基于全相位FFT的无合作目标激光测距技术的研究

摘要

便携式高精度激光测距仪一直被国外产品占据，而且由于激光测距涉及军事安全，国外对相关技术进行了封锁。目前国内相关测距产品普遍存在精度不高和性能不稳定等缺陷，与国外产品还存在较大差距。本课题立足于校企合作平台，研制了一款具有较高精度的便携式激光测距仪。
　　论文主要内容如下：
　　1.介绍了几种常见的激光测距方法，重点分析了相位式激光测距的原理和关键技术，包括多测尺测量技术、相位差测量技术和差频鉴相技术；完成了基于全相位FFT的多测尺相位式激光测距系统总体方案设计，并对系统误差进行了分析。
　　2.设计了基于 DDS技术的信号源电路；完成了半导体激光器电流调制电路的设计，实现了100MHz的高频调制且调制深度优于95％，调制效果良好，有利于提高系统信噪比；设计了基于TPS40210的APD偏压温补电路；针对差频信号的提取，介绍了传统混频器法和APD电外差混频法，重点研究了APD电外差混频技术，对比分析了两种方法的优缺点；根据课题实际情况选择传统混频器法实现差频鉴相，并完成相关电路设计。
　　3.介绍了三种常见的数字鉴相算法，通过仿真分析，选择全相位FFT算法进行相位测量；完成了基于FPGA的全相位FFT程序设计，对算法运行时间进行了仿真分析；设计了基于ARM和FPGA的系统软件架构，其中ARM负责系统人机交互和FPGA的控制；FPGA主要负责鉴相算法的实现，同时负责相关硬件电路的初始化和配置。
　　4.完成了激光测距仪的PCB设计和工程样机的制作，对样机进行了模块测试和整机测试，同时分析了噪声对测距精度的影响；实验结果表明所设计的激光测距仪，在0.5~7m范围测量标准差优于5mm，单次测量时间优于2.2ms。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.3激光测距技术综述

1.4课题来源及研究内容

1.5本章小结

第二章 激光测距仪总体设计

2.1激光测距方法的选择

2.2相位式激光测距原理及关键技术

2.3系统总体方案设计

2.4系统误差分析

2.5本章小结

第三章 信号源及激光调制电路设计

3.1信号源设计

3.2激光调制电路设计

3.3本章小结

第四章 光电检测与差频鉴相

4.1光电检测

4.2差频鉴相

4.3电路设计

4.4本章小结

第五章 数字鉴相算法及软件实现

5.1几种常见的数字鉴相算法介绍

5.2基于FPGA的apFFT算法实现

5.3系统软件架构

5.4本章小结

第六章 实验及结果分析

6.1实验硬件

6.2模块测试

6.3噪声分析

6.4实验结果及分析

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