第一篇：激光測距應用

激光測距應用

應用領域：

電力、水利、通訊、環(huán)境、建筑、地質、警務、消防、爆破、航海、鐵路、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、房地產(chǎn)、休閑/戶外、反恐/軍事 主要應用方向：

? 在鋼鐵廠和軋鋼廠用于過程監(jiān)控 ? 料位、液位的測量

? 行車定位系統(tǒng)、裝卸處理設備的定位系統(tǒng)

? 對人力所不能到達部位的測量，如罐裝物、管道、集裝箱等 ? 車輛、船舶的定位監(jiān)控系統(tǒng) ? 起重安裝設備位置控制 ? 不宜接近的物體測量

? 距離、位置、液位、料位、生產(chǎn)線料坯傳送定位 ? 行吊XY定位 ? 電梯運行測量 ? 大型工件裝配定位 ? 運動物體位置監(jiān)控 ? 大型貨架庫存管理 ? 超大物體幾何計量 ? 靶距自動控制 ? 電氣化鐵路接觸網(wǎng)測量

? 鐵路建筑物限界測量以及江河湖海等的水位測量。測距發(fā)展路線： ? 民用，手持式 ? 工業(yè)用，高可靠性 市場開拓方式： ? 大客戶

? 代理商，借助代理商的客戶群 具體應用示例： 1.汽車防撞探測器

一般來說，大多數(shù)現(xiàn)有汽車碰撞預防系統(tǒng)的激光測距傳感器使用激光光束以不接觸方式用于識別汽車在前或者在后形勢的目標汽車之間的距離，當汽車間距小于預定安全距離時，汽車防碰撞系統(tǒng)對汽車進行緊急剎車，或者對司機發(fā)出報警，或者綜合目標汽車速度、車距、汽車制動距離、響應時間等對汽車行駛進行即時的判斷和響應，可以大量的減少行車事故。在高速公路上使用，其優(yōu)點更加明顯。2.車流量監(jiān)控及車輪廓描畫

這種使用方式一般固定到高速或者重要路口的龍門架上，激光發(fā)射和接收垂直地面向下，對準一條車道的中間位置，當有車輛通行時，激光測距傳感器能實時輸出所測得的距離值的改變，進而描繪出所測車的輪廓。這種測量方式一般使用的激光束發(fā)散角度較小，測距范圍一般小于30米即可，且要求激光測距速率比較高，一般要求達到幾百赫茲就可以了。這對于在重要路段監(jiān)控可以達到很好的效果，能夠區(qū)分各種車型，對車身掃描的采樣率可以達到10厘米一個點，且對車流限高，限長等都能實時輸出結果。如圖3。在沒有車輛到來時，激光測距傳感器測出的是一個距離常量，也就是測距儀到地的距離，當有車輛從測距儀下面經(jīng)過時，距離值改變，當距離值再次回到常量就認為有一輛車通過，根據(jù)這種方式我們可以對通過一些路段的車流量進行監(jiān)控。現(xiàn)在常用的方法是對一段時間內(nèi)的車流進行統(tǒng)計平均的方法，帶有很大的估計成分，而視頻統(tǒng)計的方法還有很多現(xiàn)實應用的困難，因此，激光測距統(tǒng)計方法為車流量統(tǒng)計提供了一種可行的方案。3.車輛行人違法監(jiān)測

由于激光測距傳感器的光束不是實質性的障礙，在利用激光測距傳感器對路面進行監(jiān)控的時候，并不會阻礙交通的正常運行。因此，在一些禁停或者禁止行人車輛通行的路段，用激光束平行路面以一定高度進行固定發(fā)射或者以一定角度進行掃描，當遇到有車輛違法停車闖紅燈或者行人違法跨越護欄等，激光測距距離值改變，可以進行報警或者警示。這種應用光束不必要太寬，但一般要求測距距離比較長，以確保一定路段長度的防護距離。這種方式構成的智能交通違法監(jiān)控系統(tǒng)將在交通物聯(lián)網(wǎng)中得到很大的應用。4.激光測速傳感器

激光測距傳感器是激光測距技術在交通管理領域最早的一種形式，因為其卓越的性能，在實際應用中逐漸得到普及。激光測距傳感器是采用激光測距的原理，是對被測物體進行兩次有特定時間間隔的激光測距，取得在此時間間隔內(nèi)被測物體的距離變化，從而得到該被測物體的移動速度。激光測速儀分為固定式的和移動式兩種，固定式的一般固定在路邊或者龍門架上，以一個比較小的角度迎向來車，一般通過車牌反射進行測量，測量精度比較高，可以達到±1公里/小時，測速范圍可達250公里/小時，測距范圍在此應用中不用太長，一般80到100米即可。移動式激光測速儀對操作要求比較高，一般光束發(fā)散角度要大于3 mrad，鑒于激光測速的原理，激光光束必須要瞄準垂直與激光光束的平面反射點，又由于車輛處于移動狀態(tài)，車體平面不大，且測速需要一定時間，只能作為臨時測速，取證應用。激光測距傳感器由于光束發(fā)散角度較小，便于測速取證，不像雷達多普勒測速儀，在多車道測量時不能確知超速的具體車輛，且由于激光測速傳感器發(fā)射的是近紅外的光波，不能被雷達探測器、電子狗等探側，且不易受市區(qū)雷達雜波干擾。鑒于激光測距傳感器的上述優(yōu)點，在智能交通中的應用將越來越普及。如圖2。

5.測量傳送帶上箱子的寬度

使用兩個發(fā)散型傳輸時間激光測距傳感器，在傳送帶的兩側面對面安裝。因為尺寸變化的箱子落到傳送帶上的位置是不固定的，這樣，每個激光測距傳感器都測量出自己與箱子的距離，設一個距離為L1，另一個為L2。此信息送給PLC，PLC將兩個激光測距傳感器間總的距離減去L1和L2，從而可計算出箱子的寬度W。6.在港口碼頭上的使用 使用激光測距傳感器，可以測量船只到船只的距離和船只到船只的相對速度。在一艘船只移動的過程中，用來檢測船只到碼頭或到另外的船只的的相對距離和速度，船只根據(jù)激光測距傳感器輸出的數(shù)字信號，調整船只行進的速度和航線。如果使用云臺可以測量一定角度范圍的物體的距離，并且可以知道在那個角度有物體，其距離和相對速度。7.在火車站上的使用

