手持式激光测距仪的设计机械cad图纸大学毕设论文.docx

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手持式激光测距仪的设计机械cad图纸大学毕设论文

手持式激光测距仪的设计

摘要:

本文首先介绍了相位式激光测距仪的研究背景、意义，总结和概括了激光测距的有关理论基础，并且介绍了相位式激光测距仪的测距原理，提出了测距系统的实现框图；接着围绕接收系统的性能开展深入研究，主要研究探测器件的选择，偏压电路、混频电路、自动增益控制电路的设计等问题；利用Proteus技术对APD偏压电路和自动增益控制电路进行仿真，通过仿真结果不断完善设计，并对这一设计进行研究、发展和创新，使得测距系统的测量精度得到了很好的保证及提高，降低了硬件成本，简化了控制电路。

关键词:

激光测距；雪崩二极管；相位；混频；自动增益控制

DesignofHand-heldTypeLaserRangefinder

Abstract:

Thispaperstartedfromthebackground,thepurposes,meaningsofphase-shiftlaserranging,thensummarizedtherelatedtheoreticalbasisofit.Theprincipleofphaselaserrangingandapracticalrangingsystemisdiscussed.Thispaperconcentrateontheresearhofimprovingtheporpertyofreceivingsystem.Lotsofresearchhavedoneonchoosingdetectionelement，designofthebiascircuitandautomaticgaincontrolcircuit.Then，theproteusisusedforsimulationofthem.Withthehelpofthesimulation,thedesignwasimproved,andwiththeresearch,developmentandinnovationofthetechnology,wehaveensuredanddevelopedthemeasurementaccuracyoftherangingsystem,reducedthecostofthehardwareandsimplifiedthecontrolcircuit.

KeyWords:

laserranging;avalanchediode;phase;mixercircuit;automaticgaincontrol

1前言

在各个应用领域中，随着我国科学技术的日益发展，对距离量的测量要求愈来愈高。

为了追求测量范围高和测量精度高的结合，人们不停的研究新的测量方法。

20世纪激光技术作为最重要的发明之一与原子能、半导体及计算机齐名。

三十多年来，以激光器为基础的激光技术在我国迅速发展，导致了光学及其应用技术的巨大革命。

激光与普通光源有显著的差别，所发射的光束具有一系列新的特点：

激光有小的发散角，即方向性好或准直性好；激光的单色性好，即相干性好；激光的输出功率虽然有限，但是功率密度很高，一般的激光亮度要比太阳表面的亮度大。

上述的激光的特点使其成为测距的理想光源，而半导体激光器功耗小、体积小、光源和调制器合为一体，与此同时，现代电子技术的飞速发展和光电器件性能的不断提高，使激光测距仪成为距离测量的主要仪器之一。

与其它测距技术相比，激光具有角分辨力高、抗干扰能力强，可以避免微波贴近地面的多路径效应和地物干扰[1]问题，并且具有天线尺寸小、质量轻、结构小巧、和安装调整方便等优点。

以上各种原因使得激光测距在测量领域得到了青睐，被迅速推广应用，使激光测距仪成为目前高精度测距最理想的仪器之一。

1.1激光测距研究及发展现状

最早的激光测距技术应用于军事中，1961年世界上第一台激光测距机于诞生在美国休斯飞机公司，1962年第一台军用激光测距机成功地进行了示范表演，之后该公司相继研制成几种军用激光测距机在部队进行试验和鉴定，证明激光测距机可作为一种新的测距仪代替原装备的光学测距机。

经过30年的发展，军用激光测距仪己经更新了两代，研制发展了三代。

第一代激光测距机采用发射0.6943um红外红宝石激光器和光电倍增管探测器，因其隐蔽性差、效率低、体积大、重量重、耗电多，很快便被第二代激光测距机取代。

第二代激光测距机采用发射1.06um近红外钕激光器和硅光电二极管或硅雪崩光电二极管探测器,比第一代隐蔽性好、效率高、小巧、耗电少，因此第二代激光测距机的小型化研制进展迅速。

第三代激光测距机即人眼安全的激光测距机。

目前已研制成工作波长为10.6um和1.54um的三种不同类型的各种型号的人眼安全激光测距机，己进入生产和应用阶段。

与此同时激光测距技术也逐渐应用到民事领域。

从20世纪70年代初至今持续了近30年，国外许多大学，研究机构和公司都开展了这方面的研究工作。

研究最早的是芬兰奥鲁大学电器工程系和芬兰技术研究中心，研究内容从各分系统到整机及其应用，并且与美国、俄罗斯几家著名公司联合开展了应用研究，其产品涉及工业、航天、海洋及机器人视觉等许多方面。

