相位法激光测距的理论设计(综合最新版)

第一篇：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]。

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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

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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

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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

71819300。

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第二篇：相位测距

基于高精度测距的APD接收电路设计

相位式测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，间接地测定信号传播时间，从而得到被测距离的。这种方法测量精度高，通常在毫米量级。

2.1相位式激光测距技术

2.1.1基本原理

相位式激光测距的基本原理框图如图所示：

相位法激光测距基本原理图

它由激光发射系统、角反射器、接收系统、综合频率系统、混频鉴相系统和计数显示系统等组成。角反射器是一种三个反射面之间互成90°的光学棱镜，90°角要求有误差小于± 2 ''的加工精度；它可以把射来的光线按原方向反射回去，即一个入射光射入后，不论入射角如何，经角反射器棱镜反射后的光线与入射光线平行。

相位法激光测距技术就是利用发射的调制光和被目标反射的接收光之间光波的相位差所包含的距离信息来实现对被测目标距离量的测量。由于采用调制和差频测相技术，具有测量精度高的优点，广泛应用于有合作目标的精密测距场合。

基本原理如下：

相位式激光测距调制波形图

设调制频率为f，幅度调制波形如图 2.2 所示，波长为

式中c是光速，λ是调制波形的波长。由图可知，光波从A点传到B点的相移φ可表示为

式中，m 是零或正整数，Δm 是个小数，A,B 两点之间的距离 L 为

式中，t 表示光由A点传到B点所需时间。

给出(2-3)式时已利用了(2-1)式和(2-2)式。由(2-3)式可知，如果测得光波相移φ中2π的整数 m 和小数Δm，就可由(2-3)式确定出被测距离 L，所以调制光波被认为是相位式激光测距仪测量距离的一把度量标准，可以形象的称之为“光尺”。不过，用一台测距仪直接测量A和B两点光波传播的相移是非常困难的，因此采用在B点设置一个反射器(即所谓合作目标)，使从测距仪发出的光波经反射器反射再返回测距仪，然后由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量。图 2.3示意地表示光波在距离 L 上往返一次后的相位变化。

光波往返一次后的相位变化图

为分析方便，假设测距仪的接收系统置 A'，(实际上测距仪的发射和接收系统都是在A点)，并且AB = BA'，A A' = 2L，如图 2.3 所示，则有

或

式中，m是零或正整数，Δm是小数。这时，Ls表示相应于半个调制周期内光波的传输距离，称之为测距仪的“电尺长度”。

如果被测距离的概略值已经精确到电尺长度以内，即已经知道m的具体数值，则被测距离的精确值就要根据Δm 也就是Δφ来确定。然而实际上经常是不知道被测距离的概略值，而只根据一个调制频率又无法确定整周期数m，因而不能唯一地确定被测距离。这个问题称为测距仪的多值性。由于相位测相技术只能测量出不足2π的相位尾数Δφ，即只能确定小数Δm=Δφ/2π，而不能确定出相位的整周期数m，因此，当距离上大于Ls时，仅用一把“光尺”是无法测定距离的。因此采用单一频率测距时，由于只能在一个电尺长度内测量，测距范围为Ls。

图2.4光波经2L后的相位变化

当距离L < λ/2时，即m = 0时，可确定距离L为

由此可知，如果被测距离较长，可降低调制频率，使得Ls > L即可确定距离L。但是由于测相系统存在的测相误差，使得所选用的Ls愈大时测距误差愈大。例如，如果测相系统的测相误差为1‰，则当测尺长度Ls = 10m时，会引起lcm 的距离误差，而当Ls = 1000m时，所引起的误差就可达lm。所以，既能测长距离又要有较高的测距精度，解决的办法就是同时使用Ls不同的几把“光尺”。例如要测量584.76m 的距离时，选用测尺长度Ls为1000m 的调制光作为“粗尺”，而选用测尺长度Ls为10m的调制光作为“细尺”。假设测相系统的测相精度为1‰，则用Ls1可测得不足1000m的尾数584m，用Ls2可测得不足10m的尾数4.76m，将两者结合起来就可以得到 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。

3.2激光发射部分

激光发射部分，包括激光调制信号（4MHz和40MHz两路信号）的产生、激光信号的产生和调制发射部分三个模块。

3.2.1激光调制信号的产生

发射部分最重要的是激光调制信号产生模块即电路中各个频率的产生模块，其中最主要部分包括锁相环的设计和基于 CPLD和VHDL语言的分频器的设计。

由总体框图可知，本系统中除了光频信号外，电路中一共出现五个不同频率的信号，即：主振1：fs1=40MHz，主振2fs2 =4MHz，本振1：ft1 =40.01MHz，本振2：ft2=4.01MHz和10KHz的混频输出信号，除了最后一个混频输出信号外，其他四个频率的信号都将在这个模块当中产生。

