激光测距开题

北京石油化工学院

本科毕业设计（论文）开题报告

题目名称：基于编码发射的激光测距仪发射电路设计学生姓名：专 业：学 院：年 级：指导教师：

李跃 电气工程及其自动化 信息工程学院 电101 王伟

2014年 3 月 13 日

一、选题背景、研究意义及文献综述

1、 选题背景

距离的精确测量对国防建设、工程建设、国民经济的发展都有十分重要的意义。在公共交通、大地测量、工程建筑检测等领域，对距离测量的量程和精度要求都不断提高，由于激光测距具有量程大、高精度、昼夜可用、方向性好等特点，使得激光测距成为一种应用广泛的测距方式。

由于伪随机码具有与白噪声相似的功率谱以及良好的自相关特性，利用伪随机码测距具有高的距离分辨能力并可以实现无模糊的距离测量以及抗干扰、抗多径衰落、具有保密性强和可多目标同时测量等诸多优点。因此本课题研究基于伪随机码发射的激光测距发射电路。

2、 研究意义

激光测距仪，是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。

自从1960年世界上第一台激光器诞生以来，人们对光波掌握和利用的水平进入了一个崭新的阶段。在激光技术出现以后，它的应用很快扩充到各个领域，比如：大地地形测量，交通安全系统中火车、汽车以及船只的防碰撞安全检测以及人造地球卫星的观测和月球的光学定位等航天测量。利用激光来测量距离是各种应用中最早且最为成熟的一种【1】。激光测距利用的是激光良好的方向性，单色性、高亮度和相干性进行距离测量。激光测距仪具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，它应用领域广，行业需求众多，其市场需求空间大。

激光测距利用的是激光良好的方向性、单色性、高亮度和相干性进行距离测量。基于编码发射的激光测距技术具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小重量轻等优点。特别是在室外环境恶劣的条件下，采用激光测距不受气象因素影响，对大气能见度没有要求，可以全天候观测，也不受地面反射以及电磁波的干扰，在保密性和抗有源干扰性能上有着极大的优势。它应用领域广、行业需求众多，其市场需求空间大。

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3、 文献综述

3.1 激光测距仪主要应用方向

3.1.1. 船舶和海洋应用

（1）1984年，美国Exxon公司研制了一种脉冲半导体激光角度距离测量系统，该系统采用30°(垂直)×0.5mrad(水平)扇形激光束，装置安装在船尾。激光束在水平方向进行扫描，扫描范围达180°。船后拖着的浮标装有后向反射镜，它将激光束反射到接收机勘测器上，实现距离测量。每扫到一个浮标即测出一个距离值，每个浮标的角位置是由轴角编码器确定的。系统测距范围25m~900m，测距精度±0.5m，角位置精度0.02°。

（2）20世纪90年代初，美国Schwartz Electro-optics公司研制了一种激光海浪测量装置，提供给美国国家数据中心。将该装置置于远海，在无人看管的情况下，实现对海浪高度和周期的连续测量。这些数据对天气预报机构非常有用，海浪数据还可以用于离岸石油平台定位，结构设计。

3.1.2. 交通管制方面 （1）汽车速度和高度测量

从20世纪80年代开始，SEO公司为美国联邦政府高速公路管理局研制了一套激光自动传感系统。该系统能探测到运动或静止目标，并适用于智能化高速公路的车辆速度和高度的测量。该装置采用脉冲半导体激光测距技术，激光束由上向下照向地面并测距，如发现距离读数减少，表明有车辆。车速测量是通过两束激光返回的时间间隔计算所测得的。

（2）手持式车辆测速用激光测距装置

美国亚特兰大激光公司于20世纪80年代开始研制警用半导体激光测速装置，用于对车辆的测距和测速，克服了以前微波多普勒测速雷达和超声波探测器的一些缺点，比如发射波束角太宽，很难定位指定目标，测速数据有时出错。经过8年研制，截止到1992年，已生产警用“ProLaser”和非警用“Atlas1000”产品。该装置可以精确测定接近或远离车辆的距离和速度，其测距范围可达960m，精度为0.76m，测距速率381次/s，测速精度±1.6km/h，测速速率3次/s。该装置采用收发同轴光学系统，孔径75mm；采用GaAs激光器，发射频率381Hz，脉冲宽度20ns，峰值功率60w，接收现场1mrad；采用30nm窄带滤波片和雪崩

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光电探测器；测距电路采用8倍线性展宽电路，晶振为25MHz，其最终测距误差相当于200MHz晶振计数方式的误差【2】。

