基于脉冲激光的测距系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于脉冲激光的测距系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

原理图 21 所 示。 如果计时电路在起止脉冲之间所记录的时标脉冲个数为 n，则有式(23)： fnt (23) 燕山大学毕业设计（论文） 6 CLK START t C L K S T A R T t E N D END 图 其中， f 为计时脉冲的频率，将式 (23)带入式 (21)可得： nlfncL 22  (24) 其中， 2l 代表每个时钟所对应的距离值，即当 f =100MHz 时，由上式可以得到式 (25)： ml 103268   (25) 由此式可得，时间间隔测量单元的频率对脉冲法测量距离的精度有着莫大的影响，如式 (26)： tcL  21 (26) 如果要提高脉冲法测距精度，就需提高时间间隔测量单元的频率，也称为晶振频率。 如果时间间隔单元的频率提高，则相关的元器件的性能亦需要提高，就会增加系统设计的成本，因此也不可无限制地提高。 第 2 章 脉冲激光测距的基础 7 脉冲激光测距的性能方程 一束激光在大气中传播时，会有一定的辐射功率和发散角，在其传播过程中，由于大气的作用，有一部分光能被吸收，另有一部分被散射，如此一来，最终能够到达目标的辐射能量会减少许多。 如果将目标看成二次光源，根据目标的漫反射的性质，可以求出在探测器方向上的激光辐射亮度，对目标的受照面积进行积分并考虑到回波信 号在大气中的衰减作用，即可得到进入探测器中的回波光功率。 其原理如图 21 所示，为了使激光接收系统能够更多地接收激光发射系统的激光功率，并且能同时保证背景辐射尽可能少地进入激光接收系统，就必须使得激光接收系统的接收视场角 Ωr和激光发射角 Ωt 之间能够有一个良好的匹配关系。 理论上来说，最为简单的方法是使接收视场角和激光发射角相等，亦即Ωr=Ωt，在此情况下，发射光束的直径与接收视场的直径总是相等的。 假设激光测距仪的发射和接收系统是非同轴的，并且激光光强是均匀分布的 (事实上是按照高斯分布的 [13])。 假设由发射 系统所发射的激光的峰值功率为TtPt，激光束的立体角为 Ωt，则有，激光光源照射在被测目标上的辐射照度如式 (27)： 2RPTTE t ttat  (27) 其中， aT 是激光的传输距离为 R 时的大气透过率，进一步，可得式 (28)： ]),(ex p [)(0 R v drRRT  (28) 式中， )( vR， 是大气消光系数，假设被测目标是理想的漫反射体，那么以被测目标作为二次辐射源向各个方向辐射的亮度可由式 (29)得： mm ML (29) 式中， mM 是目标辐射出的辐射度，它的值为 tm EM  ，  为目标的漫反射度。 由此可得出目标的辐射亮度为： 燕山大学毕业设计（论文） 8 2RPTTML t ttamm   (210) 假设激光测距仪接收系统的接收面积为 A ，激光所发射的光束与距其 R远处目标相交的截面积为 S ，任一面元 ds与激光测距仪光轴夹角为  ，根据亮度的定义，则可得出以被测目标作为二次光源沿着激光测距仪的光轴方向辐射到其接收立体角内的辐射功率如式 (211)所示： c o s2   dsLRAP s mrm (211) 假设激光测距系统的接收视场 2RArr  ， 激光接收系统的透过率 rT ，依据大气透过率 aT ，则可得出探测器所接收的光功率为： 2222c o sc o s RdsRTAPTTdsRLTTAP ssrrttamarrr   (212) 设被测目标的有效反射截面积为： dsAsm  cos (213) 如此，激光测距系统对于较小的目标来说，其测距方程可改写为： 222RAR TAPTTP mrrttar    (214) 为了使式 ()能够适用于激光测距系统对大目标测距的情况，需要引入一个比例因子 2RA rm 。 由于激光测距系统的信噪比是衡量其性能的重要指标，因此为减小进入脉冲激光测距系统探测器中的外部噪声，在对小目标进行测量时，常常使其接收视场 r 略小于激光束发散角 t [14]，只有在接收视场内的目标后向反射光功率才可被光电探测器接收，被光电探测器接收的功率与目标后向反射功率的比为 tr 。 在此，令 tr  = ，并将其与比例因子  一起带入式 ()中，则脉冲激光测距方程可写为： 22RATTTPP rrattr   (215) 第 2 章 脉冲激光测距的基础 9 式中： tP—— 激光测距系统的发射峰值功率 rP —— 激光测距系统的接收峰值功率 tT —— 发射光学系统的透过率 rT —— 接收光学系统的透过率 rA —— 接收光学系统的面积 —— 目标漫反射系数 aT —— 介质的单程透过率 R—— 目标距离 ，  —— 分别定义如下： 式 ()中， mA 是目标的有效面积。 