脉冲激光测距仪的设计-课程设计

发布时间：2024-11-02

脉冲激光测距仪的设计,课程设计,江苏大学

第一章绪论···························································1

1.1设计背景·························································1

第二章脉冲激光测距仪的工作原理·····························2

2.1测距仪的简要工作原理·······································2

第三章脉冲激光器的结构及工作过程··························3

3.1激光脉冲测距仪光学原理结构··························3

3.1.1测距仪的大致结构组成···························3

3.2主要的工作过程·············································4

3.3主要部件分析：············································4

3.3.1激光器（一般采用激光二极管）···············4

3.3.2激光二极管的特性··································5

3.3.3光电器件（采用雪崩光电二极管APD）····6

第四章影响测距仪的各项因素···································7

4.1光脉冲对测距仪的影响···································7

4.2发散角对测距仪的影响···································8

第五章测距仪的光电读数显示···································9

5.1距离显示原理及过程······································9

5.2测量精度分析·············································10

5.3总述·························································11参考文献······························································11

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第一章绪论

1.1设计背景

在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。在很多领域，如电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，军事，农业，林业，房地产，休闲、户外运动等都可以用到激光测距仪。

激光测距仪一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大。

当前激光测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统能耗小、体积小型化方向发展。激光测距仪一般采用两种方法来测量距离：脉冲法和相位法。而其中脉冲激光测距的应用领域也是越来越宽广，比如，地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪以及人造卫星、地球到月亮距离的测量等。脉冲激光测距法是利用激光脉冲持续时间非常短，能量相对集中，瞬时功率很大（可达几兆瓦）的特点，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程；如果只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得的微弱反射信号，也是可以测距的。因而脉冲激光测距法应用较多。

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第二章脉冲激光测距仪的工作原理

2.1测距仪的简要工作原理

现在就脉冲激光测距简要叙述其工作原理。简单地讲，脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间t，光速c和往返时间t的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离D。

一般一个典型的激光测距系统应具备以下四个模块：激光发射模块；激光接收模块；距离计算与显示模块；激光准直与聚焦模块，如图2-1所示。系统工作时，由发射单元发出一束激光，到达待测目标物后漫反射回来，经接收单元接收、放大、整形后到距离计算单元

在测距点向被测目标发射一束强窄激光脉冲，光脉冲传输到目标上以后，其中一小部分激光反射回测距点被测距系统光功能接收器所接受。假定光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间间隔为t，那么被测目标的距离D为：

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D=ct

2（2.1）

式中：c为激光在大气中的传播速度；D为待测距离；t

为激光在待测距离上的往返时间。

第三章脉冲激光器的结构及工作过程

3.1激光脉冲测距仪光学原理结构

图3-1激光脉冲测距仪的光学原理图

3.1.1测距仪的大致结构组成

如图3-1所示的脉冲激光测距仪。它主要由脉冲激光发射系统、

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光电接收系统、门控电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路组成。

3.2主要的工作过程

其工作过程大致如下：首先接通电源，复原电路给出复原信号，使整机复原，准备进行测量；同时触发脉冲激光发生器，产生激光脉冲。该激光脉冲有一小部分能量由参考信号取样器直接送到接收系统，作为计时的起始点。大部分光脉冲能量射向待测目标，由目标反射回测距仪的光脉冲能量被接收系统接收，这就是回波信号。参考信号和回波信号先后由光电探测器转换成为电脉冲，并加以放大和整形。整形后的参考信号能触发器翻转，控制计数器开始对晶格振荡器发出的时钟脉冲进行计数。整形后的回波信号使触发器的输出翻转无效，从而使计数器停止工作。这样，根据计数器的输出即可计算出待测目标的距离。

3.3主要部件分析：

3.3.1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着广泛的应用。

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

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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

gth=αi+αout

器的输出损耗（3.1）其中：gth为阈值增益，αi为增益介质的内部损耗，αout为激光

3.3.2激光二极管的特性

如图3-2（a）

（b）所示：

（a）激光二极管I-V特性（b）光功率与电流I关系

图3-2激光二极管特性曲线

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a.激光二极管的I-V特性

激光二极管除在发出激光的时候外，激光二极管的I-V特性和发光二极管是一样的，激光二极管的I-V特性如图3-2（a）所示。

当加以正偏电流并逐渐增加电流值时，激光二极管在开始阶段的工作状态类似一个边沿发射二极管。在低偏区域内，也就是低激发区内，自发发射是主要的，因为受激发射层的载流子密度不是足够高。随着偏置程度增加，受激层形成了粒子数反转，受激发射在某个偏置点成为主要的。这一偏置点称为发射激光的阈值，相应的电流成为阈值电流Ith。在阈值点二极管由LED的方式过渡到LD工作方式。

