激光脉冲测距实验报告

激光脉冲测距激光脉冲测距 组长：孙汉林组长：孙汉林(制作制作 PPT) 组员：张莹（讲解）组员：张莹（讲解） 吕富敏（制作报告）吕富敏（制作报告） 2 目录目录 一 工作原理2 （1）测距仪工作原理.2 （2） 激光脉冲测距仪光学原理结构.2 （3） 测距仪的大致结构组成.3 （4） 主要的工作过程.3 （5） 激光脉冲发射、接收电路板组成及工作原理.4 二 激光脉冲测距的应用领域4 三 关键问题及解决方法6 （1）优点.6 （2）问题及解决方案.7 3 一一 工作原理工作原理 （1）测距仪工作原理）测距仪工作原理 现在就脉测距仪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 。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计算完毕 后显示目标物距离。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：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。 R=C*T/2 (公式1) 图一脉冲激光测距系统原理框图 （2） 激光脉冲测距仪光学原理结构激光脉冲测距仪光学原理结构 4 图二 （3） 测距仪的大致结构组成测距仪的大致结构组成 脉冲激光测距仪主要由脉冲激光发射系统、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 （4） 主要的工作过程主要的工作过程 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。 三 实验装置实验装置包括“激光脉冲发射、接收电路”和“单片机开放板”。 5 （5） 激光脉冲发射、接收电路板组成及工作原理激光脉冲发射、接收电路板组成及工作原理 激光脉冲发射/接收电路板原理框图如图2.3所示。图中EPM3032为 CPLD；MAX3656为激光驱动器；MAX3747为限幅放大器；T22为单端信号到 差分信号转换芯片；T23为差分信号到单端信号转换芯片；LD为半导体激光器； PD为光电探测器。板子上端的EPM3032被编程为脉冲发生器，输出重复频率为 1KHz，脉冲宽度为48ns的电脉冲信号。此信号经MAX3656放大后驱动LD发光。 板子下端的EPM3032被编程为计数器，对125MHz晶振进行计数。其计数的开 门信号来自上端的TX信号，关门信号来自PD的输出。计数器的计数结果采用 12位二进制数据输出，对应的时间范围为032.7s。 二二 激光脉冲测距的应用领域激光脉冲测距的应用领域 激光测距仪一般采用两种方式来测量距离:脉冲法和相位法.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.光速和往返时间的乘积的一半.就是测距仪和被测量物 体之间的距离.脉冲法测量距离的精度是一般是在+/-1 米左右.另外.此类测距仪 的测量盲区一般是 15 米左右。 激光测距仪已经被广泛应用于以下领域:电力.水利.通讯.环境.建筑.地质.警 务.消防.爆破.航海.铁路.反恐/军事.农业.林业.房地产.休闲/户外运动等。 由于激光在亮度、方向性、单色性以及相干性等方面都有不俗的特点，它 一出现就吸引了众多科学工作者的目光，并被迅速地被应用在工业生产方面、 国防军工方面、房地产业、各级科研机构、工程、防盗安全等各个行业各个领 域：激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打 孔、钢板打孔、包装印刷打孔等） 、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内 雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电 路、激光布线技术、激光清洗等。有关于激光的研究与生产制造也如火如荼地 6 开展了起来。 激光与普通光源所发出的光相比，有显著的区别，形成差别的主要原因在 于激光是利用受激辐射原理和激光腔滤波效应。而这些本质性的成因使激光具 有一些独特的特点： 1.激光的亮度高。固体激光器的亮度更可高达 1011Wcm2Sr 这是因为 激光虽然功率有限，但是由于光束极小，于是具有极高的功率密度，所以 激光的亮度一般都大于我们所见所有光（包括可见光中的强者：太阳光） ， 这也是激光可用于星际测量的根本原因所在； 2.激光的单色性好。这是因为激光的光谱频率组成单一。 3.激光的方向性好。激光具有非常小的光束发散角，经过长距离的飞行 以后仍然能够保持直线传输； 4.激光的相干性好。我们通常所见到的可见光是非相干光，激光可以做 到他们都做不到的事情，比如说切割钢材。 在测距领域，激光的作用更是不容忽视，可以这样说，激光测距是激光应 用最早的领域（1960 年产生，1962 年即被应用于地球与月球间距离的测量） 。 测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积小同时重量轻的激光测距仪受 到了大多数有测距需求的企业、机构或个人的青睐，其市场需求空间大，应用 领域广行业需求多，并且起着日益重要的作用。 三三 关键问题及解决方法关键问题及解决方法 （1）优点）优点 脉冲激光测距法相比相位激光测距法有以下几项优点： 第一，在相同的总平均光功率输出条件下，脉冲光波型激光测距仪可测量 的距离远必连续光波型激光测距仪要长。 第二，测距速度较快。 第三，不需要合作目标，隐蔽性和安全性好。 考虑以上特点和实际系统设计要满足体积小，功耗低，高重频，测距速度 7 快等特点，本实验中我们选择脉冲激光测距法作为整体系统的测距方式。 （2）问题及解决方案）问题及解决方案 在脉冲式激光测距仪的设计当中，时差测量成为了一个影响整个测量精度 最关键的因素。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，电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海， 铁路，反恐/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。激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法脉冲式激光测 距仪是通过测量激光从发射到返回之间的时间来计算距离的。因此时间测量对 于脉冲式激光测距仪来说是非常重要的一个环节。由于激光的速度特别快，所 以发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔非常小。 。例如要测量 1 公里的距 离，分辨率要求 1cm，则时间间隔测量的分辨率则要求高达 67ps。德国 acam 公司的时间数字转换器 TDC-GP2 单次测量分辨率为典型 65ps，功耗超低，集 成度高，测量灵活性高，是脉冲式激光测距仪时差（TOF）测量非常理想的选 择。激光发射装置发射出光脉冲同时将发射脉冲输入到 TDC-GP2 的 start 端口， 触发时差测量。 一旦从物体传回的反射脉冲达到了光电探测器（接收电路）则 给 TDC 产生一个 Stop 信号，这个时候时差测量完成。那么从 Start 到 Stop 脉 冲之间的时差被 TDC-GP2 精确记录下来，用于计算所测物体与发射端的距离。 在这个原理中，单片机对于 TDCGP2 进行寄存器配置以及时间测量控制，时间 测量结果传回给单片机通过算法进行距离的精确计算，同时如果有显示装置的 话，将距离显示出来。在这个原理当中距离的测量除了与 TDC-GP2 的时差测 量精度有关外还与很多其他因素有关系： - 激光峰值功率 - 激光束发散程度 - 光学元件部分 - 光传输的媒体 (空气，雨天，雾天等) - 物体的光反射能力 8 -光接收部分的灵敏程度等等 -被测物体特性以及传输媒介的铁性一般是由应用的条件给出的，那么可以根 据应用的条件来选择激光的发射器（波长，驱动条件，光束的特性等）和接 收器（类型，灵敏度，带宽等） 。测量的范围在激光峰值功率更高以及信噪 比更高的情况下也会相应增加。那么时差测量的精度除了与 TDC-GP2 芯片 本身测量精度有关系外还与激光的脉冲特性有关，比如脉冲的形状（宽度， 上升下降沿的时间） ，以及探测器带宽和信号处理电路。对于 tdc-gp2 而言， 脉冲信号的速度越快，带宽越宽，则测量精度相应得会越高。 那么上面所述的一些需要注意的问题在这里我们