激光测距的研究毕业论文

脉冲激光测距的研究毕业论文
目录
摘要 (1)
关键词 (3)
前言 (2)
一脉冲激光测距的研究状况 (3)
1.1国外研究状况 (3)
1.2国研究状况 (3)
二激光测距原理 (3)
2.1相位法激光测距 (4)
2.2相位法优缺点 (6)
2.3脉冲激光测距的基本原理 (7)
2.4脉冲激光测距仪的测距性能指标 (15)
2.5激光脉冲飞行时间法的关键技术 (17)
2.6小结 (20)
三激光发射电路设计 (21)
3.1M ULTISIM简介 (21)
3.2M ULTISIM的界面 (21)
3.3激光脉冲发射电路设计 (22)
四脉冲激光接收电路设计 (24)
4.1基本要求 (24)
4.2前放设计分析 (24)
4.3整形电路 (27)
4.4计数电路 (28)
4.5接收电路 (29)
4.6PCB板 (30)
五结束语 (31)
致谢 (31)
参考文献： (31)
激光测距的研究
摘要:论文中讨论了相位激光测距和脉冲激光测距的基本原理，并就两种方法的优缺点做了对比分析。

本论文就脉冲激光测距的方法进行了深入分析和研究，分析了脉冲激光测距系统工作的基本特征，分析了相关的一些主要参数，并依据原理设计了相关的电路，设计过程中优化了电路参数，并做了仿真分析和实践验证，文中也提供了系统的PCB图，系统工作稳定可靠。

Abstract:In this paper, the principles of laser range based on phase and pulse were discussed in this paper, and the advantages and disadvantages were compared and analyzed. The typical characteristics of pulse laser range finder were studied with the theory, the circuit graph was deigned and optimized by analyzing the main parameters, the laser range finder system was stable and reliable by simulation and verification, and, the PCB of the circuit was shown in it.
关键词: 激光测距；脉冲；相位；PCB
key words：Laser Ranging Finder ；Pulse；Phase；Printed circuit board
前言
脉冲半导体激光测距技术研究的目标是增大作用距离,提高测距精度,并在解决二维光学扫描的基础上,实现对目标的三维测量。

经过近30年发展,其中几项关键技术有了很大的进展。

激光测距是最早成熟应用的军用激光技术，基于半导体激光器的测距研究伴随着半导体激光器的功率不断提高、工艺不断完善而逐渐发展起来的。

本文首先介绍了脉冲半导体激光测距的基本原理和发展。

结合工程实际，详细地描述了激光测距系统设计的理论和步骤，给出了结合软件防真的设计方法，得到了系统设计中发射激光峰值功率、脉冲前沿要求、接收信噪比等关键参数。

然后，对系统中的各部分电路进行分析设计，对可能的方案进行分析，完成了基于晶体管的激光脉冲发射电路、基于光电二极管的接收前置放大器、恒比定时鉴别器及时间一幅度转换器等电路的设计并应用软件进行模拟仿真。

一脉冲激光测距的研究状况
1.1国外研究状况
80年代半导体激光二极管技术日趋成熟，开始应用于中、短程测距雷达，它具有体积小、重量轻、结构简单、使用方便、对人眼安全、便宜等一系列优点。

年代国外开始发展半导体激光雷达，在中、短程激光雷达应用方面有取代YAG激光雷达的趋势。

近年来又发展了一种便携式、对人眼安全、无合作目标、低价的适用于家庭的半导体激光测距仪，既能作为望远镜又具有测距功能。

如1996年美国Bushnell公司推出了测距能力400码的400型小型、轻便、省电、对人眼安全、低价LD的激光测距仪Yardage400，己被评为1997年世界百项重要科技成果之一;1997年Bushnell公司在Internet网上又推出测距能力为800码的800型激光测距仪;1998年美国Tasco公司测距能力为800码的摄像机型Lasersite LD激光测距仪。

