激光测距应用

第一篇：激光测距应用

激光测距应用

应用领域：

电力、水利、通讯、环境、建筑、地质、警务、消防、爆破、航海、铁路、农业、林业、房地产、休闲/户外、反恐/军事 主要应用方向：

 在钢铁厂和轧钢厂用于过程监控  料位、液位的测量

 行车定位系统、装卸处理设备的定位系统

 对人力所不能到达部位的测量，如罐装物、管道、集装箱等  车辆、船舶的定位监控系统  起重安装设备位置控制  不宜接近的物体测量

 距离、位置、液位、料位、生产线料坯传送定位  行吊XY定位  电梯运行测量  大型工件装配定位  运动物体位置监控  大型货架库存管理  超大物体几何计量  靶距自动控制  电气化铁路接触网测量

 铁路建筑物限界测量以及江河湖海等的水位测量。测距发展路线：  民用，手持式  工业用，高可靠性 市场开拓方式：  大客户

 代理商，借助代理商的客户群 具体应用示例： 1.汽车防撞探测器

一般来说，大多数现有汽车碰撞预防系统的激光测距传感器使用激光光束以不接触方式用于识别汽车在前或者在后形势的目标汽车之间的距离，当汽车间距小于预定安全距离时，汽车防碰撞系统对汽车进行紧急刹车，或者对司机发出报警，或者综合目标汽车速度、车距、汽车制动距离、响应时间等对汽车行驶进行即时的判断和响应，可以大量的减少行车事故。在高速公路上使用，其优点更加明显。2.车流量监控及车轮廓描画

这种使用方式一般固定到高速或者重要路口的龙门架上，激光发射和接收垂直地面向下，对准一条车道的中间位置，当有车辆通行时，激光测距传感器能实时输出所测得的距离值的改变，进而描绘出所测车的轮廓。这种测量方式一般使用的激光束发散角度较小，测距范围一般小于30米即可，且要求激光测距速率比较高，一般要求达到几百赫兹就可以了。这对于在重要路段监控可以达到很好的效果，能够区分各种车型，对车身扫描的采样率可以达到10厘米一个点，且对车流限高，限长等都能实时输出结果。如图3。在没有车辆到来时，激光测距传感器测出的是一个距离常量，也就是测距仪到地的距离，当有车辆从测距仪下面经过时，距离值改变，当距离值再次回到常量就认为有一辆车通过，根据这种方式我们可以对通过一些路段的车流量进行监控。现在常用的方法是对一段时间内的车流进行统计平均的方法，带有很大的估计成分，而视频统计的方法还有很多现实应用的困难，因此，激光测距统计方法为车流量统计提供了一种可行的方案。3.车辆行人违法监测

由于激光测距传感器的光束不是实质性的障碍，在利用激光测距传感器对路面进行监控的时候，并不会阻碍交通的正常运行。因此，在一些禁停或者禁止行人车辆通行的路段，用激光束平行路面以一定高度进行固定发射或者以一定角度进行扫描，当遇到有车辆违法停车闯红灯或者行人违法跨越护栏等，激光测距距离值改变，可以进行报警或者警示。这种应用光束不必要太宽，但一般要求测距距离比较长，以确保一定路段长度的防护距离。这种方式构成的智能交通违法监控系统将在交通物联网中得到很大的应用。4.激光测速传感器

激光测距传感器是激光测距技术在交通管理领域最早的一种形式，因为其卓越的性能，在实际应用中逐渐得到普及。激光测距传感器是采用激光测距的原理，是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，取得在此时间间隔内被测物体的距离变化，从而得到该被测物体的移动速度。激光测速仪分为固定式的和移动式两种，固定式的一般固定在路边或者龙门架上，以一个比较小的角度迎向来车，一般通过车牌反射进行测量，测量精度比较高，可以达到±1公里/小时，测速范围可达250公里/小时，测距范围在此应用中不用太长，一般80到100米即可。移动式激光测速仪对操作要求比较高，一般光束发散角度要大于3 mrad，鉴于激光测速的原理，激光光束必须要瞄准垂直与激光光束的平面反射点，又由于车辆处于移动状态，车体平面不大，且测速需要一定时间，只能作为临时测速，取证应用。激光测距传感器由于光束发散角度较小，便于测速取证，不像雷达多普勒测速仪，在多车道测量时不能确知超速的具体车辆，且由于激光测速传感器发射的是近红外的光波，不能被雷达探测器、电子狗等探侧，且不易受市区雷达杂波干扰。鉴于激光测距传感器的上述优点，在智能交通中的应用将越来越普及。如图2。

5.测量传送带上箱子的宽度

使用两个发散型传输时间激光测距传感器，在传送带的两侧面对面安装。因为尺寸变化的箱子落到传送带上的位置是不固定的，这样，每个激光测距传感器都测量出自己与箱子的距离，设一个距离为L1，另一个为L2。此信息送给PLC，PLC将两个激光测距传感器间总的距离减去L1和L2，从而可计算出箱子的宽度W。6.在港口码头上的使用 使用激光测距传感器，可以测量船只到船只的距离和船只到船只的相对速度。在一艘船只移动的过程中，用来检测船只到码头或到另外的船只的的相对距离和速度，船只根据激光测距传感器输出的数字信号，调整船只行进的速度和航线。如果使用云台可以测量一定角度范围的物体的距离，并且可以知道在那个角度有物体，其距离和相对速度。7.在火车站上的使用

使用激光测距传感器，可以测量火车到站台的的距离和火车到火车到站台的相对速度。

8.在石油钻机上的使用

使用激光测距传感器，可以测量游车到塔顶的距离和相对速度，防止“上碰下砸”事故的发生。

9、保护液压成型冲模 机械手把一根预成型的管材放进液压成型机的下部冲模中，操作者必须保证每次放的位置准确。在上部冲模落下之前，一个发散型传感器测量出距离管子临界段的距离，这样可保证冲模闭合前处于正确位置。

10、二轴起重机定位

用两个反射型传感器面对反射器安装，反射器安装在桥式起重机的两个移动单元上。一个单元前后运动，另一个左右运动。当起重机驱动板架辊时，两个传感器监测各自到反射器的距离，通过PLC能连续跟踪起重机的精确位置。