其中，主振1（fs1）：由40MHz的有源晶振直接产生，这是整个系统频率产生的源，由系统框图可以看到，这个信号有四个功能：

1)作为激光调制信号，用这个信号去调制激光器，产生40MHz的发射信号； 2)通过分频产生4MHz的主振2（fs2）信号；

3)通过分频提供给锁相环参考信号，从而获得本振1(ft1)信号；

4)给混频器2一个输入信号，与本振1混频后获得发射信号的相位信息，给测相器提供一个开门信号，开始记录相位差信号。

主振2（fs2）：由CPLD对主振1（fs1）信号10分频直接产生。由系统框图可以看到，这个信号的功能为：

1)作为激光调制信号，用这个信号去调制激光器，产生4MHz的发射信号； 2)通过分频提供给锁相环参考信号，从而获得本振2(ft2)信号；

3)给混频器3一个输入信号，与本振2混频后获得发射信号的相位信息，给测相器提供一个开门信号，开始记录相位差信号。

本振1(ft1)：由锁相环产生。由系统框图可以看到，这个信号的功能为：

1)给混频器2提供一个输入信号，与主振1混频后获得发射信号的相位信息，给测相器提供一个开门信号，开始记录相位差信号；

2)给混频器1提供一个输入信号，与回波的40MHz信号混频后获得回波信号的相位信息，给测相器提供测距相位信息。

本振2(ft2)：由锁相环产生。由系统框图可以看到，这个信号的功能为：

1)给混频器3提供一个输入信号，与主振2混频后获得发射信号的相位信息，给测相器提供一个开门信号，开始记录相位差信号；

2)给混频器4提供一个输入信号，与回波的4MHz信号混频后获得回波信号的相位信息，给测相器提供测距相位信息。

3.2.1.1锁相环（PLL）的设计

锁相环路是一个相位的负反馈控制系统。在电子线路系统设计中，锁相环有很广的用途。本系统用锁相环系统产生所需频率的信号，即40.01MHz和4.01MHz的本地振荡信号。

本设计中，锁相环路的功能组成框图如图3.3示。锁相环路由压控振荡器（VCO）、环路滤波器、鉴相器、整形器、分频器和源振荡器组成。

图3.3锁相环系统框图

40.01MHz本地振荡信号的产生电路原理图如下：

图3.4 40.01MHz本地振荡信号产生电路图

MC4044鉴相器原理

MC4044是数字鉴相器芯片，内部由三部分组成:鉴相器(Phase Frequency Detector),电荷泵(Charge Pump),运算放大器(Amplifier)。如图 3.5 所示。

图3.5 MC4044的内部功能结构图

芯片中鉴相器2是一块标志鉴相结果模块，在本系统中没有使用。鉴相器1时序图为图3.6所示

图3.6鉴相器1的时序图

锁相环路的工作过程是一个动态的反馈过程。如上面的原理和电路系统图所讲，有源晶振产生的40MHz标准信号经过4000分频得到10KHz信号,送给MC4044（ST002）作参考信号，而压控振荡器产生的信号经过4001分频送给MC4044，作鉴相器的另一个输入信号。如果锁相环处于失锁状态，即锁相环不能自动的使 MC4044的两输入信号同频同相，也就是MC4044的输出电压不能调节变容二极管的电容使压控振荡器振荡在合适的频率。此时需要手动调节压控振荡器中的中周，即调节回路电感，使锁相环离开失锁状态，进入捕获状态。当进入捕获状态后，MC4044（ST002）通过两个输入信号的相位差产生电压误差信号，这个电压误差信号经过低通滤波器后去控制变容二极管的电容，进而控制振荡器的频率和相位，使鉴相器的相位误差变的更小。这个过程不断循环反复，最终达到锁定状态，即压控振荡器的输出信号经4001分频后能与有源晶振输出信号经4000分频后的信号同频同相，鉴相器的输出相差为0，即输出引脚（U1、D1）都为高电平，输出的电压误差信号为一定值，变容二极管的电容为一稳定值，压控振荡器的输出为频率和相位都稳定的信号。这个过程可以用图 3.7 来表示。

图3.7锁相过程示意图

3.2.1.2基于CPLD和VHDL语言的分频器的设计

CPLD是复杂的可编程阵列，专指那些集成规模大于1000门以上的可编程逻辑器件。CPLD是现代微电子技术发展的技术成果，用CPLD能大大的减小数字逻辑电路带来的需要芯片多，制板麻烦的困难，能把很多数字电路的功能缩小到一个小小的芯片内，而且随着电子技术的发展，速度也能达到设计要求。在本系统的设计中，要用到分频数为几千的分频器，采用数字芯片设计是很困难的事情，所以采用的Altera公司的MAX7064芯片设计分频器。

使用VHDL硬件描述语言对MAX7064芯片进行程序设计，一个完整的VHDL程序设计由以下几个部分组成：库，程序包，实体，结构体，配置。

库(LIBRARY)：用以存储预先完成的程序包和数据的集合体；

程序包(PACKAGE)：声明在设计或实体中将用到的常数、数据类型、元件及子程序等； 实体(ENTITY)：声明到其他实体或其他设计的接口，即定义本设计的输入/输出端口； 结构体(ARCHITECTURE)：定义实体的实现，即电路的具体描述。在结构体内部，如果有时序设计，常用到进程处理结构，即PROCESS()结构，在此结构中的语句具有顺序执行功能，为时序逻辑提供了方便。而在此结构外部的语句则是并行运行，能很方便的实现组合逻辑。在本系统设计中，分频器的设计用到进程结构，即PROCESS()结构； 配置(CONFIGURATION)：为实体选定某个特定的结构体，当实体中只有一个结构体时，默认配置为这个结构体配置。

在QUARTUS Ⅱ环境下，对MAX7064编写硬件描述语言。如图3.8所示，MAX7064的设计过程包括以下几步：

图3.8QUARTUS环境下的开发流程

在本激光测距系统中，需要五个分频器：

(1)40MHz十分频，产生4MHz的信号源，因为要用4MHz的信号去分频和作为主振信号去驱动激光器，所以4MHz信号必须占空比为1:1，而不同于传统的十进制计数器型的分频，即占空比为 9:1；

