激光測距_百度文庫講解

1、脈沖激光測距系統(tǒng)設計激光測距是指利用射向目標的激光脈沖測量目標距離的一種距離測量儀。脈沖激光測距法由于激光的發(fā)散角小，激光脈沖持續(xù)時間 極短,瞬時功率極大（可達兆 瓦以上，因而可使激光測距系統(tǒng)具有方向性好,測距精度高，測程遠,抗干擾能力強，隱 蔽性好等優(yōu)點，在軍事領域得到廣泛的應用。 目前,激光測距系統(tǒng)種類繁多，大體分 為脈沖測距法，相位測距法和干涉測距法三類。脈沖激光測距法相比相位激光測距法有以下幾項優(yōu)點 ：第一，在相同的總平均光功率輸出條件下，脈沖光波型激光測距 儀可測量的距 離遠必連續(xù)光波型激光測距儀要長。第二，測距速度較快。第三，不需要合作目標，隱蔽性和安全性好?？紤]以上特點和實際系統(tǒng)

2、設計要滿足體積小，功耗低,高重頻,測距速度快等特點 本實驗中我們選擇脈沖激光測距法作為整體系統(tǒng) 的測距方式。一設計任務通過對典型光電子信息系統(tǒng)一激光測距系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，了解常見光電子信 息系統(tǒng)的組成，掌握典型光電子信息系統(tǒng)的一般設計方法,利用提供的硬件模塊搭 建室內(nèi)模擬激光測距系統(tǒng)，編寫單片機程 序計算測距距離并顯示，實現(xiàn)室內(nèi)激光模擬 測距。二工作原理脈沖激光測距系統(tǒng)的原理與微波脈沖雷達測距原理相似，在測距點向被測目標發(fā)射一束短而強的激光脈沖，光脈沖發(fā)射到目標后一小 部分激光反射到測距點被光功能接收器接收。設目標距離為R，激光脈沖往返經(jīng)過的時間為 t ,光在空氣中傳播的速度為c貝U測距公式

3、如下:R=ct/2實際脈沖激光測距機是利用時鐘晶體振蕩器和脈沖技術起來測 定時間間隔t 的。時鐘即晶體振蕩器用于產(chǎn)生固定頻率的電脈沖振蕩 (T=1/f ,脈沖計數(shù)器的作用 是對晶振產(chǎn)生的電脈沖個數(shù)進行計數(shù)。 如在測距機和目標之間光往返的時間t內(nèi) 脈沖個數(shù)為N，能帶測距離R=。相對測距精度為。如圖c-NT22fAR = -抽形骯沖時鐘豚沖三系統(tǒng)組成及總體方案論證脈沖激光測距系統(tǒng)由三部分組成：激光發(fā)射部分，激光接收部分和信號處理部 分。首先由半導體激光器發(fā)射一個激光脈沖，該激光脈沖經(jīng)過發(fā)射光學系統(tǒng)準直后 射向目標(本實驗中激光通過一段光纖傳 播，同時在主波取樣透取出主波的一小部 分作為參考脈沖送入

4、接收系統(tǒng),經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換為電脈沖后，再經(jīng)放大器放大后開啟門電 路,這時計 數(shù)器開始計數(shù)。經(jīng)過一段時間后，被目標發(fā)射回來的回波 脈沖信號（本實驗中是經(jīng) 過光纖傳播后的信號 通過接收光學系統(tǒng)的 匯聚之后,射到探測器上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換 和放大后變成電信號進入門 電路,使門電路關閉，計數(shù)器停止計數(shù)。這樣，從開門到 關門計數(shù)器 進入N個脈沖,則可測得這段光纖的長度 R=Nc/2f。原理框圖如下：原理圖如下：信號處激光發(fā)射單元發(fā)射澈光束回波光束探測器丁儺發(fā)器一牟牛機 計數(shù)準元時鐘脈沖振蕩器圏2彳脈沖式半導體徽光測跖系統(tǒng)琳嗎超四各分系統(tǒng)工作原理及實現(xiàn)方案1激光源的選取圖2.4脈沖式半導體激光測賃系統(tǒng)曲叼3

