第一篇：激光三角法測量鋼板厚度光學系統設計

光學系統設計論文

目 錄

摘 要…..........................................................................................................................第一章 引言..................................................................................................................1.1研究的背景和意義...........................................................................................1.2 國內外研究現狀................................................................................................1.2.1 國外發展現狀.............................................................................................1.2.2 國內發展現狀...............................................................................................第二章 測量原理及方案論證.....................................................................................2.1 設計任務分析.....................................................................................................2.2 測厚技術簡述....................................................................................................2.3 激光三角法測量原理...........................................................................................2.3.1激光三角法測量的類型和區別....................................................................2.3.2激光三角法測量的基本原理........................................................................2.4 沙姆條件…………………………………………………................................2.5 測量模型及方案論證…………………………………………...........................第三章 光學系統設計....................................................................................................3.1總體結構布局.......................................................................................................3.2光源......................................................................................................................3.3聚焦系統與成像系統...........................................................................................第四章 誤差與精度分析................................................................................................4.1 誤差分析...............................................................................................................4.1.1光學系統誤差分析.........................................................................................4.1.2隨機誤差分析................................................................................................4.2 精度分析.............................................................................................................第五章 總結....................................................................................................................參考文獻.........................................................................................................................摘要

在科學技術迅速發展的今天，外形尺寸的測量一直是工業生產中的一個重要環節，厚度測量更是人們關注的焦點。在測厚領域里，采用激光三角法這一典型的非接觸式測量方法對物體的厚度進行絕對測量不僅能滿足測量的實時性，還能保證測量的高精確度，這種測量方法已經成為工業生產的發展趨勢。本文所提出的基于激光三角法厚度在線測量技術采用雙光路半導體激光技術與直射型激光三角法相結合，同時對平板物體進行厚度的在線測量。

文中主要包括總體方案的設計和由此涉及的關鍵技術、測量原理、精度與誤差、實驗等幾個部分，本課題提出的基于激光三角法厚度絕對測量研究,是集機、電、光、計算機等技術于一體的精密測量方法,它的主要組成部分是:激光器、聚焦系統和成像系統、光電轉換器件CCD及計算機數據處理部分。這里由于是只對光學系統進行設計，所以本文主要論述的是光學系統部分的任務分析，測量原理的理論分析和計算方法，并對光學系統可能產生的誤差進行分析，并對于個別誤差提出相對應的解決措施，以提高測量精度和測量速度。全文的主要內容分為四章：

第一章：引言,主要介紹了鋼板測厚的重要性，由于主要采用的是激光三角法進行測量所以主要介紹以及激光三角法在非接觸測量中國內外的發展現狀及應用前景。

第二章：測量原理，激光三角法測量的不同類型，通過對比，進行選型；簡述激光三角法的測量原理，我們所設計的光學系統的測量模型和方案論證。

第三章：首先介紹了總體結構的布局，然后對光學系統的光源、聚焦系統及成像系統進行設計。

第四章：對光學系統在測量過程中可能產生的誤差進行了分析，并對一些誤差提出了解決方案以提高測量的精度及速度。

第五章：總結，文章的最后進行了全文的總結，并提出了在設計過程中的不足之處，講述了自己在設計過程中的心得體會。

第一章 引言

§1.1研究背景和意義

現如今，工業發展的水平可以近似直接代表著國民經濟的整體實力水平，因此工業的生產技術水平對國民發展有著重要的意義。鋼板是造船、橋梁、機械、汽車行業中不可缺少的原材料，在軋鋼生產過程中鋼板尺寸是很重要的參數，直接決定著鋼板的成材率。傳統的檢測方法是采用檢測頭與待測鋼板直接接觸來測量，這種測量方法檢測效率低，勞動強度大，而且會使測量儀器的檢測頭發生磨損，從而造成儀器的測量精度下降。因此，在現代板材生產中，不論是軋制過程中還是最終產品的調整中，為獲得較高的板材命中率和最佳的軋制過程及剪切效果，板材尺寸測量系統已成為生產線上不可缺少的設備之一。寬度偏差每減少1mm，成材率就可以提高0．1％左右，因此尺寸控制技術可顯著提高經濟效益和產品競爭力。

目前，我國大部分企業仍在延用傳統的測量方法，采用接觸式的測量方式，技術相對落后，而且在處理復雜的零件時顯得無從下手。這種情況嚴重地影響了工作的效率與工作的質量，為此應加大力度地發展測量的新技術來解決傳統測量方式不能處理的問題，以適應現代生產發展的需要。隨著工業生產技術的不斷提高與更新，這種非接觸式的測量方法能夠滿足對測量所要求的精確度與實時性，己經成為這一領域的發展趨勢。再加上電子技術與光學技術的飛速發展，光電檢測這種綜合多種技術的測量方法成為非接觸式測量的重要手段。本文所提出的激光三角法是光電檢測技術其中的一種。這種方法在檢測長度、距離以及三維形貌的用途中因其具有結構簡單、響應速度快、實時處理能力強、使用靈活方便等優點顯得更具優勢。這種方法已經在測量位移、表面形貌等檢測工作中取得了很好的效果，并且會擴展更廣闊的使用空間,發揮其優勢,推動工業檢測技術的發展。

§1.2國內外研究現狀

自上個世紀60年代激光測微儀的誕生，這種商品被大力的發展與生產，性能得到不斷的改善,應用領域也被擴展的更加廣泛，成為一種重要的非接觸式檢測儀器。國內外也有不少企業在做這方面的技術，一般分為直射式與斜射式兩種形式。直射式的產品有基恩士公司生產的LS系列和LK系列，德國Micro-Epsilon

公司的optoNCDT系列，美國MT公司的MicroTRAK系列等多種型號；斜射式的激光位移傳感器以日本Keyence公司的LK系列最為突出。表1-1列出了目前市場上常見的幾種激光三角位移傳感器的技術指標[6]。

表1-1 激光三角位移傳感器的技術指標

[8]

1.2.1國外發展現狀

在歐洲以及美國等發達國家很早就致力于激光三角法測量平板厚度的基礎理論研究及測量儀器的研制，并且己經為此投產，生產出了一系列相對比較完善光電檢測產品，尤其是在日本和德國，光電子技術的發展的速度非常快，應用也相對的更為廣泛一些，所以國外在厚度檢測這一方面的發展有著很迅猛的速度，擁有光源照明技術和光電檢測元件的種類非常齊全，光電檢測技術也很成熟。例如:日本的Mot1toshiAndo等人運用光三角方法印制線路板的線條檢測，用這種方法還可以檢驗出工件表面的劃痕和裂痕；英國劍橋大學的Roert Johnes等人將該方法用于渦輪葉片及飛機機翼斷面檢測，在10mm范圍內精度可達2-

5；西德早已報道把激光光學三角測量技術和裝置用于隨線控制，它既可測量鋼板的厚度，又可測量鋼水的高度；日本的安立一巖通公司推出的通用型激光厚度位移計ST-370型的1、2、3系列。國外各大公司在光電檢測技術中的突出表現代表了目前光電檢測技術的一個發展程度，同時也預示著光電檢測技術更廣闊的發展空間。