使用激光測距傳感器，可以測量火車到站臺的的距離和火車到火車到站臺的相對速度。

8.在石油鉆機上的使用

使用激光測距傳感器，可以測量游車到塔頂?shù)木嚯x和相對速度，防止“上碰下砸”事故的發(fā)生。

9、保護液壓成型沖模 機械手把一根預成型的管材放進液壓成型機的下部沖模中，操作者必須保證每次放的位置準確。在上部沖模落下之前，一個發(fā)散型傳感器測量出距離管子臨界段的距離，這樣可保證沖模閉合前處于正確位置。

10、二軸起重機定位

用兩個反射型傳感器面對反射器安裝，反射器安裝在橋式起重機的兩個移動單元上。一個單元前后運動，另一個左右運動。當起重機驅動板架輥時，兩個傳感器監(jiān)測各自到反射器的距離，通過PLC能連續(xù)跟蹤起重機的精確位置。

激光輪廓掃描儀

應用方向： 港口應用 1.岸吊大梁防撞

防止大梁與輪船上的煙囪、天線等相撞。2.岸吊集卡定位

通過測量集裝箱的輪廓來判斷卡車位置，通過面板顯示司機應前進或后退的距離。

3.輪胎吊地面防撞

通過區(qū)域保護功能，防止輪胎吊的前進方向上與卡車、人物等障礙物碰撞，同時可起到防止兩臺輪胎吊相撞的目的。4.倒車雷達

通過區(qū)域保護功能，防止港口重型車輛在倒車時與卡車、人物等障礙物碰撞。

5.輪胎吊/軌道吊防打保齡

通過測量堆場中集裝箱的輪廓，控制吊具的提升高度，確保吊具及吊具上的集裝箱不與堆場中的集裝箱碰撞，同時做到優(yōu)化操作路線，提高效率的功能。交通應用 1.車輛超限檢測

通過輪廓測量功能，測量過往車輛的最高，最寬值。2.貨車體積測量

通過輪廓測量功能，測量過往車輛的最高，并計算車輛的體積。3.鐵路貨運安全檢測門

通過輪廓測量功能，測量過往車輛的截面，將截面數(shù)據(jù)與設定值對比，檢測是否超出。4.鐵軌障礙物檢測

通過輪廓測量功能，測量在鐵軌上是否有障礙物及障礙物的大小、位置。其它應用

1． 機器人和AGV自動導航車

通過輪廓測量功能，實現(xiàn)機器人自動導航或防撞，或地圖掃描。2． 船閘應用

通過區(qū)域檢測功能，檢測航道上是否有船經(jīng)過，以避免與船閘相撞。3． 盤煤系統(tǒng)

安裝在堆取料機上，自動盤煤。4． 人數(shù)統(tǒng)計

監(jiān)控人流密度，控制區(qū)域安全及節(jié)能等作用。5． 安防

通過人眼不可見的紅外掃描，廣泛應用于核電、軍隊、監(jiān)獄、博物館等重要場合的安防應用。6． 地圖構建

通過輪廓測量功能，實現(xiàn)無人車的自動避障或周圍環(huán)境的輪廓掃描。7． 機器人輪廓掃描及定位

通過輪廓測量功能，掃描物體的輪廓及位置，方便機器人抓取。市場開拓方式： ? 大客戶

? 代理商，借助代理商的客戶群

具體應用： 港口應用 1.岸吊大梁防撞

防止大梁與輪船上的煙囪、天線等相撞。

2.岸吊集卡定位

通過測量集裝箱的輪廓來判斷卡車位置，通過面板顯示司機應前進或后退的距離。

3.輪胎吊地面防撞

通過區(qū)域保護功能，防止輪胎吊的前進方向上與卡車、人物等障礙物碰撞，同時可起到防止兩臺輪胎吊相撞的目的。

4.倒車雷達

通過區(qū)域保護功能，防止港口重型車輛在倒車時與卡車、人物等障礙物碰撞。

5.輪胎吊/軌道吊防打保齡

通過測量堆場中集裝箱的輪廓，控制吊具的提升高度，確保吊具及吊具上的集裝箱不與堆場中的集裝箱碰撞，同時做到優(yōu)化操作路線，提高效率的功能。

交通應用 1.車輛超限檢測

通過輪廓測量功能，測量過往車輛的最高，最寬值。

2.貨車體積測量

通過輪廓測量功能，測量過往車輛的最高，并計算車輛的體積。

3.鐵路貨運安全檢測門

通過輪廓測量功能，測量過往車輛的截面，將截面數(shù)據(jù)與設定值對比，檢測是否超出。

4.鐵軌障礙物檢測

通過輪廓測量功能，測量在鐵軌上是否有障礙物及障礙物的大小、位置。

其它應用

1． 機器人和AGV自動導航車

通過輪廓測量功能，實現(xiàn)機器人自動導航或防撞，或地圖掃描。

2． 船閘應用

通過區(qū)域檢測功能，檢測航道上是否有船經(jīng)過，以避免與船閘相撞。

3． 盤煤系統(tǒng)

安裝在堆取料機上，自動盤煤。

4． 人數(shù)統(tǒng)計

監(jiān)控人流密度，控制區(qū)域安全及節(jié)能等作用。

5． 安防

通過人眼不可見的紅外掃描，廣泛應用于核電、軍隊、監(jiān)獄、博物館等重要場合的安防應用。

6． 地圖構建

通過輪廓測量功能，實現(xiàn)無人車的自動避障或周圍環(huán)境的輪廓掃描。

7． 機器人輪廓掃描及定位

通過輪廓測量功能，掃描物體的輪廓及位置，方便機器人抓取。

第二篇：激光測距論文講解

激光測距及在軍事上的應用 摘 要

激光技術這一高新技術，經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，從機理原理，實驗手段到制造工藝都已逐步成熟，且先進的激光器不斷研制成功，并憑借其高亮度、方向性強、單色性好、相干性好的顯著特點，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事等領域的應用已經(jīng)是大顯神威。而激光武器經(jīng)過不斷地開發(fā)和研究，目前已有了重大的進展：低功率激光武器已開始裝備部隊，高功率激光武器則在技術上已基本成熟，將在未來現(xiàn)代化戰(zhàn)爭或局部戰(zhàn)爭中發(fā)揮舉足輕重的作用。