(2)40MHz经4000分频产生10KHz信号送到鉴相器1；

(3)40.01MHz的压控振荡器产生的本振信号经4001分频产生10KHz信号送到鉴相器1；(4)4MHz经400分频产生10KHz信号送到鉴相器2；

(5)4.01MHz的压控振荡器产生的本振信号经401分频产生10KHz信号送到鉴相器2； 对(2)、(3)、(4)、(5)的分频器，如果采用计数型分频器(占空比不为1：1)，则可能会出现鉴相器捕捉不到信号边沿的情况，所以在设计中，统一采用占空比为1：1((3)、(5)的约为1：1)的设计。

3.2.2调制发射部分

驱动电路的输入信号是40MHz和4MHz两个频率的信号的直接相加所得的和信号。电路原理图如下：

图3.10 调制发射模块电路图

综合以上，发射部分电路原理图如下图3.11所示

图3.11发射部分总电路图

测相原理就是对一定数目的测相脉冲进行积分，根据积分电平值来测算精测值。

图5-3表示CPLD中测相脉冲的产生时序。把15M的参考信号与测距信号同时输入CPLD，如图5-3，产生两者对应的上升沿之间为1，其余地方为零的脉冲，就是测相脉冲。这在CPLD中是比较容易实现的。显然，测相脉冲的占空比代表了测距信号与参考信号的相位差。然后，CPLD输出10个测相脉冲送入积分电路进行积分，由电路基础知识可以知道，若放电常数远大于脉冲周期，则对脉冲的理想积分图像如图5-4所示。

故易见，测相脉冲的占空比越高，即测距信号与参考信号相位差越大，积分电平越高，相位差为2时电平最高。设将最高电平量为Vmax，将其分配到2的相位差中，则单位弧度对应的电平值为:

设充电完毕的时间为。在时间处，也就是开始采样时间处，立即用A/D对电平值进行采样。采得的电平值的精确度直接关系着或者说决定着系统的测距精度，所以说非常关键。由于A/D的采样时间比起时间常数要小得多，所以可以对电平值多次采样以提高精度。采10次求平均，即得精测采样电平值。设采得的电平值为V，则由式(5-2)可知，此时的精测相位差应为:

数据衔接

测得粗测值和精测值即可得到最终的测距值。数据衔接是这样的:粗测填充用的脉冲频率为15M，由式(1.4)可得每计一个脉冲代表10m的距离。设计数值为n，由式(5-3)精测相位差为

精测用频率也为15M，测尺为10m，最终的距离值D为

内光为参考光，外光为接收光

APD接收电路

光电接收电路由 雪崩光电二极管APD、RC 滤波网络、LC 带通滤波器、两级放大和一个滞回比较器组成。反射回来的测距光波被光学接收系统接收，并会聚到APD。在测距光波的照射下，APD上产生了光电流，该光电流的大小随测距光波而变化，因此在负载上得到了与测距光波频率变化规律相同的电压信号。APD雪崩光电二极管采用负偏压工作方式，一端接地，一端接由 APD 高压偏置电路输出的反向高压；RC 滤波网络的主要作用是滤除调制信号的高频分量，以及压缩系统噪声带宽，从而抑制光电系统噪声，提高检测灵敏度；LC 带通滤波器是一个窄带滤波器，其主要作用是让中心频率为 15MHz的一定带宽的信号频带通过，而带宽以外的信号则被滤掉。放大电路由5U1(SA5211)和运放 TL072 构成，滞回比较器由运放 TL072 组成，作用是将放大后的接收信号转换成标准的连续脉冲信号

本系统APD采用日本滨松公司生产S2381，其重要的参数特性如下 光谱响应范围:400-1100nm;光灵敏度:0.5A/W（800nm）;暗电流:典型值为0.05nA，最大值为0.5nA;击穿电压:典型值为150V，最大值为200V;截止频率:1000MHz;温度系数:0.65V/℃;结电容:1.5pF;过剩噪声:0.3（800nm）;增益:100（800nm）。

第三篇：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。

第四篇：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

第五篇：激光三角法测量钢板厚度光学系统设计

光学系统设计论文

目 录

摘 要…..........................................................................................................................第一章 引言..................................................................................................................1.1研究的背景和意义...........................................................................................1.2 国内外研究现状................................................................................................1.2.1 国外发展现状.............................................................................................1.2.2 国内发展现状...............................................................................................第二章 测量原理及方案论证.....................................................................................2.1 设计任务分析.....................................................................................................2.2 测厚技术简述....................................................................................................2.3 激光三角法测量原理...........................................................................................2.3.1激光三角法测量的类型和区别....................................................................2.3.2激光三角法测量的基本原理........................................................................2.4 沙姆条件…………………………………………………................................2.5 测量模型及方案论证…………………………………………...........................第三章 光学系统设计....................................................................................................3.1总体结构布局.......................................................................................................3.2光源......................................................................................................................3.3聚焦系统与成像系统...........................................................................................第四章 误差与精度分析................................................................................................4.1 误差分析...............................................................................................................4.1.1光学系统误差分析.........................................................................................4.1.2随机误差分析................................................................................................4.2 精度分析.............................................................................................................第五章 总结....................................................................................................................参考文献.........................................................................................................................摘要

在科学技术迅速发展的今天，外形尺寸的测量一直是工业生产中的一个重要环节，厚度测量更是人们关注的焦点。在测厚领域里，采用激光三角法这一典型的非接触式测量方法对物体的厚度进行绝对测量不仅能满足测量的实时性，还能保证测量的高精确度，这种测量方法已经成为工业生产的发展趋势。本文所提出的基于激光三角法厚度在线测量技术采用双光路半导体激光技术与直射型激光三角法相结合，同时对平板物体进行厚度的在线测量。