1.2.2國內研究現狀

雖然國內在光電檢測技術上的起步較晚，但是鑒于傳統的接觸式測量技術有

著較大局限性，行內的技術人員早已注重了對于新型測量方式—非接觸式測量技術的研究，使其技術在國內迅速發展，并且取得了一些相對比較好的成果。例如：1987年8月由電子工業部第二十五研究所的陳為民、卞海洋等人研制成功的激光測厚儀采用激光雙三角測量原理，由激光器!視頻信號處理器、微機等組成；1991年,中國科技大學的金泰義、李勝利等人開發研制出了JW—1型CCD激光測微儀，它以半導體激光器為光源,通過CCD進行信號接收，接受的數據送入計算機進行處理。這種測微儀是光、機、電一體化的典型事例，是光電檢測方面研制的比較早的CCD激光測厚儀，采用光電藕合器件CCD實現,整體系統的技術水平在當時的國內己經體現了檢測技術的最高水平；長春光機所研制的基于光學三角測量原理的激光非接觸探頭結構簡單，體積小，重量輕，測量精度高，速度快；安徽工業大學電信學院的章小兵在研究了板材在線測厚時就用的激光三角法并敘述了激光三角法測厚的原理[1]，對板材在線測厚系統進行了硬件設計和軟件設計并給出了系統測量指標。與此同時，例如計算機視覺測試技術等新型技術都是在以激光三角法為理論基礎的研究上發展起來的。

§1.3展望

通過大量的檢索查新國內國外文獻資料，可以發現目前我國光電檢測儀器與工業發達的國家相比，我國的光電檢測的儀器產業還不夠成熟。我國主要報導的多，實際設計應用的少。從減小測量誤差、提高測量有效速率方面與發達國家的產品設計還是存在一定的差距的。特別是本文涉及的以激光技術激光三角檢測技術、光學系統設計和計算機技術相結合對平板進行絕對測厚的技術在國內鮮少報道。

第二章 測量原理和方案論證

§2.1設計任務分析

由于在生產線從加熱爐出來，經軋輥機軋制的鋼板，溫度很高，一般在900℃左右，呈現紅色或暗紅色。為了更快更準確的獲得鋼板尺寸數據，得到最佳的軋制過程及剪切效果，需要實時在線采集鋼板尺寸信息，并及時顯示出來，以便于操作工人及時調整軋機或者印制尺寸標識。所以我們根據實際應用需求，要求所設計的測量系統必須可以進行非接觸式的在線測量，為了簡化設計難度，在設計要求中假設是在鋼板冷卻后再進行測量。所需測試的鋼板的厚度為5±0.05mm，精度要求為±1％。

§2.2測厚技術簡述

測厚技術通常都是以非接觸式檢測方法為主，按照測量原理和使用的傳感器類型來分，大致可分為激光三角法、電容法、射線法、超聲法等。這里我們選用的是激光三角法測厚度，所以其他測量方法就不做過多的贅述。

激光三角法利用探頭中的激光器發射出激光，入射到電荷藕合器件CCD或位置檢測器PSD作為接收器，通過在接收面上的像點經過位移變化，再通過計算公式計算出被測面的位移。本系統就是采用這種雙激光三角法進行厚度測量,其原理示意圖如圖2.1所示。

圖2.1雙激光三角法厚度測量原理示意圖

激光三角法在測厚領域里已經日趨發展成熟，通過光學系統、機械系統、電路系統三者有機的結合，已經有一系列的測厚儀器問世；同時在近幾年中，應用激光三角法，結合電荷耦合器件CCD，應用兩個探頭同時進行厚度測量，使測厚技術己經逐步向于動態、實時化測量，自動、程序化數據處理方向高速發展。

§2.3激光三角法測量原理

根據前文所述的任務分析，我們選擇采用具有分辨力高、測量精度高、穩定性好、非接觸測量、可實現在線檢測、測量儀器體積小等特點的激光三角法，來實現位移測量的。盡管常用的微位移檢測的方法有很多種,例如機械法、電學法、光學法等，但都無法與激光三角法匹敵,激光三角法是位移檢測方法的發展趨勢,具有廣闊的應用前景。

2.3.1激光三角法測量的類型及區別

(1)反射型與投射型

激光三角法光路按檢測方式分為反射型與透射型本系統采用的就是反射型的激光三角法,通過激光在被測對象的表面發生反射,接收到被測信息。而對于一些特殊材料的被測工件如透明物質,由于其表面非常光滑，用反射型會對測量產生一定的影響,則可以采用透射式激光三角法,通過激光器發出的光線透過被測工件再投射在光敏面上而獲取測量信息。(2)單束光和片光

按入射光束的形態來分,又可分為單束光和片光。顧名思義,若單束光入射的話,光斑小、光的強度高，但是廣度不夠,如果片光入射則需要采用激光透射光條與一個面陣探測器組成,通過光切法,也稱結構光圖像法，能一次獲取一條掃描線上的數據。本系統采用的是單束光入射測量。(3)直射型和斜射型

若按入射光線與被測工件表面法線的關系來分,可分為直射式和斜射式。對于直射式,就是光束垂直入射到被測物表面,采用漫反射光進行測量,當物體縱向移動時,所測的始終是同一個被測點；斜射式的入射光束則與被測物表面形成一定的角度。

斜射型：如下圖2.2所示,入射光束與被測物面成一夾角,利用反射到探測器件CCD的像點位置變化測量物體的位置厚度,當物體縱向移動時,所測的被測點會隨移動發生改變,當測量平滑物體如玻璃、鏡面時要比直射型的測量精度高很多。斜射式入射光照射在物體的不同位置,當被測物體移動時,光點的位移不能直接得到,要通過角度計算得出。斜射式分辨率很高,但測量范圍較小、體積較大、光斑較大，所以在此不符合本系統體積的要求。

圖2.2斜射型示意圖

直射型：如下圖2.3所示,激光器發出的入射光束垂直于成像透鏡光軸O,光敏面與成像物鏡O平行,被測點的位移與光電探測器上光斑的位移為線性關系,可用于測量相對或絕對位移,但其光敏面要求很大,而且被測點在成像面的像并不清晰,因此測量精確度不高。光斑較小,光強集中,體積較小,并且不會因被測面不水平而擴大光斑是直射型三角法的最大優點。但由于直射型接收的是散射光,當測量到較為平滑的被測面時,散射性能較差,使光電探測器件CCD接收到的散射光光強小,對測量產生影響,令測量過程受到阻礙,測量精度受到影響。

圖2.3直射型示意圖

2.3.2激光三角法測量的基本原理

通過上述對激光三角法測量的類型及區別的論述，及我們設計任務需求的分析，綜合考慮我們選擇了單束光入射，光路檢測方式為反射型，光束垂直入射到被測物表面,采用漫反射光進行測量的直射型激光三角法對鋼板厚度進行測量。(1).傳統的激光三角法

傳統的激光三角法基本原理如圖2.4所示，采用直射型，光電探測器采用的是CCD，當散射光通過成像透鏡時，如果將CCD以垂直于激光束入射的位置進行安裝耦合，則成像到CCD上的光點會由于沒有完全聚焦而出現彌散斑，測量并不完全。

圖2.4 激光三角法的基本原理圖

于是為了光點所成的像在接收器表面上每一點都清晰，則要求透鏡光軸與接收面之間必須形成一定的夾角，所以我們選用CCD接收器為傾斜式的方式，即完全聚焦的激光三角法測量,如圖2.5所示。

圖2.5完全聚焦的激光三角法示意圖

圖中PO為入射光源,光線經準直透鏡后垂直入射到物體表面，反射后經過成像透鏡中心點M成像在CCD接收面上，入射光PO與反射光以的夾角為θ，反射光OA與CCD成像平面的夾角為，P點成像于CCD平面上的B點，O點成像于CCD平面上的A點，由圖中可知，P點與O點高度不同，所成的像投射到光敏面上的位置也是不同的，設O點所在平面為基準面，A為CCD成像平面上的成像基準點，則光線PO上的點與CCD平面上的投影點是一一對應的。因此，只要知道光線PO上的任何一點在CCD成像面上的位置就可以求出該點的高度信息。由圖2.5，可列出以下關系式

(2.1)

