1、摘 要激光測(cè)距技術(shù)是隨著激光技術(shù)的出現(xiàn)而發(fā)展起來(lái)的一種精密測(cè)量技術(shù)，因其良好的測(cè)距性能而廣泛應(yīng)用在軍事和民用領(lǐng)域。激光測(cè)距方法從原理上主要分為相位法測(cè)距和脈沖法測(cè)距兩種。本文將脈沖激光測(cè)距和相位激光測(cè)距進(jìn)行了原理分析與比較,根據(jù)課題設(shè)計(jì)需要選擇了測(cè)程遠(yuǎn)、精度高、成本低且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的脈沖激光測(cè)距作為設(shè)計(jì)方法。本文對(duì)組成脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)的幾個(gè)重要單元電路做了深入研究。主要包括激光發(fā)射電路、激光接收電路、高精度時(shí)間測(cè)量電路、單片機(jī)以及LCD顯示。在發(fā)射電路中采用集成芯片LM555和74LS123設(shè)計(jì)的窄脈沖發(fā)生電路。在接收電路中對(duì)回波信號(hào)的放大、濾波、整形和時(shí)刻鑒別進(jìn)行了分析和研究，對(duì)已有的時(shí)刻鑒別電

2、路做了對(duì)比與選擇,設(shè)計(jì)了前沿時(shí)刻鑒別電路,有效地減小了由于幅度的隨機(jī)抖動(dòng)而引起的誤差。脈沖飛行時(shí)間測(cè)量精度直接影響著脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)的整體測(cè)距精度,因此在高精度計(jì)時(shí)電路中采用了高精度計(jì)時(shí)芯片TDCGP2測(cè)量脈沖飛行時(shí)間,不僅使電路結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單,而且有效地提高了計(jì)時(shí)精度。關(guān)鍵詞：激光測(cè)距；脈沖法；發(fā)射電路；接收電路；高精度計(jì)時(shí)ABSTRACTWith the development of laser technology，laser ranging becomes a new precise measurement technology, and is extensively used in t

3、he military and civil field for its high accuracy. The laser range finder is divided into pulse and phase two types at present. This paper analyzed the pulse laser range finder and phase laser range finder，chose the pulse laser range finder as the research method because of high precision，low cost a

4、nd simple structure. The paper had been done deeply study of pulse laser measuring system, mainly including the laser emitting circuit, the laser receiving circuit, the high precision time measurement circuit, single chip and LCD display. The narrow pulse generating circuit was designed using LM555

5、and 74LS123 integrated chip in the emitting circuit. In the receiving circuit analyzed and studied for the signal of echo amplification, filtering, shaping and time identify circuit，cutting edge moment discrimination circuit are designed to reduce the error of due to amplitude random jitter by compa

6、rison and selection the existing time discrimination circuit. Pulse time of flight measurement accuracy directly affects the whole measurement of the pulse laser ranging system accuracy, so high precision time measurement chip TDCGP2 is used measurement pulsed time of flight in the high precision ti

7、me measurement circuit. It not only makes the circuit structure become simple but also improves accuracy.Key words：Laser range finder；Pulse method；Emitting circuit；Receiving circuit；High precision time measurement目 錄第一章 緒論11.1課題研究背景及意義11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3課題研究?jī)?nèi)容3第二章 激光測(cè)距系統(tǒng)理論分析與設(shè)計(jì)52.1激光技術(shù)52.1.1激光簡(jiǎn)介52.1.2激光