文中主要包括总体方案的设计和由此涉及的关键技术、测量原理、精度与误差、实验等几个部分，本课题提出的基于激光三角法厚度绝对测量研究,是集机、电、光、计算机等技术于一体的精密测量方法,它的主要组成部分是:激光器、聚焦系统和成像系统、光电转换器件CCD及计算机数据处理部分。这里由于是只对光学系统进行设计，所以本文主要论述的是光学系统部分的任务分析，测量原理的理论分析和计算方法，并对光学系统可能产生的误差进行分析，并对于个别误差提出相对应的解决措施，以提高测量精度和测量速度。全文的主要内容分为四章：

第一章：引言,主要介绍了钢板测厚的重要性，由于主要采用的是激光三角法进行测量所以主要介绍以及激光三角法在非接触测量中国内外的发展现状及应用前景。

第二章：测量原理，激光三角法测量的不同类型，通过对比，进行选型；简述激光三角法的测量原理，我们所设计的光学系统的测量模型和方案论证。

第三章：首先介绍了总体结构的布局，然后对光学系统的光源、聚焦系统及成像系统进行设计。

第四章：对光学系统在测量过程中可能产生的误差进行了分析，并对一些误差提出了解决方案以提高测量的精度及速度。

第五章：总结，文章的最后进行了全文的总结，并提出了在设计过程中的不足之处，讲述了自己在设计过程中的心得体会。

第一章 引言

§1.1研究背景和意义

现如今，工业发展的水平可以近似直接代表着国民经济的整体实力水平，因此工业的生产技术水平对国民发展有着重要的意义。钢板是造船、桥梁、机械、汽车行业中不可缺少的原材料，在轧钢生产过程中钢板尺寸是很重要的参数，直接决定着钢板的成材率。传统的检测方法是采用检测头与待测钢板直接接触来测量，这种测量方法检测效率低，劳动强度大，而且会使测量仪器的检测头发生磨损，从而造成仪器的测量精度下降。因此，在现代板材生产中，不论是轧制过程中还是最终产品的调整中，为获得较高的板材命中率和最佳的轧制过程及剪切效果，板材尺寸测量系统已成为生产线上不可缺少的设备之一。宽度偏差每减少1mm，成材率就可以提高0．1％左右，因此尺寸控制技术可显著提高经济效益和产品竞争力。

目前，我国大部分企业仍在延用传统的测量方法，采用接触式的测量方式，技术相对落后，而且在处理复杂的零件时显得无从下手。这种情况严重地影响了工作的效率与工作的质量，为此应加大力度地发展测量的新技术来解决传统测量方式不能处理的问题，以适应现代生产发展的需要。随着工业生产技术的不断提高与更新，这种非接触式的测量方法能够满足对测量所要求的精确度与实时性，己经成为这一领域的发展趋势。再加上电子技术与光学技术的飞速发展，光电检测这种综合多种技术的测量方法成为非接触式测量的重要手段。本文所提出的激光三角法是光电检测技术其中的一种。这种方法在检测长度、距离以及三维形貌的用途中因其具有结构简单、响应速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点显得更具优势。这种方法已经在测量位移、表面形貌等检测工作中取得了很好的效果，并且会扩展更广阔的使用空间,发挥其优势,推动工业检测技术的发展。

§1.2国内外研究现状

自上个世纪60年代激光测微仪的诞生，这种商品被大力的发展与生产，性能得到不断的改善,应用领域也被扩展的更加广泛，成为一种重要的非接触式检测仪器。国内外也有不少企业在做这方面的技术，一般分为直射式与斜射式两种形式。直射式的产品有基恩士公司生产的LS系列和LK系列，德国Micro-Epsilon

公司的optoNCDT系列，美国MT公司的MicroTRAK系列等多种型号；斜射式的激光位移传感器以日本Keyence公司的LK系列最为突出。表1-1列出了目前市场上常见的几种激光三角位移传感器的技术指标[6]。

表1-1 激光三角位移传感器的技术指标

[8]

1.2.1国外发展现状

在欧洲以及美国等发达国家很早就致力于激光三角法测量平板厚度的基础理论研究及测量仪器的研制，并且己经为此投产，生产出了一系列相对比较完善光电检测产品，尤其是在日本和德国，光电子技术的发展的速度非常快，应用也相对的更为广泛一些，所以国外在厚度检测这一方面的发展有着很迅猛的速度，拥有光源照明技术和光电检测元件的种类非常齐全，光电检测技术也很成熟。例如:日本的Mot1toshiAndo等人运用光三角方法印制线路板的线条检测，用这种方法还可以检验出工件表面的划痕和裂痕；英国剑桥大学的Roert Johnes等人将该方法用于涡轮叶片及飞机机翼断面检测，在10mm范围内精度可达2-

5；西德早已报道把激光光学三角测量技术和装置用于随线控制，它既可测量钢板的厚度，又可测量钢水的高度；日本的安立一岩通公司推出的通用型激光厚度位移计ST-370型的1、2、3系列。国外各大公司在光电检测技术中的突出表现代表了目前光电检测技术的一个发展程度，同时也预示着光电检测技术更广阔的发展空间。