由公式(2.1)可推出

(2.2)式中：

PO一一物點的高度信息;AB一一P點在CCD成像平面的成像點與成像基準點A的偏移量 OM一一O點成像PO物距;MA一一O點成像像距;激光束垂直投射到被測物面，所形成的漫反射光斑作為傳感信號，用透鏡成像將收集到的漫反射光會聚到像平面的光接收器上形成像點。當被測物面移動時,入射光斑也會隨之移動，像點也會在光接收面上做相應的移動，根據像移大小和系統結構參數可以確定被測物面的位移量，從而還可以獲取其它方面信息。本系統中，為使光接收器上的像點不存在盲點,光接收器的光敏面必須與成像光軸成一夾角。這樣既可以保證入射光斑與其像斑位移具有的關系精確，還可以使成像點最小，有利于提高測量精度。同時為了提高測量精度，和θ必須滿足沙姆

(Seheimpflug)條件，即，如圖2.6所示[5]:

圖2.6物一像位移軌跡圖

圖中d0為基準點的物距,di為基準點的象距，O’為O經成像透鏡的像點,A、B分別為a、b經成像透鏡的像點,θ為光入射角, 為成像角,l為成像透鏡,焦距為F。

當激光光束照射到a點時，由圖3.7可知:

由相似三角形△ao1l△l得：

令 則由式(2.3)，同理可推得,當物面由O至b時

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)

可化簡為

(2.7)

(2.8)

(2.10)(2.9)

(2.4)

綜合上面可得, 式中,符號“+”對應于圖2.6由o移至b,符號“─ ”對應物面由o移至a。式中,符號“+”對應于圖2.6由o移至a,符號“─ ”對應物面由o移至b。

(2.12)

(2.11)由Z-I關系公式可得Z-I關系曲線，圖2.7所示。從圖中可以看出I該曲線為非線性曲線，只有當物面在O點附近較小范圍移動時，上述曲線可近似按線性關系處理。

圖2.7 Z-I非線性關系曲線

§2.4 Scheimpflug Condition(沙姆條件)被測物表面,鏡頭平面和影像的平面在一個共同點上相交的光學狀態稱沙姆條件,即在直射型激光掃描測量中,當入射光斑沿激光束方向位移時,其成像點在像平面內沿直線軌跡移動,則激光束軸線!成像透鏡主面及CCD像平面三者交于一點,滿足高斯條件,這是激光三角測量傳感器實現精密測量的前提條件。

§2.5測量模型及方案論證

本課題采用直射式三角法，測量模型的的基本組成有激光器、聚

焦物鏡、成像物鏡及光敏陣列線陣。CCD其測量原理為激光器發出光的軸線與聚焦物鏡的主平面兩者同處一個平面上，并與CCD垂直。當激光器發出一束平行光，經由聚焦物鏡聚焦在待測物的表面，產生的散射光通過成像透鏡成像在CCD光敏面上。CCD將像信號轉換為電信號測出其像點的位置。當被測物體沿著法線方向移動時，其表面上光斑會隨著聚焦物鏡的位置變化而發生改變，相應地，像點在光敏器件CCD上的位置也要發生變化，精確地測量像點在CCD上的位移x，就可以得到被測物體的位移量。由于是絕對測量，所以采用激光上下表面雙三角法，準確的測量運動物體的厚度。如下圖5.1所示，圖中a為散射光接收角，θ是成像角，d0為參考點處的物距，di為像距，d為上下兩參考面之間的距離，x是物位移，x’為像位移。

圖2.8 激光三角法測厚原理圖[2]

(2.13)由上圖可得光學關系式： 式中 β一一成像透鏡的放大倍數

上、下物面相對的移動距離為x1和x2，兩CCD上的像點移動至x’11和x’21，像點移動距離 ,。根據幾何關系，有

則

因此，(2.14)由于上下探頭完全對稱,同理可得

(2.15)

其中

在后,C1與下探測頭測得像點位移量件的位移量x1、x2,物件厚度為

探頭參數確定C2為定值,當上

后,按公式(2.14)、(2.15)式計算便可得到物

第三章 光學系統設計

§3.1總體結構布局

3.1.1系統的組成

系統由以下幾大部分組成：激光發射器，光三角位移檢測系統，計算機數據處理系統，工作臺。

圖3.1 測量系統方框圖

1.激光測頭部分

由激光發射器組成的光源系統、聚焦光源的準直系統、接收光信號的激光成像系統構成，由于本設計測量為絕對厚度，所以我們采用兩個激光探測頭。2.光三角位移檢測系統

本文采用激光三角法原理設計的測厚系統,用線陣CCD作為光電接收器件，通過物面的位移由此檢測出在感光面上成像點的位移,通過計算得出厚度。3.計算機、實時數據處理與控制系統

計算機數據處理系統是將接收到的光信息轉化為數據輸入計算機，通過計算機的內部編程結構計算出所求厚度,并顯示出測量結果、存貯及打印。4.工作臺

對所測物件進行固定，并使其可按照一定規律、方向、有速度的平穩運動。這種系統主要是由基座、滑臺、導向、傳動、定位與夾緊結構等組成的。

2.3.2總體結構布局

基于激光三角法原理設計的測厚系統,是通過上述的激光探頭系統發出光源,照射在被測物體上,通過光三角位移系統作為信息載體,接收并反饋出所需信息,并經過計算機控制系統進行數據確定,對工件進行測量,則被測工件的絕對厚度可以確定了。根據系統組成,總體結構布局如下圖3.1

圖3.1總體結構布局

§3.2 光源

目前,激光作為一種新型能源[6],具有單色性好,光亮度極高,方向性強等優點,它在測量,加工等多種領域都有很廣泛的應用。在眾多的激光器中,氦氖氣體激光器和半導體激光器應用尤為廣泛。其中氦氖氣體激光器具有連續輸出激光的能力、結構簡單,但體積較大,而半導體激光器具有體積較小、效率較高、驅動功率小等優點,尤其適用于測距。于是為了本設計要求，本文選取了半導體激光器。半導體激光器發出的激光,由于空間相干性好,投射點也相應的變得很小,輻射能量就越小,分辨率就越高,能量密度也隨之增大。文中選用的是波長為688nm半導體激光器。在實驗中發現,由于選用的激光器發出的激光光強較大,使投射到光電探測器CCD上像點的光斑也隨之增大,影響測量系統的分辨率。解決的方法是在聚焦透鏡后面放置一塊偏振片,通過調節偏振片,改變其旋轉方向,對激光器所發出的線偏振光進行過濾,使光束中心光強較強的光束通過過濾,濾除邊緣較弱的光,使光束細化,則CCD上像點的光斑減小,提高儀器的測量精度。

§3.3聚焦系統及成像系統

在光路設計中,聚焦系統和成像系統是本設計中的關鍵環節。整個系統的可靠性在很大程度上取決于聚焦系統和成像系統的準確性。

3.3.1聚焦透鏡

激光器光源發出的光盡管光束較細,發散角較小,但仍存在一定的直徑,在CCD的光敏面上形成的是一個小光斑,測量精度會由于覆蓋光敏面上的光敏元離散而受到影響。另外,當物體表面隨法線方向進行移動,位移發生變化時,像點在CCD的光敏面上也作出相應的位置移動,如果像點過大,而CCD光敏面量程一定會影響測量效果,則應盡量縮小投射在CCD光敏面上的像點直徑,減小孔徑,使像差較小。在本系統中,聚焦透鏡的設計不是本文研究的主要重點,則設計中我們采取了結構相對簡單、準直效果較好的單透鏡聚焦系統。

3.3.2成像透鏡

本系統的成像透鏡是根據測量系統的分辨率、測量范圍、工作距離等要求光

電轉換器件CCD本身特性進行設計的。系統測量范圍很大時,要求散射光在CCD面上的成像點不能過大。如果測量范圍很大,當被測物體移動到測量范圍邊緣時,光強會隨移動而逐漸衰減,所以要根據實際情況調節放大倍率刀的大小。

