激光脈沖測(cè)距實(shí)驗(yàn)報(bào)告講解

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"工作原理 3\o"CurrentDocument"測(cè)距儀工作原理 3\o"CurrentDocument"激光脈沖測(cè)距儀光學(xué)原理結(jié)構(gòu) 3\o"CurrentDocument"測(cè)距儀的大致結(jié)構(gòu)組成 4\o"CurrentDocument"主要的工作過程 4\o"CurrentDocument"激光脈沖發(fā)射、接收電路板組成及工作原理 5\o"CurrentDocument"激光脈沖測(cè)距的應(yīng)用領(lǐng)域 5\o"CurrentDocument"關(guān)鍵問題及解決方法 6\o"CurrentDocument"（1）優(yōu)點(diǎn) 6\o"CurrentDocument"（2）問題及解決方案 7一工作原理(1)測(cè)距儀工作原理現(xiàn)在就脈測(cè)距儀沖激光測(cè)距簡(jiǎn)要敘述其工作原理。簡(jiǎn)單地講，脈沖法測(cè)距的過程是這樣的：測(cè)距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測(cè)量物體的反射后又被測(cè)距儀接收，測(cè)距儀同時(shí)記錄激光往返的時(shí)間3光速c和往返時(shí)間t的乘積的一半，就是測(cè)距儀和被測(cè)量物體之間的距離。一般一個(gè)典型的激光測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)具備以下四個(gè)模塊：激光發(fā)射模塊；激光接收模塊；距離計(jì)算與顯示模塊；激光準(zhǔn)直與聚焦模塊，如圖2-1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，由發(fā)射單元發(fā)出一束激光，到達(dá)待測(cè)目標(biāo)物后漫反射回來，經(jīng)接收單元接收、放大、整形后到距離計(jì)算單元計(jì)算完畢后顯示目標(biāo)物距離。在測(cè)距點(diǎn)向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一束強(qiáng)窄激光脈沖，光脈沖傳輸?shù)侥繕?biāo)上以后，其中一小部分激光反射回測(cè)距點(diǎn)被測(cè)距系統(tǒng)光功能接收器所接受。假定光脈沖在發(fā)射點(diǎn)與目標(biāo)間來回一次所經(jīng)歷的時(shí)間間隔為3那么被測(cè)目標(biāo)的距離D為：式中：c為激光在大氣中的傳播速度；D為待測(cè)距離；t為激光在待測(cè)距離上的往返時(shí)間。R二C*T/2 (公式1)圖一脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)原理框圖(2)激光脈沖測(cè)距儀光學(xué)原理結(jié)構(gòu)口發(fā)射激光衛(wèi)圖.(3)測(cè)距儀的大致結(jié)構(gòu)組成脈沖激光測(cè)距儀主要由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、光電接收系統(tǒng)、門控電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器以及計(jì)數(shù)顯示電路組成(4)主要的工作過程其工作過程大致如下：首先接通電源，復(fù)原電路給出復(fù)原信號(hào)，使整機(jī)復(fù)原，準(zhǔn)備進(jìn)行測(cè)量；同時(shí)觸發(fā)脈沖激光發(fā)生器，產(chǎn)生激光脈沖。該激光脈沖有一小部分能量由參考信號(hào)取樣器直接送到接收系統(tǒng)，作為計(jì)時(shí)的起始點(diǎn)。大部分光脈沖能量射向待測(cè)目標(biāo)，由目標(biāo)反射回測(cè)距儀的光脈沖能量被接收系統(tǒng)接收，這就是回波信號(hào)。參考信號(hào)和回波信號(hào)先后由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成為電脈沖，并加以放大和整形。整形后的參考信號(hào)能觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，控制計(jì)數(shù)器開始對(duì)晶格振蕩器發(fā)出的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。整形后的回波信號(hào)使觸發(fā)器的輸出翻轉(zhuǎn)無效，從而使計(jì)數(shù)器停止工作。這樣，根據(jù)計(jì)數(shù)器的輸出即可計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)的距離。