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1、中远距离激光测距技术研究摘要：随着社会的发展，人类生活的自动化程度不断提高，对测距的要求也越来越高。在众多的测距方法中，激光测距因其良好的精确度特性而广泛应用在军事和民用领域。激光测距仪具有测量精度高、分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻的特点。近年来，激光技术迅速发展和完善，导致了光学及其应用技术的巨大革命，促进了物理学和相关学科的发展。激光技术出现后，很快被应用到各种测量中。与此同时，现代电子技术的飞速发展和光电器件性能的不断提高，使激光测距仪成为距离测量的主要仪器之一。本文对激光测距技术的原理进行对比分析，针对几米至几百米短距离激光测距进行探究，分析误差，提高精度。关键词：激光测距技术
2、，激光测距原理，中远距离激光测距，相位法激光测距，误差分析，精度提高1.引言 1.1 简述1960年，美国物理学家 Maiman 制成了世界上第一台激光器。之后激光器的发展一直比较快速，出现了很多种类。激光与普通光源有显著的差别，它利用受激发射原理和激光腔的滤波效应，使所发射的光束具有一系列新的特点：激光有小的发散角，即所谓的方向性好或准直性好；激光的单色性好，即相干性好；激光的输出功率虽然有限，但是功率密度很高，一般的激光亮度要比太阳表面的亮度大。激光测距是一种综合技术，涵盖了半导体物理、激光、计算机、微电子等技术，发展趋于小型化、高效化。因为这些优点，激光在很多领域得到应用1。激光测距技术
3、最早和最成熟的应用是在军事上。现在，激光测距机已经批量装备部队，它能够迅速而准确地测定目标距离。在火控系统中，激光测距技术的应用极大地提高了武器的首发命中率；在激光制导武器中，大大改善了炮弹、地空导弹、巡航导弹等武器的命中精度。在民用测量领域，激光测量方法具有量程远，非接触，测量迅速等优点，因此在野外勘测，房屋丈量等方面逐渐替代人工测量。与其它测距技术相比，激光具有以下优点：（1）测距精度高（2）体积小，重量轻，携带方便 （3）分辨率高，抗干扰能力强 由于以上各方面的原因，使得激光测距在测量领域得到了青睐，并被迅速推广应用，在国民经济和国防建设中具有非常重要的意义。1.2 国内外概况激光测距技
4、术是最早用于军事上的激光技术。世界上第一台激光测距机于 1961年诞生在美国休斯飞机公司，称为柯利达I型。1962年第一台军用激光测距机便成功地进行了示范表演，之后该公司相继研制成几种实验型军用激光测距机在部队进行试验和鉴定，结果证明激光测距机可作为一种新的测距仪代替原装备的光学测距机。经过30年的发展，军用激光测距机己更新了两代，研制发展了三代。第一代激光测距机采用发射0.6943mm红外红宝石激光器和光电倍增管探测器，是最早问世的激光测距机，20世纪70年代初期少量装备部队，如美国的AN/GVS-3、日本的70式，因其隐蔽性差、效率低、体积大、重量重、耗电多，很快便被第二代激光测距机取代。
5、第二代激光测距机采用发射1.06mm近红外钕激光器(主要是Nd:YAG激光器,少数为钕玻璃激光器)和硅光电二极管或硅雪崩光电二极管探测器。第二代比第一代隐蔽性好、效率高、小巧、耗电少，因此第二代激光测距机的小型化研制进展迅速。第三代激光测距机，即人眼安全的激光测距机。目前已研制成工作波长为10.6mm和1.54mm的三种不同类型的各种型号的人眼安全激光测距机，己进入生产和应用阶段。我国激光测距仪的研究始于20世纪70年代，是在原固体、气体激光测距机基础上发展起来的。目前，基础技术已具备，主要是解决工程应用问题，开发各种应用产品。航天科工集团八三五八所研制出测程200m,精度0.5m，数据率10