1.2.2国内研究现状

虽然国内在光电检测技术上的起步较晚，但是鉴于传统的接触式测量技术有

着较大局限性，行内的技术人员早已注重了对于新型测量方式—非接触式测量技术的研究，使其技术在国内迅速发展，并且取得了一些相对比较好的成果。例如：1987年8月由电子工业部第二十五研究所的陈为民、卞海洋等人研制成功的激光测厚仪采用激光双三角测量原理，由激光器!视频信号处理器、微机等组成；1991年,中国科技大学的金泰义、李胜利等人开发研制出了JW—1型CCD激光测微仪，它以半导体激光器为光源,通过CCD进行信号接收，接受的数据送入计算机进行处理。这种测微仪是光、机、电一体化的典型事例，是光电检测方面研制的比较早的CCD激光测厚仪，采用光电藕合器件CCD实现,整体系统的技术水平在当时的国内己经体现了检测技术的最高水平；长春光机所研制的基于光学三角测量原理的激光非接触探头结构简单，体积小，重量轻，测量精度高，速度快；安徽工业大学电信学院的章小兵在研究了板材在线测厚时就用的激光三角法并叙述了激光三角法测厚的原理[1]，对板材在线测厚系统进行了硬件设计和软件设计并给出了系统测量指标。与此同时，例如计算机视觉测试技术等新型技术都是在以激光三角法为理论基础的研究上发展起来的。

§1.3展望

通过大量的检索查新国内国外文献资料，可以发现目前我国光电检测仪器与工业发达的国家相比，我国的光电检测的仪器产业还不够成熟。我国主要报导的多，实际设计应用的少。从减小测量误差、提高测量有效速率方面与发达国家的产品设计还是存在一定的差距的。特别是本文涉及的以激光技术激光三角检测技术、光学系统设计和计算机技术相结合对平板进行绝对测厚的技术在国内鲜少报道。

第二章 测量原理和方案论证

§2.1设计任务分析

由于在生产线从加热炉出来，经轧辊机轧制的钢板，温度很高，一般在900℃左右，呈现红色或暗红色。为了更快更准确的获得钢板尺寸数据，得到最佳的轧制过程及剪切效果，需要实时在线采集钢板尺寸信息，并及时显示出来，以便于操作工人及时调整轧机或者印制尺寸标识。所以我们根据实际应用需求，要求所设计的测量系统必须可以进行非接触式的在线测量，为了简化设计难度，在设计要求中假设是在钢板冷却后再进行测量。所需测试的钢板的厚度为5±0.05mm，精度要求为±1％。

§2.2测厚技术简述

测厚技术通常都是以非接触式检测方法为主，按照测量原理和使用的传感器类型来分，大致可分为激光三角法、电容法、射线法、超声法等。这里我们选用的是激光三角法测厚度，所以其他测量方法就不做过多的赘述。

激光三角法利用探头中的激光器发射出激光，入射到电荷藕合器件CCD或位置检测器PSD作为接收器，通过在接收面上的像点经过位移变化，再通过计算公式计算出被测面的位移。本系统就是采用这种双激光三角法进行厚度测量,其原理示意图如图2.1所示。

图2.1双激光三角法厚度测量原理示意图

激光三角法在测厚领域里已经日趋发展成熟，通过光学系统、机械系统、电路系统三者有机的结合，已经有一系列的测厚仪器问世；同时在近几年中，应用激光三角法，结合电荷耦合器件CCD，应用两个探头同时进行厚度测量，使测厚技术己经逐步向于动态、实时化测量，自动、程序化数据处理方向高速发展。

§2.3激光三角法测量原理

根据前文所述的任务分析，我们选择采用具有分辨力高、测量精度高、稳定性好、非接触测量、可实现在线检测、测量仪器体积小等特点的激光三角法，来实现位移测量的。尽管常用的微位移检测的方法有很多种,例如机械法、电学法、光学法等，但都无法与激光三角法匹敌,激光三角法是位移检测方法的发展趋势,具有广阔的应用前景。

2.3.1激光三角法测量的类型及区别

(1)反射型与投射型

激光三角法光路按检测方式分为反射型与透射型本系统采用的就是反射型的激光三角法,通过激光在被测对象的表面发生反射,接收到被测信息。而对于一些特殊材料的被测工件如透明物质,由于其表面非常光滑，用反射型会对测量产生一定的影响,则可以采用透射式激光三角法,通过激光器发出的光线透过被测工件再投射在光敏面上而获取测量信息。(2)单束光和片光

按入射光束的形态来分,又可分为单束光和片光。顾名思义,若单束光入射的话,光斑小、光的强度高，但是广度不够,如果片光入射则需要采用激光透射光条与一个面阵探测器组成,通过光切法,也称结构光图像法，能一次获取一条扫描线上的数据。本系统采用的是单束光入射测量。(3)直射型和斜射型

若按入射光线与被测工件表面法线的关系来分,可分为直射式和斜射式。对于直射式,就是光束垂直入射到被测物表面,采用漫反射光进行测量,当物体纵向移动时,所测的始终是同一个被测点；斜射式的入射光束则与被测物表面形成一定的角度。

斜射型：如下图2.2所示,入射光束与被测物面成一夹角,利用反射到探测器件CCD的像点位置变化测量物体的位置厚度,当物体纵向移动时,所测的被测点会随移动发生改变,当测量平滑物体如玻璃、镜面时要比直射型的测量精度高很多。斜射式入射光照射在物体的不同位置,当被测物体移动时,光点的位移不能直接得到,要通过角度计算得出。斜射式分辨率很高,但测量范围较小、体积较大、光斑较大，所以在此不符合本系统体积的要求。

