激光測距系統(tǒng)設(shè)計.doc

本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開題報告題目： 激光測距系統(tǒng)設(shè)計 姓 名： 黃俠 學(xué) 號： 201006060118 指導(dǎo)教師： 呂岑 班 級： 光信101 所在院系： 電氣與信息工程學(xué)院 課題名稱激光測距系統(tǒng)設(shè)計課題來源科研課題課題類型工程設(shè)計類指導(dǎo)教師呂岑學(xué)生姓名黃俠學(xué) 號201006060118專 業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)1、 課題的意義以及國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r：課題的意義：激光與普通光源有顯著的差別，它利用受激發(fā)射原理和激光腔的濾波效應(yīng)，使所發(fā)射的光束具有一系列新的特點：激光有小的發(fā)散角，即所說的方向性好或準(zhǔn)直性好;激光的單色性好，即相干性好，激光的輸出功率有限，但是功率密度很高，一般的激光亮度要比太陽表面的亮度大。在激光問世以前，人們沒有什么辦法來獲得強(qiáng)相干光。激光技術(shù)出現(xiàn)后，很快被應(yīng)用到各種測量(大地測量、地形測量、工程測量、航空攝影測量以及人造地球衛(wèi)星的觀測和月球的光學(xué)定位等航天測量)中。與此同時，現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展和光電器件性能的不斷提高，使激光測距儀成為距離測量的主要儀器之一。與其它測距技術(shù)相比，激光具有角分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)，可以避免微波貼近地面的多路徑效應(yīng)和地物干擾問題，并且具有天線尺寸小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)小巧、和安裝調(diào)整方便等優(yōu)點，激光測距儀是目前高精度測距最理想的儀器之一。由于以上各方面的原因，使得激光測距在測量領(lǐng)域得到了青睞，并被迅速推廣。激光測距儀的研究應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中具有非常重要的意義。激光測距的精度與操作者的經(jīng)驗和被測距離無關(guān)，誤差僅取決于儀器本身的精度。用激光測距對衛(wèi)星進(jìn)行精密測軌，精度已達(dá)l cm，日本用于預(yù)防地震的長距離監(jiān)測系統(tǒng)，全程84 km，誤差小于l mm。軍事上裝備的激光測距儀，重量一般為10 kg左右，最小的只有0.36 kg，體積只有香煙盒那么大，激光由于方向性好，所以可以不用巨大的天線就可以發(fā)射極窄的光束。激光測距不僅分辨率高，而且具有抗干擾能力強(qiáng)的窄光束和短的脈沖寬度，不僅使橫向和縱向目標(biāo)分辨率大大提高，而且不受電磁干擾和地波干擾。由于激光與激光測距技術(shù)很多優(yōu)點的存在，本課題意在研究出相位法激光測距的光學(xué)系統(tǒng)。國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀：國外發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀(jì)中期，激光測距機(jī)是激光器在軍事上最早應(yīng)用的項目。世界上第一臺激光測距機(jī)于1961年誕生在美國休斯飛機(jī)公司，稱為柯利達(dá)I型.經(jīng)過30年的發(fā)展，軍用激光測距機(jī)已更新了兩代，研制發(fā)展了三代。第一代激光測距機(jī)采用發(fā)射0. 6943,cun紅外紅寶石激光器和光電倍增管探測器，是最早問世的激光測距機(jī).20世紀(jì)70年代初期少量裝備部隊，如美國的AN/GVS-3、日本的70式，因其隱蔽性差、效率低、體積大、重量重、耗電多，很快便被第二代激光測距機(jī)取代。第二代激光測距機(jī)采用發(fā)射1. 06,tnn近紅外欽激光器(主要是Nd:YAG激光器，少數(shù)為欽玻璃激光器)和硅光電二極管或硅雪崩光電二極管探測器。第二代比第一代隱蔽性好、效率高、小巧、耗電少，因此第二代激光測距機(jī)的小型化研制進(jìn)展迅速。第三代激光測距機(jī)，即人眼安全的激光測距機(jī)。目前已研制成工作波長為10. 6m 和1. 54m的三種不同類型的各種型號的人眼安全激光測距機(jī)，己進(jìn)入生產(chǎn)和應(yīng)用階段。與此同時，激光測距技術(shù)也逐漸應(yīng)用到民事領(lǐng)域。從20世紀(jì)70年代初至今的近30年，國外許多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和公司也開展了這方面的研究工作。國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國激光測距儀的研究始于20世紀(jì)50年代，是在原固體、氣體激光測距機(jī)基礎(chǔ)上，發(fā)展起來的。