近距离激光测距传感器的研究与设计

摘要

激光测距是解决在实际测量中需要人工跑尺，以及在人无法到达的地方进行安全测距工作的有效方法之一。通过测量“调制光波”往返于被测距离上的相位差，能非常精确地测出被测距离的实际值。随着空间技术和航天工业的发展，空间距离测量已成为空间领域的重要研究内容。激光测距技术综合了激光器技术、光子探测技术、计算机技术等多项技术，以其测距精度高、测程大、可靠性高等特点，满足了空间目标高精度、大测程测距的要求，在空间测量领域获得了广泛应用。 通过对现有激光测距技术的分析与比较，综合不同技术的性能优劣，提出了应用相位式激光测距原理的系统设计目标。本课题针对近距离激光传感器，对相位法激光测距关键技术进行了研究。完成的主要工作如下： 研制了以直接数字合成集成电路为核心器件的调制信号发生电路。该电路生成的正弦信号，频率分辨力为0.02Hz，短期稳定度可达10-7，可实现调制信号频率的连续、精密调节，为实现高精度测距奠定了基础，可实现多频切换。 设计了一种高可靠性的半导体激光器调制电路，该电路中的恒流驱动单元和限流单元，在实现对半导体激光器的高精度调制的同时，有效避免了半导体激光器因过流而导致的击穿。 针对微弱激光信号的探测，设计了以高灵敏度雪崩二极管为核心的回光探测电路，提高了系统的灵敏度，增大了系统的作用距离，提高了测量精度。 在系统的信号源部分，利用DDS(直接数字频率合成)技术替代PLL(模拟锁相环)技术，产生主振和本振两路正弦信号对激光二极管进行调制。该技术具有频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续等突出优点，使得输出信号频率稳定性高，兼顾了系统测程和精度的要求。在实现各部分电路功能的同时，在理论上计算和分析了信号通过各部分电路的信噪比变化。为进行整个系统的误差分析以及提高测距精度奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2国内外研究历史、现状和发展趋势

1.3课题的研究目标

1.4论文的章节安排

第2章激光测距技术

2.1干涉法测距

2.2三角测距法

2.3脉冲激光测距

2.3.1脉冲激光测距的原理

2.3.2时刻鉴别方法

2.3.3时间间隔测量方法

2.3.4引起脉冲测距误差的因素

2.4相位式激光测距

2.4.1相位式激光测距多测尺原理

2.4.2多测尺原理

2.4.3多测尺频率选择

2.4.4差频测相

2.5脉冲激光测距与相位激光测距的比较

第3章直接数字频率合成技术

3.1 DDS基本理论

3.1.1相位累加器

3.1.2正弦查询表ROM

3.1.3 D/A转换器

3.2 DDS数学推导

3.3 DDS噪声分析

3.3.1 DDS相位噪声分析

3.3.2杂散分析

3.4 DDS芯片在测距系统信号源部分的应用

3.4.1 AD9835芯片介绍

3.4.2信号源系统的硬件设计

3.4.3信号源系统的软件设计

第4章测距系统硬件设计

4.1激光调制发射电路

4.1.1调制信号的产生

4.1.2调制电路的设计

4.1.3软启动电路的设计

4.2回波信号接收电路

4.2.1 APD偏置电路设计

4.2.2 APD温度补偿电路设计

4.2.3低噪声前置运放设计

4.3鉴相单元的研制

4.3.1混频电路的设计

4.3.2自动数字测相

第5章误差分析

5.1光速值误差

5.2测相误差

5.3调制器相位不均匀误差

5.4鉴相系统的误差

总结与展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

致 谢