5、92-1 R畢T牡水“二光劇Jh系統(tǒng)性椅矣#(IH喪22応佶唆洶處系統(tǒng)性能參烈辛糾Fig. 2-2 Precise range finding system performance specdications性能激光木瑞制導測泄激；，2炸；占激光刊砸雷達戲Jim1.064/1.541.<)64/1.54H.571.()64<1.54/|.57光用ti徨;mmS8X發(fā)!ft ft /mrad(0.60 5M0 6fflliWli/m±1±0.1±1昨仇功那AVXK2O025K或更島Iftui/ns5-155-10I0-1M甫Q潁率5KHzlKHz-25K

6、Hz1-500Hz探測器炎塑InGaAsAPD PINInGaAsAPD PINInGaAs APD P【N由上兩個表可以看出，脈沖激光測距系統(tǒng)由于應用的不同，其性能參數(shù)差別較 大。用于坦克，火炮和遠程激光測距機等低端軍用脈沖 激光測距系統(tǒng)測程遠，測距 精度不高，波長逐漸向人眼安全方向轉(zhuǎn)化；裝備于彈上的脈沖激光測距系統(tǒng)和小型 激光測距雷達測距精度要比普通軍用測距系統(tǒng)高的多。綜合考慮后選定的脈沖激 光參數(shù)：波長:1064nm脈沖形狀:鐘形脈沖寬度：520ns重復頻率:1KHZ25KHZ輸出孔徑:8mm束散角:0.41mrad激光峰值功率:1W20KW接收靈敏度：級2發(fā)射光學系統(tǒng)的設計發(fā)射光學系統(tǒng)

7、由準直系統(tǒng)，直角棱鏡組和光纖耦合器組成。1準直系統(tǒng)：由于光束輸出孔徑存在一定大小，且出射光束有一定發(fā)散角，這樣耦合進入光 纖耦合器之前，隨著光束傳輸距離的增加，光斑尺寸將 變大,所以需要進行準直。準直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2耦合器:光束經(jīng)過直角棱鏡組后經(jīng)耦合透鏡進入單模光纖，束散角DA ,光纖芯徑a和耦 合透鏡焦距f關系:DA=a/f o所以只有光束束散角滿 足上式，才能被耦合進入光纖。耦合透鏡原理圖3整體結(jié)構(gòu)入射光束經(jīng)過準直系統(tǒng)后，需在直角棱鏡組中反射，再耦合進入光纖耦合器，其光 路展開如圖:準直系程一一一準直系統(tǒng)口徑為D，耦合器耦合透鏡有效孔徑為d ,準直系統(tǒng)與耦合器之間光束 傳播距離為I，光束在直角

8、棱鏡中傳輸距離為，束散角為，則經(jīng)過直角棱鏡后光斑直 徑d為：3接收光學系統(tǒng)的設計檢測束散角及光束強度空間分布時，需要將激光光斑成像到紅外CCD上，通過 圖像處理后計算出光斑半徑，通過公式計算出束散角,在通過灰度值環(huán)帶得出光束 強度的空間分布信息。 當待檢測束散角在一定范圍內(nèi)時，焦距越大，CCD采集的光 斑所占像元越多，這樣檢測的光斑半徑越準確。 會聚光學系統(tǒng)選用攝遠型結(jié)構(gòu)，可 以縮小光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸。會聚光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：4接收電路設計1光電探測器的選擇光電探測器是把光信號轉(zhuǎn)換為便于測量的電信號，然后進行放大 處理的電路，光 電轉(zhuǎn)換的原理是光電效應。 常見的光電探測器有：光電管,PMT（光電倍增

9、管，硅光 電池，光電二極管,APD （雪崩光電二 極管,PIN光電二極管等。在激光測距系統(tǒng)中，由于需要精確測量激光脈沖的飛行時間，所以對光電檢測 傳感器的響應時間有很高的要求。另外，由于傳感器接 收的是反射回來的光信號，所以必須對微弱光信號敏感。根據(jù)這兩點 要求,可供選擇的光電傳感器有PMT,PIN型光電二極管和雪崩光電二 極管APD。其中PMT盡管有很高的增益和 較低的噪聲，但體積比較大，抗外部磁場干擾差，動態(tài)響應范圍較小而且需要多組電 壓,一般很少 在脈沖激光測距系統(tǒng)中使用。關于 PIN和APD的比較器件類劃優(yōu)點應用PIN光電一樓管低功耗*小型化* 偏矍屯用小靈敬度不如霄朋一極近距盤割距S