美国有多家著名公司开展了这方面的研究，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。

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机，用于对车辆的测距和测速。

近十几年来，又有关于几家美国公司开展这方面研究的报道。

1996年，美国Bushnell公司推出了测距能力400m的400型LD激光测距机Yardaga400,1997年被评为世界100项重要科技成果之一，随后又推出了测距能力500m－1000m系列激光测距机。

1998年美国Tasoc公司测距能力为800码的摄像机型LaserstieLD激光测距仪。

最近几年美国LaserTech、Leica等公司也相继推出测距能力1000米，精度1米的手持式望远镜测距仪。

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20-50ns、重复频率1-10kHz、测量距离10m-1km的激光测距机研究[2]。

国内激光测距仪样机的研究始于20世纪80年代，是在原固体、气体激光测距仪基础上发展起来的。

目前，航天科工集团八三五八所研制出测程200m，精度±0.5m，重复率100Hz的激光测距仪。

中科院上海光机所1996年研制出便携式半导体激光测距仪，工作波长为800-900nm，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1999年报道信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距仪，工作波长为905nm，作用测距1km，重复频率100Hz，精度<±1m，在上海第四届科技博览会上获银奖。

常州莱赛公司研制了作用距离200m、测距精度±0.5m的半导体激光测距仪。

国内许多大学也在致力于对激光测量系统的研究。

清华大学电子工程系多年来一直在对激光测距技术进行研究，2002年陈千颂、霍玉晶等人对激光飞行时间测距的若干个关键技术进行了总结，其中包括时间间隔测量技术、时刻判别技术以及激光相位测距的相位调制技术。

2005年提出了一种新型脉冲激光测距方法，即自触发脉冲飞行时间激光测距方法，该方法有效地解决了传统脉冲激光测距法中存在的提高测距精度和缩短测量时间两者之间的矛盾。

据报道2005年中南大学成功研制出激光平直度自动测量系统，达到国际先进水平、填补了国内的空白[2]。

1.2课题的研究目的和意义

所谓激光测距是利用激光的单色性好、相干性好、方向性强等特点，实现高精度的距离测量和其它检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。

激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。

相位式激光测距以后的章节将详细介绍，下面对脉冲测距、干涉法测距三角测量法作一些简单介绍。

1.2.1脉冲测距

在测绘领域中的最早应用的激光技术便是脉冲法测距。

由于激光的发散角小，激光脉冲持续时间极短，激光脉冲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，脉冲激光测距可以达到极远的测程。

一般的脉冲激光测距机可测量数十甚至数万公里的距离。

脉冲式激光测距机的工作原理是利用脉冲激光器向目标发射单次激光脉冲或激光脉冲串，计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间，由此运算目标的距离。

其本质是测量由发射激光到收到反射回的激光的时间差，由于反射物表面的高低不平及时间测量技术的限制，这种测距装置精度较低。

目前，脉冲激光测距在地形测量、工程测量、云层和飞机高度测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪、人造地球卫星测距、地球与月球间距离的测量等方面已得到广泛的应用。

我国研制的对卫星测距的高精度测距仪，测量精度可达到几厘米。

采用“锁模技术”[3]可以获得超短激光脉冲和极大的峰值功率输出。

1.2.2干涉法测距

干涉测距法原则上也属于相位法测距。

它与后叙的相位测距法的区别在于它不是通过测量激光调制信号的相位来测定距离，干涉测距法是基于光波的干涉原理，利用各种干涉仪测距的方法。

根据光的干涉原理，两列具有固定相位差，而且有相同频率、相同振动方向或振动方向之间夹角很小的光相互交叠，将会产生干涉现象，通过测量激光光波本身的干涉条纹变化来测定距离。

