课程设计 脉冲激光测距仪综述

脉冲激光测距仪1目录第一章引言………………………………………………………………21.1激光测距技术…………………………………………………………21.2激光测距的发展状况…………………………………………………2第二章脉冲测距仪的工作原理…………………………………………42.1测距仪的基本工作原理………………………………………………42.2脉冲激光测距实现的原理及光电读数的实现方法…………………5第三章部件分析…………………………………………………………73.1激光器…………………………………………………………………73.2光电器件………………………………………………………………7第四章激光测距系统性能分析…………………………………………84.1光脉冲对测距仪的影响………………………………………………84.2发散角对测距仪的影响………………………………………………84.3测距系统信噪比分析…………………………………………………9第五章测距仪的精度分析………………………………………………105.1精度分析………………………………………………………………105.2提高脉冲激光测距精度的措施………………………………………10第六章激光测距仪总体设计……………………………………………14总结…………………………………………………………………………16脉冲激光测距仪2第一章引言1.1激光测距技术激光测距是指根据激光往返待测距离的时间来测定距离的方法，激光测距技术是随着激光技术的出现而发展起来的一种精密测量技术，因其良好的测距性能而广泛应用在军事和民用领域。自1960年美国T.H.Maiman博士制成世界上第一台红宝石激光器开始，激光优异的单色性、方向性和高亮度性就引起了人们的普遍关注。激光的这些特性，决定着它成为理想的测距光源。国内外均大力开展了激光测距系统的研制工作。1961年美国就成功的研制了世界上最早的红宝石激光测距系统，1969年美国又首次将激光测距系统应用于坦克火控系统。从此，激光测距技术发展迅猛，广泛的应用于战场上。激光测距方法从原理上分主要有相位测距法和脉冲测距法两种。由于相位测量技术较为成熟，因此测距精度较高，目前的测距技术大多采用此法，但相位测距电路较为复杂，技术难度较大，测程短。脉冲式测距方法结构简单，信号易于处理，并且易于实现实时测量，具有测程长的优点，因此发展潜力很大。1.2激光测距的发展状况激光测距技术与其它测距技术相比，具有测量距离远、抗干扰能力强、非接触目标、测量速度快、测距精度高等特点。目前，脉冲激光测距已获得了广泛的应用，如地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪、以及人造卫星、地球到月球距离的测量等。随着激光技术、数字电子技术、计算技术和集成电路的发展，激光脉冲测距正朝着低成本、模块化、小型化方向发展。脉冲半导体激光测距技术的研究起始于20世纪60年代末，到80年代中期陆续解决了激光器件、光学系统以及信号处理电路中的关键技术，80年代后期转入应用研究阶段并研制出了各种不同样机，90年代中期各种成熟的产品不断出现，近期半导体激光测距发展迅速，在中、近激光测距方面有取代YAG激光的趋势。2008年，中国计量学院余向东、张在宣、王剑锋等人研制了一种能有效地减少因接收信号幅度变化而引起的漂移误差和晶振时钟计时误差的小型高精度脉脉冲激光测距仪3冲式半导体激光测距仪，当接收脉冲信号幅度在11倍范围变化时，该测距仪可获得优于±7cm的单次测量精度。2009年，军事交通学院李志勇、李长安、李良洪等人基于TDC-GP2设计了一款测量时间间隔最小可达65ps，平均误差小于65ps的高精度时间间隔测量仪。航天科工集团第三研究院第八三五八所研制出测程200m，精度0.5m，分辨能力为100Hz的激光测距机。中科院上海光机所研制出便携式激光测距机，无合作目标时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。中国计量学院与国外合作开发了低成本、便携式半导体激光测距机，作用测距lkm，精度lm，计数脉冲采用4M晶振，线性时间放大技术。常州莱赛公司研制了测量距离为200m，测距精度为0.5m的半导体激光测距机【1】。国外有许多大学、研究机构和公司都开展了脉冲半导体激光测距系统的研究。SchwartzElectro-Optics公司为美国国家数据中心研制了激光海浪测量装置，用于无人看守的海浪测量站；为美国联邦政府高速公路管理局研制了激光自动传感系统，用于车辆速度和高度的测量，从而提高了交通效率；还为军方研制了直升机激光防撞告警装置。EXXON公司研制了脉冲半导体激光角度距离测量系统，用于海上石油勘测。1992年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的手持式人眼安全激光二极管测距仪，用于对车辆的测距和测速。Lecia公司展出了实用的小型LD测距仪，测量距离0.2-30m。1995年以来国际上对人眼安全的半导体激光测距技术发展十分迅速，已开展了波长在800-900nm范围内、峰值功率为10W、脉冲宽度为20-50ns、重复频率为1-10kHz、测量距离10m-1km无合作目标的激光测距系统研究。1996年下半年，美国Bushnell公司推出了测距能力约365m的400型小型、轻便、省电、对人眼安全、低价LD的激光测距仪Yardage400。1997年Bushnell公司推出测距700米的800型激光测距仪。1998年美国Tasco公司推出测距能力为700米的摄像机型LasersiteLD激光测距仪。美国SACMFCSⅡ侧轻武器通用模块火控系统，具有测距和瞄准双重功能，据报道其测距能力大于2km。2000年以来，各种性能极好的激光测距仪更如雨后春笋般不断涌现，如专为室内应用而设计徕卡手持测距仪D2，测程0.05至60米，典型精度±1.5mm，不仅小巧便携，测量速度也很快且非常可靠。德国喜利得手持激光测距仪PD42型测量范围0.05m-200m，精度为±1.0mm，不仅可以测量距离，还可以进行面积、体积及面积累加等计算。