8、及其產(chǎn)生62.1.3激光的特性82.1.4激光器的基本組成92.1.5激光器的種類(lèi)102.1.6激光器的選擇112.1.7半導(dǎo)體激光二極管的特性122.2激光測(cè)距原理142.2.1相位法激光測(cè)距152.2.2脈沖法激光測(cè)距172.2.3兩種測(cè)距方式的性能分析及其對(duì)比192.2.4激光測(cè)距的要求與方法的選擇20第三章 系統(tǒng)總體方案與電路設(shè)計(jì)213.1系統(tǒng)總體方案213.1.1系統(tǒng)基本組成213.1.2系統(tǒng)工作流程223.2系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)233.2.1激光發(fā)射電路的設(shè)計(jì)233.2.1.1窄脈沖發(fā)生電路233.2.1.2激光驅(qū)動(dòng)電路273.2.1.3半導(dǎo)體激光器303.2.2激光接收電路的設(shè)計(jì)313

9、.2.2.1接收光路323.2.2.2光電探測(cè)器343.2.2.3放大電路363.2.2.4比較整形電路403.2.2.5時(shí)刻鑒別電路423.2.2.6高壓產(chǎn)生電路443.2.3高精度計(jì)時(shí)電路46第四章 單片機(jī)與液晶顯示514.1單片機(jī)514.1.1 AT89C51簡(jiǎn)介514.1.2 AT89C51主要特性514.1.2 AT89C51引腳說(shuō)明524.1.3 AT89C51外圍電路544.2液晶顯示554.2.1 LM016L簡(jiǎn)介554.2.2 LM016L引腳說(shuō)明554.2.2 LM016L外圍電路56第五章 總結(jié)57致 謝59參考文獻(xiàn)60附錄一 激光測(cè)距儀程序框圖61附錄二 激光測(cè)距儀程序

10、62第一章 緒論1.1課題研究背景及意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)诿裼煤蛙娛骂I(lǐng)域?qū)嚯x測(cè)量的需求日益增加。對(duì)測(cè)量范圍和測(cè)量精度的要求也在不斷提高，因此人們一直在研究新的測(cè)量方法和理論。近年來(lái)，隨著激光技術(shù)迅速發(fā)展和完善，導(dǎo)致了光學(xué)及其應(yīng)用技術(shù)的巨大變革，促進(jìn)了物理學(xué)和其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，激光測(cè)距技術(shù)也隨之發(fā)生了質(zhì)的改變。激光器已經(jīng)被確認(rèn)為20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一，而激光技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)志著人們掌握和利用光波進(jìn)入了一個(gè)新階段。激光技術(shù)出現(xiàn)之后，很快被應(yīng)用到各種測(cè)量中。例如大地測(cè)量、地形測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量，以及人造地球衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)和月球的光學(xué)定位等航天測(cè)量。這使得測(cè)量方法不斷革新，測(cè)量精

11、度顯著提高，引起了測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)的深刻變化，從而巨大地推動(dòng)了測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。與此同時(shí)，現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展和光電器件性能的不斷提高，使激光測(cè)距儀獲得了很大的發(fā)展，現(xiàn)在激光測(cè)距儀已經(jīng)成為測(cè)量距離的主要儀器之一。激光測(cè)距技術(shù)具有測(cè)量精度高、方向性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用廣泛的一種測(cè)量技術(shù)。它與一般測(cè)量方法相比，具有測(cè)量精度高、分辨率高、體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)便及晝夜可用等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于民用和軍用領(lǐng)域。在民用領(lǐng)域，例如在船舶和海洋方面用來(lái)勘探石油，在交通管制方面用來(lái)測(cè)量汽車(chē)速度，車(chē)輛倒車(chē)時(shí)起警示作用的倒車(chē)?yán)走_(dá)裝置，工業(yè)上面的煉鋼爐內(nèi)表面輪廓測(cè)量，船舶制造過(guò)程的精確控制等。以往在測(cè)量房

