激光測距儀的設計

陳嘉琦 焦?jié)删?/p>

摘要：激光因為方向性好、亮度高、相干性好等優(yōu)點，被廣泛應用在各種領域中，激光測距即是激光的一種應用。本文依據(jù)脈沖法測距原理進行了激光測距儀的設計。給出了脈沖式激光測距儀的光學結構和原理分析，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）。而且對激光測距儀進行了測量精度分析，并對如何提高測量精度，減小測量誤差提出了時間擴展法等解決方案。

關鍵詞：激光測距;脈沖式;光電傳感器

一、激光測距儀的系統(tǒng)概述

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

二、脈沖式激光測距儀的系統(tǒng)結構及原理

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、時鐘脈沖振蕩器以及計數(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，復原電路給出復原信號，使整機復原，準備進行測量;同時觸發(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取樣器直接送到接收系統(tǒng)，作為計時的起始點。大部分光脈沖能量射向待測目標，由目標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。參考信號和回波信號先后由光電探測器轉(zhuǎn)換成為電脈沖，并加以放大和整形。整形后的參考信號能觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，控制計數(shù)器開始對晶格振蕩器發(fā)出的時鐘脈沖進行計數(shù)。整形后的回波信號使觸發(fā)器的輸出翻轉(zhuǎn)無效，從而使計數(shù)器停止工作。這樣，根據(jù)計數(shù)器的輸出即可計算出待測目標的距離。

三、器件選擇

1.傳感器選擇

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

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的光電器件。

2.光源（一般采用激光二極管）

半導體激光二極管（LD）是實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，半導體激光二極管在激光通信、光存儲、激光測距以及激光雷達等都有廣泛的應用。 半導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轉(zhuǎn)換成電信號的器件， 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)的強電場作用而產(chǎn)生載流子倍增效應的一種高速光電子器件。這種管子的靈敏度高，響應速度快，響應時間短，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。因此脈沖測距的精度基本上只取決于測距系統(tǒng)總的時間分辨率Δt。

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

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鍵之一。影響系統(tǒng)誤差的另一個方面是計數(shù)器的頻率上限或計時電路的分辨率，選用高精度的計時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，可以通過時間間隔擴展法、時間振幅轉(zhuǎn)換法、傳遞延遲法提高測量精度。

下面舉一例時間間隔擴展法的原理：時間間隔擴展法是在待測的部分時間范圍中，對電容器做恒定電流充電，讓電容器的端電壓隨著待測時間的長短做線性的增減，但是在待測時間結束時，則利用另外一個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，利用計數(shù)器對較長的放電時間做一計數(shù)。在得到放電時間之后，就可以反推得到充電時間（即待測部分時間）的大小。時間間隔擴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。由于它把待測時間放大了，因此兩次測量之間的時間間隔長。

總結

本次關于脈沖式激光測距儀的設計，主要對脈沖式測距儀的結構原理進行了分析，并對選取了幾種元器件，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間擴展法。尤其感謝論文寫作過程中幾位同伴的幫助，以及指導教師的提點。

參考文獻：

[1] 陳弈， 郭穎， 楊俊， 等. 脈沖式高精度激光測距技術研究[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)與應用，2007，77（2）：7-8