脉冲激光测距仪4第二章脉冲激光测距原理2.1测距仪的基本工作原理激光测距广泛采用飞行时间法，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【4】。其基本原理如图2-1所示：即分别在A、B两点架设测距机和反射器，测距机向B处发射一束激光，激光在被测距离A、B之间传播，到达B点后，激光被反射器反射。反射回的激光被测距机接收，如果激光测距机能测出激光从发射到接收这一段时间间隔，那么，在A、B之间的距离就可以计算出来【5】。根据光速c，则距离D为：2tc=D2D(2.1)DA点激光测距机B点反射棱镜图2-1激光测距基本原理图2-2测距仪光学原理框图D——测站点A、B两点间距离；Dt2——光往返A、B一次所需的时间。脉冲激光测距仪52.2脉冲激光测距实现的原理及光电读数的实现方法脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间短，能量在时间上相对集中，瞬时功率很大（一般可达兆瓦）的特点进行测距，在有合作目标的情况下脉冲激光测距可达到极远的测程。脉冲激光测距以其测程远、测距精度高等优点获得了广泛的应用【6】。脉冲激光测距原理如图2-3所示。图2-3脉冲激光测距原理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），经取样棱镜，光脉冲接收器输出一个电脉冲信号，打开电子门让时标脉冲通过，计数电路开始进行计数。光脉冲被目标反射后回到接收器，接收器同样产生一个电脉冲，关闭电子门终止时标脉冲通过。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脉冲数就能计算出相应的时间间隔，从而计算出目标距离。设目标距离为D，光脉冲往返时间为t，光在真空中的传播速度为c（c≈2.99×810m/s，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：2ctD(2.2)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，具体如图2-3所示。脉冲激光测距仪6TtNtNt信息脉冲整形脉冲时钟脉冲计数脉冲图2-3计时波形图设在t时间内，有N个时钟脉冲进入计数器，时钟脉冲周期为T，振荡频率为0f。022ccRNTNLNf(2.3)式中，02cLf，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(2.3)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。即：tc21L(2.4)若要距离分辨率L≤30cm，则要求t≤2×10-9s，即要求时标脉冲的频率最低为500MHz。距离测量的精度主要取决于发射激光脉冲的上升沿、接收通道的带宽、探测器的信噪比、时间间隔测量的分辨率等因素有关。TOF（飞行时间）测距系统构成相对简单，因而获得了普遍的应用。军用的作用距离大于1km的测距机基本上全都是基于TOF的。当前，采用精密的时间间隔测量方法，脉冲飞行时间激光测距的单次测量精度可以达到厘米量级。为获得更高精度，可以采取多次测量平均的方法，但是这需要更长的测量时间，从而限制了它的应用范围。自触发脉冲飞行时间激光测距法，其原理利用激光接收单元的输出信号自行控制激光发射单元，进而触发激光脉冲向测距目标发射，即激光接收单元接收到激光脉冲之后，去触发激光发射单元产生下一个激光脉冲。激光脉冲的发射和接收是循环相关的。经过多个脉冲后，接收的这一周期信号经过周期测量再除以接收的周期数，从单个周期得到距离。实际上是对测量结果进行多次平均，从而提高精度。分析其原理可知，这种方法仅对静止目标有效，而且为了获得由距离而产生的测距周期信号，激光器会长时间的处于发射状态，就效率而言是相对较低的。脉冲激光测距仪7第三章部件分析3.1激光器（一般采用激光二极管）半导体激光二极管（LD）是实用中最重要的一类激光器，它体积小、寿命长、并可以采用简单的电流注入的方式来泵浦。因此，半导体激光二极管在激光通信、光存储、激光测距以及激光雷达等都有广泛的应用。半导体激光器工作原理和其他激光器一样，即都是基于受激发射。要使得激光器得到相干的受激光输出，须满足三个条件：1．粒子数反转分布，即高能级导带底的电子数比处于低能级的价带顶的空穴数多得多。2．有光学谐振腔，使受激辐射在谐振腔内多次反射形成激光震荡。3．为了形成稳定的震荡，增益介质必须提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗，达到激光器的阈值条件，即outithg（3.1）其中：gth为阈值增益，i为增益介质的内部损耗，out为激光器的输出损耗3.2光电器件（采用雪崩光电二极管APD）光电探测器是一种把光信号转换成电信号的器件，是系统接收部分的核心组成部分。雪崩二极管是借助反向偏执的强电场作用而产生载流子倍增效应的一种高速光电子器件。这种管子的灵敏度高，响应速度快，响应时间短，噪声等效功率低。它的工作原理：在光电二极管的PN结上加一反相高电压，使结区产生一个很强的电场，当光激发载流子进入结区后，在强电场的加速下获得很大的能量，与晶格原子碰撞而使晶格原子发生电离，产生新的电子-空穴对，新的电子-空穴对再次被加速，又与晶格原子碰撞，产生新的电子-空穴对，这一过程不断重复，使PN结内的电流急剧增加，这种现象称为雪崩倍增效应，这样外电路的光电流就被放大了。脉冲激光测距仪8第四章激光测距系统性能分析4.1光脉冲对测距仪的影响为了扩大测量范围，提高测量精度，测距仪对光脉冲应有以下要求：（1）光脉冲应有足够的强度无论怎样改善光束的方向性，它总不可避免地要有一定的发散，再加上空气对光线的吸收和散射，所以目标越远，反射回来的光线就越弱，甚至根本接收不到。为了测出较远的距离，就要使光源能发射出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内，在保证射得更远的同时提高保密性；另一方面可以准确的判断目标的方位。（3）光脉冲的单色性要好因为无论是白天还是黑夜，空中总会存在着各种杂散光线，这些光线往往会比反射回来的光信号要