12、屋等大型建筑物的尺寸時(shí)，往往采用人工測(cè)尺測(cè)量的方法,不僅耗時(shí)，而且受人為因素的影響，測(cè)量結(jié)果波動(dòng)比較大。在具有較高精度要求的測(cè)量場(chǎng)合下，不能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，隨著激光測(cè)距技術(shù)的發(fā)展，對(duì)激光測(cè)量精度的研究就變得尤為重要。與傳統(tǒng)的測(cè)距技術(shù)相比，激光測(cè)距的測(cè)量精度要高很多,而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、效率高、功耗低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。在軍事領(lǐng)域，隨著各國(guó)在軍事方面的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，現(xiàn)代軍事的信息化程度也越來(lái)越高，世界各國(guó)對(duì)激光測(cè)距的研究也越來(lái)越廣泛，各種不同類(lèi)型的激光測(cè)距方式越來(lái)越多被應(yīng)用。世界各國(guó)紛紛將其研制的激光測(cè)距儀裝備到陸、海、空三軍，比如有輕型便攜式脈

13、沖激光測(cè)距儀、地面車(chē)載脈沖激光測(cè)距儀、對(duì)空火炮和導(dǎo)彈防御脈沖激光測(cè)距儀、機(jī)載脈沖激光測(cè)距儀、艦載脈沖激光測(cè)距儀、導(dǎo)彈靶場(chǎng)所用的脈沖激光測(cè)距儀、人造衛(wèi)星脈沖激光測(cè)距儀、太空載脈沖激光測(cè)距儀、云高脈沖激光測(cè)距儀等。隨著激光技術(shù)研究的不斷深入，激光測(cè)距有逐步取代傳統(tǒng)測(cè)距方式的趨勢(shì)，同時(shí)也將對(duì)測(cè)距行業(yè)產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。由于激光測(cè)距在測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛青睞，并且被迅速推廣應(yīng)用，所以在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中具有非常重要的意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀激光測(cè)距儀是利用激光對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的儀器。激光測(cè)距儀在工作時(shí)向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)

14、間，計(jì)算出從觀(guān)測(cè)者到目標(biāo)的距離。激光測(cè)距儀是激光技術(shù)、精密機(jī)械控制、信號(hào)處理技術(shù)、電子學(xué)及光電子等多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。隨著激光技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)信號(hào)處理技術(shù)和集成光學(xué)的發(fā)展，激光測(cè)距儀正朝著自動(dòng)化、數(shù)字化、小型化的方向發(fā)展。而且隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，激光測(cè)距儀的測(cè)距精度和測(cè)量速度都有了很大的提高。世界上第一臺(tái)激光器是在1960年由美國(guó)休斯飛機(jī)公司的科學(xué)家梅曼首先研制成功的。美國(guó)軍方很快就在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了對(duì)軍用激光裝置的研究。1961年第一臺(tái)軍用激光測(cè)距儀通過(guò)了美國(guó)軍方試驗(yàn)，此后激光測(cè)距儀很快就進(jìn)入了實(shí)用聯(lián)合體。從20世紀(jì)70年代末到80年代中期，激光測(cè)距儀進(jìn)入了大批生產(chǎn)裝備和廣泛應(yīng)用

15、階段，成為軍用激光市場(chǎng)上軍方最大的采購(gòu)項(xiàng)目。半導(dǎo)體激光測(cè)距儀的研究起始于 20 世紀(jì) 60 年代末，到 80 年代中期陸續(xù)解決了光學(xué)系統(tǒng)及信號(hào)處理電路的關(guān)鍵技術(shù)，80 年代后期轉(zhuǎn)入應(yīng)用研究階段，并研制了各種不同用途的樣品，90 年代中期，各種成熟的產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。1996 年下半年，美國(guó) Bushnell 公司推出了測(cè)距能力 400m的 400 型 LD 激光測(cè)距儀Yaddaga400，1997 年被評(píng)為世界 100 項(xiàng)重要科技成果之一，同年又推出了測(cè)距能力 800m 的 800 型激光測(cè)距儀。1998 年美國(guó) Tas-co 公司研制出測(cè)距能力 800m的攝像機(jī)型 Laser site LD 激