3.1.3. 军事应用

直升飞机失事的主要原因是螺旋桨在盘旋或着陆时撞击物体。20世纪80年代开始，美国SEO公司开发了一种障碍物接近传感器，该传感器可以在106.7m距离内为飞行员提供声音和视觉警告，同时为接近直升飞机危险区的人们提供声音警告。警告装置使用一个旋转镜，使激光束在360°水平面内扫描，完成全方位测距。每旋转一周可连续提供障碍物4096个距离和角度值，每秒两周。一台微机将数据输出显示在视频显示器上，实验装置已能探测到106.7m以外低反射率（10％）的目标，甚至探测到了22.9m外的1cm直径的铝制电缆【4】。采用半导体激光扫描装置可防止直升机夜间飞行时与沙丘碰撞，研制这种装置的有美国的Laser Technology公司、Laser Atlanta公司，此外美国的休斯公司、Schwartz公司、Sparta公司、洛雷尔公司及法国的汤姆逊公司等在20世纪80年代末到90年代初还分别研制出扫描测距装置，用于飞机战场侦查、低空飞行器下视和防撞以及主动激光制导。

3.2 国内外激光测距技术的发展情况

脉冲激光测距仪的研究起始于20世纪60年代末，到80年代中期陆续解决了激光器件、光学系统及信号处理电路中的关键技术，80年代后期转入应用研究阶段，并研制出了各种不同用途的样机，90年代中期，各种成熟的产品不断出现，预计近期将是其应用产品大发展的阶段，在中、近程激光测距应用方面有取代YAG激光的趋势。

机载脉冲激光测距仪可以装备武装直升机上，用于对地、对空攻击和防御，典型的应用如对反坦克导弹进行指令制导，击毁坦克等地面目标，对飞行物的攻击和拦截。这些典型的应用一般采用近红外激光波长如1.06μm、1.54μm、1.57μm等，并具有激光测距和目标指示的双重功能。机载脉冲激光测距仪的主要技术性能：测程远、测距精读高、重复频率高，同时机载设备必须要求体积小、重量轻并要与航空指示器共用。

国外有许多大学、研究机构和公司都开展了基于编码发射的激光测距仪的研

究。主要有芬兰的奥卢大学、美国的Schwartz Electro-Optics公司、Exxon公司

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等。Schwartz Electro-Optics公司为美国国家数据中心研制了激光海浪测量装置，用于无人看守的海浪测量站；为美国联邦政府高速公路管理局研制了激光自动传感系统，用于车辆速度和高度的测量，从而提高了交通效率；还为军方研制了直升机激光防撞警告装置。Exxon公司研制了脉冲激光角度距离测量系统，用于海上石油勘测。1992年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的手持式人眼安全激光二极管测距仪，用于对车辆的测距和测速【7】。1996年下半年，美国Bushnell公司推出了测距能力400m的400型LD激光测距仪Yaddaga400，1977年被评为世界100项重要科技成果之一，同年又退出了测距能力800m的800型激光测距仪。1998年美国Tasco公司研制出测距能力800m的摄像机型Laser Site LD激光测距仪。美国Leica公司展出了实用的小型LD测距仪，测量距离0.2~30m。1995年以来，国际上对人眼安全的激光测距技术发展十分迅速，已开展了波长在800~900nm范围内、峰值功率为10w、脉冲宽度20~50ns、重复频率1~10kHz、测量距离10m~1km无合作目标的激光测距仪研究。

国内样机的研究始于20世纪80年代，是在原固体、气体激光测距仪的基础上发展起来的。目前，基础技术已具备，主要是解决工程应用问题，开发各种应用产品。航天科工集团八三五八所研制出测程200m，精度0.5m，数据率100Hz的激光测距仪。中科院上海光机所研制出便携式激光测距仪，对漫反射的水泥墙的测距达100m，采用300MHz计数方式，测距精度0.5m，重复频率1KHz。中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携式激光测距仪，作用测距1km，精度<±1m，采用4M晶振，线性时间放大技术【9】。常州来赛公司研制了作用距离200m、测距精度0.5m的半导体激光测距仪。西南技术物理研究研制的激光高的表，其工作波长为905nm，重复频率为100Hz，测程2—800米，测量精度±1m【8】。

激光器波长范围是从375nm~1650nm。目前，市场上的手持式激光测距仪主要分为：工作波长为905纳米和1540纳米的半导体激光，工作波长为1064纳米的YAG激光。1064纳米的波长对人体皮肤和眼睛是有害的，特别是如果眼睛不小心接触到了1064纳米波长的激光，对眼睛的伤害可能是永久性的。所以，在国外，手持式激光测距仪中，已经完全取缔了1064纳米的激光。在本课题中采用采用伪随机码方式测距，波长为850纳米的红外激光，此波长抗干扰能力最强，激光脉冲频率为1KHz，功率1W，脉冲宽度150ns，带宽20nm。