激光轮廓扫描仪

应用方向： 港口应用 1.岸吊大梁防撞

防止大梁与轮船上的烟囱、天线等相撞。2.岸吊集卡定位

通过测量集装箱的轮廓来判断卡车位置，通过面板显示司机应前进或后退的距离。

3.轮胎吊地面防撞

通过区域保护功能，防止轮胎吊的前进方向上与卡车、人物等障碍物碰撞，同时可起到防止两台轮胎吊相撞的目的。4.倒车雷达

通过区域保护功能，防止港口重型车辆在倒车时与卡车、人物等障碍物碰撞。

5.轮胎吊/轨道吊防打保龄

通过测量堆场中集装箱的轮廓，控制吊具的提升高度，确保吊具及吊具上的集装箱不与堆场中的集装箱碰撞，同时做到优化操作路线，提高效率的功能。交通应用 1.车辆超限检测

通过轮廓测量功能，测量过往车辆的最高，最宽值。2.货车体积测量

通过轮廓测量功能，测量过往车辆的最高，并计算车辆的体积。3.铁路货运安全检测门

通过轮廓测量功能，测量过往车辆的截面，将截面数据与设定值对比，检测是否超出。4.铁轨障碍物检测

通过轮廓测量功能，测量在铁轨上是否有障碍物及障碍物的大小、位置。其它应用

1． 机器人和AGV自动导航车

通过轮廓测量功能，实现机器人自动导航或防撞，或地图扫描。2． 船闸应用

通过区域检测功能，检测航道上是否有船经过，以避免与船闸相撞。3． 盘煤系统

安装在堆取料机上，自动盘煤。4． 人数统计

监控人流密度，控制区域安全及节能等作用。5． 安防

通过人眼不可见的红外扫描，广泛应用于核电、军队、监狱、博物馆等重要场合的安防应用。6． 地图构建

通过轮廓测量功能，实现无人车的自动避障或周围环境的轮廓扫描。7． 机器人轮廓扫描及定位

通过轮廓测量功能，扫描物体的轮廓及位置，方便机器人抓取。市场开拓方式：  大客户

 代理商，借助代理商的客户群

具体应用： 港口应用 1.岸吊大梁防撞

防止大梁与轮船上的烟囱、天线等相撞。

2.岸吊集卡定位

通过测量集装箱的轮廓来判断卡车位置，通过面板显示司机应前进或后退的距离。

3.轮胎吊地面防撞

通过区域保护功能，防止轮胎吊的前进方向上与卡车、人物等障碍物碰撞，同时可起到防止两台轮胎吊相撞的目的。

4.倒车雷达

通过区域保护功能，防止港口重型车辆在倒车时与卡车、人物等障碍物碰撞。

5.轮胎吊/轨道吊防打保龄

通过测量堆场中集装箱的轮廓，控制吊具的提升高度，确保吊具及吊具上的集装箱不与堆场中的集装箱碰撞，同时做到优化操作路线，提高效率的功能。

交通应用 1.车辆超限检测

通过轮廓测量功能，测量过往车辆的最高，最宽值。

2.货车体积测量

通过轮廓测量功能，测量过往车辆的最高，并计算车辆的体积。

3.铁路货运安全检测门

通过轮廓测量功能，测量过往车辆的截面，将截面数据与设定值对比，检测是否超出。

4.铁轨障碍物检测

通过轮廓测量功能，测量在铁轨上是否有障碍物及障碍物的大小、位置。

其它应用

1． 机器人和AGV自动导航车

通过轮廓测量功能，实现机器人自动导航或防撞，或地图扫描。

2． 船闸应用

通过区域检测功能，检测航道上是否有船经过，以避免与船闸相撞。

3． 盘煤系统

安装在堆取料机上，自动盘煤。

4． 人数统计

监控人流密度，控制区域安全及节能等作用。

5． 安防

通过人眼不可见的红外扫描，广泛应用于核电、军队、监狱、博物馆等重要场合的安防应用。

6． 地图构建

通过轮廓测量功能，实现无人车的自动避障或周围环境的轮廓扫描。

7． 机器人轮廓扫描及定位

通过轮廓测量功能，扫描物体的轮廓及位置，方便机器人抓取。

第二篇：激光测距论文讲解

激光测距及在军事上的应用 摘 要

激光技术这一高新技术，经过半个世纪的发展，从机理原理，实验手段到制造工艺都已逐步成熟，且先进的激光器不断研制成功，并凭借其高亮度、方向性强、单色性好、相干性好的显著特点，在工业、农业、医疗、军事等领域的应用已经是大显神威。而激光武器经过不断地开发和研究，目前已有了重大的进展：低功率激光武器已开始装备部队，高功率激光武器则在技术上已基本成熟，将在未来现代化战争或局部战争中发挥举足轻重的作用。

本文简要介绍了脉冲激光测距原理及常见的激光测距仪，并对它们在军事上的应用作了相应的介绍。

关键词：激光测距；激光测距仪； 军事应用

一、引言

激光测距是激光在军事上应用最早和最成熟的技术。自1960 年第一台激光器--红宝石激光器发明以来，便有人开始进行激光测距的研究。和微波测距等其它方法相比,激光测距具有更好的方向性和更高的测距精度,测程远,抗干扰能力强,隐蔽性好,因而得到广泛的应用。激光测距的研究还对雷达技术的发展起了很大的促进作用,因而在国民经济和国防建设中具有重要意义。根据所发射激光状态的不同,激光测距分为激光脉冲测距和连续波激光测距,后者根据起止时刻标识的不同又分为相应激光测距和调频激光测距。本文将介绍脉冲测距的最新技术发展。

二、脉冲激光测距原理

脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间极短,能量在时间上相对集中,瞬时功率很大(一般可达兆瓦)的特点,在有合作目标的情况下,脉冲激光测距可以达到极远的测程;在进行几公里的近程测距时,如果精度要求不高,即使不使用合作目标,只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射索取的反射信号,也可以进行测距。图1 脉冲飞行时间激光测距系统一个典型的脉冲飞行时间激光测距系统通常有以下五个部分组成:激光发射单元,一个或两个接收通道,时刻鉴别单元,时间间隔测量单元和处理控制单元。激光发射单元在t0 时刻发射一激光脉冲,其中一小部分功率直接进入接收通道1,经时刻鉴别单元产生起始(START)信号,开始时间间隔测量;其余功率从发射天线向目标发射出去,经距离R 到达目标后被反射;接收通道2 的光电探测器接收到返回脉冲,经放大后到达时刻鉴别单元,产生一终止(STOP)信号,终止时间间隔测量;时间间隔测量单元把所测得的结果t 输出到处理控制单元,最后得到距离R=ct/2。

[1]

三、激光测距在军事上的应用 3.1 激光测距光源

战术和战略用脉冲激光测距仪主要包括红宝石、Nd∶YAG、CO2、喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃等脉冲激光测距仪。3.3.1 红宝石脉冲激光测距仪

0.69μm 的红宝石脉冲激光测距仪是第一代军用激光测距仪，其结构简单，紧凑。因工作波长属近红外绿光，极易暴露目标，加上对人眼极不安全，目前除少数应用外已被淘汰。

3.1.2 Nd∶YAG 脉冲激光测距仪

Nd∶YAG 脉冲激光测距仪的主要优点是隐蔽性、电效率和脉冲重复工作频率大大优于红宝石激光测距仪，因而从60 年代后期开始广泛装备部队；主要缺点：①工作波长为1.06μm，相对说来较短，在大气中的衰减较大，不完全适合自然雾和战场烟幕等环境条件；② 1.06μm 波长被发射后经人眼聚焦进入视网膜，在很短的距离上若不加防护观察，可以使人眼永久致盲；③1.06μm 波长不与8~12μm 热成像系统兼容。而Nd∶YAG 脉冲激测距仪目前仍具有无法取代的独特优点。3.1.3 CO2 脉冲激光测距仪