16、光測(cè)距儀。1995 年以來(lái)，國(guó)際上人眼安全的半導(dǎo)體激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展十分迅速，已開(kāi)展了波長(zhǎng)在 800nm900nm 范圍內(nèi)、峰值功率為 10W、脈沖寬度 2050ns、重復(fù)頻率 1-10kHz、測(cè)量距離 10m1km 無(wú)合作目標(biāo)的激光測(cè)距儀研究。1977 年美國(guó)研制成功第一個(gè)手持使用的小型 Nd:YAG 激光測(cè)距儀AN/GVS-5型，該機(jī)的外形結(jié)構(gòu)首次采用雙目望遠(yuǎn)鏡式結(jié)構(gòu)，適合手持使用，大小相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)的750軍用雙目望遠(yuǎn)鏡，總重量?jī)H 2kg。與此同時(shí)，激光測(cè)距技術(shù)也逐漸被應(yīng)用到民用領(lǐng)域，在建筑等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。德國(guó)博世(BOSCH)公司研制生產(chǎn)的手持式高精度激光測(cè)距儀，體積小巧，攜帶方便

17、，廣泛適用于房地產(chǎn)、室內(nèi)裝潢、建筑施工、測(cè)量測(cè)繪等眾多領(lǐng)域。該公司研制生產(chǎn)的DLE150激光測(cè)距儀不但可以測(cè)量、計(jì)算，而且可以非常快速地進(jìn)行探測(cè)。它的測(cè)量范圍為0.3m150m,測(cè)量時(shí)間一般小于0.5秒，測(cè)量精度小于3mm 。它采用先進(jìn)軟件技術(shù)，能夠測(cè)量面積，高度，角度或斜面，對(duì)于測(cè)定固定參考點(diǎn)的最大或最小距離可以多次持續(xù)測(cè)量，對(duì)一些不能直接測(cè)量的距離進(jìn)行間接測(cè)量，非常方便。國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的手持式短距離激光測(cè)距儀主要是瑞士 Leica 公司的 DISTO 系列。近兩年日本索佳(SO KK IA)也研制開(kāi)發(fā)出了手持式短距離激光測(cè)距儀 MiNiMeter MM 系列。瑞士徠卡新型手持測(cè)距儀DISTO主要

18、包括簡(jiǎn)便型 Lite5、經(jīng)典型Classic5、智能型 Pro4、智能增強(qiáng)型 Pro4a，它們的特點(diǎn)是測(cè)量距離遠(yuǎn)(0.3-300m)，其中智能增強(qiáng)型 Pro4a測(cè)量范圍：0.3-100m，測(cè)量快(0.4 秒)，測(cè)量精度高，測(cè)量精度可以達(dá)到1.5 mm 。我國(guó)激光測(cè)距儀的研究開(kāi)始于 20 世紀(jì)70年代，是在原來(lái)的固體、氣體激光測(cè)距儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。目前，基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)具備，主要是解決工程應(yīng)用問(wèn)題，開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用產(chǎn)品。航天科工集團(tuán)八三五八所研制出測(cè)程 200m，精度 0.5m，重復(fù)測(cè)量頻率 100Hz 的激光測(cè)距儀。中科院上海光機(jī)所研制出便攜式激光測(cè)距儀，對(duì)漫反射水泥墻的測(cè)距達(dá)100m，采用 30

19、0MHz 計(jì)數(shù)方式，測(cè)距精度 0.5m，重復(fù)測(cè)量頻率1kHz。中國(guó)計(jì)量學(xué)院信息工程系光電子所與國(guó)外合作開(kāi)發(fā)了低價(jià)便攜式半導(dǎo)體激光測(cè)距儀，采用 4MHz 晶振，線(xiàn)性時(shí)間放大技術(shù)，測(cè)量距離 1km，精度小于 1m 。常州萊賽公司研制的測(cè)量距離 200m，測(cè)距精度 0.5m 的半導(dǎo)體激光測(cè)距儀。西南技術(shù)物理研究所研制的半導(dǎo)體激光測(cè)距儀，其工作波長(zhǎng)為905nm，重復(fù)測(cè)量頻率為100Hz，測(cè)程 2-800m，測(cè)量精度士 lm 。江蘇常州大地測(cè)量廠(chǎng)生產(chǎn)的 D3000 系列測(cè)距儀，采用發(fā)光二極管作為光源，其最大測(cè)程可達(dá)4.5km 。船舶重工集團(tuán)第717研究所研制的激光測(cè)距儀測(cè)量范圍20 km，精度2.5 m