随着技术的不断进步乒不少专门从事该设备研制的公司如雨后春笋般涌现，应用围不断扩大，半导体测距仪向集成化、小型化方向发展。

例如，leica公司的VICTOR系列，还配备电子罗盘及倾角仪，测程>1km，重量1.2kg。

据报道，2004年美国海军陆战队向leica 公司定购了500套微型测距机，测程1km，重量仅293克。

另外一种就是将半导体测距仪和光学瞄准镜、夜视等设备组合，具有测距和瞄准双重功能，如果配有弹道计算机，可根据距离信息计算弹道高，修正风偏，给出准确距离分划。

例如美国SACMFCSⅡ侧轻武器通用模块火控系统，就具有这样的功能，据报道其测距能力大于2km。

1.2国研究状况
国样机的研究始于20世纪80年代，是在原固体、气体激光测距机基础上发展起来的。

目前，基础技术已具备，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，数据率100Hz的激光测距机。

中科院光机所研制出便携式激光测距机，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机，作用测距1km，精度<±1m，采用4M晶振，线性时间放大技术。

莱赛公司研制了作用距离200m、测距精度0.5m的半导体激光测距机，2001年，兵总209所研制的半导体激光高度表，测程800米。

二激光测距原理
激光测距的方法可以归为三类：干涉法、三角法、飞行时间法。

其中飞行时间法是根据直接或者间接获得的激光飞行时间来得到目标物距离，根据所发射激光状态的不同，可分为脉冲法激光测距和连续波激光测距，后者根据起止时刻标识的不同又分为相位法激光测距和调频激光测距。

而干涉法、三角法属于非飞行时间法，是通过光子计数或数学统计的方法来得到目标物距离。

目前，采用较多的是脉冲法激光测距和相位法激光测距，以下将这两种测距方法做简单原理描述。

2.1相位法激光测距
相位法激光测距就是通过测量连续的调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位变化来间接地测定信号传播时间，从而求得被测的距离。

利用光速来测量距离时，要求测量围大、测距精度高，但是由于光的速度极快，因而要求精确测量极短的时间间隔。

相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。

即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。

由于其精度高，一般为毫米级，为了得到有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。

本文只是从相位法原理上分析激光测距系统，如图1所示，激光测距系统主要包括相差测量单元、发射单元、接收单元，论文涉及的容主要时相差测量单元。

目前相差测量单元基本上是设计电路并通过元器件（包括IC ），在PCB 版上实现。

首先，我们对相位法做详细分析。

相位法测距原理图如图1所示，通过测定调制光信号在被测距离上往返所产生的相位差φ，间接测定激光的往返时间2D t ，进一步计算出距离D
D=c 22
D t =c 4f ϕπ (公式1) 式中：c 为光波在空气中的传播速度；D 为调制光信号经过被测距离；φ产生的相位移；f 为信号的调制频率。

因为φ是以2π为模数的，所以
ϕ=2N π+2∆N π (公式2)
式中：N 表示相位移ϕ中包含的2π的整数倍；ΔN 表示调制光波最后不足整数的尾数
部分。

由公式2可见，当ϕ>2π时，被测距离大于测尺长度，N ≠2π而现有测量相位差的方法都不能测出N 的值，这就造成了测量结果的多值性问题。

当ϕ<2π时，N =2π,此时D 有唯一解，可测量的最大单值距离为：
s D =2c f
(公式3) 式中，s D 又称测尺长度， f 越高，s D 越小；在被测距离确定时，f 越高，产生的相位差越大，测量越精确。

由公式3可知，不同的调制频率对应不同的测尺长度，调整调制频率使被测距离小于测尺长度就能够解决多值性的问题。

使用单一频率调制的时候，测尺越长测量精度越低，即单频调制在扩展量程的同时牺牲了精度，所以，这种方法通常只在短程测量中使用。

一般在测距仪中设置几种不同的测尺频率，粗测尺保证测距仪的量程，精测尺保证测距的精度，用他们同时测某段距离，将所测的结果组合起来，就可以得到单一的、精确的距离值。

例如，为了测量288.13m 这段距离，我们选用了两把精度皆为1‰的尺子，一把尺长为1L =10m ，精度为1cm ，另一把尺长2L =1000m ，精度为1 m 。