本文簡要介紹了脈沖激光測距原理及常見的激光測距儀，并對它們在軍事上的應用作了相應的介紹。

關鍵詞：激光測距；激光測距儀； 軍事應用

一、引言

激光測距是激光在軍事上應用最早和最成熟的技術。自1960 年第一臺激光器--紅寶石激光器發(fā)明以來，便有人開始進行激光測距的研究。和微波測距等其它方法相比,激光測距具有更好的方向性和更高的測距精度,測程遠,抗干擾能力強,隱蔽性好,因而得到廣泛的應用。激光測距的研究還對雷達技術的發(fā)展起了很大的促進作用,因而在國民經(jīng)濟和國防建設中具有重要意義。根據(jù)所發(fā)射激光狀態(tài)的不同,激光測距分為激光脈沖測距和連續(xù)波激光測距,后者根據(jù)起止時刻標識的不同又分為相應激光測距和調頻激光測距。本文將介紹脈沖測距的最新技術發(fā)展。

二、脈沖激光測距原理

脈沖激光測距是利用激光脈沖持續(xù)時間極短,能量在時間上相對集中,瞬時功率很大(一般可達兆瓦)的特點,在有合作目標的情況下,脈沖激光測距可以達到極遠的測程;在進行幾公里的近程測距時,如果精度要求不高,即使不使用合作目標,只是利用被測目標對脈沖激光的漫反射索取的反射信號,也可以進行測距。圖1 脈沖飛行時間激光測距系統(tǒng)一個典型的脈沖飛行時間激光測距系統(tǒng)通常有以下五個部分組成:激光發(fā)射單元,一個或兩個接收通道,時刻鑒別單元,時間間隔測量單元和處理控制單元。激光發(fā)射單元在t0 時刻發(fā)射一激光脈沖,其中一小部分功率直接進入接收通道1,經(jīng)時刻鑒別單元產(chǎn)生起始(START)信號,開始時間間隔測量;其余功率從發(fā)射天線向目標發(fā)射出去,經(jīng)距離R 到達目標后被反射;接收通道2 的光電探測器接收到返回脈沖,經(jīng)放大后到達時刻鑒別單元,產(chǎn)生一終止(STOP)信號,終止時間間隔測量;時間間隔測量單元把所測得的結果t 輸出到處理控制單元,最后得到距離R=ct/2。

[1]

三、激光測距在軍事上的應用 3.1 激光測距光源

戰(zhàn)術和戰(zhàn)略用脈沖激光測距儀主要包括紅寶石、Nd∶YAG、CO2、喇曼頻移Nd∶YAG 和Er∶玻璃等脈沖激光測距儀。3.3.1 紅寶石脈沖激光測距儀

0.69μm 的紅寶石脈沖激光測距儀是第一代軍用激光測距儀，其結構簡單，緊湊。因工作波長屬近紅外綠光，極易暴露目標，加上對人眼極不安全，目前除少數(shù)應用外已被淘汰。

3.1.2 Nd∶YAG 脈沖激光測距儀

Nd∶YAG 脈沖激光測距儀的主要優(yōu)點是隱蔽性、電效率和脈沖重復工作頻率大大優(yōu)于紅寶石激光測距儀，因而從60 年代后期開始廣泛裝備部隊；主要缺點：①工作波長為1.06μm，相對說來較短，在大氣中的衰減較大，不完全適合自然霧和戰(zhàn)場煙幕等環(huán)境條件；② 1.06μm 波長被發(fā)射后經(jīng)人眼聚焦進入視網(wǎng)膜，在很短的距離上若不加防護觀察，可以使人眼永久致盲；③1.06μm 波長不與8~12μm 熱成像系統(tǒng)兼容。而Nd∶YAG 脈沖激測距儀目前仍具有無法取代的獨特優(yōu)點。3.1.3 CO2 脈沖激光測距儀

CO2 脈沖激光測距儀是70 年代末和80 年代中期主要針對1.06μm 的Nd∶YAG 激光測距儀的缺點發(fā)展起來的新一代人眼安全激光測距儀。其主要優(yōu)點有：①大氣穿透能力優(yōu)于Nd∶YAG 激光波長，能在較低能見度和戰(zhàn)場煙幕等大氣條件下工作；②能與8~12μm 波段內(nèi)的典型熱成像系統(tǒng)兼容并可共用接收光學系統(tǒng)和探測器，能有效實現(xiàn)熱成像儀能探測到的絕大多數(shù)目標；③能實現(xiàn)對人眼安全。主要缺點是：①10.6μm 的CO2 激光波長極易被水分子(H2O)吸收衰減，在大氣中含水蒸汽密度大的睛天和潮濕條件下，限制了它的最大測距能力，特別是雨天和目

標被雪覆蓋時，目標呈現(xiàn)多鏡面對稱反射，對CO2 激光波長測距不利；③10.6 μm 的CO2 激光波長對戰(zhàn)術目標的反射系數(shù)低于1.54、1.06 和0.69μm 的激光波長。

3.1.4 喇曼頻移Nd∶YAG 和Er∶玻璃脈沖激光測距儀

喇曼頻移Nd∶YAG 和Er∶玻璃脈沖激光測距儀也和CO2 一樣發(fā)展于70 年代末和80年代中期，主要優(yōu)點是：①大氣穿透能力高于1.06μm 的Nd∶YAG 激光波長而低于CO2 激光波長；②對目標的反射系數(shù)和在睛天、高溫度條件下測距時，其性能高于CO2 激光波長并與Nd∶YAG 激光波長相當；③對人眼的安全性高于CO2 激光波長。缺點是由于1.54μm 波長屬中紅外波段，不能與8~12μm 的熱成像系統(tǒng)兼容，加上轉換效率低、脈沖能量小和重復工作頻率低(喇曼頻移Nd∶[3][2] YAG 除外)等限制了它們的應用。3.2 脈沖激光測距在軍事上的應用

脈沖激光測距儀作為軍用裝備器材，發(fā)展于60 年代初。經(jīng)過30 多年的開發(fā)、研制和裝備，目前國外已完成了“手持式、腳架式、潛望式、坦克、裝甲、水面艦載、潛艇潛望、高炮、機載、機場測云、導彈和火箭發(fā)射、人造衛(wèi)星、航天器載”等約十三大類400 多個品種和型號，其中裝備量最大的是以Nd∶YAG 為器件的固體脈沖激光測距儀，其次是喇曼頻移Nd∶YAG 和Er∶玻璃以及CO2 脈沖激光測距儀。

