疑是最佳的方法，所以本设计选择相位式激光测距法。

二、系统工作过程
在前面的介绍中，我们知道相位法测距法测距的过程。

图3-1表示相位式激光测距系统方案图[7]。

图3-1 相位式激光测距系统方案图
主控振荡器(简称主振)产生的测距信号通过激光器（我们选用砷化镓半导体激光器，实现直接调制，不需外加调制器）发出了调制光波(即测距光波)，由发射光学系统发射出去，经过目标反射后，光学系统接收反射回来的激光，经光电转换后，变成电信号，其输出信号和本地振荡(简称本振)信号进行混频。

两高频信号进入混频器混
，同时主振会产生另一路信号，该信号与本地振荡信频，从而得到低频测距信号U
测
号进入混频器后混频，可以得到低频参考信号U 参。

原来两高频信号的信息，经过混
频后仍然不变。

对信号U 测和U 参进行相位比较，即可得到两信号的相位差。

通过计
数显示系统计算得到目标物距离并由显示器显示出被测距离值。

3.2 基本公式及频率选择
一、 计算距离的基本公式
在图3-2[8]中，如A 点安置仪器，B 点安置反射器，A →B 为光波的往程，B →A '为返程。

为清楚起见，我们可以将往程与返程摊平，则在图上很容易看出测距信号在待测距离上往返一次所产生的相位差。

图3-2 信号往返一次的相位差
由图3-2中见
ϕπϕ∆+=N 2 （3-1） 将式（3-1）代入前面给出的相位法测距的一般公式(2-3)得 ()()N N n N nf c
N f n c L ∆+=⎪⎭⎫ ⎝
⎛∆+=∆+=2222400λπϕϕππ （3-2） n 为标准大气条件下传输介质对激光的平均折射率，我们一般取1=n ，则 ()N N L ∆+=
2λ （3-3） 通常用u 代表2
λ，则 ()N N u L ∆+= （3-4） 式中，π
ϕ2∆=∆N 。

式（3-4）就是相位法测距的基本公式。

从公式中我们得到，这种测距方法，就好比用一把长度为u （即2
λ）的尺子来丈量被测距离。

如同用钢尺量距那样，始终N 是“整尺段”数，而u N ⨯∆则为“余长”。

这里我们把长度等于调制波波长之半（即
u =2λ
）的这把“尺子”称为“测尺”或“电子尺”。

另外，我们还看到，在相位激光测距系统中，欲得到距离，必需测定两个量：一个是“整波段”N ；另一个是“余长”N ∆，亦即相位差尾数ϕ∆值（因π
ϕ2∆=∆N ）。

在相位式测距系统中，一般只能测定ϕ∆（或N ∆），无法测定整波数N 。

这好比担任量距的人已经忘了量了多少整尺段，但是最后不足一个整尺段的余长却记忆犹新，因此式（3-4）就具有了多值性，距离L 尚无法确定。

二、 测尺频率的选择
多值性问题的解决方案按照测程可以分为两种：
(1)对于中长距离测距仪，测尺频率采用集中的间接测尺频率方式，一般设定3到5个辅助频率；
(2)对于短程测距仪，采用分散的直接测尺频率方式，设定精测和粗测两个调制频率，一般精测频率保证了测距精度，而粗测频率保证了测程。

本设计是对短距离的测量，因此采用分散的直接测尺频率方式即可。

可选择的测尺长度有：10m 、100m 、1km 、10km 、100km 。

在我的设计任务书要求的测量范围10m ≤，所以选用长度为10m 的测尺，因为它既保证了测距精度又达到了我们的测距范围要求。

此时0N =，即φφ=∆，则 π
ϕ220∆=f c L （3-5） 选用测尺长度m u 10=时，相应的测尺频率为 MHz Hz Hz u c f 151015.010
2103288
0=⨯=⨯⨯== （3-6） 3.3 发射系统设计
一、 主控振荡器
主控振荡器[10]是产生调制信号频率标准的电路，主振产生连续正弦变化的频率十分稳定的基准信号，馈送至调制器对光载波进行调制。