用2L 测量时得288m ，用1L 测量剩余的长度为0.13 m ，组合结果得到完整距离值D 为288.13。

多频调制测尺的选择方式常用的有直接测尺频率方式和间接测尺频率方式。

1. 直接测尺频率方式
如果我们选择7.5MHz 和75KHz 的测尺频率，则测尺频率相差悬殊，硬件电路中放大器和调制器难以实现对各种测尺频率具有相同的增益和相对稳定性。

然而这种方式结构简单，短程的测距仪由于测尺频率的分散性不大，可以选择此种方式，长程测距仪为了避免测尺频率过于分散，则不宜采用此方式。

2. 间接测尺频率方式
长程测距仪和部分中程测距仪采用这种方式。

当用1f 和2f 两个测尺频率的光波分别测量同一段距离D 时,则得两波的相位移1ϕ、2ϕ分别是：
1ϕ=2π1f t = 2π（1N +∆1N ） （公式4）
2ϕ=2π2f t = 2π（2N +∆2N ） （公式5）
其相位移之差为：
ϕ∆=1ϕ-2ϕ=2π[（1N -2N ）+（∆1N -∆2N ）]= 2π（N+N ∆） （公式6）
式中 N =1N -2N ，N ∆=∆1N -∆2N
若用差频(1f -2f )作为光波的调制频率，其相位移为：
'ϕ∆ϕ∆=2π(1f -2f )t=2π[（1N -2N ）+（∆1N -∆2N ）]= 2π（N+N ∆）（公式7） 由公式6、公式7可见：
'ϕ∆=ϕ∆ （公式8）
上式说明，对同一段距离作相位法测量时，两个测尺频率分别测距的相位差的尾数之差ϕ∆，等于以上这两个测尺频率的差频来测距而得到的相位差的尾数'ϕ∆。

另外，我们还可以推导出以差频（12f f -）作为新的测尺频率s f （也称相当测尺频率）的距离公式。

由前述可知，当我们用1f 和2f 两个测尺频率的光波测量同一段距离时，可得到：
D=1S L （1N +∆1N ）=1
4C f （1N +∆1N ） （公式9） D=2S L （2N +∆2N ）=
24C f （2N +∆2N ） （公式10） 将公式9、公式10两式交换并相减，则得：
1244f f C C
-=1N -2N +∆1N -∆2N （公式11） 所以 D=124()C f f -[（1N -2N ）+（∆1N -∆2N ）]=4s
C f （N+N ∆） （公式12） 式中s f =12f f -称为相当测尺频率（其中1f 及2f 称为间接测尺频率）。

N =1N -2N ，∆N =∆1N -∆2N
设0f 为基准调制频率，通常选择0.90f 、0.990f 、0.9990f ……作为一组调制频率，进行测距，各调制频率比较接近，电路对各调制信号具有相同的增益和相移稳定性，适用于远程激光测距。

2.2 相位法优缺点
相位法激光测距机的距离分辨率是很高的，通常相位分辨率要达到一个周期的1/1000是很容易的，由相位法激光测距的原理可以知道，只要调制频率足够的高，相位分辨率是可以达到很高的，例如:测距围15m (测尺长度D=15m ),采用差频测相,测尺频率f=c /2D ,约为
10MHz 。

电路选择本振频率L f =10MHz 作为光波调制频率。

由于采用差频测相,故另设置主振
频率M f =9.9985MHz ,主本振之差频 1.5kHz 作为测相频率。

采用数字检相技术,用CP f =10.8MHz 基准脉冲做检相填充脉冲,结合应用进行高精度相位差测量,测相精度0.05°,测量精度为5 mm ，测相精度为0.05°(满周期填充脉冲数为10.8MHz /1.5 kHz )=7200个,每个脉冲当量为360°/7200=0.05°)。

但是相位法测距，当调制频率提高，一方面使得其测程变得很短，另一方面对调制频率源要求非常高，所以相位法激光测距机难以同时实现大量程和高精度的测距，因此要实现高精度和大量程两个技术指标，就必须应用多个不同频率的测尺频率，从而增加了电路的复杂程度，通常相位法激光测距需要有合作目标，以提高回波功率，这在一定程度上限制了其工程应用，然而随着新型的电子器件的出现，随着检测精度的提高，这些矛盾最终是可以得到解决的。