10、O電二極骨低功It小舉（L信蠟比高述距離測跑綜合以上考慮，選擇APD雪崩光電二極管2接收電路原理圖優(yōu)點坯占兩用円N光電一撫管低功耗.小熨化佑世屯壓小靈敏度不如霄崩一極雪M光電二樣管低功晁、小信嗖比高娶求餡疋電樂為述跑離雷賀反待回路如圖所示，高壓發(fā)生電路產(chǎn)生高壓，作為APD的工作電壓。反 饋回路時產(chǎn)生的 高壓穩(wěn)定,不受電源電壓，溫度等因素的影響，同時使該高壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)。 通 過APD驅(qū)動電路,把接收到的回波光 脈沖信號轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號，輸入到前置放 大電路。信號經(jīng)過預處 理,然后再經(jīng)過一級放大和整形等操作，即可作為回波截止信 號，送至測量單元，進行時間間隔的測量。APD驅(qū)動電路信號輸出0

11、UGND GND如圖,為高壓發(fā)生電路產(chǎn)生的160V電壓,作為APD的工作電壓為限流電阻，保護APD,防止電流過大燒壞晶體管；C為濾波電容,靠近APD放 置,濾除高壓產(chǎn)生的雜波。輸出信號為，提供給后續(xù)電路。高壓發(fā)生電路信號輸出0UGND GNDVHRi%U = -I = r2在APD的驅(qū)動電路中,需要用到160V的高壓偏置,因此在系統(tǒng) 中,需要用到 5V的電源電壓升到160V的高壓發(fā)生電路。該電路中,由555振蕩器組成的方波發(fā) 生器,產(chǎn)生一定占空比的方波，控制開關三極管的導通和截止。由于該電路產(chǎn)生的電壓會受到電源電壓，溫度 等因素 的影響，因此為了使其產(chǎn)生的高壓穩(wěn)定，并且使高壓在一定范 圍內(nèi)可調(diào)

12、，在高壓 發(fā)生電路中加入一個反饋回路，如圖： 前置放大電路測距時，由于測量距離的遠近不同，導致 APD驅(qū)動電路輸出的 電壓信號變化 的幅度很大。為了得到一個幅值變化較小的信號，在前置放大電路中，選取具有自動增益控制（AGC）功能的放大器，如圖。 放大整形電路 前置放大電路輸出 的信號，幅度，信噪比還不足以滿足測量單元 的要求。為了得到足夠的放大倍數(shù) 和更高的信噪比，后續(xù)的信號處理 還需要進行放大和整形。信號的放大處理采用 同相比例運算電路，進 行固定增益的。信號整形處理采用比較器 MAX913，正端 為輸入信號，負端接電源，通過電位器調(diào)節(jié)電壓，作為比較電壓，提取出干凈的 脈沖信號，以提高測量精度。5信號處理系統(tǒng)的設計 在脈沖激光測距中，由于大 氣湍流，跟瞄抖動，目標姿態(tài)變化等 會引入對待定目標的回波信號幅度小范圍的 快速漲落。雪崩二極管產(chǎn) 生的電流經(jīng)過放大電路放大后最終送到電壓比較器以產(chǎn) 生計時點。同時，必須采用相應的時間鑒別技術以減小這種由于幅度的隨機抖動 而引入的定時誤差。時間鑒別電路主要作用是對放大電路的輸出信號進行實時監(jiān) 測，為系統(tǒng)產(chǎn)生起始信號和同步信號。主要由高速比較器和其附屬電路實現(xiàn)。原 理圖如下：輸入的高斯脈沖信號分為兩路：一路經(jīng)延遲電路延遲加于高速比 較器的同相輸入端，另一路經(jīng)衰