CO2 脉冲激光测距仪是70 年代末和80 年代中期主要针对1.06μm 的Nd∶YAG 激光测距仪的缺点发展起来的新一代人眼安全激光测距仪。其主要优点有：①大气穿透能力优于Nd∶YAG 激光波长，能在较低能见度和战场烟幕等大气条件下工作；②能与8~12μm 波段内的典型热成像系统兼容并可共用接收光学系统和探测器，能有效实现热成像仪能探测到的绝大多数目标；③能实现对人眼安全。主要缺点是：①10.6μm 的CO2 激光波长极易被水分子(H2O)吸收衰减，在大气中含水蒸汽密度大的睛天和潮湿条件下，限制了它的最大测距能力，特别是雨天和目

标被雪覆盖时，目标呈现多镜面对称反射，对CO2 激光波长测距不利；③10.6 μm 的CO2 激光波长对战术目标的反射系数低于1.54、1.06 和0.69μm 的激光波长。

3.1.4 喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃脉冲激光测距仪

喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃脉冲激光测距仪也和CO2 一样发展于70 年代末和80年代中期，主要优点是：①大气穿透能力高于1.06μm 的Nd∶YAG 激光波长而低于CO2 激光波长；②对目标的反射系数和在睛天、高温度条件下测距时，其性能高于CO2 激光波长并与Nd∶YAG 激光波长相当；③对人眼的安全性高于CO2 激光波长。缺点是由于1.54μm 波长属中红外波段，不能与8~12μm 的热成像系统兼容，加上转换效率低、脉冲能量小和重复工作频率低(喇曼频移Nd∶[3][2] YAG 除外)等限制了它们的应用。3.2 脉冲激光测距在军事上的应用

脉冲激光测距仪作为军用装备器材，发展于60 年代初。经过30 多年的开发、研制和装备，目前国外已完成了“手持式、脚架式、潜望式、坦克、装甲、水面舰载、潜艇潜望、高炮、机载、机场测云、导弹和火箭发射、人造卫星、航天器载”等约十三大类400 多个品种和型号，其中装备量最大的是以Nd∶YAG 为器件的固体脉冲激光测距仪，其次是喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃以及CO2 脉冲激光测距仪。

3.2.1 轻型便携式脉冲激光测距仪

轻型便携式脉冲激光测距仪包括步兵和炮兵侦察用的手持式以及前沿侦察和前沿对空控制(FAC)双用途的激光测距仪—目标指示器。对上述用途的系统，要求机动灵活、重量轻、体积小、用电池组作电源、可靠性和维修性高以及单一产品的成本低等。主要技术性能：最大测程4~10km，测距精度±10m，重复频率为单次，束散角1~2mrad。值得关注的的是，由于上述激光测距仪及其系统常与其他友军密切配合作战且不带装甲部队大范围训练以及无合作目标、操作手不带防护目镜等，人眼安全极为重要。因此，这类脉冲激光测距仪已逐渐由装备Nd∶YAG 激光测距仪改为喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃1.54μm 的人眼安全激光测距仪。

在现代战争中，由以前单一的步兵、炮兵独立作战发展到有步兵、炮兵和海军陆战队组成的特种部队联合作战，武器系统也由单一的地炮、高炮逐渐采用多功能综合高技术。因此激光测距仪也由单一测距功能的便携式、手持式发展到激光测距、红外瞄准的昼夜观测仪以及激光测距、目标指示、红外瞄准的激光红外目标指示器等。

3.2.2 地面车载脉冲激光测距仪

地面车载脉冲激光测距仪包括坦克、步兵战车(IFV)、火控、对空防御、火炮或导弹制导火控以及目前发展的地面车载激光测距仪—目标指示器等。其主要技术性能：最大测程4~10km，测距精度±5~10m，目标分辨约20m，重复频率0.1~1Hz，束散角0.4~1mrad。激光测距仪在坦克火控系统中的应用是提供弹道轨迹的超仰角修正信息和因逆风或目标移动引起的方位角校正信息以及距离信息。步兵战车主要是使用激光测距仪去测量目标是否在反坦克导弹的距离内，其次用于枪炮火控和对目标的分选。为了做到激光测距仪完全有效地对任何能探测到的目标测距以及通过火控系统全天候被动探测、识别和分选，这些系统还应包括：瞄准光学系统、电视摄像机和红外热成像仪(FLIR)等。这是目前非常迫切需要的但不可能通过任何单一功能和单一波长激光测距仪能完全满足的系统。据外刊报 道，美国休斯公司采用喇曼频移Nd∶YAG 激光测距、电视摄像和红外成像组成的坦克、装甲车激光测距仪系统是目前最新型的设备。但是这种系统若采用1.06μm 的Nd∶YAG 激光测距，尽管在测距仪上装上衰减滤光片，对合作目标测距训练时已基本达到人眼安全要求，而经论证后的坦克和步兵作战的操作人员及指挥、作战人员应采取人眼安全措施，或者采用人眼安全的1.54μm 激光波长测距，从根本上实现对人眼安全的要求。3.2.3 对空火炮和导弹防御脉冲激光测距仪

对空防御的脉冲激光测距仪以及采用了自保护措施的步兵战车对空防御脉冲激光测距仪均应按火控系统和作战系统的要求工作，在距离和距离速率以内对空中高速机动目标提供稳定的跟踪信息和距离信息，以对抗武装直升机、隐身飞机和巡航导弹、反辐射导弹的威胁。这就要求激光测距仪提供比较高的数据率(高的激光脉冲速率)和相当高的距离精度，如最大测程为4~20km，测距精度为

2.5~5m，重复频率为6~20Hz，束散角为0.5~2.5mrad 等。然而，若其交战距离相当远(约达20km 以上)，这么远的距离实际对抗出现在不模糊的大气条件下，仅要求激光测距仪的灵敏度比坦克测距仪稍高一些；若在某些高湿度季节或某些高温度气象区域内，由于很强的H2O 分子吸收，限制了长波长(如10.6μm 的CO2)脉冲激光测距仪最大测距能力的发挥，此时，应采用1.06μm 的Nd∶YAG 脉冲激光测距仪，或者采用喇曼频移Nd∶YAG 及Er∶玻璃(1.54μm)的脉冲激光测距。

3.2.4 机载脉冲激光测距仪

机载脉冲激光测距仪可以用来装备武装直升机的导弹指令制导和装备固定翼飞机，用于封锁支援的光电飞行器等目标以及拦截飞机和导弹的攻击。这些典型应用一般采用1.06μm的Nd∶YAG 激光测距仪并具有激光测距和目标指示的能力，或者采用1.54μm 波长的人眼安全喇曼频移Nd∶YAG 脉冲激光测距仪_目标指示器等，以保护机载系统完成作战任务或主动攻击空中的光电目标。机载脉冲

激光测距仪的主要技术性能：测程远(用于武装直升机为4~10km，用于固定翼飞机为10~20kM)、测距精度高(用于武装直升机为±5~10m，用于固定翼飞机为±1~10m)、重复频率高(用于武装直升机为4Hz，用于固定翼飞机为5~20Hz)、束散角小(用于武装直升机为0.4~1mrad，用于固定翼飞机为0.1~0.5mrad)，同时机载设备应体积小、重量轻并要与航空指示器共用。因此，激光器必须使用高效循环液体作冷却器，以适应高的运转速率要求，否则要采用气体或混合气体升压冷却。