在短程测距当中，波相位法激光测距方式的分辩率比脉冲型激光测距方式要高，因此一般都选用这种测距方式。

随着相位法激光测距应用场合的日益广泛，对测距机的测距精度和测距速率要求也越来越高，采用传统方案的测距机己难以满足要求。

目前的相位法测距机基于都引入了数字化处理以加快测距速率，同时精度也有了相当的提高，提高测距精度和测距速率的关键之一是测相技术的改进。

目前基于差频数字测相的方法得到了应用，国外现在出现了采用同步解调的方法实现的测距机，在测距精度和速率上具有优势，应用前景良好。

2.3 脉冲激光测距的基本原理
根据激光测距的基本原理激光测距技术又可分为脉冲测距和连续波相位测距两种。

连续波相位测距是用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟,再根据调制光的波长,换算此相位延迟所代表的距离,即用间接方法测定出光经往返所需要的时间。

连续波相位测距的精度极高,一般可达毫米级,但相对脉冲测距测量速度慢,测量距离短，电路结构复杂,成本高；激光脉冲测距方法相对长距离目标的测量,能够达到足够的测量精度和测量速度，目前激光测距系统多采用脉冲激光测距方法。

本系统选择用激光脉冲测距法来完成距离测量。

脉冲激光测距是利用激光器对目标发射一个或一列很窄的光脉冲（脉冲宽度一般小于50ns ），通过测量光脉冲到达目标并由目标漫反射返回到接收系统的时间计算出目标的距离。

设目标距离为R ，光脉冲往返时间为t ,光在真空中的传播速度为c （c ≈2.99 ×8
10m /s ，并且光速c 在空气中传输受介质、气压、温度、湿度的影响可忽略）,则有下列公式成立： 2
ct R （公式13） 在脉冲激光测距中，t 通常是通过测距计数器对从发射脉冲到目标并从目标返回到接收系统期间进入计数器的时钟脉冲个数的累计来测量的，具体如计时波形图所示。

设在t 时间，有N 个时钟脉冲进入计数器，时钟脉冲的振荡频率为0f ，
022c c R NT N LN f =
== （公式14） 式中，02c L f =，表示每一个时钟脉冲所代表的距离增量。

如计数器计数N 个时钟脉冲，
则由公式14可得到目标距离R 。

L 的大小决定了脉冲测距的测量计数精度。

2.3.1脉冲激光测距工作原理
脉冲激光测距仪大多由激光发射系统、激光接收系统和计数系统三个基本
部件组成，图3是它的原理示意图。

它是通过测量激光光束在待测距离上往返
传播的时间来换算出距离的。

激光脉冲测距仪的工作过程大致如下:首先用瞄准光学系统瞄准目标，接着启动复位开关，复位电路给出复位脉冲，使整机复位，准备进行测距，同时触发脉冲激光器产生一个前沿陡峭、峰值功率高的激光脉冲。