3.2.1 輕型便攜式脈沖激光測距儀

輕型便攜式脈沖激光測距儀包括步兵和炮兵偵察用的手持式以及前沿偵察和前沿對空控制(FAC)雙用途的激光測距儀—目標指示器。對上述用途的系統(tǒng)，要求機動靈活、重量輕、體積小、用電池組作電源、可靠性和維修性高以及單一產(chǎn)品的成本低等。主要技術性能：最大測程4~10km，測距精度±10m，重復頻率為單次，束散角1~2mrad。值得關注的的是，由于上述激光測距儀及其系統(tǒng)常與其他友軍密切配合作戰(zhàn)且不帶裝甲部隊大范圍訓練以及無合作目標、操作手不帶防護目鏡等，人眼安全極為重要。因此，這類脈沖激光測距儀已逐漸由裝備Nd∶YAG 激光測距儀改為喇曼頻移Nd∶YAG 和Er∶玻璃1.54μm 的人眼安全激光測距儀。

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，由以前單一的步兵、炮兵獨立作戰(zhàn)發(fā)展到有步兵、炮兵和海軍陸戰(zhàn)隊組成的特種部隊聯(lián)合作戰(zhàn)，武器系統(tǒng)也由單一的地炮、高炮逐漸采用多功能綜合高技術。因此激光測距儀也由單一測距功能的便攜式、手持式發(fā)展到激光測距、紅外瞄準的晝夜觀測儀以及激光測距、目標指示、紅外瞄準的激光紅外目標指示器等。

3.2.2 地面車載脈沖激光測距儀

地面車載脈沖激光測距儀包括坦克、步兵戰(zhàn)車(IFV)、火控、對空防御、火炮或導彈制導火控以及目前發(fā)展的地面車載激光測距儀—目標指示器等。其主要技術性能：最大測程4~10km，測距精度±5~10m，目標分辨約20m，重復頻率0.1~1Hz，束散角0.4~1mrad。激光測距儀在坦克火控系統(tǒng)中的應用是提供彈道軌跡的超仰角修正信息和因逆風或目標移動引起的方位角校正信息以及距離信息。步兵戰(zhàn)車主要是使用激光測距儀去測量目標是否在反坦克導彈的距離內(nèi)，其次用于槍炮火控和對目標的分選。為了做到激光測距儀完全有效地對任何能探測到的目標測距以及通過火控系統(tǒng)全天候被動探測、識別和分選，這些系統(tǒng)還應包括：瞄準光學系統(tǒng)、電視攝像機和紅外熱成像儀(FLIR)等。這是目前非常迫切需要的但不可能通過任何單一功能和單一波長激光測距儀能完全滿足的系統(tǒng)。據(jù)外刊報 道，美國休斯公司采用喇曼頻移Nd∶YAG 激光測距、電視攝像和紅外成像組成的坦克、裝甲車激光測距儀系統(tǒng)是目前最新型的設備。但是這種系統(tǒng)若采用1.06μm 的Nd∶YAG 激光測距，盡管在測距儀上裝上衰減濾光片，對合作目標測距訓練時已基本達到人眼安全要求，而經(jīng)論證后的坦克和步兵作戰(zhàn)的操作人員及指揮、作戰(zhàn)人員應采取人眼安全措施，或者采用人眼安全的1.54μm 激光波長測距，從根本上實現(xiàn)對人眼安全的要求。3.2.3 對空火炮和導彈防御脈沖激光測距儀

對空防御的脈沖激光測距儀以及采用了自保護措施的步兵戰(zhàn)車對空防御脈沖激光測距儀均應按火控系統(tǒng)和作戰(zhàn)系統(tǒng)的要求工作，在距離和距離速率以內(nèi)對空中高速機動目標提供穩(wěn)定的跟蹤信息和距離信息，以對抗武裝直升機、隱身飛機和巡航導彈、反輻射導彈的威脅。這就要求激光測距儀提供比較高的數(shù)據(jù)率(高的激光脈沖速率)和相當高的距離精度，如最大測程為4~20km，測距精度為

2.5~5m，重復頻率為6~20Hz，束散角為0.5~2.5mrad 等。然而，若其交戰(zhàn)距離相當遠(約達20km 以上)，這么遠的距離實際對抗出現(xiàn)在不模糊的大氣條件下，僅要求激光測距儀的靈敏度比坦克測距儀稍高一些；若在某些高濕度季節(jié)或某些高溫度氣象區(qū)域內(nèi)，由于很強的H2O 分子吸收，限制了長波長(如10.6μm 的CO2)脈沖激光測距儀最大測距能力的發(fā)揮，此時，應采用1.06μm 的Nd∶YAG 脈沖激光測距儀，或者采用喇曼頻移Nd∶YAG 及Er∶玻璃(1.54μm)的脈沖激光測距。

3.2.4 機載脈沖激光測距儀

機載脈沖激光測距儀可以用來裝備武裝直升機的導彈指令制導和裝備固定翼飛機，用于封鎖支援的光電飛行器等目標以及攔截飛機和導彈的攻擊。這些典型應用一般采用1.06μm的Nd∶YAG 激光測距儀并具有激光測距和目標指示的能力，或者采用1.54μm 波長的人眼安全喇曼頻移Nd∶YAG 脈沖激光測距儀_目標指示器等，以保護機載系統(tǒng)完成作戰(zhàn)任務或主動攻擊空中的光電目標。機載脈沖

激光測距儀的主要技術性能：測程遠(用于武裝直升機為4~10km，用于固定翼飛機為10~20kM)、測距精度高(用于武裝直升機為±5~10m，用于固定翼飛機為±1~10m)、重復頻率高(用于武裝直升機為4Hz，用于固定翼飛機為5~20Hz)、束散角小(用于武裝直升機為0.4~1mrad，用于固定翼飛機為0.1~0.5mrad)，同時機載設備應體積小、重量輕并要與航空指示器共用。因此，激光器必須使用高效循環(huán)液體作冷卻器，以適應高的運轉速率要求，否則要采用氣體或混合氣體升壓冷卻。

3.2.5 艦載脈沖激光測距儀

艦載脈沖激光測距儀的發(fā)展在輕型便攜式、車載和對空防御激光測距儀之后，它包括水面艦載和潛艇潛望兩大類。水面艦載脈沖激光測距儀在技術性能指標方面與車載火控和對空防御激光測距儀相同，在環(huán)境使用方面要適應艦載海[4] 空、海面以及海上鹽霧的荷刻要求，而在體積、重量、電效率、維護保養(yǎng)能力和成本等方面的要求又不苛刻。因此，目前大量用來裝備常規(guī)火控和對空防御的海軍艦只，如掩護(無聲雷達)艦載飛機回收和與紅外熱成像、電視等組成跟蹤系統(tǒng)，全天候監(jiān)視和跟蹤空中目標等獨特的艦上應用正在出現(xiàn)，其應用前景相當廣泛 [5]。

