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手持激光测距仪及其发射电路

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  • 发布时间:2014-09-27
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精密测距是激光的-个重要应用。激光测距广泛应用于军事、工程建设、精密测量及控制、房屋丈量等领域。激光测距的方法多种多样,常见的有脉冲法、相位法、干涉法、三角法等。其中脉冲法和相位法是基于激光飞行时间间隔的测量方法,它们各有优缺点:-般脉冲法激光测距的测程较远,无合作目标也可达几十公里,但绝对精度较低,通常为米或分米量级;相位法激光测距的精度可达毫米量级甚至更高,但却存在着最大可测范围与测距分辨率之间的矛盾,通常增大测程的办法就是使用多个调制频率作为多把测尺来测量。低调制频率作为粗测尺,测得距离的粗测值,高调制频率作为精测尺,测得距离的精测值 ,粗测值和精测值按照-定的算法结合起来就是待测距离值。但这样会增加系统设计的难度和复杂度,从而也可能使得仪器的体积、质量等增加,不利于便携式应用。现在市场上对于短程、无需合作 目标的高精度手持激光i贝0距仪的需求较大,这类测距仪采用了-种脉冲相位测距法来进行测距。这种测距方法结合了脉冲法和相位法两种测距方法的优点 。

2 脉冲相位激光测距原理脉冲相位法激光测距是利用间歇发射的相干激光脉冲串来进行测距的。其原理如图1所示。

其中, 是激光脉冲的周期; 为激光脉冲串的持续时间; 为激光脉冲串重复周期 1/T,为激光脉冲的频率。

作者简介:智 强(1986-),男 ,硕士研究生,主要研究方向为脉冲相位激光测距。E-mail:zhiq1986###126.con收稿日期:2012-09-28;修订日期:2012-10.13534 激 光 与 红 外 第43卷LD直接调制的频率特性-方面受到自身结构参数的影响,另-方面还与其直流工作点即直流偏置电流有关。高频调制 LD发光时会受到这两方面的限制,若要提高 LD发射激光的调制频率,合理设置直流偏置电流并在调制电流与 LD间设置匹配电路是行之有效的办法 J。

调制电路如图5所示,利用运放的使能端来实现间歇发射激光脉冲串的目的。

vccInENdj It- Vcc OutGND图5 调制电流产生电路通过调节 Re的阻值可以实现对运放跨导的调节。

图6 LD直流偏置电路其中,LM317为稳压器,通过 R 给 LD提供直流偏置电流,c , ,c 组成低通滤波电路, 为瞬态抑制二极管,起到保护 LD的作用。

图7 测距仪发射部分电路图5 设计参数对测距影响的分析 值 ,接下来考察频率的偏离对于测距精度的影响。

5.1 频率合成对测距精度的影响 如果晶振的频率稳定度为P,对式(3)左右两端微分晶振的频率为 ,相位激光测距的精度 由下 得到:式给出: 8(aL):÷.P.冬 (4、/ ,' ,,△ : .÷ f2、 s c z 2可见,调制信号频率与本振信号频率差值设计式中,△ 为发射信号与返回信号间的相位差,-般 的越孝调制信号频率和计数时钟频率设计的越高、用外差法通过混频将高频降低到低频测相。采用自 晶振的频率稳定度越高,则对于测距精度的影响动数字相位检测法,计数频率为 ,则距离分辨 越小率为: 6(AL)的影响会随着测量距离的增加而成正比,.- 垒 . ~兰 : 二 .旦 增加。相位激光测距最大可测范1围为-,j: - - Hv u / 兰 2 2 ㈩ :÷. (3) -2z s。 c 则相位激光测距的最大偏差为:设计 款精度为毫米级的测距仪其中各频率 ): :-南.P (6) 如下: 、 -△ /- -2.f s100 MHz l,:99.95 MHz c100 MHz把数据代人式 (3),算得测距精度为 AL0.75 mm。然而,实际当中的频率值总会偏离设计如果 P50 ppm,则 6(L)0.075 mm激光测距精度为:△ (L)0.825 mm激 光 与 红 外 No.5 2013 智 强等 手持激光测距仪及其发射电路 535可见,选用高稳定度晶振、提高激光调制频率、提高计数时钟频率,都是提高测距精度的途径。

5.2 间歇发射方式对测距范围的影响发射激光的平均功率为 ,脉冲串持续时间为,定义D 为脉冲串的占空比,脉冲串内连续2]脉冲的占空比为 D。,定义 ·D 为总占空比,则激光峰值功率为:Pp akP /(D·D0)P /D E3]考虑到瞬态效应的影响,同时为保证测相中的相位比较,需要保证脉冲串持续时间内至少有-个半周期的差频信号(前半个周期用来抵消瞬态影响,后面-个周期进行相位比较),即:号- 个测距周期内的能耗为:W P ·可以看到,差频频率会影响到脉冲串的持续时间,在保持平均发射功率P 及测距周期 (与测距速度有关)不变时,提高激光调制频率及计数时钟频率、压缩激光脉冲占空比D。,可以分别提高测距精度和测距范围,而不对测距速度及能耗产生影响。

6 结 论从测距的范围和精度、测距周期、能耗等方面出 [6]发,综合分析了脉冲相位激光测距法,给出了在保证测距各项指标(主要是测距周期和能耗)不变的前提下,提高激光测距范围和精度的措施,即选用高稳定度晶振,提高激光调制频率,压缩激光脉冲占空比等,并设计了相应的电路,这对于短程、无需合作目标的高精度手持激光测距技术的研究具有-定的参 r7]考意义。

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