激光測(cè)距_百度文庫講解

1、脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)激光測(cè)距是指利用射向目標(biāo)的激光脈沖測(cè)量目標(biāo)距離的一種距離測(cè)量?jī)x。脈沖激光測(cè)距法由于激光的發(fā)散角小，激光脈沖持續(xù)時(shí)間 極短,瞬時(shí)功率極大（可達(dá)兆 瓦以上，因而可使激光測(cè)距系統(tǒng)具有方向性好,測(cè)距精度高，測(cè)程遠(yuǎn),抗干擾能力強(qiáng)，隱 蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 目前,激光測(cè)距系統(tǒng)種類繁多，大體分 為脈沖測(cè)距法，相位測(cè)距法和干涉測(cè)距法三類。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(zhǎng)。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)

2、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。一設(shè)計(jì)任務(wù)通過對(duì)典型光電子信息系統(tǒng)一激光測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)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(shè)計(jì)方法,利用提供的硬件模塊搭 建室內(nèi)模擬激光測(cè)距系統(tǒng)，編寫單片機(jī)程 序計(jì)算測(cè)距距離并顯示，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)激光模擬 測(cè)距。二工作原理脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)的原理與微波脈沖雷達(dá)測(cè)距原理相似，在測(cè)距點(diǎn)向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一束短而強(qiáng)的激光脈沖，光脈沖發(fā)射到目標(biāo)后一小 部分激光反射到測(cè)距點(diǎn)被光功能接收器接收。設(shè)目標(biāo)距離為R，激光脈沖往返經(jīng)過的時(shí)間為 t ,光在空氣中傳播的速度為c貝U測(cè)距公式

3、如下:R=ct/2實(shí)際脈沖激光測(cè)距機(jī)是利用時(shí)鐘晶體振蕩器和脈沖技術(shù)起來測(cè) 定時(shí)間間隔t 的。時(shí)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(jì)數(shù)器的作用 是對(duì)晶振產(chǎn)生的電脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。 如在測(cè)距機(jī)和目標(biāo)之間光往返的時(shí)間t內(nèi) 脈沖個(gè)數(shù)為N，能帶測(cè)距離R=。相對(duì)測(cè)距精度為。如圖c-NT22fAR = -抽形骯沖時(shí)鐘豚沖三系統(tǒng)組成及總體方案論證脈沖激光測(cè)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(hào)處理部 分。首先由半導(dǎo)體激光器發(fā)射一個(gè)激光脈沖，該激光脈沖經(jīng)過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后 射向目標(biāo)(本實(shí)驗(yàn)中激光通過一段光纖傳 播，同時(shí)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(cè)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(shí)計(jì) 數(shù)器開始計(jì)數(shù)。經(jīng)過一段時(shí)間后，被目標(biāo)發(fā)射回來的回波 脈沖信號(hào)（本實(shí)驗(yàn)中是經(jīng) 過光纖傳播后的信號(hào) 通過接收光學(xué)系統(tǒng)的 匯聚之后,射到探測(cè)器上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換 和放大后變成電信號(hào)進(jìn)入門 電路,使門電路關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這樣，從開門到 關(guān)門計(jì)數(shù)器 進(jìn)入N個(gè)脈沖,則可測(cè)得這段光纖的長(zhǎng)度 R=Nc/2f。原理框圖如下：原理圖如下：信號(hào)處激光發(fā)射單元發(fā)射澈光束回波光束探測(cè)器丁儺發(fā)器一牟牛機(jī) 計(jì)數(shù)準(zhǔn)元時(shí)鐘脈沖振蕩器圏2彳脈沖式半導(dǎo)體徽光測(cè)跖系統(tǒng)琳嗎超四各分系統(tǒng)工作原理及實(shí)現(xiàn)方案1激光源的選取圖2.4脈沖式半導(dǎo)體激光測(cè)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(dǎo)測(cè)泄激；，2炸；占激光刊砸雷達(dá)戲Jim1.064/1.541.)64/1.54H.571.()641.54/|.57光用ti徨;mmS8X發(fā)!ft ft /mrad(0.60 5M0 6fflliWli/m10.11昨仇功那AVXK2O025K或更島Iftui/ns5-155-10I0-1M甫Q潁率5KHzlKHz-25KHz1-500Hz探測(cè)器炎塑InGaAsAPD PI

6、NInGaAsAPD PINInGaAs APD P【N由上兩個(gè)表可以看出，脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)由于應(yīng)用的不同，其性能參數(shù)差別較 大。用于坦克，火炮和遠(yuǎn)程激光測(cè)距機(jī)等低端軍用脈沖 激光測(cè)距系統(tǒng)測(cè)程遠(yuǎn)，測(cè)距 精度不高，波長(zhǎng)逐漸向人眼安全方向轉(zhuǎn)化；裝備于彈上的脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)和小型 激光測(cè)距雷達(dá)測(cè)距精度要比普通軍用測(cè)距系統(tǒng)高的多。綜合考慮后選定的脈沖激 光參數(shù)：波長(zhǎng):1064nm脈沖形狀:鐘形脈沖寬度：520ns重復(fù)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(jí)2發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)由準(zhǔn)直系統(tǒng)，直角棱鏡組和光纖耦合器組成。1準(zhǔn)直系統(tǒng)：