三實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置包括激光脈沖發(fā)射、接收電路和單片機(jī)開放板。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。圖中EPM3032為CPLD；MAX3656為激光驅(qū)動(dòng)器；MAX3747為限幅放大器；T22為單端信號(hào)到差分信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片；T23為差分信號(hào)到單端信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片；LD為半導(dǎo)體激光器；PD為光電探測(cè)器。板子上端的EPM3032被編程為脈沖發(fā)生器，輸出重復(fù)頻率為1KHz，脈沖寬度為48ns的電脈沖信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)MAX3656放大后驅(qū)動(dòng)LD發(fā)光。板子下端的EPM3032被編程為計(jì)數(shù)器，對(duì)125MHz晶振進(jìn)行計(jì)數(shù)。其計(jì)數(shù)的開門信號(hào)來自上端的TX信號(hào)，關(guān)門信號(hào)來自PD的輸出。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果采用12位二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出，對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍為0?32.7.s。二激光脈沖測(cè)距的應(yīng)用領(lǐng)域激光測(cè)距儀一般采用兩種方式來測(cè)量距離:脈沖法和相位法.脈沖法測(cè)距的過程是這樣的:測(cè)距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測(cè)量物體的反射后又被測(cè)距儀接收.測(cè)距儀同時(shí)記錄激光往返的時(shí)間.光速和往返時(shí)間的乘積的一半.就是測(cè)距儀和被測(cè)量物體之間的距離.脈沖法測(cè)量距離的精度是一般是在+/-1米左右.另外.此類測(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)一般是15米左右。激光測(cè)距儀已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域:電力.水利.通訊.環(huán)境.建筑.地質(zhì).警務(wù).消防.爆破.航海.鐵路.反恐/軍事.農(nóng)業(yè).林業(yè).房地產(chǎn).休閑/戶外運(yùn)動(dòng)等。由于激光在亮度、方向性、單色性以及相干性等方面都有不俗的特點(diǎn)，它一出現(xiàn)就吸引了眾多科學(xué)工作者的目光，并被迅速地被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)方面、國防軍工方面、房地產(chǎn)業(yè)、各級(jí)科研機(jī)構(gòu)、工程、防盜安全等各個(gè)行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域：激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、異孔、膏藥打孔、水松紙打孔、鋼板打孔、包裝印刷打孔等）、激光淬火、激光熱處理、激光打標(biāo)、玻璃內(nèi)雕、激光微調(diào)、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修復(fù)電路、激光布線技術(shù)、激光清洗等。有關(guān)于激光的研究與生產(chǎn)制造也如火如荼地開展了起來。激光與普通光源所發(fā)出的光相比，有顯著的區(qū)別，形成差別的主要原因在于激光是利用受激輻射原理和激光腔濾波效應(yīng)。而這些本質(zhì)性的成因使激光具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)：.激光的亮度高。固體激光器的亮度更可高達(dá)1011W/cm2Sr這是因?yàn)榧す怆m然功率有限，但是由于光束極小，于是具有極高的功率密度，所以激光的亮度一般都大于我們所見所有光（包括可見光中的強(qiáng)者：太陽光），這也是激光可用于星際測(cè)量的根本原因所在；.激光的單色性好。這是因?yàn)榧す獾墓庾V頻率組成單一。.激光的方向性好。激光具有非常小的光束發(fā)散角，經(jīng)過長距離的飛行以后仍然能夠保持直線傳輸；.激光的相干性好。我們通常所見到的可見光是非相干光，激光可以做到他們都做不到的事情，比如說切割鋼材。