四、結束語

激光武器不但反應速度快，而且殺傷命中率特別高，幾乎是100%，因為激光 武器以光束攻擊目標，可以不考慮射擊提前量，而且目標的機動性也不會影響激光器的性能。所以，激光武器的殺傷率就非常高，一旦鎖住目標，就能將其摧毀或破壞。另一個重要優(yōu)點是單發(fā)成本相當?shù)停堪l(fā)僅1000 ~ 3000 美元。因此，用激光武器來對付在全世界擴散的“ 廉價低空飛行器“ 大有好處。使用戰(zhàn)區(qū)高空防御武器或其它昂貴的反導系統(tǒng)來對付近程火箭，其代價也太高。所以，發(fā)展激光防空武器就成了必然趨勢。[6] 參考文獻

［1］ 李適民.激光器件原理與設計［M］ 國防工業(yè)出版社 1998 ［2］ 陳家璧，彭潤玲.激光原理及應用[M] 電子工業(yè)出版社 2008 ［3］ 梅遂生，王戎瑞.光電子技術[M] 國防工業(yè)出版社 2008 ［4］ 陳婭冰等.激光武器新技術及應用［ J］.激光與光電子學進展，2003：12－16 ［5］ 王樂．激光在現(xiàn)代軍事中的應用[J]．光機電信息.2002，(6)：23—24 ［6］ 趙江，徐世錄.激光武器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J] 2005:67-70

第三篇：激光加工應用范圍

主要可廣泛應用于:

1: 汽車機械行業(yè)：軸承，鋼套，活塞環(huán)，發(fā)動機標簽，汽車面板按鍵，機床配件等； 2: 電子通訊行業(yè)：手機按鍵，鍵盤，電子元器件，家電面板，光纜，電纜等；

3: 五金工具行業(yè)：工具，量具，刃具，衛(wèi)浴潔具，餐具，鎖，刀剪，醫(yī)療器械，健身器材，不銹鋼制品等；

4: 飾扣標牌行業(yè)：鈕扣，箱包扣，皮帶扣，金銀飾品，指示牌，胸牌，考勤卡，名片賀卡，日歷，相片，皮包，皮帶，筆及筆盒，獎狀，獎杯各種證書，收藏器，藝術品，圖章，牌匾等；

5: 儀表眼鏡行業(yè)：金屬表殼，表底，眼鏡框，儀器儀表面板等；

6: 木器工藝行業(yè)：木制工藝品，字畫復制及裝表，家具工藝裝飾等；

7: 包裝瓶蓋行業(yè)：煙草，食品，藥品等內(nèi)外包裝，金屬瓶蓋，易拉罐等。

第四篇：激光的發(fā)展及應用

激光的發(fā)展及應用

13材料C1 安海山 20134865620 前言：激光作為新能源代表，在許多領域都有更廣泛應用，激光器的發(fā)明是20世紀中能與原子能、半導體、計算機相提并論的重大科技成就。自誕生到現(xiàn)在得到了迅速發(fā)展，激光光源的出現(xiàn)是人工制造光源歷史上的又一次革命。我國激光技術在起步階段就發(fā)展迅速，無論是數(shù)量還是質量都和當時國際水平接近。一項創(chuàng)新性技術能夠如此迅速地趕上世界先進行列，這在我國近代科技發(fā)展史上并不多見。能夠將物理設想、技術方案順利地轉化成實際激光器件，主要得力于長春光機所多年來在技術光學、精密機械方面的綜合能力和堅實基礎。一項新技術的開發(fā)，沒有足夠技術支撐很難形成氣候。

摘要：激光是２０世紀６０年代出現(xiàn)的最重大科學技術成就之一，它的 出現(xiàn)深化了人們對光的認識，擴大了光為人類服務的天地。激光是基于受激發(fā)射放大原理而產(chǎn)生的一種相干輻射。能夠發(fā)射出激光的實際裝置，稱之為激光器，普通光由原子群中的原子無秩序地、個體自發(fā)發(fā)光產(chǎn)生，而激光的產(chǎn)生，則是控制了原子群，使之集體化地，有組織有紀律地發(fā)光，就是說，激光是由原子群的集體化受激發(fā)光產(chǎn)生的。

關鍵詞：激光、激光產(chǎn)業(yè)、發(fā)展趨勢 1.激光的應用現(xiàn)狀

1.1激光在自然科學研究上的應用

1.1.1非線性光學反應

在熟悉的反射、折射、吸收等光現(xiàn)象中，反射光、折射光的強度與入射光的強度成正比，這類現(xiàn)象稱為線性光學現(xiàn)象。如果強度除了與入射光強度成正比外，還與入射光強調成二次方、三次方乃至更高的方次，這就屬非線性光學效應。這些效應只有在入射光足夠大時才表現(xiàn)出來。高功率激光器問世后，人們在激光與物質相互作用過程中觀察到非線性光學現(xiàn)象，如頻率變換，拉曼頻移，自聚焦，布布里淵散射等。

1.1.2用激光固定原子

氣態(tài)原子、分子處于永不停息運動中（速度接近340 m/s），且不斷與其它原子，分子碰撞，要“捕獲”操作它們十分不易。1997年華裔科學家、美國斯坦福大學朱棣文等人，首次采用激光束將原子數(shù)冷卻到極低溫度，使其速度比通常做熱運動時降低，達到“捕獲”操作的目的。具體做法是，用六路倆倆成對的正交激光束，用三個相互垂直的方向射向同一點，光束始終將原子推向這點，于是約106個原子形成的小區(qū)，溫度在240μκ以下。這樣使原子的速度減至10 m/s兩級。后來又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在約1s內(nèi)從控制區(qū)墜落后被捕獲。此項技術在光譜學、原子鐘、研究量子效應方面有著廣闊的應用前景。

1.2激光測距、激光雷達

利用激光的高亮度和極好的方向性，做成激光測距儀，激光雷達和激光準直儀。激光測距的原理與聲波測距原理類似。激光雷達與激光測距的工作原理相似，只是激光雷達對準的是運動目標或相對運動目標。利用激光雷達又發(fā)展了遠距離導彈跟蹤和激光制導技術，這些在1991年海灣戰(zhàn)爭中都已投入使用。激光制導導彈，頭部有四個排成十字形的激光接收器（四象限探測儀）。四個接收器收到的激光一樣多，就按原來方向飛行；有一個接收器接受的激光少了，它就自動調整方向。另一類激光制導是用激光束照射打擊目標，經(jīng)目標反射的激光被導彈上的接收器收到，引導導彈擊中目標。激光準直儀起到導向作用，例如在礦井坑道的開挖過程中為挖掘機導向。激光 準直儀還被用在安裝發(fā)動機主軸系統(tǒng)等對方向性要求很高的工作中。