图2.2斜射型示意图

直射型：如下图2.3所示,激光器发出的入射光束垂直于成像透镜光轴O,光敏面与成像物镜O平行,被测点的位移与光电探测器上光斑的位移为线性关系,可用于测量相对或绝对位移,但其光敏面要求很大,而且被测点在成像面的像并不清晰,因此测量精确度不高。光斑较小,光强集中,体积较小,并且不会因被测面不水平而扩大光斑是直射型三角法的最大优点。但由于直射型接收的是散射光,当测量到较为平滑的被测面时,散射性能较差,使光电探测器件CCD接收到的散射光光强小,对测量产生影响,令测量过程受到阻碍,测量精度受到影响。

图2.3直射型示意图

2.3.2激光三角法测量的基本原理

通过上述对激光三角法测量的类型及区别的论述，及我们设计任务需求的分析，综合考虑我们选择了单束光入射，光路检测方式为反射型，光束垂直入射到被测物表面,采用漫反射光进行测量的直射型激光三角法对钢板厚度进行测量。(1).传统的激光三角法

传统的激光三角法基本原理如图2.4所示，采用直射型，光电探测器采用的是CCD，当散射光通过成像透镜时，如果将CCD以垂直于激光束入射的位置进行安装耦合，则成像到CCD上的光点会由于没有完全聚焦而出现弥散斑，测量并不完全。

图2.4 激光三角法的基本原理图

于是为了光点所成的像在接收器表面上每一点都清晰，则要求透镜光轴与接收面之间必须形成一定的夹角，所以我们选用CCD接收器为倾斜式的方式，即完全聚焦的激光三角法测量,如图2.5所示。

图2.5完全聚焦的激光三角法示意图

图中PO为入射光源,光线经准直透镜后垂直入射到物体表面，反射后经过成像透镜中心点M成像在CCD接收面上，入射光PO与反射光以的夹角为θ，反射光OA与CCD成像平面的夹角为，P点成像于CCD平面上的B点，O点成像于CCD平面上的A点，由图中可知，P点与O点高度不同，所成的像投射到光敏面上的位置也是不同的，设O点所在平面为基准面，A为CCD成像平面上的成像基准点，则光线PO上的点与CCD平面上的投影点是一一对应的。因此，只要知道光线PO上的任何一点在CCD成像面上的位置就可以求出该点的高度信息。由图2.5，可列出以下关系式

(2.1)

由公式(2.1)可推出

(2.2)式中：

PO一一物点的高度信息;AB一一P点在CCD成像平面的成像点与成像基准点A的偏移量 OM一一O点成像PO物距;MA一一O点成像像距;激光束垂直投射到被测物面，所形成的漫反射光斑作为传感信号，用透镜成像将收集到的漫反射光会聚到像平面的光接收器上形成像点。当被测物面移动时,入射光斑也会随之移动，像点也会在光接收面上做相应的移动，根据像移大小和系统结构参数可以确定被测物面的位移量，从而还可以获取其它方面信息。本系统中，为使光接收器上的像点不存在盲点,光接收器的光敏面必须与成像光轴成一夹角。这样既可以保证入射光斑与其像斑位移具有的关系精确，还可以使成像点最小，有利于提高测量精度。同时为了提高测量精度，和θ必须满足沙姆

(Seheimpflug)条件，即，如图2.6所示[5]:

图2.6物一像位移轨迹图

图中d0为基准点的物距,di为基准点的象距，O’为O经成像透镜的像点,A、B分别为a、b经成像透镜的像点,θ为光入射角, 为成像角,l为成像透镜,焦距为F。

当激光光束照射到a点时，由图3.7可知:

由相似三角形△ao1l△l得：

令 则由式(2.3)，同理可推得,当物面由O至b时

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)

可化简为

(2.7)

(2.8)

(2.10)(2.9)

(2.4)

综合上面可得, 式中,符号“+”对应于图2.6由o移至b,符号“─ ”对应物面由o移至a。式中,符号“+”对应于图2.6由o移至a,符号“─ ”对应物面由o移至b。

(2.12)

(2.11)由Z-I关系公式可得Z-I关系曲线，图2.7所示。从图中可以看出I该曲线为非线性曲线，只有当物面在O点附近较小范围移动时，上述曲线可近似按线性关系处理。

图2.7 Z-I非线性关系曲线

§2.4 Scheimpflug Condition(沙姆条件)被测物表面,镜头平面和影像的平面在一个共同点上相交的光学状态称沙姆条件,即在直射型激光扫描测量中,当入射光斑沿激光束方向位移时,其成像点在像平面内沿直线轨迹移动,则激光束轴线!成像透镜主面及CCD像平面三者交于一点,满足高斯条件,这是激光三角测量传感器实现精密测量的前提条件。

§2.5测量模型及方案论证

本课题采用直射式三角法，测量模型的的基本组成有激光器、聚

焦物镜、成像物镜及光敏阵列线阵。CCD其测量原理为激光器发出光的轴线与聚焦物镜的主平面两者同处一个平面上，并与CCD垂直。当激光器发出一束平行光，经由聚焦物镜聚焦在待测物的表面，产生的散射光通过成像透镜成像在CCD光敏面上。CCD将像信号转换为电信号测出其像点的位置。当被测物体沿着法线方向移动时，其表面上光斑会随着聚焦物镜的位置变化而发生改变，相应地，像点在光敏器件CCD上的位置也要发生变化，精确地测量像点在CCD上的位移x，就可以得到被测物体的位移量。由于是绝对测量，所以采用激光上下表面双三角法，准确的测量运动物体的厚度。如下图5.1所示，图中a为散射光接收角，θ是成像角，d0为参考点处的物距，di为像距，d为上下两参考面之间的距离，x是物位移，x’为像位移。

图2.8 激光三角法测厚原理图[2]