6、0Hz的激光测距机。中科院上海光机所研制出便携式激光测距机，对漫反射水泥墙的测距达100m,采用300MHz计数方式，测距精度0.5m，重复频率1KHz。中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距机，作用测距1km，精度 L即可确定距离. 但是由于测相系统存在的测相误差，使得所选用的愈大时测距误差愈大。解决的办法就是同时使用不同的几把“光尺”。例如要测量584.76m 的距离时，选用测尺长度为1000m的调制光作为“粗尺”，而选用测尺长度为10m的调制光作为“细尺”。可测得不足 1000m 的尾数584m，用可测得不足10m的尾数4.76m，将两者结合起来就可以得
7、到 584.76m。这样，用一组(两个或两个以上)测尺一起对距离L进行测量，就解决了测距仪高精度和长测程的矛盾，其中最短的测尺保证了必要的测距精度，最长的测尺则保证了测距仪的测程。3.1.2 测尺组合频率的选择方法(1) 分散的直接测尺频率方式 由测尺长度，可得光尺的调制频率为，该方法所选定的测尺频率是直接和测尺长度相对应，即测尺长度直接由测尺频率所决定，所以这种方式称为直接测尺频率方式。这种方式的优点为： 第一，分散的两个频率差较大，在回波滤波放大时很容易把两个信号分开而没有相互的干扰，所以能把多个频率同时调制在激光器上，同时接收和处理数据，在测量时间上要快很多；第二，在电路中只存在一个较高
8、的频率，电路中信号间的干扰会减小很多；第三，两个调制频率差很大，锁相环产生本地振荡器的难度也较低。因此，这种方法是测量短程距离时常用的方法，一般100米以内距离的测 量都用这种方法，选择的频率一般只需要两个，一个测尺频率确定量程，一个测尺频率确定精度，。但这种方式在中长距离测量时不适合，因为会存在很多组频率即多把光尺才能测量，要求相位测量电路要在很宽的频带内都保证相同测量精度是难以做到的。因此，中长距离的测距仪一般采用集中的间接测尺频率方式。(2) 集中的间接频率方式假定用两个频率和调制的光分别测量同一距离，则有经过简单的运算，可得形式为的表示式，其中又有公式中，可以认为是一个新的测尺频率，是
9、新测尺频率所对应的测尺长度。这样，用和分别测量某一距离时，所得相位尾数和之差，与用差频频率测量该距离时的相位尾数相等。通过测量和频率的相位尾数并取其差值来间接测定相应的差频频率的相位尾数。通常把、称为间接测尺频率，而把差频频率称为相当测尺频率。这种方式的各间接测尺频率值非常接近，故又可称为集中测尺频率。这样，不仅可使放大器和调制器能够获得相接近的增益和相位稳定性，而且各频率对应的石英晶体也可统一。该方法是中长距离测量的常用方法。这种方式也有缺点：第一，两个频率太接近，所以在锁相产生本地振荡器时电路设计难度加大；第二，在电路中同时存在四个或更多个高频频率，相互之间的干扰会增大，电路设计难度增加，
10、给相位测量带来困难；第三，由于各间接测尺频率值非常接近，在设计滤波放大器时不可能把这些频率分开，所以 在测距时只能是先用一个频率去调制接收处理再用另一个频率去调制接收处理，不能同时多个频率去调制接收，这会造成测量时间的增长。因此，在短距离测量系统中，间接的测尺频率会很高，第一个缺点和第二个缺点会很明显，一般不采用这种方式，而是采用分散的测尺频率方式。3.1.3 差频测相技术在相位式激光测距中，最后的相位测量一般采用差频测相技术。对一高频信号进行相位测量，其误差往往比较大。所谓采用差频测相就是将高频信号变到低频信号而相位信息不变，然后对该低频信号进行测相。在频率降低后，信号的周期扩大了几十倍甚至