目前，基礎(chǔ)技術(shù)已具備，主要是解決工程應(yīng)用的問題，開發(fā)各種應(yīng)用產(chǎn)品。1972年，北京光學(xué)儀器廠與武漢地震大隊等聯(lián)合研制成國內(nèi)首臺JCY-1型精密氣體激光測距儀，1974年研制出了JCY-2型激光測距儀，測程為15-20km,測距精度(10mm + 1 ppm x D) 。He-Ne激光管，2. 5 mW，調(diào)制方式為石英超聲外調(diào)制，采用了5種調(diào)制頻率，測相采用手動方式，速度慢。1973-1976年，北京測繪儀器廠與北京大學(xué)、北京光學(xué)儀器廠、清華大學(xué)、國家測繪總局測繪科學(xué)研究所和北京市地質(zhì)地形勘測處分別合作，先后研制成HGC-1型及DCH-1型紅外測距儀，精度分別為1. 5 mm和5mm，測程分別為l km和1. 5 km。它們采用半導(dǎo)體激光器作為光源，直接內(nèi)調(diào)制方式，2種調(diào)制頻率。測量時間分別為6.6s和10s。 本課題的研究內(nèi)容、方法、手段及預(yù)期成果： 研究內(nèi)容：激光測距的方法主要有：脈沖法、相位法、干涉法測距、三角測量法、反饋法測距、縱模拍頻測距法，就對技術(shù)成熟性和測程的要求，脈沖法和相位法是首選。(1)脈沖式激光測距. 脈沖激光測距技術(shù)利用激光脈沖能量在時間上相對集中，瞬時功率很大(一般可達(dá)兆瓦級)的特點，在有合作目標(biāo)的情況下，脈沖激光測距可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測程，一般的脈沖激光測距機(jī)可測量數(shù)十甚至數(shù)萬公里的距離，達(dá)到十幾個厘米的測量精度。缺點就是絕對測距精度不是很高。(2)相位式激光測距，相位式激光測距是利用固定頻率的高頻正弦信號，連續(xù)調(diào)制激光源的發(fā)光強(qiáng)度并測定調(diào)制激光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲。通過相位延遲計算測量的距離。相位測距方法既能保證大的測量范圍，又能保證較高的測量精度，通常在毫米量級。 通過對上述兩種測距方法之比較，可以看出不同的測距方法適合于不同測距范圍。脈沖測距法適合于遠(yuǎn)距離的測量，相位測距法適合于中遠(yuǎn)距離的測量?？偟膩碚f，在中遠(yuǎn)距離的測量上，相位測距法的精度比脈沖測距法的精度高；由于本系統(tǒng)設(shè)計將應(yīng)用于中遠(yuǎn)距離的測量，所以相位式測距法具有非常好的優(yōu)勢。激光相位法測距的原理 激光相位測距中，把連續(xù)的激光進(jìn)行幅度調(diào)制，調(diào)制光的光強(qiáng)隨時間做周期性變化，測定調(diào)制光往返過程中所經(jīng)過的相位變化即可求出時間和距離。發(fā)射處發(fā)射處 圖2.1 相位式激光測距原理示意圖 如圖2.1所示，設(shè)發(fā)射處與反射處的距離為x，激光的速度為c，激光往返它們之間的時間為t，則有： (2.1)設(shè)調(diào)制波頻率為f，從發(fā)射到接收間的相位差為，則有： (2.2)其中，N為完整周期波的個數(shù)，為不足周期波的余相位。因此可解出： (2.3)其中，稱為測尺或刻度，N即是整尺數(shù)，為余尺。根據(jù)測得的相位移的大小，可知道余尺的大小。而整尺數(shù)N必須通過選擇多個合適的測尺頻率才能確定，測尺頻率的選擇是提高精度的關(guān)鍵因素之一。 激光相位法測距的系統(tǒng)設(shè)計對于相位式激光測距系統(tǒng)的設(shè)計，理論分析與實驗工作相結(jié)合，采取的研究方法為:查閱并收集資料、選擇合適的器件，測距理論總體設(shè)計和各個部分電路的研究設(shè)計，從而給出了整個相位式激光測距系統(tǒng)的電路系統(tǒng)實現(xiàn)方案。整個電路系統(tǒng)包括了四大部分，它們分別是:(1) 半導(dǎo)體激光器的調(diào)制驅(qū)動電路，這部分采用高頻正弦信號對激光器的注入電流進(jìn)行調(diào)制，使得激光器光強(qiáng)隨注入電流而變化。(2) 光電檢測放大濾波電路，這部分采用P-I-N光電二極管對激光信號進(jìn)行探測。(3) 鎖相環(huán)頻率綜合電路，這部分先對鎖相環(huán)原理作了簡單介紹，然后應(yīng)用高精度的頻率計作頻率校準(zhǔn),自動調(diào)節(jié)本機(jī)振蕩頻率, 確保用作檢相的低頻信號的頻率穩(wěn)定不變.(4) 利用數(shù)字測相系統(tǒng)進(jìn)行測相，最后通過屏幕顯示出來。相位式激光測距是通過測量連續(xù)的幅度調(diào)制信號在待測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位延遲，間接地測定信號傳播時間，從而得到被測距離的。這種方法測量精度高，通常在毫米量級。相位式激光測距的原理框圖如圖所示。它由激光發(fā)射系統(tǒng)、頻率調(diào)制系統(tǒng)、回波接收系統(tǒng)、混頻鑒相系統(tǒng)和計數(shù)顯示系統(tǒng)等組成。