3.2.5 舰载脉冲激光测距仪

舰载脉冲激光测距仪的发展在轻型便携式、车载和对空防御激光测距仪之后，它包括水面舰载和潜艇潜望两大类。水面舰载脉冲激光测距仪在技术性能指标方面与车载火控和对空防御激光测距仪相同，在环境使用方面要适应舰载海[4] 空、海面以及海上盐雾的荷刻要求，而在体积、重量、电效率、维护保养能力和成本等方面的要求又不苛刻。因此，目前大量用来装备常规火控和对空防御的海军舰只，如掩护(无声雷达)舰载飞机回收和与红外热成像、电视等组成跟踪系统，全天候监视和跟踪空中目标等独特的舰上应用正在出现，其应用前景相当广泛 [5]。

四、结束语

激光武器不但反应速度快，而且杀伤命中率特别高，几乎是100%，因为激光 武器以光束攻击目标，可以不考虑射击提前量，而且目标的机动性也不会影响激光器的性能。所以，激光武器的杀伤率就非常高，一旦锁住目标，就能将其摧毁或破坏。另一个重要优点是单发成本相当低，每发仅1000 ~ 3000 美元。因此，用激光武器来对付在全世界扩散的“ 廉价低空飞行器“ 大有好处。使用战区高空防御武器或其它昂贵的反导系统来对付近程火箭，其代价也太高。所以，发展激光防空武器就成了必然趋势。[6] 参考文献

［1］ 李适民.激光器件原理与设计［M］ 国防工业出版社 1998 ［2］ 陈家璧，彭润玲.激光原理及应用[M] 电子工业出版社 2008 ［3］ 梅遂生，王戎瑞.光电子技术[M] 国防工业出版社 2008 ［4］ 陈娅冰等.激光武器新技术及应用［ J］.激光与光电子学进展，2003：12－16 ［5］ 王乐．激光在现代军事中的应用[J]．光机电信息.2002，(6)：23—24 ［6］ 赵江，徐世录.激光武器的现状与发展趋势[J] 2005:67-70

第三篇：激光加工应用范围

主要可广泛应用于:

1: 汽车机械行业：轴承，钢套，活塞环，发动机标签，汽车面板按键，机床配件等； 2: 电子通讯行业：手机按键，键盘，电子元器件，家电面板，光缆，电缆等；

3: 五金工具行业：工具，量具，刃具，卫浴洁具，餐具，锁，刀剪，医疗器械，健身器材，不锈钢制品等；

4: 饰扣标牌行业：钮扣，箱包扣，皮带扣，金银饰品，指示牌，胸牌，考勤卡，名片贺卡，日历，相片，皮包，皮带，笔及笔盒，奖状，奖杯各种证书，收藏器，艺术品，图章，牌匾等；

5: 仪表眼镜行业：金属表壳，表底，眼镜框，仪器仪表面板等；

6: 木器工艺行业：木制工艺品，字画复制及装表，家具工艺装饰等；

7: 包装瓶盖行业：烟草，食品，药品等内外包装，金属瓶盖，易拉罐等。

第四篇：激光的发展及应用

激光的发展及应用

13材料C1 安海山 20134865620 前言：激光作为新能源代表，在许多领域都有更广泛应用，激光器的发明是20世纪中能与原子能、半导体、计算机相提并论的重大科技成就。自诞生到现在得到了迅速发展，激光光源的出现是人工制造光源历史上的又一次革命。我国激光技术在起步阶段就发展迅速，无论是数量还是质量都和当时国际水平接近。一项创新性技术能够如此迅速地赶上世界先进行列，这在我国近代科技发展史上并不多见。能够将物理设想、技术方案顺利地转化成实际激光器件，主要得力于长春光机所多年来在技术光学、精密机械方面的综合能力和坚实基础。一项新技术的开发，没有足够技术支撑很难形成气候。

摘要：激光是２０世纪６０年代出现的最重大科学技术成就之一，它的 出现深化了人们对光的认识，扩大了光为人类服务的天地。激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干辐射。能够发射出激光的实际装置，称之为激光器，普通光由原子群中的原子无秩序地、个体自发发光产生，而激光的产生，则是控制了原子群，使之集体化地，有组织有纪律地发光，就是说，激光是由原子群的集体化受激发光产生的。

关键词：激光、激光产业、发展趋势 1.激光的应用现状

1.1激光在自然科学研究上的应用

1.1.1非线性光学反应

在熟悉的反射、折射、吸收等光现象中，反射光、折射光的强度与入射光的强度成正比，这类现象称为线性光学现象。如果强度除了与入射光强度成正比外，还与入射光强调成二次方、三次方乃至更高的方次，这就属非线性光学效应。这些效应只有在入射光足够大时才表现出来。高功率激光器问世后，人们在激光与物质相互作用过程中观察到非线性光学现象，如频率变换，拉曼频移，自聚焦，布布里渊散射等。

1.1.2用激光固定原子

气态原子、分子处于永不停息运动中（速度接近340 m/s），且不断与其它原子，分子碰撞，要“捕获”操作它们十分不易。1997年华裔科学家、美国斯坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子数冷却到极低温度，使其速度比通常做热运动时降低，达到“捕获”操作的目的。具体做法是，用六路俩俩成对的正交激光束，用三个相互垂直的方向射向同一点，光束始终将原子推向这点，于是约106个原子形成的小区，温度在240μκ以下。这样使原子的速度减至10 m/s两级。后来又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在约1s内从控制区坠落后被捕获。此项技术在光谱学、原子钟、研究量子效应方面有着广阔的应用前景。

1.2激光测距、激光雷达

利用激光的高亮度和极好的方向性，做成激光测距仪，激光雷达和激光准直仪。激光测距的原理与声波测距原理类似。激光雷达与激光测距的工作原理相似，只是激光雷达对准的是运动目标或相对运动目标。利用激光雷达又发展了远距离导弹跟踪和激光制导技术，这些在1991年海湾战争中都已投入使用。激光制导导弹，头部有四个排成十字形的激光接收器（四象限探测仪）。四个接收器收到的激光一样多，就按原来方向飞行；有一个接收器接受的激光少了，它就自动调整方向。另一类激光制导是用激光束照射打击目标，经目标反射的激光被导弹上的接收器收到，引导导弹击中目标。激光准直仪起到导向作用，例如在矿井坑道的开挖过程中为挖掘机导向。激光 准直仪还被用在安装发动机主轴系统等对方向性要求很高的工作中。

1.3激光在工业应用

激光加工代表精密加工装备未来的发展方向，体现着一个国家的生产加工能力、装备水平和竞争能力。目前，激光加工技术在各种仅金属与非金属材料加工中的应用非常广泛。工业激光器目前主要包括CO2激光器、固体激光器、半导体激光器等。这几种激光器各具优点，如CO2激光器的成本最低，固体激光器的光束质量好，半导体激光器的出光效率高。光纤激光器是未来新一代激光技术的发展方向，它具有常规固体激光器所不具备的许多优点。然而激光器服务的机床企业非常谨慎，终端用户对激光器本身的印象远不及对系统那么深刻。在现代重工业中，如材料切割、焊接、快速成型等过程中，激光技术体现出了优越性。激光可以通过软件来控制轨迹。激光加工属于非接触加工，因此稳定性和寿命都比较好。在当今半导体行业，光科技术已成为半导体工业的“领头羊”。激光器在线加工已成为不可或缺的一部分。例如激光调阻机可达到产能70万只/小时，芯片光刻已实现65nm的制程。

