激光测距仪系统设计毕业设计论文.docx
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激光测距仪系统设计毕业设计论文
毕业设计(论文)
题目:
激光测距仪系统设计
(英文):
SystemDesignofaLaserRangeFinder
院别:
机电学院
专业:
机械电子工程
姓名:
学号:
指导教师:
日期:
激光测距仪系统设计
摘要
本次激光测距仪系统设计采用的是相位式测距法,相位激光测距又称调幅连续波激光测距通常是基于对目标回波相位的探测,在诸如军事、航空、工业和体育等领域已经取得广泛的应用。
相位激光测距仪的发展趋势是小型化、高可靠性、便于与其他仪器集成。
本文介绍了相位式激光测距仪的测距原理,提出了测距系统的具体设计方案。
设计围绕接收和发射系统的性能开展,主要包括了锁相环、分频器、信号整形与放大电路、弱信号检测滤波与放大电路、混频器、鉴相测相器、信号处理与显示电路、单片机89C51的软硬件设计和C语言软件编程等问题。
利用Proteus软件对系统电路进行绘制以及利用CAD设计了系统机械的结构。
关键词:
激光测距;相位;锁相环;混频器;分频器;单片机
SystemDesignofaLaserRangeFinder
ABSTRACT
Thephase-rangingmethodisadoptedinthesystemdesignofthelaserrangefinder.Itisalsoknownasamplitudemodulationofcontinuouswavelaserrangingandisusuallybasedonthedetectionofthephaseofthetargetecho,hasbeenwidelyusedinmanyfieldssuchasmilitary,aerospace,industrialandsportsetc.
Thisthesisfirstintroducesrangingprincipleofphase-shiftlaserrangefinderandproposestheconcretedesignscheme.Designiscarriedoutaroundtheperformanceofthereceiveandtransmitsystems,whichincludesthedesignsofphase-lockedloop,frequencydivider,signalshaping&&lifyingcircuit,weaksignaldetectionfilter&&lifier,frequencymixer,phasediscriminator&&detector,signalprocessinganddisplaycircuitandthehardware&&softwareofthe89C51microcontroller,andClanguagesoftwareprogramming.ProteussoftwareisusedtodrawthecircuitsinthesystemdrawingandCADisappliedtodesignthemechanicalstructureofthesystem.
Keywords:
Laserranging;Phase;Phaselockedloop;Frequencymixer;Frequencydivider;Singlechipmicrocomputer
第1章绪论
1.1引言
随着科学技术的不断发展,人类在民用和军事领域,对距离量的测量要求非常广泛。
测量范围和测量精度的要求都在不断增加,因此人类在不停研究新的测量方法和理论。
近年来,激光技术迅速发展和完善,导致了光学及其应用技术的巨大革命,促进了物理学和相关学科的发展。
激光器已被确认为20世纪最重要的发明之一。
而激光技术的发展,标志着人们掌握和利用光波进入了一个新阶段。
激光技术出现后,很快被应用到各种测量(大地测量、地形测量、工程测量、航空摄影测量以及人造地球卫星的观测和月球的光学定位等航天测量)中。
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。
激光与普通光源有显著的差别,它利用受激发射原理和激光腔的滤波效应,使所发射的光束具有一系列新的特点:
激光有小的发散角,即所谓的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。
自第一台红宝石激光器在1960年问世后,激光技术在军事和民用领域的很多方面都得到了快速而广泛的应用。
如军事领域中的激光雷达、激光测距、激光制导和激光武器等;民用领域中的激光切割、激光通信和激光医学应用等。
其中特别是激光测距技术,在第一台激光器诞生的第二年,就已经有人进行了激光测距的试验。
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,激光测距仪是目前高精度测距最理想的仪器之一。
由于以上各方面的原因,使得激光测距在测量领域得到了青睐,并被迅速推广应用,在国民经济和国防建设中具有非常重要的意义。
1.2国内外概况和发展趋势
1.2.1激光测距的优点
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。
用激光测距对卫星进行精密测轨,精度已达1cm,日本用于预防地震的长距离监测系统,全程84km,误差小于1mm。
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,所以可以不用巨大的天线就可以发射极窄的光束。
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。
1.2.2激光测距研究的国内外概况
1.国外概况
激光测距技术是最早用于军事上的激光技术。
世界上第一台激光测距机于1961年诞生在美国休斯飞机公司,称为柯利达I型,1962年第一台军用激光测距机便成功地进行了示范表演,之后该公司相继研制成几种实验型军用激光测距机在部队进行试验和鉴定,结果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。