由于光的波长极短．特别是激光的单色性高，其波长值很准确，所以利用干涉法测距的分辨率至少为半波长，精度为微米级。

利用现代电子技术还可以把干涉条纹细分到1%，因此干涉法测距的精度是任何其他测距法无法比拟的。

激光的单色性使其光波带宽极窄，增加了光的相干长度，从原理上测程将大大提高。

然而，由于这种方法只能测量反射镜的动态位移量，所以它仅用于测量相对距离，而不能测量绝对距离。

因此这种测距技术的使用仍然有局限性。

1.2.3三角测距法

将被测物面、激光光源及接收系统摆放在三个点，构成三角形光路，激光光源发出的光束经透镜聚焦照射到被测物面上，光线由物面散射，一部分被光电接收系统接收。

为了能使光敏面清晰成像，在其前方加一聚焦镜头。

如果物面发生移动，可根据三角形相似原理求出光敏面上光斑的移动。

反过来，如果知道光敏面上光斑的移动量也可求出物面的移动量[3]。

这即为三角测距法。

激光三角测距法适合于中近距离的测量，被广泛应用于物体的表面轮廓、宽度、厚度、位移及振动的测量。

在实时动态测量中三角法由于其原理简单，构造容易，也被广泛采用。

1.2.4相位式激光测距法

相位法激光测距是用连续调制的激光光束照射被测目标，通过测量光束往返中产生的相位变化，换算出被测目标的距离。

具体的测距原理我们将在第二章进行讲述。

相位式激光测距比较适合于较大距离的测量，在采用合作目标反射器，多把尺的情况下，可实现高精度的远距离测量。

1.2.5激光测距的优点

由于激光光束具有下列特点：

激光方向性好或准直性好；激光的单色性好，或者说相干性好，普通灯源或太阳光都是非相干光；激光的输出功率虽然有限，但光束细，功率密度很高，一般的激光亮度远比太阳表面的亮度大。

因而激光测距仪也就有如下优点：

1、测距精度高

激光测距的精度与操作者的经验和被测距离无关，误差仅取决于仪器本身的精度。

战术激光测距仪的误差在5m以内，科学实验的测距仪精度更高，例如，在月球上安装角反射器（合作目标），最好的测距记录是384401km，误差仅为10cm[3]。

2、体积小，重量轻，携带方便

军事上装备的激光测距仪，重量一般为10kg左右，最小的只有0.36kg，体积只有香烟盒那么大，激光由于方向性好，所以可以发射极窄的光束[3]。

3、分辨率高，抗干扰能力强

窄的光束和短的脉冲宽度，不仅使横向和纵向目标分辨率大大提高，而且不受电磁干扰和地波干扰，例如在导弹的初始阶段，微波测距由于严重的地波干扰而不能使用，激光测距却能得心应手[4]。

目前，在工业生产中，高精度激光测距仪是解决在实际测量中需要人工跑尺，以及在人无法到达的地方进行安全测距工作的有效方法之一。

小型、低价、省电、对人眼安全、无合作目标的高精度激光测距仪系列产品具有迫切的市场需求和广泛的应用前景。

目前空间目标距离的激光测量主要使用脉冲式激光测距方法和相位式激光测距方法。

脉冲式激光测距是根据发射波信号与回波信号之间的时间间隔，即通过测量激光脉冲从激光器到待测目标之间往返时间t，来进行距离测量的，激光的传播速度很快，而目前高频的脉冲产生电路和计时电路存在着技术瓶颈，测距的分辨率只能达到厘米级，在短距离测量时其精度无法满足当前的需求。

相位式激光测距是用连续波对激光进行调制，距离信息就隐含在从目标物反射回的调制光波的相位信息中。

测出发射与接收光波之间的相位差，通过适当的换算，即可得到待测距离的实际值。

在高频连续波的调制下其测距精度可以达到毫米级以下，且硬件实现简单，具有很好的方向性和功率,发展潜力比较大，逐渐成为短量程高精度测距的主要研究方向。

当代电子技术的发展，使得对相位差的测量可能达到非常高的精度，故而相位法测距成为激光测距中的首选[5]。

虽然半导体激光测距机具有结构简单、体积小、重量轻、低成本、高重复频率、高效率等特点，在中、近程测距方面有明显优势，但是由于输出能量低而使得测程偏低，因此，提高测程是半导体激光测距系统急待解决的问题。

提高半导体激光测距接收系统的性能是解决该问题的有效方法之一。

因此本课题的研究具有重要意义。

1.3课题研究的内容

课题要求设计基于单片机的手持式激光测距仪，目的是实现距离的测量。

设计的技术参数具体为：

称量距离范围0～50m，精度在2cm左右。

设计的主要内容如下：

1.电源电路设计

目的是为系统提供可靠稳定的电源。

2.激光测距方式选择的电路设计

3.系统抗干扰设计

根据课题的要求本设计采用相位式激光测距法来实现上述技术要求。

2相位式激光测距技术研究

相位法测距是光电测距的主要方式之一，也是目前测距精度最高，应用最广泛的一种测距方法。

相位法激光测距利用发射的调制光和被测目标反射的接收光之间光强的相位差包含的距离信息，来实现对被测目标距离的测量，由于采用调制和差频测相等技术，具有测量精度高的优点，广泛用于有合作目标的精密测距场合。