1.4激光在医学应用

激光在医疗领域有着非常广泛的应用。激光与生物体的作用产生多种效应，如热效应、压力效应、光化效应、电磁效应。有时，这几种效应在作用是同时存在。激光类医疗器材产品被定义为：为了手术、治疗或医疗诊断目的而进行人体照射的那些种类的医疗器材产品。激光医疗设备可分为激光治疗器、激光诊断仪器和激光检测设备。激光美容、激光切除肿瘤、激光眼科手术、激光心肌血管再造等等都得到了迅速发展。在世界激光医疗市场，中国已成为仅次于美国和日本的世界第3大激光医疗市场。弱激光对生物组织有刺激、阵痛、消炎、扩张血管等作用，用弱激光照射病灶，有治疗效果。利用弱激光照射穴位。可以产生类似针灸的效果。低强度的He-Ne激光血管内照射可以治疗脑梗塞、颈椎病、冠心病等缺血性疾病]。研究表明，紫光激光器对软组织治疗有着很好的疗效，打破了CO2激光器最适合治疗这类疾病的常规认识。

1.5激光通信

激光通信主要是利用激光的单色性和方向性好的特点。根据传输媒质的不同，激光通信可分为宇宙通信、大气通信、水下通信以及光纤通信。目前在军事领域使用较为广泛的是大气通信。大气激光通信保密性能好，难以截获和干扰。诺·格公司已完成卫星激光通信系统兼容性实验，2007年进行下一阶段试验，该系统能够为多种用户提供更强的通信能力。民用光纤通信的容量很大，且成本低。目前光纤通信蓬勃发展，已成为重要的民用领域之一。

1.6激光与能源

激光具有高亮度的特点，在能源利用上也有其自身独特的优势。目前，激光与核能的应用紧密相关：一是激光分离同位素，用于核燃料的提纯工作；二是激光核聚变。能源现已成为社会发展中的中的重要问题之一。最理想的能源应是既洁净又取之不竭的核能，这当然是聚变能的利用。据估计，地球海洋中的聚变资源可够人类用1千亿年，可以说是取之不尽，用之不竭，同时又不会污染环境的能源。可见，可控聚变核反应是一个非常理想的核能来源，已引起各国科学家的高度重视，但尚未能够做成实用的能源来发电。目前，强激光功率已达到聚变的点火条件。俄罗斯实验物理科研所已成功研制出用于热核反应的新型大功率激光器。该激光器的功率达到了1015W/cm2，能量达300 000 J，可代替实验室条件下的核试验。用于激光传输不需要介质，因而可作为远距离作用能源。据报道，日本一个研究小组以实验成功用激光驱动机器人。机器人电源一般使用电池，然而在核电站和化学污染严重的场所，对正在作业的机器人更换电池有一定的困难，而用激光驱动十分便利。此外在宇宙空间用激光驱动机器人也比使用电池优越。目前，日本正在进行激光推进技术、跟踪和控制小型车辆的实验研究，进展良好。此外，激光还有许多用途，在军事、科研、文化、国防、公安侦破等领域均有广泛用途。

2.激光的发展趋势

激光器自问世30余年以来，以日新月异的面貌改变着自身的功能，令人瞠目结舌，也令世人刮目相看，接下来再看看激光未来发展走向以及激光产业发展。

2.1激光器发展趋势 2.1.1功率越来越高

美国、法国、德国和日本最近已经完成或正在建造拍瓦新装置（1拍瓦=1015W）。这些高功率激光器都有2种运转方式：可以断续发射几百焦耳的长脉冲（每个约400fs），（1 fs =1015s），或发射不连续的短脉冲（每个约20fs），每个脉冲为几十焦耳。超短超强飞秒激光器可用于激光核聚变实验和高能量密度物理研究，在商用上也有巨大的潜力。飞秒激光器用于光纤通信可扩展通信宽带，到2010年通信系统的传输速率达到5～10Tbps。

2.1.2小型化、集成化激光器

目前，全球固体激光器市场一派兴旺，半导体激光器迅速增长，二极管泵浦的固体激光器成为新的增长点。据研究表明，激光二极管采用脉冲方式供电可以在相当程度上提高其峰值功率，这将有效推进激光二极管在材料处理中的使用。

2.1.3阵列激光器

光通信的迅猛发展极大推动了阵列激光器的出现和进一步发展。据研究表明，阵列激光器非常适合全光互连，采用光子晶体耦合激光器显著提高了出光效率。

2.1.4新波段激光器

近年来，中远红外激光器、极紫外激光器等也得到了发展，现已有近千种工作介质，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，光谱范围越来越宽。3.1.5高效率 激光器的出光效率越来越高。新型YAG激光器的斜度效率在泵浦功率>20W时约为81%。

2.2全球激光产业发展趋势

世界激光器市场可划分为3大区域：美国（包括北美）、欧洲、日本以及太平洋地区。由于半导体激光器的迅速发展，使二极管泵浦固体激光工业加工设备所占的市场份额越来越大。2002年全球工业激光系统产值约为29.9亿美元，2003年约为31.116亿美元，2004年约为32.11亿美元。2006年用于材料加工的激光器的销售额达到了17亿美元。在世界激光市场上，日本在光电子技术方面处于领先地位，约占50%的份额。追踪世界激光产业发展，可看出其中包含的几点趋势：①在激光源方面，半导体激光器和半导体泵浦固体激光器将成为未来的主导；②激光技术对产品投入产出比和技术基础的优化作用更加明显，融合在产品与服务中的技术含量越来越高；③激光技术与众多新兴学科技术相结合，更加贴近人们的日常生活；④激光产业界并购盛行，各公司力争成为产业巨头。

2.3我国激光产业现状及存在主要问题

我国激光产业具有很好的发展前景和潜力。近年来，中国激光市场呈现出稳定、高速增长的态势。1999年和2005年，中国激光产品市场销售额分别为14.13亿和47.75亿人民币 ]。在行业迅猛发展的同时，我们也该认识到我国激光产业起步晚、基础薄 弱，与世界领先国家的差距还很大。例如，与先进国家的激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售额的2%左右。主要体现在：高档激光加工系统很少，甚至没有；主力激光不过关；激光微细加工装备缺口较大。目前，存在的主要问题有：（1）核心技术少很多关键性基础性技术没有解决好，甚至某些技术还有退步。目前，国内激光产业的核心技术大多来自于进口，产品竞争力不足。（2）产研结合欠佳 我国的激光学术研究方面仍处于世界领先地位，但产业却非常落后，其中知识产权和专利成果保护不力，很多先进的激光技术没有转换成产业应用。另外，学术的开放性不够，由于担心技术流失，导致创新效率低下。（3）创新能力不足，配套能力较差 系统的配套能力不高，创新能力不足，大多是传统结构类型。现有的产业大多是光机电算综合的产业，而国产激光器和其他行业的结合很不好，智能化、自动化程度太低，增加了用户使用的困难。（4）从技术管理上看，缺少良好的评价系统 缺少国家标准，评价体系“当量”折算不当，华而不实。现有的评价体系是一种自我循环，导致激光产品的质量监督不够，这些都不利于激光产业的发展。