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二、研究的基本内容，拟解决的主要问题

1、 研究的基本内容

1 激光测距系统总体调研，对激光测距系统的研究背景以及国内外发展情○

况进行深入了解。

2 研究分析激光测距技术的特点，设计系统总体方案和系统工作框架。 ○

3 伪随机序列的定义及应用，m序列产生器。 ○

4 移位寄存器芯片选择 ○

5 设计伪随机码发生器 ○

6 基于编码发射的激光测距驱动电路设计 ○

7 对硬件电路进行调试，并对所进行的工作进行总结。 ○

2、 拟解决的主要问题

1 利用线性反馈移位寄存器，产生m序列即伪随机序列 ○

2 要用n级移位寄存器来产生m序列，○关键在于选择哪几级移位寄存器的

输出信号作为反馈信号。根据原始要求找出合理的反馈线。

3 由于输出的信号相位抖动较为严重，甚至会造成信号边沿不稳，而且存 ○

在着严重的寄生信号，因而输出的伪码质量较差;而如果经过D/A转换后再进行调理输出，这种影响会得到削弱，信号质量会得到提高。

三、研究步骤、方法

1 伪随机序列定义及其特点分析 ○

伪随机序列又称m序列或伪噪声序列，它是有带线性反馈的移位寄存器产生的 周期最长的一种序列。它是一种可以可以预先确定，并且可以重复产生和复制，又具有随机统计特性的2进制码序列。

伪随机序列所具有的的主要特点有以下4点：

(1) 每个周期中，“1”码出现2n次，“0”码出现2n-1次，即0和1出现的概率几乎 相等。

(2) m序列中连续出现1的数目是n，连续出现0的数目是n-1。 (3) 分布无规律，具有和白噪声相似的伪随机特性。

(4) 移位相加特性，即m序列和它自身的移位序列模2相加所得的序列仍

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是该m 序列的某个位移序列。例如一个m序列为Mx=100010011010111，将它延迟2位后得到 My=111000100110101，那么将其模 2 相加得到的序列为 Mz=Mx+My=011010111100010为Mx后延9位后得到的m序列。

2 m序列产生器 ○

通常产生伪随机序列的电路为一反馈寄存器。它又可分为线性反馈移位寄存器和非线性反馈移位寄存器两类。由线性反馈移位寄存器产生出的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈移位寄存器序列，通常称为m序列，即此次课题中产生的伪随机序列。

图1-1是一个m序列产生电路。图中示出了n级移位寄存器，其中有若干级经模二加法器反馈到第1级。从其中不难看出，移位寄存器在任意时刻总是2n个状态之一，其中每一个状态代表一个n位的2进制数。但是必须把全0状态排除在外，因为一旦进入全0状态，不论如何进行反馈，这种状态都不会发生再改变。故而由n级移位寄存器产生的状态可以是除全0以外的2n-1个状态之一。这个电路的输出序列是从移位寄存器输出的，尽管移位寄存器的状态随始终信号每移位节拍改变一次，但无疑是循环的。如果反馈线足够合理，那么寄存器必然会经理所有的非全0状态后开始循环。

由此可见，应用n级移位寄存器产生的序列最长周期为2n-1。虽然这种序列是周期的，但当n足够大是，其周期仍然可以接近无限长，在一个周期内0和1的排列接近于随机。

本课题中采用数字电路的方式实现m序列的产生。要求产生8位伪随机序列，即要求用一个8级反馈移存器产生m序列。对于一个8级反馈移存器，要产生m序列，其本原多项式为X8+X4+X3+X2+1，则在设计电路的时候需要将Q2与Q3异或结果再与Q4异或然后再与Q8异或再送入移位寄存器的输入。

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移位

X X2 X3

X4 X5 X6 X7 X8 输出

图1-2 八级反馈移位寄存器

3 选择芯片，选用移位寄存器74LS164，并确定引脚功能 ○

74LS164芯片是一个8位串入并出以为寄存器，其8个输出脚分别对应

着QA~QH。VCC接正5伏电源，GND接地，CLR接高电平，CLK接脉冲信号。其管脚如图1-2所示

图1-3 74LS164芯片引脚排列图

4 选择D/A转换器DAC0808 ○

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图1-4 DAC0808引脚排列图

D0~D7是数字信号输入端，I0是求和电流输出端，V（+）、V（-）是基准电

压输入端，COMP是外接补偿电源，Vcc、VEE是正、负电源输入端，GND是接地端。

5 设计伪随机码产生电路原理图 ○

6 对驱动电路进行设计，分析GTR/MOSFET管特点，最终采用“功率场○

效应晶体管”即MOSFET管

GTR/MOSFET管选择：

1. 功率MOSFET管具有正温度系数，当温度升高时通态电阻增大，有自限流作用，而GTR管的温度特性为负，温度越高，BE导通电压越小，电流越大，所以功率MOSFET管的热稳定性要高于GTR管。 2. 多个同参数的MOSFET管可以并联使用，通过其正的温度系数，多管之间可以实现自动均流效果，而GTR管不具备这个能力。 3. 功率MOSFET管中只有多数载流子参与导电，不存在GTR管中的少数载流子的存储效应，因此，开关速度快，工作频率高，是目前所有功率器件中工作频率最高的器件之一。