1971年美国陆军首先装备了AN/GVS-3型红宝石激光测距机。
供炮兵前方观察员或观察所使用。
此后,各种型号的侦察用激光测距机相继装备各国的军队1963-1967年美国休斯公司相继研制成几种实验型军用激光测距机,1969年军用激光测距机首先装备军队。
经过30年的发展,军用激光测距机己更新了两代,研制发展了三代。
第一代激光测距机采用发射0.6943mm红外红宝石激光器和光电倍增管探测器,是最早问世的激光测距机,20世纪70年代初期少量装备部队,如美国的AN/GVS-3、日本的70式,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1.06mm近红外钕激光器(主要是Nd:
YAG激光器,少数为钕玻璃激光器)和硅光电二极管或硅雪崩光电二极管探测器。
第二代比第一代隐蔽性好、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。
1977年美国研制成功称之为AN/GVS-5型的第一个手持使用的小型Nd:
YAG激光测距机,该机的外形结构首次采用了适宜手持使用的双目望远镜式结构,大小与一具标准的7*50军用双目望远镜相当,总重量仅2kg。
该机在设计上采用组件结构,在技术上首次成功采用轻小、成本低、不耗电的BDN被动染料片Q开关和工作电压为350V的低压硅雪崩光电二极管探测器,用大规模集成电路实现接收电路的固体组件化。
此后,应用AN/GVS-5的研制成果,很多国家都相继研制成功类似于AN/GVS-5的各种型号的手持激光测距机装备部队,如挪威研制和英国改进生产的LP7型被确定为北约部队的正式装备仪器。
由于这些低成本、小型手持激光测距机的研制成功,从20世纪70年代末到80年代中,Nd:
YAG激光测距机进入了大批生产装备和广泛应用阶段,成为军用激光市场上军方最大的采购项目,如1977,1987年,美国军方采购了8000台AN/GVS-5型激光测距机装备美陆军和出口。
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10.6mm和1.54mm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年代初至今的近30年,国外许多大学、研究机构和公司也开展了这方面的研究工作。
研究内容从各分系统到整机及其应用研究,其产品涉及工业、航天、海洋及机器人视觉等多方面。
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[2],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,该系列测距机的特点:
利用对眼睛无害的透明红外线激光发射及接收快速测距,测量精度高(±lm)高倍液晶显示瞄准器无声操作;即使在阵雨等恶劣天气条件下,亦能精确测量;目标与仪器间有障碍物如灌木林亦能如常测量:
连续跟踪目标;防水、防震;轻便和袖珍式设计便于携带,广泛应用于建筑施工勘测设计、消防系统等领域。
德国博世(BOSCH)公司研制生产的手持式高精度激光测距仪,体积小巧,携带方便,广泛适用于房地产、室内装潢、建筑施工、测量测绘等众多领域。
该公司研制生产的DLE150激光测距仪不但可以测量、校正、计算,而且可以非常快速地进行探测。
它的测量范围为0.3m-150m,测量精度<±3mm,测量时间一般<0.5秒,测量分辨率为lmm,它采用先进技术,能测量高度,面积,数量,角度或斜面;可持续测量,用于测定固定参考点的最大或最小距离;间接测量功能,能对一些不能直接测量的距离,例如,房屋的墙高等进行间接测量;存储检索,检索最新存储的资料和最近20个测量结果:
“显示激光光束”模式,激光光束会在测量过程中一直处于显示状态,可以快速准确地寻找测量目标;使用万能尾件可以对角落、平面和边缘进行测量;防尘防水设计。
加拿大NEWCON公司是著名的激光测量设备的研制生产厂家,研制成功多种类型、系列化的激光测量仪器。
LRM(单筒式)系列激光测距仪[6],它采用最新数字电路技术,可以透过绝大部分的玻璃进行测量;自动“最后目标”测量功能,即可以穿过树枝、篱笆等稀疏障碍物直接测量后面的目标;自动“雨天”测量模式,消除落雨对测量的影响;目标反射质量指示;可以存储10个测量值并可回调;可以清除以前测量值。
激光类型:
905nm一级安全激光:
测距范围:
20-1200m测距精度:
±1m。
LRM系列激光测距仪性能优越,环境适应能力强,目前是加拿大军队的标准装备。
瑞士徕卡新型手持测距仪DISTO。
主要包括简便型Lite5,经典型Classic5,智能型Pro4,智能增强型Pro4a。
它们的特点是测量快(0.4秒)、测量距离远(0.3-300m),测量精度高。
其中,智能增强型Pro4a测量范围:
0.3-100m;测量精度:
±1.5mm。
最大值、最小值测量、勾股定理测量功能:
一体化小泡,简化水平测量;一体化望远镜瞄准器;存储800个测量值;数字字母键盘、计算器功能;菜单式功能键。
DISTO新型手持测距仪主要用于工业安装、房地产测量、建筑施工、室内装潢、电力设施、矿井作业、连接经纬仪组成半站仪。
2.国内概况
我国激光测距仪的研究始于20世纪70年代,是在原固体、气体激光测距机基础上发展起来的。
目前,基础技术已具备,主要是解决工程应用问题,开发各种应用产品。
航天科工集团八三五八所研制出测程200m,精度0.5m,数据率100Hz的激光测距机。
中科院上海光机所研制出便携式激光测距机,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机,作用测距1km,精度<±lm,采用4MHz晶振,线性时间放大技术。
常州莱塞公司研制了作用距离200m,测距精度0.5m的半导体激光测距机。
船舶重工集团第717研究所研制的激光测距仪测量范围20km,精度±2.5m,重复频率25Hz。
1.2.3创新思路
本次设计将要完成的主要创新点如下:
1.根据相位式激光测距原理,采用测尺组合频率和差频测相的方法完成测量,提高测量精度。
2.提高整体的稳定性,降低消耗。
3.采用模块形式提高电路的分辨率,克服电路系统中各个频率的干扰。
4.优化系统结构,采用支架式结构避免测量时系统晃动现象的产生。
第2章激光测距仪的整体设计方案