11、几千、几万倍，这样的就大大提高了测相的分辨率，即提高了测相精度。同时，多个测尺频率转换为统一低频信号测相后，对接收机的频响要求降低，即对不同的调制频率，其接收信号差频后的滤波放大频率始终固定，这样有利于接收机获得高增益与高选择性。差频测相的原理如图3.3所示。图3.3 差频测相原理框图假定主控振荡器信号(图中简写为主振)为，发射后经2L距离返回接收机，接收到的信号为，表示相位的变化。设本地振荡器信号(图中简写为本振)为，把送到混频器1和2，分别与和混频，在混频器的输出端得到差频参考信号和测距信号，它们分别表示为：用相位检测电路测出这两个混频信号的相位差。可见，差频后得到的两个低频信号的相位差与
12、直接测量高频调制信号的相位差是一样的， 这就是混频器只变频率不变相位的原理。3.2 误差分析对于相位式激光测距系统而言,测距精度是一个非常重要的性能指标,它直接关系到一个激光测距仪的性能好坏。所以,对激光测距系统各项误差的分析是非常重要的。相位式激光测距的基本公式为根据上式可知,影响测距误差的主要因素有真空中的光速,大气折射率,测出的相位以及测尺频率。3.2.1 真空中光速值产生的误差光速是指光波在介质中的传播速度。1972年,美国的K.M.埃文森等人直接测量激光频率和真空中的波长,按公式算得。1975年第15届国际计量大会确认上述光速值作为国际推荐值使用。由于真空中光速值不准确所引起的测距相
13、对误差为该测距相对误差远远高于目前的测精度要求。因此真空光速误差可以忽略不计。3.2.2 大气折射率误差大气中的光速精度直接受大气折射率ng误差的影响。而大气光速的误差和真空中光速c0误差的性质相同,也直接影响着测尺长度,同样产生与测程成比例的系统误差,影响着测距精度。大气成分复杂，有温度、气压及湿度等气象条件的影响：当温度变化1度时,所产生的测距误差为0.95毫米,当气压变化1毫米汞柱时所产生的测距误差为0.37毫米,当湿度变化1克/立方米所产生的测距误差为0.05毫米,湿度对测距误差的影响很小即可忽略不计。在测距过程中可以依据变化规律制成图表,根据测得的气温及气压进行气象修正,保证测距精度
14、8。又由于测定温度与气压时，其相应测量仪器有自身测量精度，也取决于测量条件、测量人员及测量当时的天气条件,所以要修正因大气折射率所带来的测距误差是非常复杂的。3.2.3 调制频率误差在实现相位法测距时,必须对光波加一调制信号,使光波的强度随所加的调制信号变化。这样光强随所加调制信号变化的光称为调制光,其精度首先由调制信号源的频率精度和稳定度保证。频率误差所引起的距离误差为,误差值随测程的增加而增大。调制信号的稳定度包含双重意思,即有稳定的工作状态和稳定的工作频率。稳定的工作状态是稳定的工作频率的前提。如果产生调制信号的振荡放大器存在轻度自激,或系统的某一部分由于工作状态不当、元件的质量不良或供
15、电电压不稳,都会引起调制频率的突变,使信号源达不到短期稳定的要求。要实现调制频率的稳定,必须彻底消除系统由于自激所产生的寄生振荡,并对放大电路的制作工艺、元件选择及供电技术指标进行严格的要求。3.2.4 调制器相位不均匀误差在激光测距仪中,被调制光束相对于某一参考点,以一定的初相角按调制频率向空间传播。如果将一束光看成由许多小的光束组成,那么调制光各小光束的初相角不完全相同。在测距作业中接收镜筒所接收的光通常只是发射光束的一部分,由于对光的精度、大气湍流、仪器受外力所产生的微动等因素引起的光束抖动,都会使入射到接收镜筒的光束有所改变。光斑各部位的调制相位不相同,会引起测量结果的误差9。3.2.