激光信號由調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制后，經(jīng)被測物反射，接收系統(tǒng)將反射的光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行放大,后轉(zhuǎn)到混頻器中進(jìn)行混頻，混頻結(jié)果又進(jìn)測中進(jìn)行測相最后通過屏幕出來。 設(shè)計方案：本課題研究的步驟：（1） 查閱大量的科技文獻(xiàn)資料，掌握關(guān)于該設(shè)計研究的基本知識。了解激光測距的結(jié)構(gòu)及工作原理，對激光測距有全面的認(rèn)識。（2） 對收集的資料進(jìn)行整合，根據(jù)相位法激光測距要實現(xiàn)的功能進(jìn)行方案論證，確定各模塊的電子器件及相關(guān)參數(shù)，從而確定各模塊的實現(xiàn)方案。（3） 利用硬件仿真軟件Multisim按功能塊設(shè)計各硬件原理圖，包括：主控震蕩電路、激光調(diào)試發(fā)射電路、光電轉(zhuǎn)換電路、高頻放大濾波電路、混頻電路等，在MCU中用匯編（C語言）程序設(shè)計語言對硬件電路設(shè)計功能控制程序。（4） 在調(diào)試軟件KEIL C51上對功能控制程序進(jìn)行調(diào)試和分析。（5） 將Multisim和 KEIL C51聯(lián)合調(diào)試，觀察運(yùn)行結(jié)果，對結(jié)果進(jìn)行分析、研究，對于不成熟的部分，做必要的改進(jìn)。（6）根據(jù)自己的能力，畫出系統(tǒng)設(shè)計PCB板和嘗試做出相位法激光測距的實物設(shè)計。預(yù)期成果： （1） 相位法激光測距光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過方案優(yōu)選和詳細(xì)的理論分析，通過電路仿真軟件multisim仿真和KEIL C51調(diào)試，能得到較為理想的結(jié)果，基本上符合設(shè)計要求。（2）利用所學(xué)知識及收集查閱的資料，寫出該系統(tǒng)設(shè)計分析的初稿。經(jīng)指導(dǎo)老師審閱，在測試、分析無誤的情況下，廣泛聽取指導(dǎo)老師的意見，按照學(xué)院論文撰寫格式要求修改論文初稿，最終完成論文寫作。 設(shè)計（論文）進(jìn)度安排及完成的相關(guān)任務(wù)（以教學(xué)周為單位）：任務(wù)完成的階段安排及時間安排1周3周文獻(xiàn)資料收集4周相關(guān)背景知識學(xué)習(xí)及資料分析，做好開題報告5周7周系統(tǒng)方案研究并設(shè)計半導(dǎo)體激光器的調(diào)制驅(qū)動系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)電路仿真8周10周設(shè)計激光器的激光接收系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)電路仿真11周編寫功能控制程序并進(jìn)行調(diào)試與分析12周進(jìn)行整體系統(tǒng)的仿真與調(diào)試1314周整理資料，撰寫論文1516周修改論文和準(zhǔn)備答辯參 考 文 獻(xiàn)1汪友生, 徐小平. 相位法激光測距的實現(xiàn)D. 北京工業(yè)大學(xué)報. 2003.2丁燕. 相位法激光測距儀設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究D. 同濟(jì)大學(xué). 2007.3馮其波. 光學(xué)測量技術(shù)與應(yīng)用M. 北京：清華大學(xué)出版社，2008, 190-196.4陳家璧，彭潤玲. 激光原理與應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社, 2008, 140-145.5周德亮，張興敢. 一種脈沖相位式激光測距儀的設(shè)計D. 電子測量技術(shù). 2009. 6金寧, 汪偉. 用于相位法激光測距的系統(tǒng)設(shè)計D. 西安電子科技大學(xué). 2007.7呂曉玲. 半導(dǎo)體激光測距接收系統(tǒng)研究D. 長春理工大學(xué). 2007.8孫芳方，陳寧，喬彥峰，李鵬. 光電經(jīng)緯儀中激光測距發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計J. 2008.9張志勇,張靖,朱大勇. 一種基于相位測量的激光測距方法D.成都：電子科技大學(xué), 2006.10賈方秀,丁振良,袁鋒. 相位法激光測距接收系統(tǒng)J. 光學(xué)精密工程. 2009.11Lawrence JKusher,The Composition DDS-A New Direct Digital Synthesizer ArchitectureIEEE International Frequency Control ,1993.12Venceslow F. Krupa，Spectral Purity of Direct Digital Frequency Sy