相位法激光测距的理论设计

1、相位法激光测距的理论设计摘要本文介绍了半导体激光技术，并在传统的相位法激光测距原理的基础上，参考激 光测距光学系统设计，运用数字相关检测的测量方法，提出一种把直接数字频率合成 (DDS)技术和数字信号处理(DSP)技术相结合的新的相位激光测距理论设计，这种设计 有助于简化电路、提高相位测距的精度。关键词：相位激光测距，数字相关检测，数字信号Phase Type Laser Ranging Theoretical DesignThis article introduced the semiconductor laser technology, and in the traditional phase laser ranging principle foundation, the reference laser ranging optical system design, Using digital correlation detection measuring technique,proposing one kind the new phase laser ranging theoret

2、ical design which (DDS) technical and the digital signal processing (DSP) the technology unifies the direct digital frequency synthesis, for could overcome in the traditional phase range finder method the precision to enhance, the measuring range with difficulty difficulty with increases, the electric circuittoo is complex and so on the shortcoming provides has been possible to supply the reference the theoretical design.Key word： PHASE LASER RANGING , DIGITAL CORRELATION DETECTION , DIGITAL SIG

3、NAL目录第一章引言4第二章国内外研究状况5第三章激光测距光学系统73. 1激光测距仪的系统结构73. 2光学系统图示83. 3光学系统设计主要部件功能与作用93. 4主要参考性能数据10第四章数字相关检测技术改进方法设计114. 1 激光相位式测距的基本原理114.2数字信号处理(DSP)的简述134.2.1数字信号处理的主要研究内容144.2.2测试信号数字化处理的基本步骤144.2.3数字处理信号的优势154. 3直接数字频率合成技术154.3.1 DDS的基本工作原理164. 4改进的数字测相的框图设计16第五章小结22参考文献23致谢24第一章引言第一章引言激光，是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单 色性好和相干性好等特性的光。物理学家把产生激光的机理溯源到1917年爱因斯坦解 释黑体辐射定律时提出的假说，即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐 射三种基本过程1。所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性 为人类造福的技术的总称。30多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，利用激光技术不 仅研制了各个特色的多种多样

4、的激光器，而且随着激光应用领域不断拓展，形成了激光 唱盘唱机、激光医疗、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武 器等一系列新兴产业。激光技术的飞速发展，使其成为当今新技术革命的先锋！激光和普通光的根本不同在于它是一种有很高光子简并度的光。光子简并度可以 理解为具有相同模式（或波型、位相、波长）的光子数目，即具有相同状态的光子数目。这 些特性使激光具有良好的准直性及非常小的发散角，使仪器可进行点对点的测量，适应非 常狭小和复杂的测量环境。激光测距仪就是利用激光良好的准直性及非常小的发散角度 来测量距离的一种仪器。激光在A、B两点间往返一次所需时间为t,则A、B两点间 距离D可表示为:D = ct /2，式中,c为光在大气中传播的速度。由于光速极快，对于一 个不太大的D来说,t是一个很小的量。如:假设D =15km, c = 3 X 105 km / s,则t = 5 X 10- 5 s。由测距公式可知,如何精确测量出时间t的值是测距的关键。由于测量时间t的方法不同,便产生了两种测距方法:脉冲测距和相位测距。其中相 位测距更加精确1。第二章国内外研究状况相位式激光测距技术

5、的研究起始于20世纪60年代末，到80年代中期陆续解决了 激光器件、光学系统及信号处理电路中的关键技术,80年代后期转入应用研究阶段，并研 制出了各种不同用途的样机,90年代中期，各种成熟的产品不断出现，预计近期将是其应 用产品大发展的阶段，在中、近程激光测距应用方面有取代YAG激光的趋势。随着激光 技术的发展，应用激光作精密光波测距系统的光源，是现代测量仪器的一个显著特点。据近年的资料，国外用于大地测量、城市和工程测量的各类光电测距仪约15000多 台。其中，长程及中程各占1/4,短程测距仪占1/2。许多工业发达国家已把各种激光测 距仪红外测距仪作为标准设备，装备测量作业队。近年来，中长程激光测距仪的技术发展有以下特点：（1）普遍采用He -Ne激光 光源，功率为15mW; （2）普遍采用新颖的高效调制器，如ADP（磷酸二氢铵 NH4H2PO4），KDP（磷酸二氢钾（KH2PO4），KD*P（磷酸二氘钾（KD2PO4）等；（3） 向自 动化和数字化方向发展。中远程激光测距仪的精度主要是受到比例误差的限制，这是值 得注意的。如美国的Geodolit-3G远程激光测距仪，其数字测相的分辨

6、力达土0.03 mm，其 固定误差为0.03 mm，但它的比例误差仍有1 mm/km2。为获得测线的平均气温，气压、 湿度误差影响f 1mm/km,还需要用飞机沿测线作气象测定，这对作业无疑是不方便 的。对比之下,0.03 mm的测相分辨力，对于单色激光的远程测距，并不必需。短程的光波测距仪通常以砷化镓半导体（GaAs）红外波段激光源的红外测距仪为主, 实用上也有少量采用He -Ne激光作光源。这类仪器普遍在向自动化、数字化与小型化、 一机多能的方向发展。按仪器的功能可分为单测距仪器，测角与测距相结合的仪器，测 距、测角与计算三结合仪器（电子速测仪）及高精度的短程测距仪这四类。单测距的仪器都采用强制归心基座可与经纬仪交替使用，以利于边角测量和导线测 量的实施,这类仪器也可采用激光光源。角、距结合的仪器有二种：一种是测距系统作 为经纬仪的附件，积木式装在经纬仪上，将自动测距与经纬仪测角相结合直接为水平距 离并能作坐标差Dx、Dy的计算.如DI-3及DI-3S;另一种能将自动测距与光学测微器第二章国内外研究研究现状读数测角一并设计的整体型仪器，为光电测距经纬仪，如SM112。测角、测距、计