它是由目标表面任一面元 ds和激光束之间的夹角；以及被测目标被激光束所照射的有效面积 S 来确定，即如式()所示。 式 ()中， t 为激光发射束的发散角， r 是激光测距系统的接收视场角。 222, 1.{RARARAtt mt (216) trtrtr   ，1{ (217) 有上述推导可知，如想测距方程成立，则需要具备如下条件： 1)目标必须是理想的漫反射体； 2)目标距离与激光测距仪的横向尺寸相比足够大； 3)接收视场 2RArr  ； 4)忽略大气湍流对回波光功率的影响； 5)忽略目标及大气对激光回波光束时域特性的影响； 6)仅考虑目标后向反射的回波激光功率。 激光测距方程直观地描述出了到达激光测距仪接收器的光电探测器的回波功 率和测距机的发射功率、激光束发散角、光学系统的透过率以及其接燕山大学毕业设计（论文） 10 收视场等性能参数；传输介质的衰减，目标有效反射界面与反射率等目标特性之间的关系。 此方程虽然只是一个简化方程，但依据实验结果，它依然可以估算出激光测距仪的最大探测距离以及影响激光测距系统的测距性能的相关因素，这是激光测距系统设计的理论基础。 脉冲激光测距仪的信噪比方程 如今，在光电子技术的实际应用中，一定会涉及到将光信号转换为可观测信号的问题，本设计也不例外。 一般来说，凡是把光辐射量转换为电量 (电流或电压 )的光探测器，均称为光电探测器。 因此 ，光电探测技术在激光测距中有着重要的作用。 脉冲激光探测器的光探测原理 光电探测器的基本功能是将入射到探测器上的光功率 )(tP 转换成相应的光电流 )(ti ，即： )()( tPheti q (218) 式 ()中， e 为电子电荷，  为探测器的量子效率，它是由探测器的物理性质所决定的： h 普朗克常数，  入射光频率。 因此，要使传递的信息表现为光功率，利用光电探测器的这种直接的光电转 换便可实现信息的解调，这种探测器被称为直接探测。 由于光电流是相应于光功率的包络变化，因此直接探测也成为包络探测。 因为直接探测具有实现简单和可靠性好的优点，脉冲激光测距机等诸多光电设备一般都采用这种方法。 现在，假设输入光电探测器的信号光功率为 ts ，噪声光功率为tn，光电探测器的输出电功率为 0s ，输出的噪声电功率为 0n。 信噪比方程 一般来说，直接探测光电探测系统大多是从信号频谱和噪声频谱上的差别来抑制各种噪声，因此主动光电探测系统的发射信号必须是经过模拟或脉冲调制以后的调制信号，它的重要特性是它的频谱。 设脉冲激光测距仪发射的周期矩形脉冲的光功率如图 22 所示 ,可表示为： 第 2 章 脉冲激光测距的基础 11 )](1[0 tmPP tt  (219) 式 ()中， 0tP 是激光脉冲的平均功率， )(tm 是功率调制系数，其定义为： )22(,1)22()22(1)(TttTtTtm， (220) 忽略大气及被测目 标影响激光脉冲调制特性的一些因素，则激光测距仪接收到的由其发射并经目标反射回来的脉冲回波光波功率为： )](1[)( 0 tmPtP ss  (221) 式 ()中， 0sP 为接收到的平均光功率， )(0 tmPs 为接收到的信号光功率。 经光电探测器转换以后， 0sP 变成直流电流，被交流放大器过滤掉 ,而 )(0 tmPs 变成 了 电信号。 对于脉冲激光测距仪 则 有 T ，对 )(0 tmPs 进行傅氏积分 可 得： 2s i n2)()( 0 rrPdtetpp stj      (222) )(p 是 )(tp 的频谱函数，或称为频谱密度。 其特点为： 1)信号能量主要集中在一定的频带范围内； 2)当脉冲持续时间减小时，频谱中通过零点的频率也随之增高，频谱宽度也增大。 对于其他形状的非周期性脉冲也有同样的性质。 因此，在探测较窄的脉冲信号时，应采用较宽的放大器。 若激 光脉冲的主要能量集中于带宽 f 以内 ,则放大器带宽取为 f ，就能 使信号能量得到放大输出、噪声得到抑制。 若以雪崩光电二极管 (APD)接收来考虑，则回波信号功率 )(0 tmPP sr  转换成的电信号电流为： h MPeI rqs (223) 目标回波光功率 0sP 和背景光功率 bP 引入的散粒噪声电流分别为： hPei sqs 0 (224) 燕山大学毕业设计（论文） 12 hPei bqb (225) 管子暗电流 di 也将引入散粒噪声，考虑到探测器负载电阻和放大器引入的折合到光电探测器输出端的热噪声，接收系统输出的噪声电流的有效值为： 2102 ]4)(2[ eq ndbqsqmn R fFKTiPhePhefFeMI   (226) 探测器负载电阻和放大器热噪声之和可以等效于温度升高后用一项来表示。 由上面两式可得，激光测距仪接收系统输出的信噪比为： 2102 ]4)(2[eqndbqs。