第四章 誤差與精度分析

§4.1誤差分析

基于激光三角法的厚度絕對測量試驗系統是一個由機械、光學、電子和計算機組成的一個有機的整體,因此在測量實驗中所得到的結果中所包含的誤差也是由多種誤差因素引起的。在這些誤差中,有些通過具體計算就可以得到,而有些則需要通過實驗標定的方法來進行估算,并且在某些情況下只能求出誤差的變動范圍,這就是誤差極限值。這里主要介紹光學系統的誤差分析[4]。4.1.1光學系統誤差分析

在本測量系統中,光學系統的誤差主要是指采用的激光器、光學透鏡產生的,從測量原理上看,光源方面我們需要采用一種體積小、驅動功率小、使用方便的光源發生器,同時還需要光源的空間相干性好,這樣才可以使投射到測量物體上的光斑小,光斑越小分辨率就越高,但是如果光斑非常小,輻射能量就不會很大,導致接收靈敏度就要降低。所以,為了在通過光學系統聚焦后產生較高的能量密度,系統采用了半導體激光器作為光源,這樣才能使探頭小型化。但是半導體激光器本身也會產生誤差[7]。

(l)激光束輸出功率的不穩定及噪聲影響。激光的功率不穩定將造成光強分布不穩定及激光線寬;噪聲影響有很多因素,直接影響測量精度。

(2)激光投影質量的影響。由于被測物體的表面特性、測量環境等因素的影響,激光投影質量也會產生誤差。在光學元件方面,被測物體方向與成像系統光軸存在一定的夾角,雖然在實際裝調過程中調節,但并不能達到理想角度,所以會產生各種象差(彗差、像散、畸變等軸外像差)使實際成像點偏離理想成像點而產生誤差。4.1.2隨機誤差分析

基于激光三角法厚度絕對測量的實驗系統的隨機誤差可以主要歸納為以下幾個方面:(l)測量裝置方面的因素:測量裝置采用的CCD探測器在采集信號及電信號處理時會造成隨機噪聲,在重復測量過程中,會產生離散化采樣誤差、每次測量時量塊的裝夾位置也不一致。

(2)測量環境方面的因素:測量主機所在的平臺會有外界所帶來的輕微的低頻震動;儀器所在的實驗室氣流和溫度會有波動,以及空氣中塵埃的漂浮等。

(3)操作人員方面的因素:盡管儀器自動采集與處理數據,但測量標準樣件是由操作人員裝夾并調整操作的,會使被采集的圖像分辨質量差、造成較大的離散化采樣誤差;以及工作人員可以被當做熱源引起氣流的擾動。

隨機誤差是一種隨機變量,它具有隨機變量固有的統計分布規律。設被測量值的真值為x0,各次測量值為xi,若xi中不含有系統誤差,則根據對隨機誤差δi的定義有：

δ

i

= xi-x0

對于一組測量數據,往往用標準差來表述這組數據的分散性。如果這組數據是來自于某測量總體的一個樣本,則該組數據的標準差是對

總體標準差的一個估計,稱其為樣本標準差。

其中該公式中的Vi = Xi?X0定義為殘余物差即殘差。

§4.2精度分析

本系統采用的是精度很高的傳感器,但理論上,儀器的內部還會存在測量誤差。這里同樣主要介紹光學系統方面[3]。1.測量系統方面

(1)光學系統的像差會使物體上任一點發出的光束通過光學系統后,不能匯聚在同一點,而是形成一個彌散斑并不能表現出原物的形狀。相應的改進方法是在接受透鏡的設計中要考慮像差的因素。(2)光信號的輸入與電信號的輸出之間呈非線性,相應的改進方法是采取較優的標定方法,之后得到具體的物體位移值。2.被測物體方面

(l)被測表面的粗糙會對測量精度產生影響,相應的改進方法是多選取幾塊標準量塊進行多次測量,對于有時被測表面產生的陰影和死區,采取兩個激光探頭發出的激光從相對的兩個方向同時對被測物進行掃面,使用單光源、雙檢測器,最后通過計算融合數據。

(2)由于被測物不總是標準量塊,表面會有孔或者縫,使得傳感器不能很好的接收反射光。相應的改進方法是采取對稱性的光學三角傳感器。

(3)被測表面會有材料、光學性質的差異，如透明物體，物體對光的反射或吸收程度會不同于半透明的物體,也不同于不透光的物體,反射率與折射率等因素會引起成像光斑有像差。改進的方法是使傳感器的入射透鏡和接收透鏡的光軸所成的平面與待測表面平行,接受足夠的光強,這有利于提高測量分辨率。如果是高度鏡面反射則需要采用線偏振光作為光源,利用線偏振光的參數隨鏡面反射改變。3.環境影響方面

在溫度方面,只能人為的保持周圍環境溫度穩定,在使用儀器時進行預熱;在氣流運動方面,使用保護罩保護測量頭或者使用風扇更強的攪動測量部分與工件之間的空氣;同時在灰塵與污物方面,采取小心的清潔。為了減小環境對系統的影響,要在接收物鏡和線陣CCD之間安置一濾光片(激光器發出的紅光波長為650nm,其透過率可達百分之九十多,而其它波段的光幾乎可以全部濾掉)。同時在激光器和聚光鏡之間安置孔徑光闌,以減小光斑直徑。本系統采用上下探頭同時測量,可以消除測量過程中盲區的出現。當被測面有一定的傾斜角,也可以通過兩個探頭對測量進行補償,這種測量方法就可明顯提高傳感器的測量精度。

第五章 總結

激光三角法是本系統采用的基礎方法,在現代工業發展的今天,激光三角法是非接觸測量中最常用的方法,具有很廣的應用范圍。應用此種方法可對各種類型物體進行諸如物體表面形貌、厚度、三維等微位移的測量。由于激光三角法具有結構簡單、測試速度快、實時處理能力強、使用靈活方便等優點，所以在這里我們將激光三角法作為本系統所采用的基礎方法對鋼板進行非接觸式在線測量進行光學系統的設計，同時對光學系統在測量過程中可能產生的誤差進行了表述，并對一些可能影響測量精度的問題提出了修改方法和意見。

不足之處，由于時間緊迫并沒有搭建試驗裝置進行模擬測量，并對測量數據進行誤差分析，提出改善方案。并沒有通過Zemax等軟件設計對光學系統的聚焦透鏡和成像透鏡進行模擬光路的設計。

體會：光學儀器設計在設計時需要整體的結構考慮，不能只是一味的進行光學系統的設計，在儀器的設計中通過模擬軟件或裝置模擬搭建來獲取數據進行誤差分析也是光學系統中非常重要的一部分，通過對測量數據的誤差分析我們還需要進一步的對所設計的儀器裝置，系統部件參數選擇進行優化，以更好的實現設計任務要求。在設計時我們要因地制宜，對要設計加工的對象，作業環境，操作流程特點進行分析，這樣才能使我們所設計的系統更具有實用性，高精度和高穩定性等特點。

參考文獻

[1] 章小兵.激光三角法測厚研究.中國科學院安徽光學精密機械研究所碩士學位論文,1999 [2] 王曉嘉.高雋.王璐.激光三角法綜述.儀器儀表學報,2004 [3] 王軍紅.江虹.毛久兵.一種提高激光三角法薄板在線厚度測量精度的方法,2011 [4] 黃戰華.蔡懷宇.李賀橋.張以謨.三角法激光測量系統的誤差分析及消除方法,2002 [5] 遲桂純.激光三角法微位移測量技術[J].工具技術.1997 [6] 周炳昆,高以致.激光原理[M].北京:國防工業出版社,2000

[7] 黃戰華,蔡懷宇,三角法激光測量系統的誤差分析及消除方法,光電工程,2002 [8]湯思佳,基于激光三角法厚度絕對測厚技術研究.[碩士學位論文].長春理工大學.2010