2.1相位式激光测距技术原理

相位式测距，就是间接地测出发射与接收光波之间的相位差φ，以代替测定时间t，从而得到待测距离的实际值D［５］。

光在大气中以速度c传播，在A、B两点间往返一次所需要的时间与距离的关系为

（1）

式（2.1）中:

D—待测两点A、B间的直线距离

C—光在大气中的传播速度

t—光往返AB一次所需要的时间

由上式可知，距离测量的可以转化为对光在AB之间传播时间的测量。

由于对时间测量不够精确，所以将对间的测量转化为对相位差的测量，相位差的测量可以达到很高的精度，从而使距离的测量也达到了很高的精度。

设载波频率为f的调制光波，在待测距离AB上往返的时间为t2d，其相移为Φ。

图1是其波形展开图。

图1在AB间传播的正弦波展开图

Fig.1ThesinewaveoftransmissionexpansiongraphbetweenAB

设在起始时刻t1发射的调制光光强为

（2）

接收时刻的调制光的光强为

（3）

则发射时刻与接收时刻的相位差为

（4）

时间差为

（5）

代入可得测距方程为

（6）

式（6）中：

；N为整波数，ΔN为不足整波数的尾数，

（即Ls）为测尺长度。

目前任何测量交变信号相位移的方法都不能测记所经过的整相位数，即无法确定相位移φ中包含的2π的整倍数N1，而只能确定不足整周期（2π）的尾数值Δφ1,当待测的距离较长时，为了既保证必需的测距精度，又不使距离测量结果产生不定解，考虑到无论哪种相位测量系统都有相位误差，我们可以在测距仪中设置几种不同的测尺频率，即相当于设置了几把长度不同、最小分划值也不相同的尺子，用它们同时测量某段距离，然后将各自所测的结果组合起来，就可得到单一的、精确的距离值。

2.2相位式激光测距多测尺原理

在各类型的长、中、短程测距仪中，为了实现远距离和高精度的相位测量，可以使用测尺长度不同的几把光尺（类似于钟表的时分秒三个指针配合使用，保证测量时间的精确），在这组测尺中，最短的测尺保证必要的测距精度，而较长的测尺用于保证相位测距的量程。

目前，在相位式激光测距中，采用的测距技术选定方式有两种：

分散的直接测尺频率方式和集中的间接测尺频率方式。

2.2.1分散的直接测尺频率方式

在这种测距技术中，测尺频率和测尺长度直接相对应，即测尺长度可以直接由测尺频率来确定，而且各测尺频率之间比较分散，所以这种选择频率的方式称为分散的直接测尺频率方式。