3.结束语

激光在当今世界应用领域越来越广泛，通过对当今不同激光产业现状的了解，对激光以及激光产业发展趋势的把握，有助于我国在激光这一新技术方面处于前列。更好的为经济服务，是我国经济有更大的发展空间。

参考文献

[1] 范滇元．激光技术 [M]．北京:高等教育出版社，2002，118～120． [2] 倪光炯．改变世界的物理学[M]．复旦大学出版社，200，139～145．

[3] 杨贵铣．激光与光电子学进展[M]．苏州大学出版社，2008，6：117～119． [4] 孟红云．激光世界[J]．辽宁教育行政学院学报1999，19：1～4． [5] 张玉川．国内外激光医疗仪器的新发展[J]．2002，117～119． [6] 罗云．激光与光电子进展[J]．2004，41(1)：12-14．

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[9] 王涣．激光与光电子学进展[M]．人民教育出版社2009，43，8～9．

第五篇：相位法激光测距的理论设计(综合最新版)

相位法激光测距的理论设计

摘要

本文介绍了半导体激光技术,并在传统的相位法激光测距原理的基础上, 参考激光测距光学系统设计,运用数字相关检测的测量方法，提出一种把直接数字频率合成(DDS)技术和数字信号处理(DSP)技术相结合的新的相位激光测距理论设计，这种设计有助于简化电路、提高相位测距的精度。

关键词： 相位激光测距，数字相关检测，数字信号

Phase Type Laser Ranging Theoretical Design This article introduced the semiconductor laser technology, and in the traditional phase laser ranging principle foundation, the reference laser ranging optical system design, Using digital correlation detection measuring technique,proposing one kind the new phase laser ranging theoretical design which(DDS)technical and the digital signal processing(DSP)the technology unifies the direct digital frequency synthesis, for could overcome in the traditional phase range finder method the precision to enhance, the measuring range with difficulty difficulty with increases, the electric circuittoo is complex and so on the shortcoming provides has been possible to supply the reference the theoretical design.Key word：PHASE LASER RANGING，DIGITAL CORRELATION DETECTION，DIGITAL SIGNAL

目录

第一章 引言.....................................................................................................................4 第二章 国内外研究状况.................................................................................................5 第三章 激光测距光学系统.............................................................................................7 3．1 激光测距仪的系统结构.........................................................................................7 3．2光学系统图示..........................................................................................................8 3．3 光学系统设计主要部件功能与作用.....................................................................9 3．4 主要参考性能数据...............................................................................................10 第四章 数字相关检测技术改进方法设计...................................................................11 4．1 激光相位式测距的基本原理.............................................................................11 4．2 数字信号处理(DSP)的简述.................................................................................13

4.2.1 数字信号处理的主要研究内容....................................................................14 4.2.2 测试信号数字化处理的基本步骤................................................................14 4.2.3 数字处理信号的优势....................................................................................15 4．3 直接数字频率合成技术.......................................................................................15

4.3.1 DDS的基本工作原理....................................................................................16 4．4 改进的数字测相的框图设计...............................................................................16 第五章 小结...................................................................................................................22 参 考 文 献.............................................................................................................23 致谢.................................................................................................................................24

第一章 引言

第一章 引言

激光，是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。物理学家把产生激光的机理溯源到1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时提出的假说，即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程[1]。

所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称。30多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，利用激光技术不仅研制了各个特色的多种多样的激光器，而且随着激光应用领域不断拓展，形成了激光唱盘唱机、激光医疗、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新兴产业。激光技术的飞速发展，使其成为当今新技术革命的先锋！

激光和普通光的根本不同在于它是一种有很高光子简并度的光。光子简并度可以理解为具有相同模式(或波型、位相、波长)的光子数目,即具有相同状态的光子数目。这些特性使激光具有良好的准直性及非常小的发散角,使仪器可进行点对点的测量,适应非常狭小和复杂的测量环境。激光测距仪就是利用激光良好的准直性及非常小的发散角度来测量距离的一种仪器。激光在A、B 两点间往返一次所需时间为t, 则A、B 两点间距离D 可表示为: D = c²t /2,式中, c为光在大气中传播的速度。由于光速极快, 对于一个不太大的D 来说, t是一个很小的量。如:假设D =15km, c = 3 ³105 km / s,则t = 5 ³10-5 s。由测距公式可知,如何精确测量出时间t的值是测距的关键。

由于测量时间t的方法不同,便产生了两种测距方法:脉冲测距和相位测距。其中相位测距更加精确[1]。

广东技术师范学院本科毕业论文（相位法激光测距的理论设计）

第二章 国内外研究状况

相位式激光测距技术的研究起始于20 世纪60年代末,到80 年代中期陆续解决了激光器件、光学系统及信号处理电路中的关键技术,80 年代后期转入应用研究阶段,并研制出了各种不同用途的样机,90年代中期,各种成熟的产品不断出现,预计近期将是其应用产品大发展的阶段,在中、近程激光测距应用方面有取代YAG激光的趋势。随着激光技术的发展, 应用激光作精密光波测距系统的光源, 是现代测量仪器的一个显著特点。

据近年的资料, 国外用于大地测量、城市和工程测量的各类光电测距仪约15000多台。其中, 长程及中程各占1/4, 短程测距仪占1/2。许多工业发达国家已把各种激光测距仪红外测距仪作为标准设备, 装备测量作业队。

近年来，中长程激光测距仪的技术发展有以下特点:（1）普遍采用He-Ne激光光源, 功率为1～5mW;（2）普遍采用新颖的高效调制器, 如ADP(磷酸二氢铵NH4H2PO4), KDP(磷酸二氢钾(KH2PO4)), KD*P(磷酸二氘钾(KD2PO4))等；（3）向自动化和数字化方向发展。中远程激光测距仪的精度主要是受到比例误差的限制, 这是值得注意的。如美国的Geodolit-3G远程激光测距仪, 其数字测相的分辨力达±0.03 mm, 其固定误差为±0.03 mm, 但它的比例误差仍有1 mm/km[2]。为获得测线的平均气温, 气压、湿度误差影响￡1mm/km，还需要用飞机沿测线作气象测定, 这对作业无疑是不方便的。对比之下, ±0.03 mm的测相分辨力, 对于单色激光的远程测距, 并不必需。

短程的光波测距仪通常以砷化镓半导体(GaAs)红外波段激光源的红外测距仪为主, 实用上也有少量采用He-Ne激光作光源。这类仪器普遍在向自动化、数字化与小型化、一机多能的方向发展。按仪器的功能可分为单测距仪器, 测角与测距相结合的仪器, 测距、测角与计算三结合仪器(电子速测仪)及高精度的短程测距仪这四类。

单测距的仪器都采用强制归心基座可与经纬仪交替使用, 以利于边角测量和导线测量的实施, 这类仪器也可采用激光光源。角、距结合的仪器有二种: 一种是测距系统作为经纬仪的附件, 积木式装在经纬仪上, 将自动测距与经纬仪测角相结合直接为水平距离并能作坐标差Dx、Dy的计算.如DI-3及DI-3S;另一种能将自动测距与光学测微器