b.激光二极管的输出光功率与电流的关系

在脉冲式半导体激光测距仪中，脉冲激光的峰值功率和测量距离密切相关，峰值功率越大，越有利于增加测量距离。图3-2（b）为典型的激光二极管输出光功率和电流关系的特性曲线。从图中可看出当激光二极管正向偏置有注入电流时就有光输出，一开始输出光功率随着注入电流的增加而线性增加，但发光效率很低，当电流超过阈值电流Ith后，激光二极管的输出功率随电流的增加而急剧上升。

3.3.3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。

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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。

第四章影响测距仪的各项因素

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

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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强得多。假如这些杂散光的光信号一起进入接收系统，那就根本无法进行测量了。因此，加入一个滤光片，只允许光信号中的单色光通过而不让其他频率的杂散光通过。显然，光脉冲的单色性越好，滤光片的滤光效果也就越好，这样就越能有效地提高接收系统的信噪比，保证测量的精确性。

（4）光脉冲的宽度要窄

所谓光脉冲的宽度，是指闪光从“发生”到“熄灭”之间的时间间隔。光脉冲的宽度窄一点，可以避免反射回来的光和发射出去的光产生重叠。

4.2发散角对测距仪的影响激光的远场发散角：

θ=lim2r(s)

s→∞s（rad）（4.1）

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r(s)-离激光器s处的激光束的光斑半径。激光测距仪的测距本领:

PtAtD2γTtTrR=π(MDS)θt2（4.2）

Pt为激光器的发射功率；

D为激光接收口径或等效直径；At为目标面积；γ为目标对激光的反射系数；θt为激光测距仪的激光发散角；MDS为最小可探测功率；

Tt为发射透镜的透过率；Tr为接收透镜的透过率；

由此看出在测距仪其他因素一定时，测距仪的激光发散角越大，激光测距仪的测距本领就会降低，因此，应尽量减小激光脉冲的发散角。

第五章测距仪的光电读数显示

5.1距离显示原理及过程

脉冲信号输入图5-1光电读数显示

脉冲测距中脉冲在测距上的往返时间极短，所以通常用记录高频

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振荡的晶体的振动次数进行计时。图5-1所示为这种设备的原理方框图。当发射的参考光脉冲进入接收器并转换成电脉冲后，输入图5-1中的“主门”（主门电路），同时将主门打开。此时由石英晶体振荡器产生的电脉冲经过主门而进入计数器，计数器开始计数，同时数码显示器不断地指示出计数器所记录的电脉冲数。等到反射光脉冲信号进入接收器并转变成电脉冲输入主门时，主门立即关闭，石英晶体振荡器所产生的电脉冲信号不能再进入计数器，计数器停止计数。在显示器上显示出的数字就是光脉冲从发出到返回这段时间里振荡器所产生的电脉冲数。根据公式（2.1）就可以得到距离。

5.2测量精度分析

激光脉冲测距仪的测距精度大多为“米”数量级，适用于军事及工程测量中精度要求不太高的某些项目。远距离的空间测量也都利用激光脉冲法测距，因为对于遥远空间来说，测量误差在“米”数量级，精度已经很高了。

测距仪的分辨力PL取决于计数脉冲的频率，由公式（2.1）可知：

f0=c2PL（5.1）

其中f0为计数脉冲的频率，可知若要求测距仪的分辨力为PL=1m，则要求计数脉冲的频率为150MHz，由于技术脉冲的频率不能无限制提高，脉冲测距仪的分辨力一般较低，通常为数米量级。

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tcδL=δc+δt22

光速c的精度δc（5.2）取决于大气折射率n的测定，由n值的测量

-6误差而带来的误差为10。所以，对短距离脉冲激光测距仪来说，测

距精度主要取决于时间t的测量精度δt。影响δt的因素很多，如激光的脉宽、反射器和接收系统对脉冲的展宽、测量电路对脉冲信号的响应延迟等。

5.3总述

本设计从基本角度描述了脉冲激光测距仪的相关背景、基本工作原理及主要工作过程、光电计数显示，并从光脉冲以及脉冲发散角两个角度简单地分析了其对脉冲激光测距仪性能的影响，最后对测距仪的精度作了简单的分析。