高精度快速激光相位测距技术研究

论文题目: 高精度快速激光相位测距技术研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 光学工程

作者: 邵珠法

导师: 朱大勇

关键词: 空间交会,激光相位测距,高精度快速测相,单片机

文献来源: 电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本论文主要研究用于航天器空间交会对接的相位式激光测距技术,本文旨在设计一种用于空间交会最终逼近阶段(10m~1000m )的相位式激光测距仪。空间交会过程中目标相对测距机高速运动,对测距精度和测距速率均有很高的要求。提高测距精度和测距速率的关键之一在于测相技术的改进,传统的测相方法不能同时达到高精度和快速测距的要求,必须引进高精度快速测相技术。本文由激光雷达测距方程出发,根据本系统的应用条件建立了合作目标和漫反射目标的两种测距模型,推导出了两种模型下发射功率和接收功率的关系;由激光测距噪声理论推导出了激光测距机信噪比公式,为方案设计与仿真实验提供了理论基础。本文对高精度快速测相理论和技术做了深入探讨,具有重要的参考价值。数字同步解调法测相具有信噪比高、精度高、速率快的特点,对数字同步解调测相进行了仿真实验,证实了这种方法的可行性。同时这种仿真方法对于其他测相技术研究来说也具有一定的借鉴意义。本项研究有新意。本文根据空间交会对接用相位测距对测距精度和速率的高要求,在第一种方案的基础上对方案进行了改进。改进方案中精测用积分电平值测相,方法比较新颖,样机系统实验表明测距精度高达2.6394mm,测距速率达到每秒3 次,得到了比较理想的结果,说明改进的测相方法是切实可行的,研究工作取得了重要进展。本项研究有创新性。本文根据改进测距方案设计出了测距逻辑部分的硬软件系统。硬件系统是以低功耗单片MSP430F437 为核心的逻辑控制系统。在IAR Embedded Workbench平台上对软件进行了优化和调试,并在最后和光路以及电路一起进行了样机系统实验,实验结果令人满意。本论文在高精度快速测相理论和技术研究中取得了一定成果,为进一步研究提供了重要的参考价值。

论文目录:

摘要

Abstract

目录

第一章 引言

1.1 空间交会对接简介

1.2 激光雷达在空间交会对接中的应用

1.2.1 激光雷达概述

1.2.2 激光雷达在空间交会对接中的应用

1.3 激光测距发展概况

1.3.1 激光测距技术简介

1.3.2 激光相位测距发展概况

1.4 本文的任务与主要工作

第二章 激光雷达测距理论

2.1 激光雷达测距方程

2.1.1 激光雷达测距方程标准形式

2.1.2 初步简化式

2.2 发射机特性

2.2.1 光束形状和光束截面函数

2.2.2 光束宽度

2.3 大气传输特性

2.3.1 计算方法

2.3.2 大气透过率的计算

2.4 目标的光学特性

2.4.1 激光雷达截面

2.4.2 角反射镜目标的雷达截面

2.4.3 漫反射目标的雷达截面

2.5 小结:本项目的测距模型

2.5.1 10-100m 范围

2.5.2 100-1000m 范围

第三章 激光测距噪声和误差分析

3.1 噪声分析

3.1.1 背景光噪声

3.1.2 光电噪声

3.1.3 信噪比

3.2 误差分析

3.2.1 相位测距误差公式

3.2.2 误差分析

3.2.3 信噪比对误差的影响

第四章 高精度快速测相技术与仿真

4.1 常用的相位测距方案

4.2 高精度快速测相方法

4.2.1 自动数字测相

4.2.2 基于欠采样的数字同步解调测相法

4.2.3 线性调频法

4.3 数字同步解调测相仿真实验

4.3.1 仿真实验流程

4.3.2 各模块介绍及仿真参数设置

4.3.3 仿真实验图像

第五章 激光测距系统方案

5.1 指标要求

5.2 第一种方案

5.2.1 测相原理

5.2.2 方案特点

5.2.3 存在的缺点

5.3 改进方案

5.3.1 改进之处

5.3.2 测相原理

5.3.4 数据速率估算

5.3.5 改进方案的特点

第六章 逻辑部分硬件设计

6.1 单片机系统

6.1.1 MSP430F437 单片机简介

6.1.2 主要功能及引脚定义

6.2 CPLD 部分

6.3 A/D 部分

第七章 软件调试与系统实验

7.1 软件调试简介

7.1.1 程序流程

7.1.2 调试平台介绍

7.2 系统实验

第八章 结束语

参考文献

致谢

附录1 逻辑部分电路原理图

附录2 部分单片机程序

个人简历

发布时间: 2005-09-23

参考文献

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