第二篇：橢圓偏振法測量薄膜厚度實驗的小結和心得（寫寫幫整理）

橢圓偏振法測量薄膜厚度實驗的小結和心得

摘要：橢圓偏振測量是一種通過分析偏振光在待測薄膜樣品表面反射前后偏振狀態的改變來獲得薄膜材料的光學性質和厚度的一種光學方法。由于橢圓偏振測量術測量精度高，具有非破壞性和非擾動性，該方法被廣泛應用于物理學、化學、材料學、攝影學，生物學以及生物工程等領域。

關鍵詞：誤差、改進、小結、實驗感受

引言：橢圓偏振法是根據測量其反射光的偏振來確定薄膜厚度及各種光學參數。這種方法已成功應用于測量介質膜、金屬膜、有機膜和半導體膜的厚度、折射率、消光系數和色散等。本實驗是采用消光型的橢圓偏振測厚儀，具有簡單、精度高、慢等特點。

正文：

1、實驗目的和原理

通過實驗，了解橢偏法的基本原理，學會用橢偏法測量納米級薄膜的厚度和折射率，以及金屬的復折射率。橢偏法測量的基本思路是，起偏器產生的線偏振光經取向一定的1／4 波片后成為特殊的橢圓偏振光，把它投射到待測樣品表面時，只要起偏器取適當的透光方向，被待測樣品表面反射出來的將是線偏振光。根據偏振光在反射前后的偏振狀態變化（包括振幅和相位的變化），便可以確定樣品表面的許多光學特性。

2、實驗的誤差來源

通過實驗，我們發現本實驗最大的誤差是來源于對消光位置的判定。實驗中，由于儀器不能完全被消光，所以消光位置的確定就顯得有些困難。雖然經過多次調節光路，到最后確定位置的時候也不能確定完全消光，這會直接影響實驗的精度，給實驗帶來較大誤差。除此之外，由于本實驗中，各種狀態的判定均靠人眼判斷，例如：樣品臺是否水平、消光狀態、起偏器和檢偏器的位置讀數等，使實驗存在較多的人為誤差，這些都是不可避免的。

3、實驗的改進

由上述的誤差分析，我們可以知道實驗的主要誤差來源。對于最主要的誤差“消光位置的確定”,是由于靠人眼來判斷消光位置的所致的。因此，我們在實驗中應該盡量避免更多的不確定因素，我們可以使光學量通過電學量來表示，即可以在儀器的末端安裝一個光電接收電流表，通過電流表的讀數可以直觀地反映出儀器的消光狀況，使得測量更加精確。雖然電流表的讀數也是靠人眼來讀取，但是通過這種方式會減少誤差。還有一些關于次要誤差的減少，例如：我們在調節載物臺水平時，可以用精度高一些的水平儀，以確保我們實驗的條件更加好。而且，我們應該盡量多地讀取更多組數據，以便求平均值來減少誤差。

4、實驗小結

本實驗是光學實驗。對于光學實驗，最為重要的是光路的調節，光路的調節準確與否，直接影響了實驗的精度。因此，在實驗前要準確調節光路，使起偏器和檢偏器保持光線同軸。

學習本實驗中簡化問題的方法。從實驗原理看，本實驗中，實際計算的量很多，而且需要求解很煩的超越方程。但通過適當的變換以及光學儀器的運用可使問題簡化。如通過1/4波片之后，光變成等幅橢圓偏振光，使得

|E?EE/E?1，使得tg??|?EErprsis||ipis變為tg??|E?Ers|，計算可以大大簡

rpip化。通過調整儀器，使反射光成為線偏光，即

?rp???0或（?），則

rs??（?? ip??)或????，可使問題簡化。（???）isipis5、近代物理實驗課的感受

上完這個學期的近代物理實驗課，我們大學階段的物理實驗課就結束了。這個學期的實驗課，和以往一樣都是那么的生動有趣。一方面是，這學期的物理實驗課教學方法與上一個學期一樣。在做實驗之前，老師不僅要求我們課前要預習，還要求我們做實驗之前要小組討論，而且要討論得激烈。我很喜歡這種上課的模式，因為雖然實驗前同學們都有預習，但仍然存在一些不明白的知識，在討論的過程中，同學們可以通過對彼此的觀點的思考與辨別，更加深入地了解與掌握本實驗的原理和知識點，再結合實驗中的動手過程，就讓我們更加地認識到實驗的原理。另一方面，這個學期的物理實驗課，讓我們接觸到一些放射性的物質，雖然有一點危險，不過更多的是有趣。因為這些關于核的實驗可以讓我更加地了解放射性的性質，幫我揭開了關于核的神秘面紗。

在本學期的近代物理實驗課上，我們做了關于近代物理的實驗，讓我受益菲淺。其中很多知識在平時的學習中都是無法學習到的，其中很多實驗都開闊了我們的視野，讓我們獲得了許多平時課堂上得不到的知識。

通過一個學期的物理實驗，我覺得實驗是物理學的基礎，我們學到的許多理論都來源于實驗，也學到了許多物理課上沒有教到的理論。很多實驗都是需要花費許多心思去學習的，也是非常復雜的。我們學習理科的同學，更加要重視實驗課，因為理論與實踐結合是最重要。

在每次試驗之前，我們都要做預習報告，通過實驗手冊和自己參閱資料，得知本次實驗的目的、原理、所需儀器、實驗步驟、實驗中的要求及注意事項等問題。經過一個學期的實驗課我們可以知道預習報告是非常重要的，只有在實驗前認真做好預習，才能在實驗課上更快、更好地完成實驗，同時也能收獲更多知識。

實驗操作當然是物理實驗的核心。經過了一個學期的實驗，我發現做實驗有許多需要注意的地方，掌握了這些技巧才能讓實驗結果變的更加準確和方便。做實驗的時候，一定要集中精神，例如在做蓋革—米勒計數管的特性及放射性衰變的統計規律實驗的時候，我們要集中精神地看著電壓和計數率的變化情況，因為電壓要控制在一定的范圍，當我們稍不留神，電壓就會超出觀察的范圍，從而造成儀器的損壞或者實驗的失敗，因此集中注意力是相當重要的。其次，做實驗時要有足夠的耐心和定力。就像做橢偏法測薄膜厚度這個實驗一樣，需要測多組數據，而且不一定測出來的每一組數據都能成功，還要在電腦上通過查表之后才能確定，這就需要足夠的耐心和一定的動手能力。最后，一定要知道實驗的注意事項，什么是不能做的，就像做核實驗時，我們就不能隨便去碰那些放射源，在拿取時必須要用鑷子拿，不然會對人造成危險。當然做完實驗之后一定要還原好實驗器材，不能做完了就拍拍屁股走人，這是一名大學生應有的素質。總之在實驗中需要注意的事情還有很多，這些事情讓我們體會到，物理實驗需要嚴謹的思維，需要認真思考，每一步都要嚴謹，不然就會產生不該產生的誤差影響最終的數據結果，或導致實驗失敗。

實驗完成之后自然是數據處理和實驗報告。實驗數據是對實驗定量分析的依據，是探索、驗證物理規律的第一手資料。在系統誤差一定的情況下，實驗數據處理得恰當與否，會直接影響偶然誤差的大小。所以對實驗數據的處理是實驗的重要內容之一。這學期的近代物理實驗的數據都是比較多和比較繁瑣的，而且要求圖文并茂，這更加要求我們處理數據的時候要細心。還有需要一些軟件幫助處理數據和畫圖，我們在輸入數據的時候就要更加認真謹慎。