绝大部分激光能量经过发射光学系统压缩光束发散角后射向目标，这样的光脉冲射到几十公里远的地方，才只有几米直径的一个光斑。

在脉冲发射出
去的同时，该激光脉冲有极少量能量由光取样器直接送到激光接收系统（即极小一部分光立即由两块反射镜反射而进入接收光学系统），作为发射信号。

而射向目标的光脉冲，由于目标的漫反射作用，总有一部分光从原路反射回来，而进入接收光学系统，这就是回波信号。

发射信号和回波信号先后经过滤光片由光电探测器转变为电脉冲，并经放大电路放大后，输送给阈值电路。

超过阈值电平的信号被送至脉冲整形电路整形。

整形后的发射脉冲使T 触发器翻转，控制计数器对晶体振荡器发出的时钟脉冲进行计数。

整形后的回波信号使T 触发器的输出翻转无效，从而使计数器停止工作。

通过计数器累计出从激光发射至接收到目标回波期间所进入的时钟脉冲个数，就可根据晶体振荡器的振荡频率得到激光往返的时间，计算出目标距离。

为了使光束对准目标发射，接收光学系统对准目标接收，一般要求瞄准光学系统、发射光学系统和接收光学系统三条光轴严格平行。

为了扩大测量围，提高测量精度，不难看出测距系统对光脉冲应有以下要求:
1.光脉冲应该具有足够的强度。

无论怎样改善光束的方向性，它总不可避免要有一定的发散，再加上空气对光线的吸收和散射，所以目标越远，反射回来的光能量就越弱，甚至根本接收不到。

为了测量较远的距离，就要使光源发射具有较高功率密度的光强。

2.光脉冲的方向性要好。

这有两个作用。

一方面可把光的能量集中在较小的立体角，以射得更远一些，另一方面可以准确判断目标的方位。

3.光脉冲的单色性要好。

无论是在百天还是黑夜，空气中总回存在着各种杂散光线，其往往会比反射回来的光信号强得多。

光脉冲的单色性越好，滤光片的效果就越佳，就越能够有效提高接收系统的信噪比，保证测量准确性。

4.光脉冲的宽度要窄。

由于光速极快，光往返时间极短，光脉冲至少应该远远小于往返时间才能正常测量。

另一方面窄脉冲能够可以提高系统的信噪比。

2.3.2脉冲激光测距性能方程
2.3.2.1脉冲激光测距的测距方程
一束激光以一定的辐射功率和发散角在大气中传播，在激光束传播的过程中，由于大气的存在，激光束的一部分光能被吸收，一部分光能被散射，最终到达目标的辐射能通量已减少了许多。

我们将目标看成二次光源，根据目标的漫反射性质，我们即可求出沿着探测器方向的激光辐射亮度，对目标的整个受照面积进行积分，同时考虑大气对回波信号的衰减作用，就可以得到进入探测器的回波光功率。

脉冲激光测距原理图如图4所示,为了使激光发射系统发射的激光功率尽可能多的被激光接收系统所接收，同时又保证尽可能少的背景辐射进入接收系统，必须使激光接收系统的接收视场角r Ω，同激光发散角t Ω之间有良好的匹配关系。

在理论上，最简单的方法是使接收视场角等于光束发散角，即r Ω=t Ω，在这种情况下发射光束直径总是等于接收视场直径。

假定激光测距仪的发射系统和接收系统是非同轴的，并假定激光光强是均匀分布的(实际是按高斯分布的)。

设激光发射系统发射的激光峰值功率为t t T P ，发射的激光束的立体角为t Ω，则激光光源照射在被测目标上的辐射照度为:
2a t t t t T T P E R
=Ω （公式15） 式中，a T 是激光传输距离为R 的大气透过率,
0()exp[(,)]R T R R dr υσλ=-⎰
（公式16） 这里(,)R υσλ为大气消光系数。

设目标为理想的漫反射体，则目标作为二次辐
射源沿各方向的辐射亮度m L 为一常数，且辐射亮度与出射辐射度之间的关系
为:
m m M L π= （公式17）
若设目标的漫反射率为ρ，则目标的辐射出射度为m t M E ρ=，于是可求出目标的辐射亮度:
m m M L π==2
a t t t T T P R ρπΩ （公式18） 设激光测距仪接收天线的面积为A ,激光发射光束与距离R 处的目标相交的截面积为S ，任一面元ds 与激光测距仪光轴的夹角为ϕ，则根据亮度的定义，可求出目标作为二次辐射面光源沿激光测距仪光轴方向辐射到典立体角的辐射功率为:
2cos r m m s A P L ds R ϕ=⎰ （公式19） 设激光测距仪的接收视场2r r A R
Ω≥，接收光学系统的透过率为r T ，考虑到大气透过率a T 可以计算出被探测器接收到的光功率r P 为:
2222cos cos r r
a m a t t r r s r s ds A T T L T T P A T p ds R R R ϕρϕπ==Ω⎰⎰ （公式20）
设目标的有效反射截面m A =cos s ds ϕ⎰
，则激光测距仪对小目标测距时的测距方程可改
写为:
222
a t t r r m r T T P A T A P R R ρπ=Ω （公式21）
为使上式适用于对大目标测距的情况，引入比例因子2
m r A R ε=Ω。