1.3激光在工業(yè)應用

激光加工代表精密加工裝備未來的發(fā)展方向，體現(xiàn)著一個國家的生產(chǎn)加工能力、裝備水平和競爭能力。目前，激光加工技術在各種僅金屬與非金屬材料加工中的應用非常廣泛。工業(yè)激光器目前主要包括CO2激光器、固體激光器、半導體激光器等。這幾種激光器各具優(yōu)點，如CO2激光器的成本最低，固體激光器的光束質量好，半導體激光器的出光效率高。光纖激光器是未來新一代激光技術的發(fā)展方向，它具有常規(guī)固體激光器所不具備的許多優(yōu)點。然而激光器服務的機床企業(yè)非常謹慎，終端用戶對激光器本身的印象遠不及對系統(tǒng)那么深刻。在現(xiàn)代重工業(yè)中，如材料切割、焊接、快速成型等過程中，激光技術體現(xiàn)出了優(yōu)越性。激光可以通過軟件來控制軌跡。激光加工屬于非接觸加工，因此穩(wěn)定性和壽命都比較好。在當今半導體行業(yè)，光科技術已成為半導體工業(yè)的“領頭羊”。激光器在線加工已成為不可或缺的一部分。例如激光調阻機可達到產(chǎn)能70萬只/小時，芯片光刻已實現(xiàn)65nm的制程。

1.4激光在醫(yī)學應用

激光在醫(yī)療領域有著非常廣泛的應用。激光與生物體的作用產(chǎn)生多種效應，如熱效應、壓力效應、光化效應、電磁效應。有時，這幾種效應在作用是同時存在。激光類醫(yī)療器材產(chǎn)品被定義為：為了手術、治療或醫(yī)療診斷目的而進行人體照射的那些種類的醫(yī)療器材產(chǎn)品。激光醫(yī)療設備可分為激光治療器、激光診斷儀器和激光檢測設備。激光美容、激光切除腫瘤、激光眼科手術、激光心肌血管再造等等都得到了迅速發(fā)展。在世界激光醫(yī)療市場，中國已成為僅次于美國和日本的世界第3大激光醫(yī)療市場。弱激光對生物組織有刺激、陣痛、消炎、擴張血管等作用，用弱激光照射病灶，有治療效果。利用弱激光照射穴位。可以產(chǎn)生類似針灸的效果。低強度的He-Ne激光血管內(nèi)照射可以治療腦梗塞、頸椎病、冠心病等缺血性疾病]。研究表明，紫光激光器對軟組織治療有著很好的療效，打破了CO2激光器最適合治療這類疾病的常規(guī)認識。

1.5激光通信

激光通信主要是利用激光的單色性和方向性好的特點。根據(jù)傳輸媒質的不同，激光通信可分為宇宙通信、大氣通信、水下通信以及光纖通信。目前在軍事領域使用較為廣泛的是大氣通信。大氣激光通信保密性能好，難以截獲和干擾。諾·格公司已完成衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)兼容性實驗，2007年進行下一階段試驗，該系統(tǒng)能夠為多種用戶提供更強的通信能力。民用光纖通信的容量很大，且成本低。目前光纖通信蓬勃發(fā)展，已成為重要的民用領域之一。

1.6激光與能源

激光具有高亮度的特點，在能源利用上也有其自身獨特的優(yōu)勢。目前，激光與核能的應用緊密相關：一是激光分離同位素，用于核燃料的提純工作；二是激光核聚變。能源現(xiàn)已成為社會發(fā)展中的中的重要問題之一。最理想的能源應是既潔凈又取之不竭的核能，這當然是聚變能的利用。據(jù)估計，地球海洋中的聚變資源可夠人類用1千億年，可以說是取之不盡，用之不竭，同時又不會污染環(huán)境的能源。可見，可控聚變核反應是一個非常理想的核能來源，已引起各國科學家的高度重視，但尚未能夠做成實用的能源來發(fā)電。目前，強激光功率已達到聚變的點火條件。俄羅斯實驗物理科研所已成功研制出用于熱核反應的新型大功率激光器。該激光器的功率達到了1015W/cm2，能量達300 000 J，可代替實驗室條件下的核試驗。用于激光傳輸不需要介質，因而可作為遠距離作用能源。據(jù)報道，日本一個研究小組以實驗成功用激光驅動機器人。機器人電源一般使用電池，然而在核電站和化學污染嚴重的場所，對正在作業(yè)的機器人更換電池有一定的困難，而用激光驅動十分便利。此外在宇宙空間用激光驅動機器人也比使用電池優(yōu)越。目前，日本正在進行激光推進技術、跟蹤和控制小型車輛的實驗研究，進展良好。此外，激光還有許多用途，在軍事、科研、文化、國防、公安偵破等領域均有廣泛用途。

2.激光的發(fā)展趨勢

激光器自問世30余年以來，以日新月異的面貌改變著自身的功能，令人瞠目結舌，也令世人刮目相看，接下來再看看激光未來發(fā)展走向以及激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2.1激光器發(fā)展趨勢 2.1.1功率越來越高

美國、法國、德國和日本最近已經(jīng)完成或正在建造拍瓦新裝置（1拍瓦=1015W）。這些高功率激光器都有2種運轉方式：可以斷續(xù)發(fā)射幾百焦耳的長脈沖（每個約400fs），（1 fs =1015s），或發(fā)射不連續(xù)的短脈沖（每個約20fs），每個脈沖為幾十焦耳。超短超強飛秒激光器可用于激光核聚變實驗和高能量密度物理研究，在商用上也有巨大的潛力。飛秒激光器用于光纖通信可擴展通信寬帶，到2010年通信系統(tǒng)的傳輸速率達到5～10Tbps。

2.1.2小型化、集成化激光器

目前，全球固體激光器市場一派興旺，半導體激光器迅速增長，二極管泵浦的固體激光器成為新的增長點。據(jù)研究表明，激光二極管采用脈沖方式供電可以在相當程度上提高其峰值功率，這將有效推進激光二極管在材料處理中的使用。

