相位式半导体激光测距关键技术的研究

论文摘要

激光测距是随着激光技术的发展而发展起来的一种高精度测量技术。因其良好的精确度特性而广泛的应用在军事和民用等领域。本学位论文完成的主要工作是:详细介绍了干涉法、反馈法、脉冲法、相位法四种激光测距方法,对它们的测量范围、精度、应用途径及各自的特点进行了比较。着重研究了相位式激光测距的基本原理,在此基础之上,提出了一种实用的相位式激光测距方案。完成了激光测距系统的设计,在分析了各种激光器和光探测器的特性、参数后选择了半导体激光器和PIN光电二极管。根据各自的功能将系统分成三大部分:发射部分、接收部分、数字测相及信号处理部分。设计了带有负反馈控制的锁相环路来实现自动频率跟踪,研究了半导体激光测距调制发射技术,选用直接调制法对激光器的出射光功率进行调制。完成了激光测距接收系统的设计,并在PROTEL和MULTISIM的电路设计和电路仿真的基础上,采用PIN光电二极管作为光探测器,设计了放大滤波电路和接收电路模块。采用模拟乘法器作混频器,设计了混频电路,在高频下混频器的两路输入信号隔离度很高,解决了高低频测距光尺的干扰问题。采用了多周期同步鉴相法,实现了快速高精度自动数字测相技术。对测距的实验结果和仿真结果进行误差分析和噪声分析,提出了相应的解决方法,提高了系统的测距精度,并分析了系统设计的理想实验结果,从而验证了用相位式激光测距方法来检测距离的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景意义
• 1.2 激光测距的国内外研究现状
• 1.2.1 激光测距的优点
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.3 课题主要研究内容
• 1.4 论文结构
• 第2章 激光测距的基本理论
• 2.1 激光测距的方法
• 2.1.1 干涉法测距
• 2.1.2 反馈法测距
• 2.1.3 脉冲法测距
• 2.1.4 相位式测距
• 2.1.5 四种测距方法的比较
• 2.2 相位式激光测距技术
• 2.3 测尺频率的选择
• 2.3.1 分散的直接测尺频率方式
• 2.3.2 集中的间接测尺频率方式
• 2.3.3 测尺频率的确定
• 2.4 本章小结
• 第3章 激光测距系统的总体设计
• 3.1 激光测距系统的总体设计
• 3.2 激光测距系统对激光器的选择
• 3.3 激光测距系统对光探测器的选择
• 3.3.1 光探测器的概述
• 3.3.2 光探测器的特性参数
• 3.3.3 光探测器的选择
• 3.4 本章小结
• 第4章 相位式激光测距的关键技术研究
• 4.1 系统发射模块设计
• 4.1.1 自动频率跟踪电路
• 4.1.2 调制技术
• 4.2 系统回波接收电路模块的设计
• 4.2.1 光电转换技术
• 4.2.2 接收放大电路
• 4.2.3 Protel电路设计和 Multisim电路仿真
• 4.2.4 混频电路
• 4.3 相位测t技术
• 4.3.1 手动移相—鉴相平衡测相法
• 4.3.2 自动数字测相
• 4.4 本方案特点
• 4.5 本系统数据速率的估算
• 4.6 本章小结
• 第5章 实验结果及误差分析
• 5.1 电路仿真及实验结果分析
• 5.2 测距误差来源
• 5.2.1 测距误差来源
• 5.2.2 电路系统误差
• 5.3 激光测距噪声分析
• 5.3.1 背景光噪声
• 5.3.2 光电噪声
• 5.4 系统设计的理想结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• [参考文献]
• 致谢
• 硕士期间发表论文
• 附录