激光測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開題報(bào)告題目： 激光測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名： 黃俠 學(xué) 號(hào)： 201006060118 指導(dǎo)教師： 呂岑 班 級(jí)： 光信101 所在院系： 電氣與信息工程學(xué)院 課題名稱激光測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題來源科研課題課題類型工程設(shè)計(jì)類指導(dǎo)教師呂岑學(xué)生姓名黃俠學(xué) 號(hào)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(diǎn)：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(cè)量(大地測(cè)量、地形測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量以及人造地球衛(wèi)星的觀測(cè)和月球的光學(xué)定位等航天測(cè)量)中。與此同時(shí)，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(cè)距儀成為距離測(cè)量的主要儀器之一。與其它測(cè)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(diǎn)，激光測(cè)距儀是目前高精度測(cè)距最理想的儀器之一。由于以上各方面的原因，使得激光測(cè)距在測(cè)量領(lǐng)域得到了青睞，并被迅速推廣。激光測(cè)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(cè)距的精度與操作者的經(jīng)驗(yàn)和被測(cè)距離無關(guān)，誤差僅取決于儀器本身的精度。用激光測(cè)距對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行精密測(cè)軌，精度已達(dá)l cm，日本用于預(yù)防地震的長距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，全程84 km，誤差小于l mm。軍事上裝備的激光測(cè)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(cè)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(cè)距技術(shù)很多優(yōu)點(diǎn)的存在，本課題意在研究出相位法激光測(cè)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(cè)距機(jī)是激光器在軍事上最早應(yīng)用的項(xiàng)目。世界上第一臺(tái)激光測(cè)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(cè)距機(jī)已更新了兩代，研制發(fā)展了三代。第一代激光測(cè)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(cè)器，是最早問世的激光測(cè)距機(jī).20世紀(jì)70年代初期少量裝備部隊(duì)，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(cè)距機(jī)取代。第二代激光測(cè)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(cè)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(cè)距機(jī)的小型化研制進(jìn)展迅速。第三代激光測(cè)距機(jī)，即人眼安全的激光測(cè)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(hào)的人眼安全激光測(cè)距機(jī)，己進(jìn)入生產(chǎn)和應(yīng)用階段。與此同時(shí)，激光測(cè)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(cè)距儀的研究始于20世紀(jì)50年代，是在原固體、氣體激光測(cè)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(duì)等聯(lián)合研制成國內(nèi)首臺(tái)JCY-1型精密氣體激光測(cè)距儀，1974年研制出了JCY-2型激光測(cè)距儀，測(cè)程為15-20km,測(cè)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(cè)相采用手動(dòng)方式，速度慢。1973-1976年，北京測(cè)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(cè)繪總局測(cè)繪科學(xué)研究所和北京市地質(zhì)地形勘測(cè)處分別合作，先后研制成HGC-1型及DCH-1型紅外測(cè)距儀，精度分別為1. 5 mm和5mm，測(cè)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(cè)量時(shí)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(cè)距的方法主要有：脈沖法、相位法、干涉法測(cè)距、三角測(cè)量法、反饋法測(cè)距、縱模拍頻測(cè)距法，就對(duì)技術(shù)成熟性和測(cè)程的要求，脈沖法和相位法是首選。(1)脈沖式激光測(cè)距. 脈沖激光測(cè)距技術(shù)利用激光脈沖能量在時(shí)間上相對(duì)集中，瞬時(shí)功率很大(一般可達(dá)兆瓦級(jí))的特點(diǎn)，在有合作目標(biāo)的情況下，脈沖激光測(cè)距可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程，一般的脈沖激光測(cè)距機(jī)可測(cè)量數(shù)十甚至數(shù)萬公里的距離，達(dá)到十幾個(gè)厘米的測(cè)量精度。缺點(diǎn)就是絕對(duì)測(cè)距精度不是很高。(2)相位式激光測(cè)距，相位式激光測(cè)距是利用固定頻率的高頻正弦信號(hào)，連續(xù)調(diào)制激光源的發(fā)光強(qiáng)度并測(cè)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(jì)算測(cè)量的距離。相位測(cè)距方法既能保證大的測(cè)量范圍，又能保證較高的測(cè)量精度，通常在毫米量級(jí)。 通過對(duì)上述兩種測(cè)距方法之比較，可以看出不同的測(cè)距方法適合于不同測(cè)距范圍。脈沖測(cè)距法適合于遠(yuǎn)距離的測(cè)量，相位測(cè)距法適合于中遠(yuǎn)距離的測(cè)量?？偟膩碚f，在中遠(yuǎn)距離的測(cè)量上，相位測(cè)距法的精度比脈沖測(cè)距法的精度高；由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將應(yīng)用于中遠(yuǎn)距離的測(cè)量，所以相位式測(cè)距法具有非常好的優(yōu)勢(shì)。