7、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(jìn)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(jìn)行準(zhǔn)直。準(zhǔn)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(jìn)入單模光纖，束散角DA ,光纖芯徑a和耦 合透鏡焦距f關(guān)系:DA=a/f o所以只有光束束散角滿 足上式，才能被耦合進(jìn)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(zhǔn)直系統(tǒng)后，需在直角棱鏡組中反射，再耦合進(jìn)入光纖耦合器，其光 路展開如圖:準(zhǔn)直系程一一一準(zhǔn)直系統(tǒng)口徑為D，耦合器耦合透鏡有效孔徑為d ,準(zhǔn)直系統(tǒng)與耦合器之間光束 傳播距離為I，光束在直角棱鏡中傳輸距離為，束散角為，則經(jīng)過直角棱鏡后光斑直

8、徑d為：3接收光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)檢測(cè)束散角及光束強(qiáng)度空間分布時(shí)，需要將激光光斑成像到紅外CCD上，通過 圖像處理后計(jì)算出光斑半徑，通過公式計(jì)算出束散角,在通過灰度值環(huán)帶得出光束 強(qiáng)度的空間分布信息。 當(dāng)待檢測(cè)束散角在一定范圍內(nèi)時(shí)，焦距越大，CCD采集的光 斑所占像元越多，這樣檢測(cè)的光斑半徑越準(zhǔn)確。 會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)選用攝遠(yuǎn)型結(jié)構(gòu)，可 以縮小光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸。會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：4接收電路設(shè)計(jì)1光電探測(cè)器的選擇光電探測(cè)器是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量的電信號(hào)，然后進(jìn)行放大 處理的電路，光 電轉(zhuǎn)換的原理是光電效應(yīng)。 常見的光電探測(cè)器有：光電管,PMT（光電倍增管，硅光 電池，光電二極管,APD （雪崩光電二 極

9、管,PIN光電二極管等。在激光測(cè)距系統(tǒng)中，由于需要精確測(cè)量激光脈沖的飛行時(shí)間，所以對(duì)光電檢測(cè) 傳感器的響應(yīng)時(shí)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(hào)，所以必須對(duì)微弱光信號(hào)敏感。根據(jù)這兩點(diǎn) 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(chǎng)干擾差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍較小而且需要多組電 壓,一般很少 在脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)中使用。關(guān)于 PIN和APD的比較器件類劃優(yōu)點(diǎn)應(yīng)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SO電二極骨低功It小舉（L信蠟比高述距離測(cè)跑綜合以上

10、考慮，選擇APD雪崩光電二極管2接收電路原理圖優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(shí)使該高壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)。 通 過APD驅(qū)動(dòng)電路,把接收到的回波光 脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號(hào)，輸入到前置放 大電路。信號(hào)經(jīng)過預(yù)處 理,然后再經(jīng)過一級(jí)放大和整形等操作，即可作為回波截止信 號(hào)，送至測(cè)量單元，進(jìn)行時(shí)間間隔的測(cè)量。APD驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)輸出0UGND GND如圖,為高壓發(fā)生電路產(chǎn)生的160V電

11、壓,作為APD的工作電壓為限流電阻，保護(hù)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(hào)為，提供給后續(xù)電路。高壓發(fā)生電路信號(hào)輸出0UGND GNDVHRi%U = -I = r2在APD的驅(qū)動(dòng)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(guān)三極管的導(dǎo)通和截止。由于該電路產(chǎn)生的電壓會(huì)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)，在高壓 發(fā)生電路中加入一個(gè)反饋回路，如圖： 前置放

12、大電路測(cè)距時(shí)，由于測(cè)量距離的遠(yuǎn)近不同，導(dǎo)致 APD驅(qū)動(dòng)電路輸出的 電壓信號(hào)變化 的幅度很大。為了得到一個(gè)幅值變化較小的信號(hào)，在前置放大電路中，選取具有自動(dòng)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(hào)，幅度，信噪比還不足以滿足測(cè)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(hào)處理 還需要進(jìn)行放大和整形。信號(hào)的放大處理采用 同相比例運(yùn)算電路，進(jìn) 行固定增益的。信號(hào)整形處理采用比較器 MAX913，正端 為輸入信號(hào)，負(fù)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(hào)，以提高測(cè)量精度。5信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在脈沖激光測(cè)距中，由于大 氣湍流，跟瞄抖動(dòng)，目標(biāo)姿態(tài)變化等 會(huì)引入對(duì)待定目標(biāo)的回波信號(hào)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(jì)時(shí)點(diǎn)。同時(shí)，必須采用相應(yīng)的時(shí)間鑒別技術(shù)以減小這種由于幅度的隨機(jī)抖動(dòng) 而引入的定時(shí)誤差。時(shí)間鑒別電路主要作用是對(duì)放大電路的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)，為系統(tǒng)產(chǎn)生起始信號(hào)和同步信號(hào)。主要由高速比較器和其附屬電路實(shí)現(xiàn)。原 理圖如下：輸入的高斯脈沖信號(hào)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)衰減