激光脈沖測距試驗報告

1、激光脈沖測距實驗報告一.實驗目的通過學習激光脈沖測距的工作原理， 了解激光脈沖測距 系統(tǒng)的組成，搭建室內模擬激光器系統(tǒng)進行正確測距，為今 后的工程設計奠定理論基礎和工程實踐基礎。二. 實驗原理激光脈沖測距與雷達測距在原理上是完全相同的，如圖2.1所示。在測距點激光發(fā)射機發(fā)射激光脈沖，光脈沖經過光纖到達接收端，并被測距機上的探測系統(tǒng)接收。測出從激光發(fā)射時刻到被接收時刻之間的時間間隔t，根據已知光速，即可求出光纖的長度R為R=/2(2-1)式中c為光速。真空中的光速是一個精確的物理常數C1=299792458 m/s光纖中的平均折射率 n為n=1.45 (查閱得知)故光纖中的光速為C=299710

2、000可見，激光測距的任務就是準確地測定時間間隔t。當不考慮光纖中光速的微小變化時，測距精度"R主要是由測時精度"t確定的"R=Cd t/2(2-2)實際脈沖激光測距機中是利用時鐘晶體振蕩器和脈沖計數器來測定時間間隔t的。時鐘晶體振蕩器用于產生固定的頻率的電脈沖振蕩，脈沖計數器的作用是對晶體產生的電脈沖個數進行計數。設晶體振蕩器產生的電脈沖頻率為f,則脈沖間隔T=1/f。若從激光脈沖發(fā)出時刻脈沖計數器開始計數，到光脈沖被接收時刻停止計數。設這段時間內脈沖計數器共計得脈沖個 數為m，則可計算出被測光纖的長度為R=cmT=cm/f=1.6m (2-3)相應的測距精度為

3、"R =Ct=c/f (2-4)可見，脈沖激光測距機的測距精度由晶振的頻率決定。常用軍用激光測距儀的晶振頻率有15MHz、30MHz、75MHz和150MHz等，與其相對應的測距精度分別為正負10m、正負5m、正負2m和正負1m。晶振的頻率愈高，測距精度就愈高，但隨之而來的，不僅是計數器的技術難度增加，而且要求激光脈沖的寬度愈窄，激光器的難度也增加。對脈沖測距系統(tǒng)，計數器的“開門”信號是由取出一小部分發(fā)射激光脈沖經光探測器轉換成 電信號形成的。這兩個信號既可由同一探測器提供，也可以用兩個探測器提供。激光脈沖測距機由激光器、發(fā)射光學系統(tǒng)、接收及瞄準光學系統(tǒng)、取樣及回波探測放大系統(tǒng)、 技

4、數及顯示器和電源幾部分組成，如圖2.2所示系統(tǒng)操作人員一旦下達發(fā)射激光命令，激光器發(fā)射一束窄激光脈沖，經發(fā)射光學系統(tǒng)擴束后射向接收系統(tǒng)，其中一小部分經取樣后啟動計數器開始計數。激光回波經測距機的接收和瞄準光學系統(tǒng)，聚焦到前面有窄帶濾光片的光探測器上。由探測器將其轉換成電信號，再經取樣及回波探測放大系統(tǒng)處理后產生“關門”信號用于關閉計數器。 由計數器計得的脈沖個數計算出光纖得電源 計數及顯示器激光器 長度，再通過顯示器顯示出來。三. 實驗裝置實驗裝置包括“激光脈沖發(fā)射 /接收電路板”、電腦和“單片機開放板”。1.激光脈沖發(fā)射/接收電路板組成及工作原理激光脈沖發(fā)射/接收電路板原理框圖如圖2.3所示

5、。圖中EMP 3032為CPLD; MAX 3656為激光驅動器；MAX 3747為限幅放大器；T 22為單端信號到分差信號轉換芯片；T 23為 差分信號單短信號轉換芯片；LD為半導體激光器；PD為光探測器。板子上端的EMP 3032被編程為脈沖發(fā)生器，輸出重復頻率為1KHz脈沖寬度為 48ns的電脈沖信號。此信號經MAX3656放大后驅動LD發(fā)光。板子下端的EMP3032被編程為計數器，對 125MHz晶振計數器。其計數的開門信號來自上端的TX信號，關門信號來自 PD的輸出。計數器的計數結果采用12位二進制數據輸出，對應時間范圍為032.76us.發(fā)射/接收模塊布局如圖2.4所示，TX、RX