稳定性对于很多测量仪器都是很重要的指标，振荡频率的稳定性同样关系到系统的测量精度。

测距系统需要稳定的频率，为了达到这个要求，采用石英晶体谐振器构成的振荡器。

石英晶体振荡器与LC 谐振回路相比，前者有两大优点：其标准性比后者高，品质因数也比后者好；这两大优点决定了石英晶体振荡器的频率稳定度，非常稳定，并且非常高。

用石英晶体谐振器、半导体器件以及电阻、电感、电容等元件组成的自激正弦振荡电路统称为石英晶体振荡器。

晶体振荡器在电路中又可分为两种：串联晶体
振荡器和并联晶体振荡器。

串联晶体振荡器中晶体的作用是选频短路线；并联晶体振
结构简单可靠，易于调制等优点。

所以近年来广泛应用于各种激光测距仪中，特别是在短程全自动测距仪上用作激光源尤其普遍。

在我的设计任务中要求测距范围 ，所以选用砷化镓（GaAs）半导体激光器最佳。

图3-4就是最简单的砷化镓注10m
入式激光器的内芯结构图[12]。

图3-4 砷化镓激光器的内芯
砷化镓（GaAs）半导体激光器的工作原理也同一般激光受激跃迁辐射原理相同，有三个环节：激发跃迁——形成粒子数反转——受激辐射光放大。

当没有外部能量输入时，p—n结内的电场处于平衡状态，粒子数反转不能建立。

如果在p—n结上加正向电压，即p区为“+”，n区为“-”，这样会使外加电场的作用恰好抵消结区场的作用，从而使电子和空穴可以继续得以扩散，使电子得到外部能量，从而更多地从价带状态被激发到导带状态中，因此电子扩散流得以维持。

扩散的空穴此时与节区中的扩散电子相结合，即电子的能量级别从开始的导带状态向价带状态跃迁，并辐射出光子。

这些受激辐射的光子中的一部分平行于结区传播，产生碰撞使更多的电子受激发，再继续跃迁辐射出更多的同样光子，这样就形成受激辐射。

砷化镓激光器的主要工作特性[12]为：
(1)注入功率很小，一般为几毫瓦至几十瓦。

(2)输出主要是红外区域，室温时主要输出为9020埃，77K时为8400埃；线宽在室温时为几十埃，单色性较差。

(3)输出发散度较大，波束截面常为椭圆形，长轴方向发散角约几度，短轴方向发散角约20到70度。

一般不能偏振输出。

三、调制方法
使光的振幅、频率或相位发生有规律变化的过程，叫做对光的调制。

调制有调幅、调频、调相3种。

激光测距中大多采用振幅调制——调幅[13]。

激光测距仪的调制方式分为内调制和外调制两种。

(1)内调制——所谓内调制就是在激光器内完成调制的过程。

激光器、调制器在内调制中不可分离，相互统一，因而激光器输出的光束本身就已经发生了强度的变化。

我们选用的GaAs激光器就在这一类的范畴内，光的发射的控制途径是改变输入电流的大小，使光源输出的光遵循输入电流特征变化的调制光波。

(2)外调制——激光器和调制器是分离的两个部分。

激光器发生一定光强的光束，通过调制后，成为强度不断变化的光波。

在He-Ne激光测距仪中广泛应用。

在本设计中采用GaAs半导体激光器作为激光源，由以上可知，不用另外加调制器而是利用直接调制。

四、合作目标
在相位激光测距中，一般都需要在测线的另一端设置一个反射棱镜，通常称为合作目标[14]。

即测距时将它安置于被测距离处，它的作用是把从发射光学系统投射到待测目标上的光线反射回到接收光学系统。

对反射镜的主要要求是：反射能力强；安置反射镜便于对准发射光束；携带方便。

反射镜虽有平面反射镜、球面反射镜以及角反射器等数种规格，但前两种都不宜使用在测距系统中，因为平面反射镜的反射光的偏角是入射光偏角的二倍，故要正确地返回仪器的接收部分是比较困难的。

球面反射镜虽具有入射方向偏出于光轴时，出射方向仍能与入射方向平行以及安置其方向时不需十分精确的特点，但其要求对准误差不能超过0.5~1°，这是十分苛刻的。

所以在测距系统中选用的是角反射器，这种反射镜是用光学玻璃磨制成的四面体，其中三个面I、II、III是互相垂直，且都是等腰直角三角形，其形状如同立方体截下一角如图3-5所示，这种棱镜，通常称之“角反射器”。

其特点是：不论入射光的方向如何，经它反射后，返回光线总是与原入射光平行，如图3-6。

因此，在安放反射器时，其方向允许粗略一点，约在偏离正确方向20°以内也有反射光。

为了使I、II、III三个表面均能进行全反射，在这三个表面上涂有一层金属反射膜。

(a) （b）
图3-5 角反射器图3-6 角反射器的入射和反射光线。