經過這一年的大學物理實驗課的學習，讓我收獲多多。想要做好物理實驗容不得半點馬虎，它培養了我們的耐心、信心和恒心。當然，我也發現了自己存在很多不足的地方。我的動手能力還不夠強，理論知識還不夠扎實，當有些實驗需要比較強的動手能力的時侯我還不能從容應對，實驗就是為了讓你動手做，去探索一些你未知的或者是你尚不是深刻理解的東西。現在，大學生的動手能力越來越被人們重視，大學物理實驗正好為我們提供了這一平臺讓我們去鍛煉自己的動手能力。我的學習方式還有待改善，當面對一些復雜的實驗時我還不能很快很好地完成。偉大的科學家之所以偉大就是他們利用實驗證明了他們的偉大。唯有實驗才是檢驗理論正確與否的唯一方法。為了要使你的理論被人接受，你必須用事實來證明，讓那些懷疑的人啞口無言。雖然我們的大學物理實驗只是對以前的實驗的一種再現，但是對于一個普通的大學生來說，這些事情也并不是一件容易的事情。我的數據處理能力還得提高，數據處理的是否得當將直接影響你的實驗成功與否。當實驗得出一大堆復雜數據的時侯我的處理方式和能力還不足，有時候會算錯結果，有時候會無從下手，有時候會繞遠路用復雜的方式去處理數據。經過這一年，我學會了一些處理數據的方法，相信這同樣也能對我其它的課程的學習起到幫助作用。

結束語： 總之，大學物理實驗課讓我收獲頗豐，也發現了自身的許多不足的地方。我會將在實驗中學習到的東西發揮到更多的地方去，也將在今后的學習和工作中不斷提高、完善自我。在今后的學習、工作中取得更大的收獲，在將來畢業的時候能夠成為一個對社會有更大貢獻的人才。

參考文獻：

[1] 吳先球 熊予瑩主編.近代物理實驗教程.科學出版社 [2] 母國光、戰無齡.光學.北京，人民教育出版社，1978 [3] 黃佐華，何振江，楊冠玲等.多功能橢偏測厚儀.光學技術 [4] 吳思誠.近代物理實驗[M].北京：人民教育出版社，1972.[5] 莫黨.橢圓偏振法-----測量薄膜與研究表面的新方法.電子科學技術

第三篇：相位法激光測距的理論設計(綜合最新版)

相位法激光測距的理論設計

摘要

本文介紹了半導體激光技術,并在傳統的相位法激光測距原理的基礎上, 參考激光測距光學系統設計,運用數字相關檢測的測量方法，提出一種把直接數字頻率合成(DDS)技術和數字信號處理(DSP)技術相結合的新的相位激光測距理論設計，這種設計有助于簡化電路、提高相位測距的精度。

關鍵詞： 相位激光測距，數字相關檢測，數字信號

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

目錄

第一章 引言.....................................................................................................................4 第二章 國內外研究狀況.................................................................................................5 第三章 激光測距光學系統.............................................................................................7 3．1 激光測距儀的系統結構.........................................................................................7 3．2光學系統圖示..........................................................................................................8 3．3 光學系統設計主要部件功能與作用.....................................................................9 3．4 主要參考性能數據...............................................................................................10 第四章 數字相關檢測技術改進方法設計...................................................................11 4．1 激光相位式測距的基本原理.............................................................................11 4．2 數字信號處理(DSP)的簡述.................................................................................13

4.2.1 數字信號處理的主要研究內容....................................................................14 4.2.2 測試信號數字化處理的基本步驟................................................................14 4.2.3 數字處理信號的優勢....................................................................................15 4．3 直接數字頻率合成技術.......................................................................................15

4.3.1 DDS的基本工作原理....................................................................................16 4．4 改進的數字測相的框圖設計...............................................................................16 第五章 小結...................................................................................................................22 參 考 文 獻.............................................................................................................23 致謝.................................................................................................................................24

第一章 引言

第一章 引言

激光，是一種自然界原本不存在的，因受激而發出的具有方向性好、亮度高、單色性好和相干性好等特性的光。物理學家把產生激光的機理溯源到1917年愛因斯坦解釋黑體輻射定律時提出的假說，即光的吸收和發射可經由受激吸收、受激輻射和自發輻射三種基本過程[1]。

所謂激光技術，就是探索開發各種產生激光的方法以及探索應用激光的這些特性為人類造福的技術的總稱。30多年來，激光技術得到突飛猛進的發展，利用激光技術不僅研制了各個特色的多種多樣的激光器，而且隨著激光應用領域不斷拓展，形成了激光唱盤唱機、激光醫療、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興產業。激光技術的飛速發展，使其成為當今新技術革命的先鋒！

激光和普通光的根本不同在于它是一種有很高光子簡并度的光。光子簡并度可以理解為具有相同模式(或波型、位相、波長)的光子數目,即具有相同狀態的光子數目。這些特性使激光具有良好的準直性及非常小的發散角,使儀器可進行點對點的測量,適應非常狹小和復雜的測量環境。激光測距儀就是利用激光良好的準直性及非常小的發散角度來測量距離的一種儀器。激光在A、B 兩點間往返一次所需時間為t, 則A、B 兩點間距離D 可表示為: D = c2t /2,式中, c為光在大氣中傳播的速度。由于光速極快, 對于一個不太大的D 來說, t是一個很小的量。如:假設D =15km, c = 3 3105 km / s,則t = 5 310-5 s。由測距公式可知,如何精確測量出時間t的值是測距的關鍵。

由于測量時間t的方法不同,便產生了兩種測距方法:脈沖測距和相位測距。其中相位測距更加精確[1]。

廣東技術師范學院本科畢業論文（相位法激光測距的理論設計）

第二章 國內外研究狀況

相位式激光測距技術的研究起始于20 世紀60年代末,到80 年代中期陸續解決了激光器件、光學系統及信號處理電路中的關鍵技術,80 年代后期轉入應用研究階段,并研制出了各種不同用途的樣機,90年代中期,各種成熟的產品不斷出現,預計近期將是其應用產品大發展的階段,在中、近程激光測距應用方面有取代YAG激光的趨勢。隨著激光技術的發展, 應用激光作精密光波測距系統的光源, 是現代測量儀器的一個顯著特點。

據近年的資料, 國外用于大地測量、城市和工程測量的各類光電測距儀約15000多臺。其中, 長程及中程各占1/4, 短程測距儀占1/2。許多工業發達國家已把各種激光測距儀紅外測距儀作為標準設備, 裝備測量作業隊。

近年來，中長程激光測距儀的技術發展有以下特點:（1）普遍采用He-Ne激光光源, 功率為1～5mW;（2）普遍采用新穎的高效調制器, 如ADP(磷酸二氫銨NH4H2PO4), KDP(磷酸二氫鉀(KH2PO4)), KD*P(磷酸二氘鉀(KD2PO4))等；（3）向自動化和數字化方向發展。中遠程激光測距儀的精度主要是受到比例誤差的限制, 這是值得注意的。如美國的Geodolit-3G遠程激光測距儀, 其數字測相的分辨力達±0.03 mm, 其固定誤差為±0.03 mm, 但它的比例誤差仍有1 mm/km[2]。為獲得測線的平均氣溫, 氣壓、濕度誤差影響￡1mm/km，還需要用飛機沿測線作氣象測定, 這對作業無疑是不方便的。對比之下, ±0.03 mm的測相分辨力, 對于單色激光的遠程測距, 并不必需。

短程的光波測距儀通常以砷化鎵半導體(GaAs)紅外波段激光源的紅外測距儀為主, 實用上也有少量采用He-Ne激光作光源。這類儀器普遍在向自動化、數字化與小型化、一機多能的方向發展。按儀器的功能可分為單測距儀器, 測角與測距相結合的儀器, 測距、測角與計算三結合儀器(電子速測儀)及高精度的短程測距儀這四類。

單測距的儀器都采用強制歸心基座可與經緯儀交替使用, 以利于邊角測量和導線測量的實施, 這類儀器也可采用激光光源。角、距結合的儀器有二種: 一種是測距系統作為經緯儀的附件, 積木式裝在經緯儀上, 將自動測距與經緯儀測角相結合直接為水平距離并能作坐標差Dx、Dy的計算.如DI-3及DI-3S;另一種能將自動測距與光學測微器

