【摘 要】
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激光测距作为一种高精度的非接触式测量方法,远可探星测月,近能取长量宽。当前基于相位法的激光测距仪在中短距离被广泛应用,但在工业测量环境的限制性和精度要求日益提高的情况下,对测距仪的性能提出了更高的要求。为了不过分依赖国外产品,解决目前国产相位式激光测距仪稳定性较差等问题,设计和实现具有专用性的相位式激光测距仪,对其性能影响因素展开分析。分析了激光测距原理、大气影响因素和实现的关键技术,包括测尺技术
【基金项目】
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国家自然科学基金（编号:61975164）；
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激光测距作为一种高精度的非接触式测量方法,远可探星测月,近能取长量宽。当前基于相位法的激光测距仪在中短距离被广泛应用,但在工业测量环境的限制性和精度要求日益提高的情况下,对测距仪的性能提出了更高的要求。为了不过分依赖国外产品,解决目前国产相位式激光测距仪稳定性较差等问题,设计和实现具有专用性的相位式激光测距仪,对其性能影响因素展开分析。分析了激光测距原理、大气影响因素和实现的关键技术,包括测尺技术、混频技术和鉴相技术。根据大气分子吸收和气溶胶散射等因素对激光测距的影响,确定了 850nm的红外波段光源;设计7.5m的理论测程可满足大部分测距情况,确定了以间接测尺技术和FFT算法鉴相技术为基础的整体设计方案。依据激光测距方程式和朗伯比尔定理选择了200mW功率的激光二极管作为发射器件,选择了 850nm处响应度较高的APD作为接收器件;改进了当前常用的单透镜准直系统准直度较差的问题,进行双透镜准直系统设计,通过ZEMAX仿真得到发散角为0.015mrad;设计了用于接收回波的聚焦系统,通光孔径达到6mm,通过仿真得到回波信号在APD受光面的弥散斑半径为0.497μm。针对目前激光测距仪电池供电的局限性,设计了 USB和锂电池双供电电路,支持USB向电池充电;为降低系统功耗,设计了用于各外设独立使用的可控电源模块;为得到稳定的高频主振和本振信号,使用PLL芯片实现正弦波信号的输出;针对激光二极管长时间工作导致输出能量不稳定的问题,设计自动功率控制电路;设计放大和选频电路完成对APD接收和混频后的测试信号处理;针对APD易受温度和偏置高压影响的工作特性,设计APD温度采集电路和80V-160V高压输出控制电路,反馈调节以实现温度补偿。根据采集到的基准信号和测试信号分析了加矩形窗和加汉宁窗的FFT算法对鉴相精度的影响,选择后者作为系统鉴相算法;对组合测尺测得值进行了详细计算,在2.5m处得到的单次测量误差为0.226m,做100次测量后平均值误差为0.053m;对数个典型距离进行测距实验后,确定了测距仪的测程为0.2m-7m;对影响测距误差的因素进行分析,尤其是对APD在不同温度和偏压下造成的相位误差进行分析并提出补偿方案;使用100次测量的平均值作为参考值,对测程进行分段误差补偿,补偿后的测距仪在测程0.2m-7m的误差保持在±0.01m以内。
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