在測(cè)距領(lǐng)域，激光的作用更是不容忽視，可以這樣說，激光測(cè)距是激光應(yīng)用最早的領(lǐng)域（1960年產(chǎn)生，1962年即被應(yīng)用于地球與月球間距離的測(cè)量）。測(cè)量的精確度和分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)，體積小同時(shí)重量輕的激光測(cè)距儀受到了大多數(shù)有測(cè)距需求的企業(yè)、機(jī)構(gòu)或個(gè)人的青睞，其市場(chǎng)需求空間大，應(yīng)用領(lǐng)域廣行業(yè)需求多，并且起著日益重要的作用。三關(guān)鍵問題及解決方法（1）優(yōu)點(diǎn)脈沖激光測(cè)距法相比相位激光測(cè)距法有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：第一，在相同的總平均光功率輸出條件下，脈沖光波型激光測(cè)距儀可測(cè)量的距離遠(yuǎn)必連續(xù)光波型激光測(cè)距儀要長。第二，測(cè)距速度較快。第三，不需要合作目標(biāo)，隱蔽性和安全性好?？紤]以上特點(diǎn)和實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)要滿足體積小，功耗低，高重頻，測(cè)距速度快等特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)中我們選擇脈沖激光測(cè)距法作為整體系統(tǒng)的測(cè)距方式。（2）問題及解決方案在脈沖式激光測(cè)距儀的設(shè)計(jì)當(dāng)中，時(shí)差測(cè)量成為了一個(gè)影響整個(gè)測(cè)量精度最關(guān)鍵的因素。在當(dāng)今這個(gè)科技發(fā)達(dá)的社會(huì)，激光測(cè)距的應(yīng)用越來越普遍。在很多領(lǐng)域，電力，水利，通訊，環(huán)境，建筑，地質(zhì)，警務(wù)，消防，爆破，航海，鐵路，反恐/軍事，農(nóng)業(yè)，林業(yè)，房地產(chǎn)，休閑/戶外運(yùn)動(dòng)等都可以用到激光測(cè)距儀。激光測(cè)距儀一般采用兩種方式來測(cè)量距離：脈沖法和相位法脈沖式激光測(cè)距儀是通過測(cè)量激光從發(fā)射到返回之間的時(shí)間來計(jì)算距離的。因此時(shí)間測(cè)量對(duì)于脈沖式激光測(cè)距儀來說是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于激光的速度特別快，所以發(fā)射和接收到的激光脈沖之間的時(shí)間間隔非常小。。例如要測(cè)量1公里的距離，分辨率要求1cm,則時(shí)間間隔測(cè)量的分辨率則要求高達(dá)67ps。德國acam公司的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2單次測(cè)量分辨率為典型65ps,功耗超低，集成度高，測(cè)量靈活性高，是脈沖式激光測(cè)距儀時(shí)差（TOF）測(cè)量非常理想的選擇。激光發(fā)射裝置發(fā)射出光脈沖同時(shí)將發(fā)射脈沖輸入到TDC-GP2的start端口，觸發(fā)時(shí)差測(cè)量。一旦從物體傳回的反射脈沖達(dá)到了光電探測(cè)器（接收電路）則給TDC產(chǎn)生一個(gè)Stop信號(hào)，這個(gè)時(shí)候時(shí)差測(cè)量完成。那么從Start到Stop脈沖之間的時(shí)差被TDC-GP2精確記錄下來，用于計(jì)算所測(cè)物體與發(fā)射端的距離。在這個(gè)原理中，單片機(jī)對(duì)于TDCGP2進(jìn)行寄存器配置以及時(shí)間測(cè)量控制，時(shí)間測(cè)量結(jié)果傳回給單片機(jī)通過算法進(jìn)行距離的精確計(jì)算，同時(shí)如果有顯示裝置的話，將距離顯示出來。在這個(gè)原理當(dāng)中距離的測(cè)量除了與TDC-GP2的時(shí)差測(cè)量精度有關(guān)外還與很多其他因素有關(guān)系：-激光峰值功率-激光束發(fā)散程度-光學(xué)元件部分光傳輸?shù)拿襟w（空氣，雨天，霧天等）物體的光反射能力光接收部分的靈敏程度等等-被測(cè)物體特性以及傳輸媒介的鐵性一般是由應(yīng)用的條件給出的，那么可以根據(jù)應(yīng)用的條件來選擇激光的發(fā)射器（波長，驅(qū)動(dòng)條件，光束的特性等）和接收器（類型，靈敏度，帶寬等）。測(cè)量的范圍在激光峰值功率更高以及信噪比更高的情況下也會(huì)相應(yīng)增加。那么時(shí)差測(cè)量的精度除了與TDC-GP2芯片本身測(cè)量精度有關(guān)系外還與激光的脈沖特性有關(guān)，比如脈沖的形狀（寬度，上升下降沿的時(shí)間），以及探測(cè)器帶寬和信號(hào)處理電路。對(duì)于tdc-gp2而言，脈沖信號(hào)的速度越快，帶寬越寬，則測(cè)量精度相應(yīng)得會(huì)越高