(2.13)由上图可得光学关系式： 式中 β一一成像透镜的放大倍数

上、下物面相对的移动距离为x1和x2，两CCD上的像点移动至x’11和x’21，像点移动距离 ,。根据几何关系，有

则

因此，(2.14)由于上下探头完全对称,同理可得

(2.15)

其中

在后,C1与下探测头测得像点位移量件的位移量x1、x2,物件厚度为

探头参数确定C2为定值,当上

后,按公式(2.14)、(2.15)式计算便可得到物

第三章 光学系统设计

§3.1总体结构布局

3.1.1系统的组成

系统由以下几大部分组成：激光发射器，光三角位移检测系统，计算机数据处理系统，工作台。

图3.1 测量系统方框图

1.激光测头部分

由激光发射器组成的光源系统、聚焦光源的准直系统、接收光信号的激光成像系统构成，由于本设计测量为绝对厚度，所以我们采用两个激光探测头。2.光三角位移检测系统

本文采用激光三角法原理设计的测厚系统,用线阵CCD作为光电接收器件，通过物面的位移由此检测出在感光面上成像点的位移,通过计算得出厚度。3.计算机、实时数据处理与控制系统

计算机数据处理系统是将接收到的光信息转化为数据输入计算机，通过计算机的内部编程结构计算出所求厚度,并显示出测量结果、存贮及打印。4.工作台

对所测物件进行固定，并使其可按照一定规律、方向、有速度的平稳运动。这种系统主要是由基座、滑台、导向、传动、定位与夹紧结构等组成的。

2.3.2总体结构布局

基于激光三角法原理设计的测厚系统,是通过上述的激光探头系统发出光源,照射在被测物体上,通过光三角位移系统作为信息载体,接收并反馈出所需信息,并经过计算机控制系统进行数据确定,对工件进行测量,则被测工件的绝对厚度可以确定了。根据系统组成,总体结构布局如下图3.1

图3.1总体结构布局

§3.2 光源

目前,激光作为一种新型能源[6],具有单色性好,光亮度极高,方向性强等优点,它在测量,加工等多种领域都有很广泛的应用。在众多的激光器中,氦氖气体激光器和半导体激光器应用尤为广泛。其中氦氖气体激光器具有连续输出激光的能力、结构简单,但体积较大,而半导体激光器具有体积较小、效率较高、驱动功率小等优点,尤其适用于测距。于是为了本设计要求，本文选取了半导体激光器。半导体激光器发出的激光,由于空间相干性好,投射点也相应的变得很小,辐射能量就越小,分辨率就越高,能量密度也随之增大。文中选用的是波长为688nm半导体激光器。在实验中发现,由于选用的激光器发出的激光光强较大,使投射到光电探测器CCD上像点的光斑也随之增大,影响测量系统的分辨率。解决的方法是在聚焦透镜后面放置一块偏振片,通过调节偏振片,改变其旋转方向,对激光器所发出的线偏振光进行过滤,使光束中心光强较强的光束通过过滤,滤除边缘较弱的光,使光束细化,则CCD上像点的光斑减小,提高仪器的测量精度。

§3.3聚焦系统及成像系统

在光路设计中,聚焦系统和成像系统是本设计中的关键环节。整个系统的可靠性在很大程度上取决于聚焦系统和成像系统的准确性。

3.3.1聚焦透镜

激光器光源发出的光尽管光束较细,发散角较小,但仍存在一定的直径,在CCD的光敏面上形成的是一个小光斑,测量精度会由于覆盖光敏面上的光敏元离散而受到影响。另外,当物体表面随法线方向进行移动,位移发生变化时,像点在CCD的光敏面上也作出相应的位置移动,如果像点过大,而CCD光敏面量程一定会影响测量效果,则应尽量缩小投射在CCD光敏面上的像点直径,减小孔径,使像差较小。在本系统中,聚焦透镜的设计不是本文研究的主要重点,则设计中我们采取了结构相对简单、准直效果较好的单透镜聚焦系统。

3.3.2成像透镜

本系统的成像透镜是根据测量系统的分辨率、测量范围、工作距离等要求光

电转换器件CCD本身特性进行设计的。系统测量范围很大时,要求散射光在CCD面上的成像点不能过大。如果测量范围很大,当被测物体移动到测量范围边缘时,光强会随移动而逐渐衰减,所以要根据实际情况调节放大倍率刀的大小。

第四章 误差与精度分析

§4.1误差分析

基于激光三角法的厚度绝对测量试验系统是一个由机械、光学、电子和计算机组成的一个有机的整体,因此在测量实验中所得到的结果中所包含的误差也是由多种误差因素引起的。在这些误差中,有些通过具体计算就可以得到,而有些则需要通过实验标定的方法来进行估算,并且在某些情况下只能求出误差的变动范围,这就是误差极限值。这里主要介绍光学系统的误差分析[4]。4.1.1光学系统误差分析

在本测量系统中,光学系统的误差主要是指采用的激光器、光学透镜产生的,从测量原理上看,光源方面我们需要采用一种体积小、驱动功率小、使用方便的光源发生器,同时还需要光源的空间相干性好,这样才可以使投射到测量物体上的光斑小,光斑越小分辨率就越高,但是如果光斑非常小,辐射能量就不会很大,导致接收灵敏度就要降低。所以,为了在通过光学系统聚焦后产生较高的能量密度,系统采用了半导体激光器作为光源,这样才能使探头小型化。但是半导体激光器本身也会产生误差[7]。