6、1、RX2為三個Q9插座。其中，LD的 驅動信號由TX 口輸出；PD接收到的信號由RX輸出。0 2-4發(fā)射煤收模塊P6板布局圖2.接口管腳說明插座J9為計數結果輸出管腳，包括12位數據管腳和1位計數指示管腳：?數據管腳的高八位（從第12到5位）分別對應J9的 1、 3、 5、 7、 9、 11、 13、 15；數據管腳的低四位（從第 4到11位）分別對應J9的16、14、12、10。高電平為1,低電平 為0；?計數指示管腳為J9的第六位。計數指示為 1表示正在計數，0表示計數結束。四. 實驗結果及程序:#in elude <reg52.h>#defi ne uchar un sig

7、 ned char#defi ne uint un sig ned intuchar codeSEG7=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x6f,0x00;數碼管的段選，1為亮，0為滅uchar SAV6=0xa0,0xa0,0xa0,0xa0,0xa0,0xa0;uchar code ACT6=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf;數碼管位選void display。；void delay(uchar);void count(uin t);uint get_Data();void mai n()uint re_data=g

8、et_Data();coun t(get_Data();while(1)display();void delay(uchar time) / 延時函數，延時時長等于time*機器周期while(time>0)time-; void count(uint con _data) _SAV0=co n_data%10;/ 取數據的個位SAV1=co n_data/10%10;/ 取數據的十位SAV2=co n_data/100%10;/ 取數據的百位SAV3=co n_data/100/10%10; / 取數據的千位 void display() /數碼管顯示函數uchar i=0;for(i

9、=0;i<4;i+)if(i=1) P0=SEG7SAVi|0x80; / 與 0x80 相“或”，點亮小數點 P2=ACTi; /數碼管位選elseP0=SEG7SAVi;P2=ACTi;delay(200); / P0=0xff;視覺暫留效應uint get_Data() _uin t last_data; uchar data;P3=0xff;data=P3; last_data=data&0xf0;的高四位/P3/口置高，讀取數據的需要讀取P3 口數據與0xf0相“與”，獲取P3 口數據last_data=last_data<<4;xxxx0000，因為讀入的

10、是高四位P仁 0xff;data=P1;/last_data=last_data+data; return last_data* 。;/ 數據左移4為，數據成為讀取低4位last_data*1.6*10，由公式R=cm/fn可知，其中c為光速3*10A8米每秒，n為玻璃的折射率1.5, f為激光測距模塊的晶振，為125兆赫茲，m為脈沖計數器計得的脈沖個數，即last_data ，由于小數點加在了數據的個位和十位之間, 故需倍乘以10附實驗結果圖:五附加功能附加程序：60秒倒計時(從60-0倒計時)#in elude <reg52.h>#defi ne uchar un sig ne

11、d char#defi ne uint un sig ned intuchar code SEG=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchar code ACT6=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf;uchar j=3,i;void display。；void delay( uin t);void count(uin t);void mai n()TMOD=0X01;ET0=1;TR0=1;EA=1;TH0=(65535-50000)/256;TL0=(65535-50000)%256;while(1)i

12、f(j<1)j=60;if(i=20)i=0;j-;display();void delay( uint b)uint c=110;for(b;b>0;b-)for(c;c>0;c-);void display。P0=SEGj%10;P2=0xfe;delay(100);P0=SEGj/10%10;P2=0xfd;delay(100);P0=0x00;void timer0() in terrupt 1TH0=(65535-50000)/256;TL0=(65535-50000)%256; i+;六、思考題：1. 激光脈沖測距的精度與哪些因素有關？答：晶振的頻率，被測距離的遠近，電路延時的長短 ，計數器閾值的 電平調整誤差，時基誤差等。2. 如何提高激光脈沖測距的精度？答：提咼晶振頻率，縮短電路延時。3. 激光光源的選擇要考慮哪些方面？答：被測物的狀態(tài)，被測物表面光亮情況，反射率情況，被