3-廣東技術師范學院本科畢業論文（相位法激光測距的理論設計）

第三章 激光測距光學系統

3．1 激光測距儀的系統結構

激光電子測距儀一般由激光光源、激光調制及發射電路、光學系統、接收單元、高頻放大電路、采樣積分電路、邏輯電路、振蕩電路和微處理器部分組成,系統框圖如圖3.1所示。激光光源采用半導體激光二極管。晶振部分包括主振單元和本振單元,通過頻率合成電路分別產生發射頻率信號和基準混頻信號。發射頻率信號經過一定的波形變換和功率放大后,作用于激光二極管,進行內調制,發出調制激光信號[3]。

圖3.1 激光測距儀的系統結構

Fig.3.1 laser ranging equipment system structure 激光測距光學系統設計的方案及原理為：動目標指示,目標速度分辨力8km/ h ；主動成象,幀頻為100～200 幀/ s；精確測距 ；以每秒1000 次的速率編排并記錄方位、仰角、距離和時間數據；進行坐標變換,以便輸出高精度的實時位置數據,便于繪圖和數字顯示；使用程序指出方位上幾個區域,保證目標或其它關鍵區域在安全標準范圍內安全控制。

連續波(GaA1As)激光發射機;2連續波(CO2)激光發射機;4、5聲光調制器;8、9-前置放大器;10散熱器;12、30-測距通道探測器;13二維電荷耦合器(CCD);15調準傳感器;17本振通道;19后反射器;21、22、23氣體池;25柵鏡;27、33四分之一波片;29分束器;34、35方 位俯仰驅動器;37廣東技術師范學院本科畢業論文（相位法激光測距的理論設計）

3．3 光學系統設計主要部件功能與作用

相位(GaA1As)激光發射機的作用是用于近場廣角截獲跟蹤目標, 并進行目標的粗測;連續波(GaA1As)激光發射系統用于精確的測距;連續波(CO2)激光發射系統用于測量速度。微調反射鏡有兩對,分別用于GaA1As 激光束和CO2 激光束的偏轉掃描,目標截獲、跟蹤探測器采用二維的電荷耦合器件CCD。

電荷耦合器件的傳感功能是在光致信息電荷的存儲和傳輸兩個過程完成的。如果把被測目標的光學圖象聚集在電荷耦合器件圖象傳感器的光敏區上,則其上個點所產生的光生載流子的數量,將與各象點上的圖象亮度相對應。在一般稱為光積分時間的時間間隔內,這些少數光生載流子分別被收集、存儲在就近的勢阱里,形成一個個的信息電荷包,每一個信息電荷包所儲存的信息電荷與電荷耦合器件工作表面上相應位置的光強成正比,因而成為被測光學圖象的諸點取樣模擬。這樣,就把光學圖象轉變成為由信息電荷所描繪的電子圖象,完成了光電轉換與儲存信息的過程。為了按掃描順序取出各電荷包的信息電荷,使被接收的圖象以電信號的形式再現出來,可在各個電極上依次施加有規則變化的時鐘脈沖電壓,各個電極下的勢阱深度也將作相應的變化,從而使電荷包能夠沿半導體表面作定向運動。

二維電荷耦合器件的感光單元呈二維矩陣排列,組成感光區。由于傳輸和讀出結構方式不同,面陣圖象器件有多種形式。碲鎘汞器件是目前性能最優良的最有前途的光電導探測器。它的光譜響應在8～4μm 之間,為大氣窗口波段,其峰值波長為1016μm 與CO2 激光器的激光波長相匹配,響應時間約為10

第三章 激光測距光學系統

3．4 主要參考性能數據

作用距離0～30 ,000m 角度測量準確度< ±110″ 分辨距離0.115m 角度覆蓋范圍180° 掃描角速度2°/ ms 角度偏轉范圍0～20°

連續波(GaA1As)激光器波長 0185μm 連續波CO2 激光器波長 1016μm 相位(GaA1As)激光器波長 01905μm 峰值功率

15W 輸出功率

15mW 重復頻率

90pps(每秒鐘的周期數)接收探測器 硅雪崩光電二極管 接收鏡孔徑 18～100mm

本文的相位測距數字檢測系統是根據激光測距的工作原理及由激光測距原理繼而發展的相位式激光測距的原理，并參考在激光領域所做的相關的光學系統而設計的。

廣東技術師范學院本科畢業論文（相位法激光測距的理論設計）

第四章 數字相關檢測技術改進方法設計

相位法激光測距是利用發射的調制光與被測目標反射的接收光之間光強的相位差所含的距離信息來實現對被測目標距離的測量。由于采用調制和差頻測相技術, 具有測量精度高的優點, 廣泛用于有合作目標的精密測距場合。激光相位式測距儀由于其測量精度高而被廣泛地應用于軍事、科學技術、生產建設等領域。相位式測距儀的基本原理是通過測量連續調幅信號在待測距離上往返傳播所產 生的相位延遲,來間接地測定信號傳播時間,從而求得被測距離.因此,信號相位測量的精度也就決定了激光測距儀的精度[6]。

測距儀相關檢測技術是信號檢測領域里一種重要工具,它能在低信噪比的情況下提取出有用的信號,具有較強的抗噪聲的能力,如同頻域里的譜分析一樣,時域里的相關分析幾乎在信號的所有領域里都有應用,例如圖像處理、衛星遙感、雷達及超聲探測、醫學和通信工程等。

在此本文設計一種新型的激光相位式測距儀,它將現代數字信號處理技術應用于測距系統,利用數字信號處理芯片的強大的數據運算功能,對采集的信號進行數字相關運算,計算出測量信號與參考信號的相位差,繼而得到距離值。

4．1 激光相位式測距的基本原理

傳統的相位法激光測距機,為了提高測量精度,通常需要把激光調制頻率提高到幾十兆甚至幾百兆；為了增大量程,通常把激光調制頻率降低到幾兆甚至更低;為了提高測量相位的精度,通常把發射信號和回波信號與本振混頻進行移相和鑒相測相。如要同時實現高精度和大量程,則需要多組激光調制頻率,且隨著測量精度的提高,調制頻率會不斷的提高,這些對電路性能要求會越來越高,電路的復雜度也會隨之增大,各個信號之間的串擾會隨之嚴重,這給高精度激光測距機的設計和制造帶來很大的困難。為了克服這些困難,本文提出了一種把直接數字合成(DDS)技術與數字信號處理器(DSP)相結合的激光測距方法,利用DSP強大的實時信號處理的特點和DDS 器件能在一定帶寬內產生任意頻率的特點,只需把調制頻率限制在10兆赫茲以內就可以達到很高的測量精度和很大的量程,而且在工作量提供了一定的理論設計[6]。本文就其基本原理, 系統框圖和誤差分析

第四章 數字相關檢測技術改進方法設計

做詳細的論述。

光以速度c 在大氣中傳播，在A、B 兩點間往返一次所需時間與距離的關系可表示為：L= ct/2。

上式中L ─— 待測兩點A、B 間的直線距離；c ─— 光在大氣中傳播的速度；t ─— 光往返AB 一次所需時間。由上式可知，距離測量實質是對光在AB 間傳播時間的測量。由于對時間測量不夠精確，所以將對時間的測量轉化為對相位差的測量。相位差的測量可以達到很高的精度，故而距離的測量也就達到了很高的精度[7]。

激光測距是用無線電波段的頻率,對激光束進行幅度調制并測定調制光往返一次所產生的相位延遲,再根據調制光的波長換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測定出光經往返測線所需的時間,如圖4.1所示。

