脉冲式与相位式相结合的激光测距系统研究

摘要

由于激光具有亮度高、单色性好、方向性好和相干性好等优点，激光测距技术不仅成为空间探测的重要技术，还在大地勘测、振动检测、液位测量等领域获得推广。目前，国内外常用的激光测距仪主要有相位式和脉冲式两种。其中，相位式激光测距仪仅限于用在对精度要求比较高的近距离测量场合，脉冲式激光测距仪仅限于应用在对精度要求低的远距离测量场合。针对这一现象，本文对一种脉冲式与相位式相结合的激光测距系统进行了研究。
　　本文概述了激光测距技术的国内外研究现状，并对四种常用的激光测距技术进行了介绍。提出了一种将脉冲式测量法与相位式测量法相结合的具体方法。拟定出激光测距系统的总体设计方案，将系统分为信号发生、信号接收、混频和鉴相四个模块，完成各模块的电路原理图设计与软件实现。其中，信号发生模块能分别产生15MHz脉冲信号和14.99 MHz本振正弦信号;信号接收模块能实现将15MHz光波信号转换为电脉冲信号;混频模块的功能为将初始脉冲信号和回波脉冲信号分别与本振信号作差频处理，得到两路10KHz余弦信号;鉴相模块最终完成对两路信号的采集与处理，并通过LCD显示测量结果。
　　对信号发生模块的考尔滤波电路、信号接收模块的反向高压发生电路与电压比较滤波电路、混频模块的低通滤波电路和鉴相模块的CIC滤波电路进行模拟仿真分析。分析结果表明，考尔滤波电路对于DDS输出的信号噪声有很好的滤除效果;反向高压发生电路的NE555时钟芯片能输出占空比为87.5％的10.3 KHz脉冲信号，电路可输出149.02 V稳定直流高压;混频模块的低通滤波电路可得到10KHz目标信号;鉴相模块的CIC滤波电路对乘法器输出的倍频信号具有很好的滤除效果。
　　对高压发生电路进行了实验研究，设计并完成将信号发生模块直接与鉴相模块相连的测试实验。实验结果表明，高压发生电路输出直流电压能达到145 V。测试实验电路引入的系统测量误差最大约0.94 mm。对系统误差进行分析，得到在高压发生电路使用电磁屏蔽罩，在接收模块电路追加设计一个相位补偿电路的改进方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．3 激光测距方法概述

1．3．1 激光干涉测量法

1．3．2 调频连续波测量法

1．3．3 脉冲式激光测量法

1．3．4 相位式激光测量法

1．4 课题研究意义

1．5 本文研究内容

第二章 激光测距系统方案设计

2．1 激光测距系统总体方案

2．1．1 系统测距方法分析

2．1．2 测距系统整体方案设计

2．2 信号发生模块

2．2．1 频率合成方法分析

2．2．2 信号发生模块方案设计

2．3 信号接收模块

2．3．1 光电检测器件选择

2．3．2 信号接收模块方案设计

2．4 混频模块

2．4．1 混频方法分析

2．4．2 混频模块方案设计

2．5 鉴相模块

2．5．1 相位测量方法分析

2．5．2 鉴相模块方案设计

2．6 本章小结

第三章 激光测距系统各模块电路分析设计与软件实现

3．1 信号发生模块电路分析设计及其软件实现

3．1．1 主控单片机选型及其周边电路设计

3．1．2 DDS芯片选型及其周边电路设计

3．1．3 激光器的选型及其驱动电路设计

3．1．4 信号发生模块整体电路设计与软件实现

3．2 信号接收模块电路分析设计

3．2．1 激光接收器原理及其选型

3．2．2 高压发生电路设计

3．2．3 前置放大电路设计

3．2．4 主放大电路设计

3．2．5 电压比较滤波电路设计

3．3 混频模块电路分析设计

3．3．1 混频器选型

3．3．2 混频器外围电路设计

3．3．3 混频模块滤波电路设计

3．4 鉴相模块电路分析设计及其软件实现

3．4．1 模数转换电路分析设计

3．4．2 数字鉴相电路分析设计

3．5 本章小结

第四章 电路模拟仿真

4．1 考尔滤波电路仿真分析

4．2 高压发生电路仿真分析

4．3 电压比较滤波电路仿真分析

4．4 混频模块低通滤波电路仿真分析

4．5 鉴相模块CIC滤波电路仿真分析

4．6 本章小结

第五章 实验与误差分析

5．1 实验

5．2 误差分析

5．2．1 信号发生模块与鉴相模块误差分析

5．2．2 信号接收模块与混频模块误差分析

5．2．3 光波传输过程误差分析

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要工作与结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

研究成果及发表的学术论文

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