2.1.3陣列激光器

光通信的迅猛發(fā)展極大推動了陣列激光器的出現(xiàn)和進一步發(fā)展。據(jù)研究表明，陣列激光器非常適合全光互連，采用光子晶體耦合激光器顯著提高了出光效率。

2.1.4新波段激光器

近年來，中遠紅外激光器、極紫外激光器等也得到了發(fā)展，現(xiàn)已有近千種工作介質，可產(chǎn)生的激光波長包括從真空紫外到遠紅外，光譜范圍越來越寬。3.1.5高效率 激光器的出光效率越來越高。新型YAG激光器的斜度效率在泵浦功率>20W時約為81%。

2.2全球激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

世界激光器市場可劃分為3大區(qū)域：美國（包括北美）、歐洲、日本以及太平洋地區(qū)。由于半導體激光器的迅速發(fā)展，使二極管泵浦固體激光工業(yè)加工設備所占的市場份額越來越大。2002年全球工業(yè)激光系統(tǒng)產(chǎn)值約為29.9億美元，2003年約為31.116億美元，2004年約為32.11億美元。2006年用于材料加工的激光器的銷售額達到了17億美元。在世界激光市場上，日本在光電子技術方面處于領先地位，約占50%的份額。追蹤世界激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展，可看出其中包含的幾點趨勢：①在激光源方面，半導體激光器和半導體泵浦固體激光器將成為未來的主導；②激光技術對產(chǎn)品投入產(chǎn)出比和技術基礎的優(yōu)化作用更加明顯，融合在產(chǎn)品與服務中的技術含量越來越高；③激光技術與眾多新興學科技術相結合，更加貼近人們的日常生活；④激光產(chǎn)業(yè)界并購盛行，各公司力爭成為產(chǎn)業(yè)巨頭。

2.3我國激光產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及存在主要問題

我國激光產(chǎn)業(yè)具有很好的發(fā)展前景和潛力。近年來，中國激光市場呈現(xiàn)出穩(wěn)定、高速增長的態(tài)勢。1999年和2005年，中國激光產(chǎn)品市場銷售額分別為14.13億和47.75億人民幣 ]。在行業(yè)迅猛發(fā)展的同時，我們也該認識到我國激光產(chǎn)業(yè)起步晚、基礎薄 弱，與世界領先國家的差距還很大。例如，與先進國家的激光加工系統(tǒng)相比，我國的激光加工系統(tǒng)差距甚大，僅占全球銷售額的2%左右。主要體現(xiàn)在：高檔激光加工系統(tǒng)很少，甚至沒有；主力激光不過關；激光微細加工裝備缺口較大。目前，存在的主要問題有：（1）核心技術少很多關鍵性基礎性技術沒有解決好，甚至某些技術還有退步。目前，國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)的核心技術大多來自于進口，產(chǎn)品競爭力不足。（2）產(chǎn)研結合欠佳 我國的激光學術研究方面仍處于世界領先地位，但產(chǎn)業(yè)卻非常落后，其中知識產(chǎn)權和專利成果保護不力，很多先進的激光技術沒有轉換成產(chǎn)業(yè)應用。另外，學術的開放性不夠，由于擔心技術流失，導致創(chuàng)新效率低下。（3）創(chuàng)新能力不足，配套能力較差 系統(tǒng)的配套能力不高，創(chuàng)新能力不足，大多是傳統(tǒng)結構類型。現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)大多是光機電算綜合的產(chǎn)業(yè)，而國產(chǎn)激光器和其他行業(yè)的結合很不好，智能化、自動化程度太低，增加了用戶使用的困難。（4）從技術管理上看，缺少良好的評價系統(tǒng) 缺少國家標準，評價體系“當量”折算不當，華而不實。現(xiàn)有的評價體系是一種自我循環(huán)，導致激光產(chǎn)品的質量監(jiān)督不夠，這些都不利于激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3.結束語

激光在當今世界應用領域越來越廣泛，通過對當今不同激光產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的了解，對激光以及激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的把握，有助于我國在激光這一新技術方面處于前列。更好的為經(jīng)濟服務，是我國經(jīng)濟有更大的發(fā)展空間。

參考文獻

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第五篇：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(tǒng)的相位法激光測距原理的基礎上, 參考激光測距光學系統(tǒng)設計,運用數(shù)字相關檢測的測量方法，提出一種把直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術和數(shù)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(shù)字相關檢測，數(shù)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(nèi)外研究狀況.................................................................................................5 第三章 激光測距光學系統(tǒng).............................................................................................7 3．1 激光測距儀的系統(tǒng)結構.........................................................................................7 3．2光學系統(tǒng)圖示..........................................................................................................8 3．3 光學系統(tǒng)設計主要部件功能與作用.....................................................................9 3．4 主要參考性能數(shù)據(jù)...............................................................................................10 第四章 數(shù)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(shù)字信號處理(DSP)的簡述.................................................................................13

4.2.1 數(shù)字信號處理的主要研究內(nèi)容....................................................................14 4.2.2 測試信號數(shù)字化處理的基本步驟................................................................14 4.2.3 數(shù)字處理信號的優(yōu)勢....................................................................................15 4．3 直接數(shù)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(shù)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(fā)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(chǎn)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(fā)射可經(jīng)由受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射三種基本過程[1]。

所謂激光技術，就是探索開發(fā)各種產(chǎn)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(fā)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(yī)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(chǎn)業(yè)。激光技術的飛速發(fā)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(shù)目,即具有相同狀態(tài)的光子數(shù)目。這些特性使激光具有良好的準直性及非常小的發(fā)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(huán)境。激光測距儀就是利用激光良好的準直性及非常小的發(fā)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(chǎn)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(yè)論文（相位法激光測距的理論設計）

第二章 國內(nèi)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(xù)解決了激光器件、光學系統(tǒng)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(chǎn)品不斷出現(xiàn),預計近期將是其應用產(chǎn)品大發(fā)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(fā)展, 應用激光作精密光波測距系統(tǒng)的光源, 是現(xiàn)代測量儀器的一個顯著特點。

據(jù)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(yè)發(fā)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(yè)隊。

近年來，中長程激光測距儀的技術發(fā)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(shù)字化方向發(fā)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(shù)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(yè)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(shù)字化與小型化、一機多能的方向發(fā)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(jīng)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(tǒng)作為經(jīng)緯儀的附件, 積木式裝在經(jīng)緯儀上, 將自動測距與經(jīng)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(yè)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(tǒng)