3-广东技术师范学院本科毕业论文（相位法激光测距的理论设计）

第三章 激光测距光学系统

3．1 激光测距仪的系统结构

激光电子测距仪一般由激光光源、激光调制及发射电路、光学系统、接收单元、高频放大电路、采样积分电路、逻辑电路、振荡电路和微处理器部分组成,系统框图如图3.1所示。激光光源采用半导体激光二极管。晶振部分包括主振单元和本振单元,通过频率合成电路分别产生发射频率信号和基准混频信号。发射频率信号经过一定的波形变换和功率放大后,作用于激光二极管,进行内调制,发出调制激光信号[3]。

图3.1 激光测距仪的系统结构

Fig.3.1 laser ranging equipment system structure 激光测距光学系统设计的方案及原理为：动目标指示,目标速度分辨力8km/ h ；主动成象,帧频为100～200 帧/ s；精确测距 ；以每秒1000 次的速率编排并记录方位、仰角、距离和时间数据；进行坐标变换,以便输出高精度的实时位置数据,便于绘图和数字显示；使用程序指出方位上几个区域,保证目标或其它关键区域在安全标准范围内安全控制。

连续波(GaA1As)激光发射机;2连续波(CO2)激光发射机;4、5声光调制器;8、9-前置放大器;10散热器;12、30-测距通道探测器;13二维电荷耦合器(CCD);15调准传感器;17本振通道;19后反射器;21、22、23气体池;25栅镜;27、33四分之一波片;29分束器;34、35方 位俯仰驱动器;37广东技术师范学院本科毕业论文（相位法激光测距的理论设计）

3．3 光学系统设计主要部件功能与作用

相位(GaA1As)激光发射机的作用是用于近场广角截获跟踪目标, 并进行目标的粗测;连续波(GaA1As)激光发射系统用于精确的测距;连续波(CO2)激光发射系统用于测量速度。微调反射镜有两对,分别用于GaA1As 激光束和CO2 激光束的偏转扫描,目标截获、跟踪探测器采用二维的电荷耦合器件CCD。

电荷耦合器件的传感功能是在光致信息电荷的存储和传输两个过程完成的。如果把被测目标的光学图象聚集在电荷耦合器件图象传感器的光敏区上,则其上个点所产生的光生载流子的数量,将与各象点上的图象亮度相对应。在一般称为光积分时间的时间间隔内,这些少数光生载流子分别被收集、存储在就近的势阱里,形成一个个的信息电荷包,每一个信息电荷包所储存的信息电荷与电荷耦合器件工作表面上相应位置的光强成正比,因而成为被测光学图象的诸点取样模拟。这样,就把光学图象转变成为由信息电荷所描绘的电子图象,完成了光电转换与储存信息的过程。为了按扫描顺序取出各电荷包的信息电荷,使被接收的图象以电信号的形式再现出来,可在各个电极上依次施加有规则变化的时钟脉冲电压,各个电极下的势阱深度也将作相应的变化,从而使电荷包能够沿半导体表面作定向运动。

二维电荷耦合器件的感光单元呈二维矩阵排列,组成感光区。由于传输和读出结构方式不同,面阵图象器件有多种形式。碲镉汞器件是目前性能最优良的最有前途的光电导探测器。它的光谱响应在8～4μm 之间,为大气窗口波段,其峰值波长为1016μm 与CO2 激光器的激光波长相匹配,响应时间约为10

第三章 激光测距光学系统

3．4 主要参考性能数据

作用距离0～30 ,000m 角度测量准确度< ±110″ 分辨距离0.115m 角度覆盖范围180° 扫描角速度2°/ ms 角度偏转范围0～20°

连续波(GaA1As)激光器波长 0185μm 连续波CO2 激光器波长 1016μm 相位(GaA1As)激光器波长 01905μm 峰值功率

15W 输出功率

15mW 重复频率

90pps(每秒钟的周期数)接收探测器 硅雪崩光电二极管 接收镜孔径 18～100mm

本文的相位测距数字检测系统是根据激光测距的工作原理及由激光测距原理继而发展的相位式激光测距的原理，并参考在激光领域所做的相关的光学系统而设计的。

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第四章 数字相关检测技术改进方法设计

相位法激光测距是利用发射的调制光与被测目标反射的接收光之间光强的相位差所含的距离信息来实现对被测目标距离的测量。由于采用调制和差频测相技术, 具有测量精度高的优点, 广泛用于有合作目标的精密测距场合。激光相位式测距仪由于其测量精度高而被广泛地应用于军事、科学技术、生产建设等领域。相位式测距仪的基本原理是通过测量连续调幅信号在待测距离上往返传播所产 生的相位延迟,来间接地测定信号传播时间,从而求得被测距离.因此,信号相位测量的精度也就决定了激光测距仪的精度[6]。

测距仪相关检测技术是信号检测领域里一种重要工具,它能在低信噪比的情况下提取出有用的信号,具有较强的抗噪声的能力,如同频域里的谱分析一样,时域里的相关分析几乎在信号的所有领域里都有应用,例如图像处理、卫星遥感、雷达及超声探测、医学和通信工程等。

在此本文设计一种新型的激光相位式测距仪,它将现代数字信号处理技术应用于测距系统,利用数字信号处理芯片的强大的数据运算功能,对采集的信号进行数字相关运算,计算出测量信号与参考信号的相位差,继而得到距离值。

4．1 激光相位式测距的基本原理

传统的相位法激光测距机,为了提高测量精度,通常需要把激光调制频率提高到几十兆甚至几百兆；为了增大量程,通常把激光调制频率降低到几兆甚至更低;为了提高测量相位的精度,通常把发射信号和回波信号与本振混频进行移相和鉴相测相。如要同时实现高精度和大量程,则需要多组激光调制频率,且随着测量精度的提高,调制频率会不断的提高,这些对电路性能要求会越来越高,电路的复杂度也会随之增大,各个信号之间的串扰会随之严重,这给高精度激光测距机的设计和制造带来很大的困难。为了克服这些困难,本文提出了一种把直接数字合成(DDS)技术与数字信号处理器(DSP)相结合的激光测距方法,利用DSP强大的实时信号处理的特点和DDS 器件能在一定带宽内产生任意频率的特点,只需把调制频率限制在10兆赫兹以内就可以达到很高的测量精度和很大的量程,而且在工作量提供了一定的理论设计[6]。本文就其基本原理, 系统框图和误差分析

第四章 数字相关检测技术改进方法设计

做详细的论述。

光以速度c 在大气中传播，在A、B 两点间往返一次所需时间与距离的关系可表示为：L= ct/2。

上式中L ─— 待测两点A、B 间的直线距离；c ─— 光在大气中传播的速度；t ─— 光往返AB 一次所需时间。由上式可知，距离测量实质是对光在AB 间传播时间的测量。由于对时间测量不够精确，所以将对时间的测量转化为对相位差的测量。相位差的测量可以达到很高的精度，故而距离的测量也就达到了很高的精度[7]。

激光测距是用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟,再根据调制光的波长换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间,如图4.1所示。