圖4.1 測距相位示意圖

Fig.4.1 range finder phase schematic drawing 相位式激光測距一般應用在精密測距中。由于其精度高,一般為毫米級,為了有效地反射信號,并使測定的目標限制在與儀器精度相稱的某一特定點上,對這種測距儀大多配置了被稱為合作目標的反射鏡。

圖4.2為典型的模擬測相電路的原理圖[8]：

wо)t ] , E2 = Ecos[(ws

第四章 數字相關檢測技術改進方法設計

經成為一個新的技術領域和獨立的學科體系，當前已經形成了有潛力的產業和市場，在現代光電通信中也得到十分廣泛和成功的應用。

廣義來說，數字信號處理是研究用數字方法對信號進行分析、變換、濾波、檢測、調制、解調以及快速算法的一門技術學科。但很多人認為：數字信號處理主要是研究有關數字濾波技術、離散變換快速算法和譜分析方法。隨著數字電路與系統技術以及計算機技術的發展，數字信號處理技術也相應地得到發展，其應用領域十分廣泛。數字濾波器 數字濾波器的實用型式很多，大略可分為有限沖激響應型和無限沖激響應型兩類，可用硬件和軟件兩種方式實現。在硬件實現方式中，它由加法器、乘法器等單元所組成，這與電阻器、電感器和電容器所構成的模擬濾波器完全不同[9]。

4.2.1 數字信號處理的主要研究內容

數字信號處理主要研究用數字序列或符號序列表示信號，并用數字計算方法對這些序列進行處理，以便把信號變換成符合某種需要的形式。數字信號處理的主要內容包括頻譜分析、數字濾波與信號的識別等。

數字信號處理中常用的運算有差分方程計算、相關系數計算、離散傅里葉變換計算、功率譜密度計算、矩陣運算、對數和指數運算、復頻率變換及模數和數值轉換等。很多數字信號處理問題，都可以用這些算法加上其它基本運算，經過適當的組合來實現[10]。

4.2.2 測試信號數字化處理的基本步驟

隨著微電子技術和信號處理技術的發展，在工程測試中，數字信號處理方法得到廣泛的應用，已成為測試系統中的重要部分。從傳感器獲取的測試信號中大多數為模擬信號，進行數字信號處理之前，一般先要對信號作預處理和數字化處理。而數字式傳感器則可直接通過接口與計算機連接，將數字信號送給計算機（或數字信號處理器）進行處理[11]。

(1)預處理是指在數字處理之前，對信號用模擬方法進行的處理。把信號變成適于數字處理的形式，以減小數字處理的困難。如對輸人信號的幅值進行處理，使信號幅值與A／D轉換器的動態范圍相適應；衰減信號中不感興趣的高頻成分，減小頻混的影響；

1-廣東技術師范學院本科畢業論文（相位法激光測距的理論設計）

隔離被分析信號中的直流分量，消除趨勢項及直流分量的干擾等項處理。(2)A／D轉換是將預處理以后的模擬信號變為數字信號，存入到指定的地方，其核心是A/V轉換器。信號處理系統的性能指標與其有密切關系。

(3)對采集到的數字信號進行分析和計算，可用數字運算器件組成信號處理器完成，也可用通用計算機。目前分析計算速度很快，已近乎達到“實時”。

(4)結果顯示一般采用數據和圖形顯示結果。

4.2.3 數字處理信號的優勢

數字信號處理能廣泛應用于現代光電通信中，是因為DSP與模擬信號處理相比，具有以下優點[12]：

(1)信號處理的動態范圍大，有比模擬信大30dB的動態范圍，因而有更高的精度。(2)數字信號處理僅受量化誤差和有限字長的影響，處理過程不產生其它噪聲，具有更高的信噪比。

(3)具有高度的靈活性，能夠快速處理、緩存和重組，可以時分多用、并行處理，還可以靈活地改變系統參量和工作方式，并以利用系統仿真。(4)具有極好的重現性、可靠性和預見性。(5)算法具有直接的可實現性。

(6)對白噪聲、非平衡干擾和多徑干擾，可以有相應的最佳化的實現方法去進行特有的信號處理。

以上優點是DSP(數字信號處理)在現代光電等通信中應用的重要保證。

4．3 直接數字頻率合成技術

直接數字頻率合成技術(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)，是從相位概念出發直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術。和傳統的頻率合成技術相比，他具有頻率分辨率高、頻率轉變速度快、輸出相位連續、相位噪聲低、可編程和全數字化、便于集成等突出優點。DDS將先進的數字處理技術與方法引入信號合成領域，成為現代頻率

2廣東技術師范學院本科畢業論文（相位法激光測距的理論設計）

圖4.4 改進的數字測相框圖

Fig.4.4 The improvement numeral measures the diagram

改進的測量系統與原測量系統相比主要有以下區別：

1)主頻率信號與參考頻率信號都由直接數字頻率合成器(簡稱DDS)產生，這種方法不僅輸出頻率的分辨率高，而且可以通過編程改變輸出頻率，很容易改變光尺,提高測距的精度。

2)經過混頻、低通濾波器后的2 路信號進入模數轉換電路(ADC)，由DSP 控制在同一時刻啟動2 路ADC 進行數據采集,并由DSP利用數字相關檢測的方法測量相位差,得到距離值。

由于DSP 具有強大的實時處理特點和DDS 器件的寬帶特性,可將DSP 和DDS 結合起來設計的一種新的激光測距方法。利用DSP 和DDS 器件產生一定帶寬范圍內的任意頻率f ,在這任意頻率中,用一定的掃頻方法,找到相鄰的兩個使相位法激光測距的基本公式:L =mc/2f+Δφ/2πc2f 式中Δφ = 0的頻率fs1整和fs2整計算L[14]。其系統結構框圖為圖4.5所示。

圖4.5 基于DDS 和DSP 的激光測距機結構圖

Fig.4.5 Based on DDS and DSP laser range finder structure drawing

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圖4.6 DSP 內部的軟件流程圖 Fig.4.6 DSP interior software flow chart

4．5 數字相關檢測的原理及在本系統中的實現

互相關函數可以理解為2個信號的乘積的時間平均,這是一個很有用的統計量,一方面它可以用來了解2個未知信號之間的相似程度,或者2個已知信號的時間關系，另一方面它有很強的抗噪聲能力，這是因為噪聲信號的相關系數幾乎為零,在微弱信號中經常使用相關檢測的方法提取有用的信號[16]。信號x(t)和y(t)的互相關函數的嚴格定義如下：

式中: T 是平均時間,如果x(t)和y(t)是周期為T0 的周期信號,則只需要在它的1 個周期里作相關計算即可,即

, 通常直接稱為時差, T 為采樣時間間隔。

在本系統中為了分析方便, 先在模擬域中分析,由上面的分析可知經過混頻器和低通濾波器輸出的信號分別為[17]：

E1 = Dcos[(wsw0)t + φ] + n2(t)。

式中: n1(t)和n2(t)分別是隨機噪聲干擾項.由互相關的定義可知,信號E1 與E2 的互相關函數應是φ的函數,其表達式如下:

式中: T1 為差頻信號的周期,由于隨機噪聲的相關性較差,由式(1)可得： R12(φ)= DEcosφ/2。(2)由式(2)可知, 要想得到相位差φ, 必須要知道D 和E 的值, D 和E 的值受外界的干擾比大,所以相關運算要做歸一化處理.。經過模數轉換電路的2 路信號分別表示為：

E1(n)= Dcos[(wsw0)n T + φ] + n2(n T)。在數字域內的相關函數為：

r12(φ)=1/N ∑E1(n)E2(n)。信號E1(n)和E2(n)的均方根值為：

除非輸入信號幅度非常小，否則FFT運算結果可能導致溢出，為防止溢出的發生，FFT運算提供了歸一化功能（可選擇），就是輸出結果被運算長度N所除。在FFT

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