○7 利用功率MOSOFT管进行驱动电路硬件设计

8 激光发射器的选用 ○

首先考虑对人身的安全，对人体有害的波长不在考虑的范围。第二，考

虑激光器的发射功率和占空比，激光器的最大允许占空比要大于发射电路的发射

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频率和光脉冲宽度的乘积，选择适合的最大允许占空比可以使激光器正常工作并延长使用时间。第三，根据选用的测距方案选择合适的激光发射器。

激光二极管驱动芯片

SPLLL90芯片具有低驱动电压的优点，但需要很大的电流驱动激光器发射激光，稳定的大电流能够使缩短激光器发射激光的时间，这样就减小了触发脉冲触发激光发射和实际激光发射的电路延时误差，以提高测距系统精度。

参考芯片手册，选用INTERSIL公司的EL7104芯片作为SPLLL90的驱动芯片。SPLLL90需要一个大电流来驱动，而且脉冲的电流的脉宽必须小于激光

【9】二极管要发出的激光脉冲宽度。EL7104是一款高速单通道功率MOSFET驱动，

高效易用的芯片，具有最大可输出10A的驱动输出。具有响应时间快，低输出阻抗，高抗干扰能力，能耗低，驱动电压低的优点。

9 电路总体结构框图 ○

移位寄存器构成 的模二加法器

时钟电路 伪码输出 采用开关MOSFET管，芯片选用EL7104和SPLLL90 伪随机码发生器 伪随机码驱动电路 激光器 D/A转换电路

图1-5 电路总体结构图

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四、研究工作进度

周 日 期 次 1 2.17～2.28 2 3.3～3.7 3 3.10～3.14 工 作 内 容 调研，收集参考资料 调研，收集参考资料 查阅、翻译外文资料 具 体 要 求 图书馆、网络、其它 图书馆、网络、其它 内容要求与论文课题或专业相关 按要求格式编写 英文不少于２万字符，中文约5000汉字 能熟练应用 4 3.17 ～3.21 制订设计方案，撰写开题报告 5 3.24 ～3.28 查阅、翻译外文资料 6 3.31 ～4.4 7 4.7 ～4.11 8 4.14～4.18 9 4.21～4.25 10 4.23～4.27 11 4.28～5.2 12 5.5～5.9 13 5.12～5.16 14 5.19～5.23 15 5.26～5.30 16 6.2～6.6 17 6.9～6.13 熟悉PROTEL等EDA软件 CPLD、VHDL等语言方面参考资料的各不少于两本参考文献 学习和整理 CPLD、VHDL等语言方面参考资料的掌握相应的软硬件设计 学习和整理 伪码产生电路软、硬件设计 伪码产生电路仿真分析 激光发射驱动电路硬件设计 激光发射驱动电路硬件设计 激光发射电路硬件仿真分析 整理设计资料 撰写论文，提交论文草稿 修订论文，准备答辩 修订论文，准备答辩 调研确定芯片型号、各管脚功能 软件可采用VHDL或Verilog。 激光二极管发射频率为10KHz 按统一要求的格式 18 6.16 ～6.20 修订论文，准备答辩

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五、主要参考文献

[1] 马华.半导体激光器光束系统准直特性的研究[J].应用光学,2000(6):1002-2082. [2] 刘丽莹.高功率脉冲半导体激光光源的研制.长春理工大学.硕士论文.2006年.

[3] 霍姆斯J K. 相干扩展频谱系统[M]. 梁振兴，蔡开基译北京: 国防工业出版社,1991. [4] 梅遂生, 杨家德. 光电子技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 1999. [5] 张洪润，等. 电子线路及应用. 北京：科学出版社,2003. [6] http://www.21ic.com

[7] 刘明.激光在测距上的应用[J].技术监督实用技术,1999,1（5）：134-141. [8] 王古常，孙斌，成勇.军用脉冲激光测距技术与研究现状[J],2003,1(4):55-99. [9] 李适民.激光器件原理与设计[M].北京：国防工业出版社,1998.

[10] 吴应民.便携式脉冲激光测距仪的研制[D].西安电子科技大学硕士学位论文,2009.

六、系（教研室）评议意见

评议人：

年 月 日

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