脉冲式激光测距仪的硬件设计研究
马学林 张岩 李家保 冯俊超 肖佳 李东波 王超 王榭崟
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马学林 张岩 李家保 冯俊超 肖佳 李东波 王超 王榭崟,. 脉冲式激光测距仪的硬件设计研究[J]. 设计研究,202311. DOI:10.12721/ccn.2023.157001.
摘要: 现阶段,随着我国经济发展水平不断进步,国家对各个行业发展提出更高要求,航空航天、军事及建筑行业是国家发展重点,这些行业都需要进行精确的距离测量,激光测距仪当下这些行业中常用的距离测量工具,市面上的各种激光测距仪因为各方面原因限制测量精度无法达到行业测量要求,这种背景下,相关行业进行高性能的激光测距仪研究非常必要。本文将围绕“脉冲式激光测距仪的硬件设计”这一话题进行研究和探讨。
关键词: 脉冲式;激光测距仪;硬件设计
DOI:10.12721/ccn.2023.157001
基金资助:

激光、单片机控制、电子、信号控制技术及机械技术在激光测距仪研究过程中都发挥着非常重要的作用,激光测距仪研究属于多项技术应用,各种技术的综合在一起的应用。仪器是一种依照时域反射原理进行距离测量的工具,很多行业都需要使用其进行距离测量,激光测距仪发展前景相当可观。

1、当前激光测距仪研究情况

1.1国外激光测距仪研究情况

世界上的第一个激光器是20世纪60年代美国一家公司研究的红宝石激光器,之后又研发出一种新型的激光测距仪,研发人员在研究过程中发现激光测距仪可以替代光学测距仪,当下激光测距仪发展已经有近五十年,激光测距仪已经发展到第三代,这一代激光测距仪的主要作用是保护人眼,其研究方向主要有三方面:第一是以泵浦技术研究为主的激光测距仪,泵浦技术能够有效提升激光二极管效率。第二是研究二氧化碳激光测距仪,这类激光测距仪不但不会对人眼造成影响,而且还具有热成像的特点。第三是研究发射1.54um波长的激光测距仪,这类激光测距仪不会对人眼造成伤害,且反射系数高,能够穿透大气。激光测距仪类型众多,除上述几种激光测距仪之外,半导体激光器发展也非常迅速,脉冲式激光测距仪就属于半导体激光器。

1.2国内激光测距仪研究情况

国内激光测距仪起步较晚,但是发展速度很快,目前激光测距仪技术完整,在行业中的应用也非常广泛,我国最早研究激光测距仪的企业是航天科工集团八三五所,企业当时研究出来的激光测距仪测量距离为200m。精度达到了0.5m。

2、脉冲式激光测距仪简介

激光测距仪是一种依据时域反射原理设计的进行距离测量的仪表,原理与雷达测距没有太大及区别,激光的特征主要有单色性、准直性及发散角度小,激光测距仪测距比起其他技术和设备,质量更轻、测速效率更高、测量距离更远,在航天、工业、建筑行业测量中都有一定应用优势。脉冲法激光测距仪是激光测距仪中性能比较优越的一种,仪表测量距离长、测量速度快,不需要,在建筑、水利、地理工程等工程中发挥着不可替代的作用。脉冲式激光测距仪硬件包括五部分,分别是激光脉冲发射单元、接收模块、激光脉冲信号采集模块、信号调解模块及数据处理单元。

3、脉冲式激光测距仪的硬件设计研究

2.1脉冲式激光测距仪整体设计

本文设计的脉冲式激光测距仪,采样频率低,但是测量精度高,对一般脉冲激光测距仪在脉冲宽度和采样频率方面出现的问题进行了优化,测距仪的测量精度从厘米跨越级别成为毫米,测量误差在3mm之下,量距为10m,必要的时候量距可以延长至60 m,此脉冲式激光测距仪相较一般脉冲式激光测距仪来讲测量精度更高,各项性能也更为优越。

一般脉冲式激光测距仪设计需要进行电路调制,本脉冲式激光测距仪在电力调制过程中添加了在脉冲时域加宽电路实现这一步骤,增加这一步骤,可以扩展回波激光脉冲信号时间,使原先的回波信号从ns级设升级成ms级别,还能够依靠比较器进行比较和模数,之后利用单片机完成信号捕获及距离测算。此脉冲式激光测距仪不需要太多芯片,操作相对来讲也比较简单,能够完成激光测距的控制、计算及显示,在一定程度上提升了脉冲式激光测距仪的系统集成性。

此脉冲式激光测距仪硬件分为三个部分,分别是激光发射电路、激光接收电路及单片机模块,激光发射电路这一模块的作用是对单片机信号进行调制,同时使用激光脉冲信号和采样脉冲,用SPLLL90-3高功率激光二极管进行硬件设备采样。激光接收电路模块能够进行经高压偏置接收,装换激光脉冲信号,完成信号电流-电压转换并进行处理,之后应用等效采样处理进行时域扩展,最后把已经处理过的脉冲信号向单片机模块发送。单片机模块的作用是对各类操作指令进行处理,同时计算已经接收到的脉冲信号和基准信号,对具体脉冲激光测距仪实时测距值进行准确计算。

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2.2脉冲式激光测距仪的硬件电路设计

依照以上要求进行此脉冲激光测距仪制作,将每一个电路集成制成主控板,使用屏蔽线进行电路连接。硬件设计具体数据如下:发射尺寸是26mmX26mm的方形主控板,接收板是36mmX36mm的方形主控板,单片机主控板是46mmX96 mm的方形主控板。

结语:总而言之,在当下我国经济发展进入新时期,国家对军事、工业及建筑行业发展提出新要求的背景下,相关行业要优化行业发展过程中每一个步骤,特别是要提高对距离测量工具-激光测距仪的重视程度,进行脉冲激光测距仪研究,提高激光测距仪的测量精度,优化仪器性能。利用脉冲式激光测距仪不断提高距离测量精度,为行业相关后续工作奠定良好数据测量基础。