众所周知激光测距仪的信噪比是一个很重要的指标，因此为了减小进入到光电探测器中的外部噪声，在对小目标测距时通常使激光测距仪的接收视场角r Ω略小于激光束的发散角t Ω这种条件下，目标后向反射的激光功率中，只有在接收视场的才能被光电探测器所接收，该功率与目标后向反射光功率之比r t ΩΩ。

令r t ΩΩ=ϒ
，并将比例因子ε，ϒ代入上式，则脉冲激光测距的测距方程可表述为:
22t t a r r r PTT T A P R ρεγπ= （公式22） 其中：t P ——激光测距仪的发射峰值功率；
r P ——激光测距仪的接收峰值功率；
t T ——发射光学系统的透过率；
r T ——接收光学系统的透过率；
r A ——接收光学系统面积；
ρ——目标漫反射系数；
a T ——大气或其他介质的单程透过率；
R ——目标距离；
ε，ϒ——定义如下:
2,1,{m
t A R
εΩ= 22m t m t A R A R <Ω≥Ω ,1,
{r t γΩΩ= r t r t ΩΩΩ≥Ω （公式23） 式中,m A 为目标有效反射面积。

它由目标表面上任一面元ds 与激光发射光束之间的夹角;以及目标被激光照射的表面积S 确定，即m A =cos s ds ϕ⎰，t Ω为激光发射光束的发散
角,r Ω 为激光接收视场角。

由以上推导过程可知，测距方程成立的条件是:
(1)目标为理想的漫反射体；
(2)目标距离与激光测距仪横向尺寸相比足够大；
(3)接收视场2
r r A R Ω≥； (4)忽略大气湍流对回波光功率的影响；
(5)忽略目标及大气对激光回波光束时域特性的影响；
(6)仅考虑了目标后向反射的回波激光功率。

激光测距方程描述了到达激光接收机光电探测器的回波功率与激光测距仪发射功率、光束发散角、光学系统透过率、接收视场等性能参数，传输介质(大气或水)的衰减，以及目标有效反射界面、反射率等目标特性之间的关系。

该方程虽然是简化方程式，但实验结果表明，它可以用于估算激光测距仪的最大探测距离及其影响测距性能的相关因素，是激光测距仪设计的理论基础。

然而大量研究结果表明，当激光测距仪的接收视场角较大时，由于大气对经目标反射的激光束有多次散射的作用，因此激光测距仪接收到的回波光功率有所增大。

2.3.2脉冲激光测距的信噪比方程
要探知一个客观事物的存在及其特性，一般都是通过测量它对探测者所引起的某种效应来完成的，对光辐射量的测量也是这样。

在光电子技术的实际应用中，必然涉及到如何将光信号转变为可观测信号并进行探测的问题。

从这个意义讲，凡是把光辐射量转换为电量(电流或电压)的光探测器，都称为光电探测器。

所以光电探测器及其光电探测技术在激光测距技术中是非常重要的。

1.脉冲激光测距的光探测原理
光电探测器的基本功能就是把入射到探测器上的光功率()P t 转换为相应的光电流()i t ，即:
()()q
e i t P t h ηυ= (公式24)
式中，e -电子电荷；q η-探测器的量子效率，它由探测器的物理性质所决定；h-普朗克常数;υ-入射光频率。

因此，只要待传递的信息表现为光功率的变化，利用光电探测器的这种直接光电转换就能实现信息的解调，这种探测方式通常称为直接探测。

因为光电流实际上是相应于光功率的包络变化，所以直接探测方式也常常叫做包络探测。

由于直接探测实现比较简单，可靠性又好，所以在脉冲激光测距仪等许多光电设备中都采用了直接探测技术。

现设输入光电探测器的信号光功率为l s ,噪声光功率为l n ,光电探测器的输出电功率为0s ,输出噪声电功率为0n ,则总的输入光功率为l s +l n ,总的输出电功率为0s +0n 。

根据光电探测器的平方律特性，有
0s +0n 2()l l K s n =+ （公式25）
考虑到信号和噪声的独立性，应有：
20l s Ks = （公式26）
所以输出信噪比为：。