2.1系统的控制特点及性能要求
2.1.1系统控制的结构组成
本激光测距仪的基本设计和参数指标如下:
1、发射电路:
由15MHz的有源晶振(主振)通过分频产生1.5MHz的晶振(主振2),两频率的晶振同时驱动半导体激光器LD发出激光束。
2、接收部分:
光电转化器把反射回来的两束晶振频率通过放大器将其放大。
3、锁相环:
15MHz和1.5MHz的晶振分别通过锁相环产生15.1MHz和1.51MHz的正弦信号分别作为本振1和本振2。
4、混频器:
分别把主振信号和本振信号、主振与回波信号、本振与回波信号混合相减得到对应的频率差并将其放大。
5、缓冲整形:
正弦波变方波,模拟信号转化成数字信号。
6、CPLD:
测量发射波与回波的相位差。
7、单片机:
处理数据与控制显示。
8、LED数码管:
显示测量数据。
9、用运算放大器设计探测接收部分滤波器和放大器。
10、用于测相的差频信号频率为10KHz,相位测量精度能达到千分之一以上。
11、理论测量范围为100m,测量精度为1cm。
12、用双栅场效应管作混频器,用LC振荡器作锁相环的压控振荡器,采用模拟锁相环。
13、本系统的特点是高精度、快速、实时显示、操作简单,数字与模拟结合。
图2.1相位式激光测距仪的总体框
根据课题的要求和已经决定的总体框图设计,可以将整个激光测距仪分为以下三个部分:
第一大部分是激光发射部分,其中包括激光调制信号(1.5MHz和15MHz两路信号)的产生、激光信号的产生和调制发射部分三个模块;第二大部分是激光回波接收部分,包括调制信号的探测即光电转换部分、两路电信号的分离滤波部分和两路信号分别放大部分三个模块;第三大部分信号处理部分,包括混频与信号转换、数字鉴相和单片机计算显示三个模块。
上面已经将各个大部分分割为几个小部分组成,即模块。
之所以采用模块化设计,主要是由于以下三个方面的原因:
(1)可以减小各个模块的相互干扰
在现代的电路设计当中,为了降低整个仪器的复杂性,同时也出于设计成本的考虑,都尽可能多的使用具有相同供电源的元器件,这样一来,由于很多模块都是使用同一电源供电,所以,相互间的影响是难免的,这其中不仅包括数字信号和模拟信号之间的干扰,也有各个子系统之间的相互干扰,如将其做在一块PCB板上,由于地线统一特性,而且随着频率的提高,每一块PCB板内的电磁干扰会更严重,所以要想将干扰减小其难度可想而知。
采用模块化设计以后,不仅各个PCB子系统内部数字地和模拟地可以分开,而且PCB子系统之间的地线也可以通过磁珠分开,则板间高频信号干扰会减小很多。
(2)便于维护、扩展和调试采用模块化设计以后,各个模块之间的功能相互独立,因此在设计时可将不同部分分开进行设计和调试,在每部分都调试好了后再各个模块联调,当其中某一子系统出现故障时只需再重新调试和维护这个模块,而其余部分不必更换,也正是因为这一优点,不仅仅降低了成本,而且大大方便了故障诊断,使得维护起来更加方便。
(3)可有效减小仪器体积由于各个模块之间的独立性,可以对各个部分进行单独的设计,这样在布置PCB版图的过程中,可以大大减少来自其他模块的元器件的干扰,增强版图设计和布线过程中的灵活性,减少尺寸上的限制,从而有效减小电路板的体积。
2.1.2系统的性能特点
1、干电池提供系统电源。
2、采用多测尺技术,测量结果更精确。
3、采用差频测量技术,减小其测量误差。
4、运用多个混频器,避免其信号的互相干扰。
5、单片机处理,数码显示器显示测量距离。
2.2相位式激光测距仪技术原理
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。
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[3]。
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
(2.1)
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2.2是其波形展开图。
图2.2在AB间传播的正弦波展开图
设在起始时刻t1发射的调制光光强为
(2.2)
接收时刻的调制光的光强为
(2.3)
则发射时刻与接收时刻的相位差为
(2.4)
时间差为
(2.5)
代入可得测距方程为
(2.6)
式(2.6)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。
2.2.1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。
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:
fs=c/2Ls。
表2.1分散的直接测尺频率
测尺频率
15MHz
1.5MHz
150KHz
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2.1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.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[4]。
表2.2间接测尺频率、相当测尺频率及测尺长度
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
150KHz
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。
3.测距技术的选定
根据本课题的要求,设计100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1.5MHz与15MHz的测尺,保证测程为100m,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10cm
例如测量95.33的距离时,则可用粗尺测得不足100m的尾数95m,用精尺可测得不足10米的5.33m,将两者结合起来就可以得到95.33m。
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
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