7、算三结合的仪器（如AG710）分主机和数据处理二个部件。测角部 分采用编码度盘，角度和距离一样都能自动数字显示。自动归算的功能包括自动计算水 平距离、高差，自动进行气象修正以及自动算出相对于测站的待定点极坐标，并能自动 记录在孔纸带上。所以这类仪器又称为电子速测仪。这类仪器的应用与普及，将使传统 的城市测量工程勘测、小区域的地形测量技术为之大大改观，它把测距、测角、测高和 计算在一台仪器上结合起来，从而在测站上仅几秒钟之内就直接获得测量点的坐标，并 利用穿孔纸带为自动绘制地形图、断面图迅速提供了大量的原始资料。短程测距仪的精度主要是提高测相精度，因为这类仪器的测程多数在12km之 内，相对远距离来说其比例误差的影响不是主要因素。短程测距仪的精度主要影响是固 定误差，而固定误差中又是测相误差占主要地位，因此，减少测相误差，是研制高精度 短程相位测距仪的关键。然而在一定的测相精度下，提高调制频率是一个行之有效的措 施。第三章激光测距光学系统31激光测距仪的系统结构激光电子测距仪一般由激光光源、激光调制及发射电路、光学系统、接收单元、 高频放大电路、采样积分电路、逻辑电路、振荡电路和微处理器

8、部分组成,系统框图如图 3.1所示。激光光源采用半导体激光二极管。晶振部分包括主振单元和本振单元,通过频 率合成电路分别产生发射频率信号和基准混频信号。发射频率信号经过一定的波形变换 和功率放大后，作用于激光二极管，进行内调制，发出调制激光信号3。图3.1激光测距仪的系统结构Fig.3. 1 laser ranging equipment system structure激光测距光学系统设计的方案及原理为：动目标指示,目标速度分辨力8km/ h ；主 动成象，帧频为100200帧/ s；精确测距；以每秒1000次的速率编排并记录方位、仰 角、距离和时间数据；进行坐标变换，以便输出高精度的实时位置数据，便于绘图和数字 显示;使用程序指出方位上几个区域，保证目标或其它关键区域在安全标准范围内安全控 制。32光学系统图示图3.2激光测距的光学系统Fig. 3.2 Laser ranging optical system图3.2是激光测距的光学系统4。本系统包括三个发射部分.一是连续波(GaLlAs) 激光发射机;二是连续波(CO2)激光发射机;三是相位(GaA1As)激光发射机(图中;1 -

9、 连续波(GaA1As)激光发射机;2 -相位(GaA1As)激光发射机;3 -连续波(CO2)激光 发射机;4、5 -碲镉汞探测器;6、7 -声光调制器;8、9 -前置放大器;10 -可变减速器;11 -散热器;12、30 -测距通道探测器;13 -象限传感器;14 -二维电荷耦合器(CCD) ;15 - 主功率;16 -调准传感器；17 -频率谱显示器,18 -本振通道；19 -稳定通道；20 -后反 射器;21、22、23 -凸透镜；24 -气体池；25 -滤光片;26 -栅镜,27、33 -光栅起偏器; 28、32 -四分之一波片;29 -角度滤波器;31 -分束器;34、35 -方位俯仰扫描器,36 -方 位俯仰驱动器;37 -准直镜)。3.3光学系统设计主要部件功能与作用相位(GaAlAs)激光发射机的作用是用于近场广角截获跟踪目标，并进行目标的 粗测；连续波(GaAlAs)激光发射系统用于精确的测距；连续波(CO2)激光发射系统用 于测量速度。微调反射镜有两对，分别用于GaAlAs激光束和CO2激光束的偏转扫描, 目标截获、跟踪探测器采用二维的电荷耦合器件CCD。电荷耦合器件的传感功能是在光致信息电荷的存储和传输两个过程完成的。如果 把被测目标的光学图象聚集在电荷耦合器件图象传感器的光敏区上，则其上个点所产生 的光生载流子的数量，将与各象点上的图象亮度相对应。在一般称为光积分时间的时间间 隔内，这些少数光生载流子分别被收集、存储在就近的势阱里,形成一个个的信息电荷包, 每一个信息电荷包所储存的信息电荷与电荷耦合器件工作表面上相应位置的光强成正 比，因而成为被测光学图象的诸点取样模拟。这样，就把光学图象转变成为由信息电荷所 描绘的电子图象,完成了光电转换与储存信息的过程。为了按扫描顺序取出各电荷包的信 息电荷，使被接收的图象以电信号的形式再现出来，可在各个电极上依次施加有规则变化 的时钟脉冲电压，各个电极下的势阱深度也将作相应

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