16、5 鉴相系统的误差根据相位式激光测距的原理可知,距离是通过测量两个同频率正弦波之间的相位差来得到的,因此鉴相系统的误差直接影响到测距系统的误差。混频后低频信号的不稳定性将会产生测距误差。另外,信号受谐波干扰时,过零点发生严重漂移而产生很大测量误差,当两信号幅值不同时,比较器存在阈值而导致过零检测时产生测量误差。4.结论本文通过对几种常用的激光测距技术的比较,针对中远距离采用相位式激光测距原理。在此基础上,介绍了相位式激光测距仪的基本原理以及多测尺原理,分析了误差产生原因，并提出解决方案。目前，国内外已经有很多激光测距产品，测距精度也达到了毫米级，但仍有很多技术环节尚需改进。各种测距方法的有效融
17、合是进一步研究的方向。随着激光技术、光学、电子学等相关技术的发展，激光测距精度、测程都会逐步提高，应用领域也会逐渐扩大。参考文献1李秀华，庄新，宋立明，激光测距技术探究，长春：长春工业大学，2012.2郑明杰,刘鑫, 激光测距技术国内外发展状况及原理, 长春：长春工业大学,2014.3孙长库，叶声华，激光测量技术，天津：天津大学出版社，2000.4黄少军，近距离激光测距传感器的研究与设计，武汉：武汉理工大学，2008.5孔东，相位法激光测距仪的研究，西安：西安电子科技大学，2007.6王秀芳,王江,杨向东,王磊,吴志海, 相位激光测距技术研究概述,激光杂志2006.27.(2).7丁燕, 相位
18、法激光测距仪设计及其关键技术研究,上海：同济大学，2007.8程义涛，相位激光测距测尺研究与实现，长春：长春理工大学，2010.9陈栋，相位式激光测距的相关技术研究，中国科学院光电技术研究所，2014.1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究 4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制 5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究 6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器7. 单片机
19、控制的二级倒立摆系统的研究8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现 9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统 10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究 12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发 13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制 14. 基于单片机的自动找平控制系统研究 15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发 16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发 17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现 18. 一种基于单片机的轴快流CO,2激光器的手持控制面板的研制 1
20、9. 基于双单片机冲床数控系统的研究 20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制 21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制 22. 基于单片机的软起动器的研究和设计 23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究 24. 基于单片机的机电产品控制系统开发 25. 基于PIC单片机的智能手机充电器 26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究 27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究 28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制 29. 基于微型光谱仪的单片机系统 30. 单片机系统软件构件开发的技术研究 31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的
21、研制32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制 33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用 34. 基于单片机的光纤光栅解调仪的研制 35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制 36. 基于单片机的数字磁通门传感器 37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究 38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究 39. 单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制 40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪 41. 基于单片机的电机运动控制系统设计 42. Pico专用单片机核的可测性设计研究 43. 基于MCS-51单片机的热量计 44. 基于双单片机的智能遥测
22、微型气象站 45. MCS-51单片机构建机器人的实践研究 46. 基于单片机的轮轨力检测 47. 基于单片机的GPS定位仪的研究与实现 48. 基于单片机的电液伺服控制系统 49. 用于单片机系统的MMC卡文件系统研制 50. 基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究 51. 基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究 52. 单片机控制的后备式方波UPS 53. 提升高职学生单片机应用能力的探究 54. 基于单片机控制的自动低频减载装置研究 55. 基于单片机控制的水下焊接电源的研究 56. 基于单片机的多通道数据采集系统 57. 基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制 58
23、. 基于单片机的红外测油仪的研究 59. 96系列单片机仿真器研究与设计 60. 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造 61. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现 62. 基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制 63. 基于单片机的气体测漏仪的研究 64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器 65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究 66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计 67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计 68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统 69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统 70. 基于单片机的大
24、容量数据存储技术的应用研究 71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践 72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现 73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统 74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究 75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统 76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用 78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究 80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发 81. 基于Cygnal单片机的C/OS-的研究8
25、2. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究 83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现 84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究 85. 基于单片机-免疫计数器自动换样功能的研究与实现 86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现 87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统 88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现 89. 单片机监测系统在挤压机上的应用 90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用 91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用 93. 基于ATmega1
26、6单片机的流量控制器的开发 94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计 96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发 97. 锅炉的单片机控制系统 98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计 99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制 100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现 101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计 102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制 104. 基于AD
27、C841单片机的防爆软起动综合控制器的研究105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计 106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究 107. 单片机实现的寻呼机编码器 108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究 109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究 111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制 112. PIC单片机在空调中的应用 113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究 项目论证，项目可行性研究报告，可行性研究报告，项目推广，项目研究报告，项目设计，项目建议书，项目可研报告，本文档支持完整下载，支持任意编辑！选择我们，选择成功！项目论证，项目可行性研究报告，可行性研究报告，项目推广，项目研究报告，项目设计，项目建议书，项目可研报告，本文档支持完整下载，支持任意编辑！选择我们，选择成功！单片机论文，毕业设计，毕业论文，单片机设计，硕士论文，研究生论文，单片机研究论文，单片机设计论文，优秀毕业论文，毕业论文设计，毕业过关论文，毕业设计，毕业设计说明，毕业论文，单片机论文，基于单片机论文，毕业论文终稿，毕业论文初稿，本文档支持完整下载，支持任意编辑！本文档全网独一无二，放心使用，下载这篇文档，定会成功！