图4.1 测距相位示意图

Fig.4.1 range finder phase schematic drawing 相位式激光测距一般应用在精密测距中。由于其精度高,一般为毫米级,为了有效地反射信号,并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上,对这种测距仪大多配置了被称为合作目标的反射镜。

图4.2为典型的模拟测相电路的原理图[8]：

wо)t ] , E2 = Ecos[(ws

第四章 数字相关检测技术改进方法设计

经成为一个新的技术领域和独立的学科体系，当前已经形成了有潜力的产业和市场，在现代光电通信中也得到十分广泛和成功的应用。

广义来说，数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调以及快速算法的一门技术学科。但很多人认为：数字信号处理主要是研究有关数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法。随着数字电路与系统技术以及计算机技术的发展，数字信号处理技术也相应地得到发展，其应用领域十分广泛。数字滤波器 数字滤波器的实用型式很多，大略可分为有限冲激响应型和无限冲激响应型两类，可用硬件和软件两种方式实现。在硬件实现方式中，它由加法器、乘法器等单元所组成，这与电阻器、电感器和电容器所构成的模拟滤波器完全不同[9]。

4.2.1 数字信号处理的主要研究内容

数字信号处理主要研究用数字序列或符号序列表示信号，并用数字计算方法对这些序列进行处理，以便把信号变换成符合某种需要的形式。数字信号处理的主要内容包括频谱分析、数字滤波与信号的识别等。

数字信号处理中常用的运算有差分方程计算、相关系数计算、离散傅里叶变换计算、功率谱密度计算、矩阵运算、对数和指数运算、复频率变换及模数和数值转换等。很多数字信号处理问题，都可以用这些算法加上其它基本运算，经过适当的组合来实现[10]。

4.2.2 测试信号数字化处理的基本步骤

随着微电子技术和信号处理技术的发展，在工程测试中，数字信号处理方法得到广泛的应用，已成为测试系统中的重要部分。从传感器获取的测试信号中大多数为模拟信号，进行数字信号处理之前，一般先要对信号作预处理和数字化处理。而数字式传感器则可直接通过接口与计算机连接，将数字信号送给计算机（或数字信号处理器）进行处理[11]。

(1)预处理是指在数字处理之前，对信号用模拟方法进行的处理。把信号变成适于数字处理的形式，以减小数字处理的困难。如对输人信号的幅值进行处理，使信号幅值与A／D转换器的动态范围相适应；衰减信号中不感兴趣的高频成分，减小频混的影响；

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隔离被分析信号中的直流分量，消除趋势项及直流分量的干扰等项处理。(2)A／D转换是将预处理以后的模拟信号变为数字信号，存入到指定的地方，其核心是A/V转换器。信号处理系统的性能指标与其有密切关系。

(3)对采集到的数字信号进行分析和计算，可用数字运算器件组成信号处理器完成，也可用通用计算机。目前分析计算速度很快，已近乎达到“实时”。

(4)结果显示一般采用数据和图形显示结果。

4.2.3 数字处理信号的优势

数字信号处理能广泛应用于现代光电通信中，是因为DSP与模拟信号处理相比，具有以下优点[12]：

(1)信号处理的动态范围大，有比模拟信大30dB的动态范围，因而有更高的精度。(2)数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响，处理过程不产生其它噪声，具有更高的信噪比。

(3)具有高度的灵活性，能够快速处理、缓存和重组，可以时分多用、并行处理，还可以灵活地改变系统参量和工作方式，并以利用系统仿真。(4)具有极好的重现性、可靠性和预见性。(5)算法具有直接的可实现性。

(6)对白噪声、非平衡干扰和多径干扰，可以有相应的最佳化的实现方法去进行特有的信号处理。

以上优点是DSP(数字信号处理)在现代光电等通信中应用的重要保证。

4．3 直接数字频率合成技术

直接数字频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)，是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。和传统的频率合成技术相比，他具有频率分辨率高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等突出优点。DDS将先进的数字处理技术与方法引入信号合成领域，成为现代频率

2广东技术师范学院本科毕业论文（相位法激光测距的理论设计）

图4.4 改进的数字测相框图

Fig.4.4 The improvement numeral measures the diagram

改进的测量系统与原测量系统相比主要有以下区别：

1)主频率信号与参考频率信号都由直接数字频率合成器(简称DDS)产生，这种方法不仅输出频率的分辨率高，而且可以通过编程改变输出频率，很容易改变光尺,提高测距的精度。

2)经过混频、低通滤波器后的2 路信号进入模数转换电路(ADC)，由DSP 控制在同一时刻启动2 路ADC 进行数据采集,并由DSP利用数字相关检测的方法测量相位差,得到距离值。

由于DSP 具有强大的实时处理特点和DDS 器件的宽带特性,可将DSP 和DDS 结合起来设计的一种新的激光测距方法。利用DSP 和DDS 器件产生一定带宽范围内的任意频率f ,在这任意频率中,用一定的扫频方法,找到相邻的两个使相位法激光测距的基本公式:L =mc/2f+Δφ/2πc2f 式中Δφ = 0的频率fs1整和fs2整计算L[14]。其系统结构框图为图4.5所示。

图4.5 基于DDS 和DSP 的激光测距机结构图

Fig.4.5 Based on DDS and DSP laser range finder structure drawing

415-广东技术师范学院本科毕业论文（相位法激光测距的理论设计）

图4.6 DSP 内部的软件流程图 Fig.4.6 DSP interior software flow chart

4．5 数字相关检测的原理及在本系统中的实现

互相关函数可以理解为2个信号的乘积的时间平均,这是一个很有用的统计量,一方面它可以用来了解2个未知信号之间的相似程度,或者2个已知信号的时间关系，另一方面它有很强的抗噪声能力，这是因为噪声信号的相关系数几乎为零,在微弱信号中经常使用相关检测的方法提取有用的信号[16]。信号x(t)和y(t)的互相关函数的严格定义如下：

式中: T 是平均时间,如果x(t)和y(t)是周期为T0 的周期信号,则只需要在它的1 个周期里作相关计算即可,即

, 通常直接称为时差, T 为采样时间间隔。

在本系统中为了分析方便, 先在模拟域中分析,由上面的分析可知经过混频器和低通滤波器输出的信号分别为[17]：

E1 = Dcos[(wsw0)t + φ] + n2(t)。

式中: n1(t)和n2(t)分别是随机噪声干扰项.由互相关的定义可知,信号E1 与E2 的互相关函数应是φ的函数,其表达式如下:

式中: T1 为差频信号的周期,由于随机噪声的相关性较差,由式(1)可得： R12(φ)= DEcosφ/2。(2)由式(2)可知, 要想得到相位差φ, 必须要知道D 和E 的值, D 和E 的值受外界的干扰比大,所以相关运算要做归一化处理.。经过模数转换电路的2 路信号分别表示为：

E1(n)= Dcos[(wsw0)n T + φ] + n2(n T)。在数字域内的相关函数为：

r12(φ)=1/N ∑E1(n)E2(n)。信号E1(n)和E2(n)的均方根值为：

除非输入信号幅度非常小，否则FFT运算结果可能导致溢出，为防止溢出的发生，FFT运算提供了归一化功能（可选择），就是输出结果被运算长度N所除。在FFT

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