激光相位法測(cè)距的原理 激光相位測(cè)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(shí)間做周期性變化，測(cè)定調(diào)制光往返過程中所經(jīng)過的相位變化即可求出時(shí)間和距離。發(fā)射處發(fā)射處 圖2.1 相位式激光測(cè)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(shí)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(gè)數(shù)，為不足周期波的余相位。因此可解出： (2.3)其中，稱為測(cè)尺或刻度，N即是整尺數(shù)，為余尺。根據(jù)測(cè)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(gè)合適的測(cè)尺頻率才能確定，測(cè)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(cè)距的系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于相位式激光測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，理論分析與實(shí)驗(yàn)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(cè)距理論總體設(shè)計(jì)和各個(gè)部分電路的研究設(shè)計(jì)，從而給出了整個(gè)相位式激光測(cè)距系統(tǒng)的電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。整個(gè)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(dòng)電路，這部分采用高頻正弦信號(hào)對(duì)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(cè)放大濾波電路，這部分采用P-I-N光電二極管對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。(3) 鎖相環(huán)頻率綜合電路，這部分先對(duì)鎖相環(huán)原理作了簡單介紹，然后應(yīng)用高精度的頻率計(jì)作頻率校準(zhǔn),自動(dòng)調(diào)節(jié)本機(jī)振蕩頻率, 確保用作檢相的低頻信號(hào)的頻率穩(wěn)定不變.(4) 利用數(shù)字測(cè)相系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)相，最后通過屏幕顯示出來。相位式激光測(cè)距是通過測(cè)量連續(xù)的幅度調(diào)制信號(hào)在待測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位延遲，間接地測(cè)定信號(hào)傳播時(shí)間，從而得到被測(cè)距離的。這種方法測(cè)量精度高，通常在毫米量級(jí)。相位式激光測(cè)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(jì)數(shù)顯示系統(tǒng)等組成。激光信號(hào)由調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制后，經(jīng)被測(cè)物反射，接收系統(tǒng)將反射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(cè)中進(jìn)行測(cè)相最后通過屏幕出來。 設(shè)計(jì)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(jì)研究的基本知識(shí)。了解激光測(cè)距的結(jié)構(gòu)及工作原理，對(duì)激光測(cè)距有全面的認(rèn)識(shí)。（2） 對(duì)收集的資料進(jìn)行整合，根據(jù)相位法激光測(cè)距要實(shí)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(shí)現(xiàn)方案。（3） 利用硬件仿真軟件Multisim按功能塊設(shè)計(jì)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(jì)語言對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)功能控制程序。（4） 在調(diào)試軟件KEIL C51上對(duì)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(duì)結(jié)果進(jìn)行分析、研究，對(duì)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(jì)PCB板和嘗試做出相位法激光測(cè)距的實(shí)物設(shè)計(jì)。預(yù)期成果： （1） 相位法激光測(cè)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(jì)要求。（2）利用所學(xué)知識(shí)及收集查閱的資料，寫出該系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析的初稿。經(jīng)指導(dǎo)老師審閱，在測(cè)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(jì)（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(shí)間安排1周3周文獻(xiàn)資料收集4周相關(guān)背景知識(shí)學(xué)習(xí)及資料分析，做好開題報(bào)告5周7周系統(tǒng)方案研究并設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光器的調(diào)制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)電路仿真8周10周設(shè)計(jì)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(cè)距的實(shí)現(xiàn)D. 北京工業(yè)大學(xué)報(bào). 2003.2丁燕. 相位法激光測(cè)距儀設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)距儀的設(shè)計(jì)D. 電子測(cè)量技術(shù). 2009. 6金寧, 汪偉. 用于相位法激光測(cè)距的系統(tǒng)設(shè)計(jì)D. 西安電子科技大學(xué). 2007.7呂曉玲. 半導(dǎo)體激光測(cè)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(cè)距發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)J. 2008.9張志勇,張靖,朱大勇. 一種基于相位測(cè)量的激光測(cè)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(cè)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. 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