(l)激光束输出功率的不稳定及噪声影响。激光的功率不稳定将造成光强分布不稳定及激光线宽;噪声影响有很多因素,直接影响测量精度。

(2)激光投影质量的影响。由于被测物体的表面特性、测量环境等因素的影响,激光投影质量也会产生误差。在光学元件方面,被测物体方向与成像系统光轴存在一定的夹角,虽然在实际装调过程中调节,但并不能达到理想角度,所以会产生各种象差(彗差、像散、畸变等轴外像差)使实际成像点偏离理想成像点而产生误差。4.1.2随机误差分析

基于激光三角法厚度绝对测量的实验系统的随机误差可以主要归纳为以下几个方面:(l)测量装置方面的因素:测量装置采用的CCD探测器在采集信号及电信号处理时会造成随机噪声,在重复测量过程中,会产生离散化采样误差、每次测量时量块的装夹位置也不一致。

(2)测量环境方面的因素:测量主机所在的平台会有外界所带来的轻微的低频震动;仪器所在的实验室气流和温度会有波动,以及空气中尘埃的漂浮等。

(3)操作人员方面的因素:尽管仪器自动采集与处理数据,但测量标准样件是由操作人员装夹并调整操作的,会使被采集的图像分辨质量差、造成较大的离散化采样误差;以及工作人员可以被当做热源引起气流的扰动。

随机误差是一种随机变量,它具有随机变量固有的统计分布规律。设被测量值的真值为x0,各次测量值为xi,若xi中不含有系统误差,则根据对随机误差δi的定义有：

δ

i

= xi-x0

对于一组测量数据,往往用标准差来表述这组数据的分散性。如果这组数据是来自于某测量总体的一个样本,则该组数据的标准差是对

总体标准差的一个估计,称其为样本标准差。

其中该公式中的Vi = Xi−X0定义为残余物差即残差。

§4.2精度分析

本系统采用的是精度很高的传感器,但理论上,仪器的内部还会存在测量误差。这里同样主要介绍光学系统方面[3]。1.测量系统方面

(1)光学系统的像差会使物体上任一点发出的光束通过光学系统后,不能汇聚在同一点,而是形成一个弥散斑并不能表现出原物的形状。相应的改进方法是在接受透镜的设计中要考虑像差的因素。(2)光信号的输入与电信号的输出之间呈非线性,相应的改进方法是采取较优的标定方法,之后得到具体的物体位移值。2.被测物体方面

(l)被测表面的粗糙会对测量精度产生影响,相应的改进方法是多选取几块标准量块进行多次测量,对于有时被测表面产生的阴影和死区,采取两个激光探头发出的激光从相对的两个方向同时对被测物进行扫面,使用单光源、双检测器,最后通过计算融合数据。

(2)由于被测物不总是标准量块,表面会有孔或者缝,使得传感器不能很好的接收反射光。相应的改进方法是采取对称性的光学三角传感器。

(3)被测表面会有材料、光学性质的差异，如透明物体，物体对光的反射或吸收程度会不同于半透明的物体,也不同于不透光的物体,反射率与折射率等因素会引起成像光斑有像差。改进的方法是使传感器的入射透镜和接收透镜的光轴所成的平面与待测表面平行,接受足够的光强,这有利于提高测量分辨率。如果是高度镜面反射则需要采用线偏振光作为光源,利用线偏振光的参数随镜面反射改变。3.环境影响方面

在温度方面,只能人为的保持周围环境温度稳定,在使用仪器时进行预热;在气流运动方面,使用保护罩保护测量头或者使用风扇更强的搅动测量部分与工件之间的空气;同时在灰尘与污物方面,采取小心的清洁。为了减小环境对系统的影响,要在接收物镜和线阵CCD之间安置一滤光片(激光器发出的红光波长为650nm,其透过率可达百分之九十多,而其它波段的光几乎可以全部滤掉)。同时在激光器和聚光镜之间安置孔径光阑,以减小光斑直径。本系统采用上下探头同时测量,可以消除测量过程中盲区的出现。当被测面有一定的倾斜角,也可以通过两个探头对测量进行补偿,这种测量方法就可明显提高传感器的测量精度。

第五章 总结

激光三角法是本系统采用的基础方法,在现代工业发展的今天,激光三角法是非接触测量中最常用的方法,具有很广的应用范围。应用此种方法可对各种类型物体进行诸如物体表面形貌、厚度、三维等微位移的测量。由于激光三角法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点，所以在这里我们将激光三角法作为本系统所采用的基础方法对钢板进行非接触式在线测量进行光学系统的设计，同时对光学系统在测量过程中可能产生的误差进行了表述，并对一些可能影响测量精度的问题提出了修改方法和意见。

不足之处，由于时间紧迫并没有搭建试验装置进行模拟测量，并对测量数据进行误差分析，提出改善方案。并没有通过Zemax等软件设计对光学系统的聚焦透镜和成像透镜进行模拟光路的设计。

体会：光学仪器设计在设计时需要整体的结构考虑，不能只是一味的进行光学系统的设计，在仪器的设计中通过模拟软件或装置模拟搭建来获取数据进行误差分析也是光学系统中非常重要的一部分，通过对测量数据的误差分析我们还需要进一步的对所设计的仪器装置，系统部件参数选择进行优化，以更好的实现设计任务要求。在设计时我们要因地制宜，对要设计加工的对象，作业环境，操作流程特点进行分析，这样才能使我们所设计的系统更具有实用性，高精度和高稳定性等特点。

参考文献

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[7] 黄战华,蔡怀宇,三角法激光测量系统的误差分析及消除方法,光电工程,2002 [8]汤思佳,基于激光三角法厚度绝对测厚技术研究.[硕士学位论文].长春理工大学.2010