测尺频率fs与测尺长度Ls的关系为：

。

表1分散的直接测尺频率

Table1Disperseddirectlymeasuringfrequency

测尺频率

15MHz

1.5MHz

1.5MHz

15KHz

测尺长度

10m

100m

1km

10km

精度

1cm

10cm

1m

10m

在测相精度一定的条件下，若要进一步扩大测程，同时又保持测距精度不变，就必须增加测尺频率，如表1所示。

由上表可知，此时最高测尺频率和最低测尺频率之间相差悬殊（达103倍），使得放大器和调制器难以对各种测尺频率具有相同的增益和相移稳定性。

而测程小于20公里的中、短程测距仪，由于测尺频率数目较少，分散性也不大，故其测尺频率的选择多用分散的直接测尺频率方式。

对于长程测距仪，为了避免测尺频率过于分散，则不采用此方式。

2.2.2集中的间接测尺频率方式

在测尺频率的选择上，各频率间的差别不大，与分散的直接法相比较而言，频率较为集中。

而相位差Δφ是间接得到的，若用两个调制频率f1与f2分别测量同一距离时，它们所测得的相位差

与用这两个频率之差的调制光测量该距离时得到的相位尾数

是相等的。

例如，若选f1=15MHz,f2=13.5MHz，它们测量同一距离时的相位尾数差值与用f1-f2=1.5MHz的单个调制频率测量该距离时得到的相位尾数是相等的。

这种方法使得系统中各部分能获得相近的增益和相位的稳定性，并可以获得稳定统一的频率源。

表2间接测尺频率、相当测尺频率及测尺长度

Table2Indirectlymeasuringfrequency,ameasuringfrequencyandlengthmeasuringruler

间接测尺频率

相当测尺频率

测尺长度

精度

fs1

f=15M

15MHz

10m

10cm

fs2

f1=0.9f

1.5MHz

100m

0.1m

f2=0.99f

1.5MHz

1km

1m

f3=0.999f

15KHz

10km

10m

f4=0.9999

1.5KHz

100km

100m

但是这种方式的缺点为：

第一，两个频率太接近，所以在产生本地振荡器时电路设计难度加大；第二，在电路中同时存在四个或更多高频频率，相互之间的干扰会增大，电路设计难度增加，给相位测量带来困难；第三，由于各间接测尺频率值非常接近，在设计滤波放大器时不可能把这些频率分开，所以在测距时只能是先用一个频率去调制接收处理再用另一个频率去调制接收处理，不能同时多个频率去调制接收，这会造成测量时间的增长。

因此，在短距离测量系统中，间接的测尺频率会很高，第一个缺点和第二个缺点很明显，一般不采用这种方式，而是采用分散的测尺频率方式。

2.2.3测距技术的选定

根据本课题的要求，设计50米以内的激光测距仪，采用分散的直接测尺频率方式，选择频率为15MHz与1.5MHz的测尺，保证测程为50m精度为1cm。

精测：

f1=15MHz对应的精测尺长：

，精度为1cm

粗测：

f2=1.5MHz对应的粗测尺长：

，精度为1m

例如测量47.33m的距离时，则可用粗尺测得不足100m的尾数47m，用精尺可测得不足10米的7.33m，将两者结合起来就可以得到47.33m。

这样，就解决了测距仪高精度和长测程之间的矛盾，其中最短的测尺保证了必要的测距精度，最长的测尺则保证了测距仪的测程。

2.3差频测相原理

在测相精度很高（一般为1‰左右）的情况下，为了保证必要的测距精度，精尺的频率必须选得很高，一般为十几MHz～几十MHz甚至几百MHz。

目前一些国家正在研制的超高频激光测距仪调制频率高达500MHz，在这样高的频率下直接对发射波和接收波进行相位测量，在技术上将遇到极大的困难。

例如高频电路中的寄生参量的影响将产生显著的附加相移，降低测相精度。

另外，因为鉴相器的读数和频率有直接关系，若对不同的测尺频率直接测相，就必须有几套测相电路，使电路结构复杂化，也不经济。

因此，目前相位式测距仪都采用差频来测相[5]。

所谓采用差频测相就是将高频信号变到携带相同的相位信息的低频信号，然后对该低频信号进行测相。

在频率降低后，信号的周期扩大，这样的就大大提高了测相的分辨率，即提高了测相精度。

同时，多个测尺频率转换为统一低频信号测相后，对接收机的频响要求降低，即对不同的调制频率，其接收信号差频后的滤波放大频率始终固定，这样有利于接收机获得高增益与高选择性。

在测距仪内一路主振信号经过激光器调制发射出去,经待测目标反射回来,再由光电器件转成电信号,与本振信号送入混频器差频成低频或中频信号,这一路信号称为测量信号。

另一路的主振和本振直接送入混频器差频出相同频率的低频或中频信号,称为参考信号，比较两路信号的相位差。

图2差频测相电路中各单元电路的相位关系

Fig2Thephaserelationshipofeachunitcircuitofthedifferencefrequencyphasedetectingcircuit

由图2可以看出差频信号仍保持着原高频信号的相位关系，测量中低频信号的相位就等于测量主振信号经2D距离后的相位延迟。

两路混频信号所得的相位差为：

。

2.4自动增益控制原理

从发射到接收过程中，经过目标物的漫反射以及衰减，由于受半导体激光器发射功率、收发距离远近等各种因素的影响，接收电路所接收的激光信号强弱变化范围很大。

如果接收电路增益不变，则信号太强时会造成接收机的饱和或者阻塞，甚至使接收机损坏，而信号太弱时又有可能丢失。

因此在信号接收放大模块中必须包含自动增益控制电路（AGC），以便对信号幅度的放大进行自动控制，在接受弱信号时，使接收电路有很高的增益，而在接收弱信号时，接收电路的增益应减小一些。

这种要求靠人工增益控制来实现是困难的，必须采用自动增益控制电路，使接收电路的增益随着接收信号强弱而自动变化，使接收信号其满足混频器的要求。

自动增益控制电路是接收电路中不可缺少的辅助电路[6]。

自动增益控制电路的作用是：

当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出电压恒定或基本不变。

具体地说，当输入信号很弱时，接收机的增益大，自动增益控制电路不起作用；当输入信号很强时，自动增益控制电路进行控制，使接收机的增益减小。

这样，当接收信