激光測距儀的設(shè)計(jì)

陳嘉琦 焦?jié)删?/p>

摘要：激光因?yàn)榉较蛐院?、亮度高、相干性好等?yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域中，激光測距即是激光的一種應(yīng)用。本文依據(jù)脈沖法測距原理進(jìn)行了激光測距儀的設(shè)計(jì)。給出了脈沖式激光測距儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)和原理分析，并選擇了光電傳感器作為轉(zhuǎn)換元件，其中發(fā)射源選用激光二極管，接收元件選用雪崩二極管（APD）。而且對(duì)激光測距儀進(jìn)行了測量精度分析，并對(duì)如何提高測量精度，減小測量誤差提出了時(shí)間擴(kuò)展法等解決方案。

關(guān)鍵詞：激光測距;脈沖式;光電傳感器

一、激光測距儀的系統(tǒng)概述

一般一個(gè)典型的激光測距系統(tǒng)應(yīng)具備以下四個(gè)模塊：激光發(fā)射模塊;激光接收模塊;距離計(jì)算與顯示模塊;激光準(zhǔn)直與聚焦模塊。系統(tǒng)工作時(shí)，首先由激光發(fā)射單元發(fā)出一束激光，激光信號(hào)將以光速在空間飛行，到達(dá)待測目標(biāo)物后漫反射回來，經(jīng)激光接收單元接收、放大、整形后，再有距離計(jì)算于顯示單元將采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算出來并顯示出目標(biāo)物距離。

二、脈沖式激光測距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

如圖2-1所示的脈沖激光測距儀。它主要由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、光電接收系統(tǒng)、門控電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器以及計(jì)數(shù)顯示電路組成。

圖2-1脈沖式激光測距系統(tǒng)原理圖

其工作過程大致如下：

首先接通電源，復(fù)原電路給出復(fù)原信號(hào)，使整機(jī)復(fù)原，準(zhǔn)備進(jìn)行測量;同時(shí)觸發(fā)脈沖激光發(fā)生器，產(chǎn)生激光脈沖。該激光脈沖有一小部分能量由參考信號(hào)取樣器直接送到接收系統(tǒng)，作為計(jì)時(shí)的起始點(diǎn)。大部分光脈沖能量射向待測目標(biāo)，由目標(biāo)反射回測距儀的光脈沖能量被接收系統(tǒng)接收，這就是回波信號(hào)。參考信號(hào)和回波信號(hào)先后由光電探測器轉(zhuǎn)換成為電脈沖，并加以放大和整形。整形后的參考信號(hào)能觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，控制計(jì)數(shù)器開始對(duì)晶格振蕩器發(fā)出的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。整形后的回波信號(hào)使觸發(fā)器的輸出翻轉(zhuǎn)無效，從而使計(jì)數(shù)器停止工作。這樣，根據(jù)計(jì)數(shù)器的輸出即可計(jì)算出待測目標(biāo)的距離。

三、器件選擇

1.傳感器選擇

本文是基于光電式傳感器所設(shè)計(jì)的激光測距系統(tǒng)。光電式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的變化，再通過光電器件將光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的一種傳感器，一般由光源、光學(xué)電路、光學(xué)器件三部分組成。

選用激光二極管作為發(fā)射光源，雪崩二極管作為接受光信號(hào)的光電器件。

2.光源（一般采用激光二極管）

半導(dǎo)體激光二極管（LD）是實(shí)用中最重要的一類激光器，它體積小、壽命長、并可以采用簡單的電流注入的方式來泵浦。因此，半導(dǎo)體激光二極管在激光通信、光存儲(chǔ)、激光測距以及激光雷達(dá)等都有廣泛的應(yīng)用。 半導(dǎo)體激光器工作原理和其他激光器一樣，即都是基于受激發(fā)射。

3.光電器件（采用雪崩光電二極管 APD）

光電探測器是一種把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件， 是系統(tǒng)接收部分的核心組成部分。 雪崩二極管是借助反向偏執(zhí)的強(qiáng)電場作用而產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)的一種高速光電子器件。這種管子的靈敏度高，響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間短，噪聲等效功率低。

四、誤差分析及解決

脈沖測距的精度可由下表示：

由于光在大氣中的傳播速度C受大氣折射率變化的影響，誤差大約為1×10-6，可忽略不計(jì)。因此脈沖測距的精度基本上只取決于測距系統(tǒng)總的時(shí)間分辨率Δt。

而時(shí)間分辨率主要與以下因素有關(guān)：激光器的脈沖寬度（持續(xù)時(shí)間）;大氣傳輸引起的衰變和畸變;反射器（或反射目標(biāo)）和光接收系統(tǒng)對(duì)脈沖的展寬;計(jì)數(shù)器的頻率上限或者計(jì)時(shí)電路的精確度。在短距離測距時(shí)，選用窄脈寬激光和合適的脈沖時(shí)刻鑒別單元以達(dá)到消除或減小漂移誤差和時(shí)間抖動(dòng)，基于邊沿鑒別的測距誤差取決于信噪比以及信號(hào)前沿上升時(shí)間。

脈沖前沿越小，信噪比越高，測量精度就越高，如何獲得更窄的脈沖 前沿是獲得較高精度的關(guān)鍵之一。影響系統(tǒng)誤差的另一個(gè)方面是計(jì)數(shù)器的頻率上限或計(jì)時(shí)電路的分辨率，選用高精度的計(jì)時(shí)電路在很大程度上影響著測距精度。

故為提高測量精度，減小測量誤差，可以通過時(shí)間間隔擴(kuò)展法、時(shí)間振幅轉(zhuǎn)換法、傳遞延遲法提高測量精度。

下面舉一例時(shí)間間隔擴(kuò)展法的原理：時(shí)間間隔擴(kuò)展法是在待測的部分時(shí)間范圍中，對(duì)電容器做恒定電流充電，讓電容器的端電壓隨著待測時(shí)間的長短做線性的增減，但是在待測時(shí)間結(jié)束時(shí)，則利用另外一個(gè)比充電電流要小得多的恒流源使電容器開始線性放電，直到電容器的端電壓回到充電的起始值為止。在放電的過程中，利用計(jì)數(shù)器對(duì)較長的放電時(shí)間做一計(jì)數(shù)。在得到放電時(shí)間之后，就可以反推得到充電時(shí)間（即待測部分時(shí)間）的大小。時(shí)間間隔擴(kuò)展法也可以得到很高的分辨率，受充電電流與放電電流的比值影響較大。由于它把待測時(shí)間放大了，因此兩次測量之間的時(shí)間間隔長。

總結(jié)

本次關(guān)于脈沖式激光測距儀的設(shè)計(jì)，主要對(duì)脈沖式測距儀的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了分析，并對(duì)選取了幾種元器件，還具體分析了測量精度，并提出了具體減少誤差提高精度的方法時(shí)間擴(kuò)展法。尤其感謝論文寫作過程中幾位同伴的幫助，以及指導(dǎo)教師的提點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳弈， 郭穎， 楊俊， 等. 脈沖式高精度激光測距技術(shù)研究[J]. 紅外， 2010， 31（6）：1-4.

[2] 蘇煒， 龔壁建， 潘笑. 超聲波測距誤差分析[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2004， 23（6）：8-11.

[3]張燕，曾光宇，洪志剛.硅PIN光電二極管探測系統(tǒng)的研究[J]電腦開發(fā)與應(yīng)用，2007，77（2）：7-8