3．1 激光測距儀的系統(tǒng)結構

激光電子測距儀一般由激光光源、激光調制及發(fā)射電路、光學系統(tǒng)、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(tǒng)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(chǎn)生發(fā)射頻率信號和基準混頻信號。發(fā)射頻率信號經(jīng)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(nèi)調制,發(fā)出調制激光信號[3]。

圖3.1 激光測距儀的系統(tǒng)結構

Fig.3.1 laser ranging equipment system structure 激光測距光學系統(tǒng)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(shù)據(jù)；進行坐標變換,以便輸出高精度的實時位置數(shù)據(jù),便于繪圖和數(shù)字顯示；使用程序指出方位上幾個區(qū)域,保證目標或其它關鍵區(qū)域在安全標準范圍內(nèi)安全控制。

連續(xù)波(GaA1As)激光發(fā)射機;2連續(xù)波(CO2)激光發(fā)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(yè)論文（相位法激光測距的理論設計）

3．3 光學系統(tǒng)設計主要部件功能與作用

相位(GaA1As)激光發(fā)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(xù)波(GaA1As)激光發(fā)射系統(tǒng)用于精確的測距;連續(xù)波(CO2)激光發(fā)射系統(tǒng)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(qū)上,則其上個點所產(chǎn)生的光生載流子的數(shù)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(nèi),這些少數(shù)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(xiàn)出來,可在各個電極上依次施加有規(guī)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(qū)。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(yōu)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(tǒng)

3．4 主要參考性能數(shù)據(jù)

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(xù)波(GaA1As)激光器波長 0185μm 連續(xù)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(shù))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(shù)字檢測系統(tǒng)是根據(jù)激光測距的工作原理及由激光測距原理繼而發(fā)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(tǒng)而設計的。

廣東技術師范學院本科畢業(yè)論文（相位法激光測距的理論設計）

第四章 數(shù)字相關檢測技術改進方法設計

相位法激光測距是利用發(fā)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(xiàn)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(yōu)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(chǎn)建設等領域。相位式測距儀的基本原理是通過測量連續(xù)調幅信號在待測距離上往返傳播所產(chǎn) 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(wèi)星遙感、雷達及超聲探測、醫(yī)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(xiàn)代數(shù)字信號處理技術應用于測距系統(tǒng),利用數(shù)字信號處理芯片的強大的數(shù)據(jù)運算功能,對采集的信號進行數(shù)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(tǒng)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(fā)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(xiàn)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(shù)字合成(DDS)技術與數(shù)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(nèi)產(chǎn)生任意頻率的特點,只需把調制頻率限制在10兆赫茲以內(nèi)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(tǒng)框圖和誤差分析

第四章 數(shù)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(chǎn)生的相位延遲,再根據(jù)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(jīng)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(shù)字相關檢測技術改進方法設計

經(jīng)成為一個新的技術領域和獨立的學科體系，當前已經(jīng)形成了有潛力的產(chǎn)業(yè)和市場，在現(xiàn)代光電通信中也得到十分廣泛和成功的應用。

廣義來說，數(shù)字信號處理是研究用數(shù)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(shù)字信號處理主要是研究有關數(shù)字濾波技術、離散變換快速算法和譜分析方法。隨著數(shù)字電路與系統(tǒng)技術以及計算機技術的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術也相應地得到發(fā)展，其應用領域十分廣泛。數(shù)字濾波器 數(shù)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(xiàn)。在硬件實現(xiàn)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(shù)字信號處理的主要研究內(nèi)容

數(shù)字信號處理主要研究用數(shù)字序列或符號序列表示信號，并用數(shù)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(shù)字信號處理的主要內(nèi)容包括頻譜分析、數(shù)字濾波與信號的識別等。

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

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

(1)預處理是指在數(shù)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(shù)字處理的形式，以減小數(shù)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(tài)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；

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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?yōu)閿?shù)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(tǒng)的性能指標與其有密切關系。

(3)對采集到的數(shù)字信號進行分析和計算，可用數(shù)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(shù)據(jù)和圖形顯示結果。

4.2.3 數(shù)字處理信號的優(yōu)勢

數(shù)字信號處理能廣泛應用于現(xiàn)代光電通信中，是因為DSP與模擬信號處理相比，具有以下優(yōu)點[12]：

(1)信號處理的動態(tài)范圍大，有比模擬信大30dB的動態(tài)范圍，因而有更高的精度。(2)數(shù)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(chǎn)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(tǒng)參量和工作方式，并以利用系統(tǒng)仿真。(4)具有極好的重現(xiàn)性、可靠性和預見性。(5)算法具有直接的可實現(xiàn)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(xiàn)方法去進行特有的信號處理。

以上優(yōu)點是DSP(數(shù)字信號處理)在現(xiàn)代光電等通信中應用的重要保證。

4．3 直接數(shù)字頻率合成技術

直接數(shù)字頻率合成技術(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)，是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術。和傳統(tǒng)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(xù)、相位噪聲低、可編程和全數(shù)字化、便于集成等突出優(yōu)點。DDS將先進的數(shù)字處理技術與方法引入信號合成領域，成為現(xiàn)代頻率

2廣東技術師范學院本科畢業(yè)論文（相位法激光測距的理論設計）

圖4.4 改進的數(shù)字測相框圖

Fig.4.4 The improvement numeral measures the diagram

改進的測量系統(tǒng)與原測量系統(tǒng)相比主要有以下區(qū)別：

1)主頻率信號與參考頻率信號都由直接數(shù)字頻率合成器(簡稱DDS)產(chǎn)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(jīng)過混頻、低通濾波器后的2 路信號進入模數(shù)轉換電路(ADC)，由DSP 控制在同一時刻啟動2 路ADC 進行數(shù)據(jù)采集,并由DSP利用數(shù)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(chǎn)生一定帶寬范圍內(nèi)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(tǒng)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

415-廣東技術師范學院本科畢業(yè)論文（相位法激光測距的理論設計）

圖4.6 DSP 內(nèi)部的軟件流程圖 Fig.4.6 DSP interior software flow chart

4．5 數(shù)字相關檢測的原理及在本系統(tǒng)中的實現(xiàn)

互相關函數(shù)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(tǒng)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(shù)幾乎為零,在微弱信號中經(jīng)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(shù)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(tǒng)中為了分析方便, 先在模擬域中分析,由上面的分析可知經(jīng)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(shù)應是φ的函數(shù),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(jīng)過模數(shù)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(shù)字域內(nèi)的相關函數(shù)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(fā)生，F(xiàn)FT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

71819300。

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