20、，重復(fù)頻率25 Hz。國(guó)內(nèi)主要的民用激光測(cè)距產(chǎn)品主要由萊卡及一些國(guó)際大型公司壟斷，國(guó)內(nèi)雖然有很多家單位研制激光測(cè)距產(chǎn)品，但是其測(cè)距精度比較低，一般在 0.5m 左右，并且成本較高，很難同國(guó)外的企業(yè)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。在眾多激光測(cè)距產(chǎn)品中，近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的脈沖式半導(dǎo)體激光測(cè)距以其測(cè)程遠(yuǎn)、測(cè)距精度高、不需合作目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)用。在地理測(cè)量測(cè)繪、軍事目標(biāo)打擊等方面都有廣泛的使用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及激光技術(shù)的發(fā)展，激光測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)更加普及，而且會(huì)向著小型化、使用方便、低功耗等方向發(fā)展。因此，研究一種性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、便攜式的民用脈沖半導(dǎo)體激光測(cè)距儀是非常有必要的。1.3課題研究?jī)?nèi)容本課題研究

21、的是脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)，通過(guò)向待測(cè)物體發(fā)射與接收從待測(cè)目標(biāo)返回的脈沖激光信號(hào)，精確地測(cè)量發(fā)射脈沖和回波脈沖之間的時(shí)間間隔，根據(jù)光速就可以計(jì)算出脈沖激光測(cè)距儀和待測(cè)目標(biāo)之間的距離。對(duì)脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量精度影響最大的是脈沖飛行時(shí)間的測(cè)量精度。對(duì)脈沖飛行時(shí)間測(cè)量越精確，系統(tǒng)的精度就越高。發(fā)射激光脈沖的上升時(shí)間、激光接收系統(tǒng)的信噪比、高精度計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)精度都間接或直接地影響著脈沖飛行時(shí)間的測(cè)量精度。脈沖激光測(cè)距儀系統(tǒng)主要窄脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)、TDC-GP2高精度時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、LCD顯示等組成。下面簡(jiǎn)要介紹一下本課題的研究?jī)?nèi)容：第一章為緒論部分，主要介紹了本課題的研究背

22、景及意義，國(guó)內(nèi)外在激光測(cè)距領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀以及本課題的研究?jī)?nèi)容。第二章為激光測(cè)距系統(tǒng)理論分析與設(shè)計(jì)部分，主要介紹了激光及其原理，激光器的種類(lèi)及選擇，激光測(cè)距原理，激光測(cè)距方法以及激光測(cè)距方法的選擇。第三章為系統(tǒng)總體方案與電路設(shè)計(jì)部分，主要介紹了激光測(cè)距系統(tǒng)的總體方案，系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)。其中介紹了激光發(fā)射電路，包括窄脈沖發(fā)生電路、激光驅(qū)動(dòng)電路以及半導(dǎo)體激光器。激光接收電路，包括接收光路、光電探測(cè)器、放大電路、比較整形電路、時(shí)刻鑒別電路以及高壓產(chǎn)生電路。最后簡(jiǎn)單介紹了高精度計(jì)時(shí)電路。第四章為單片機(jī)與液晶顯示部分，主要介紹了AT89C51單片機(jī)的特性、引腳說(shuō)明及外圍電路，以及LCD液晶顯示。第五章為總結(jié)

23、部分，對(duì)本課題的主要工作進(jìn)行總結(jié)。第二章 激光測(cè)距系統(tǒng)理論分析與設(shè)計(jì)2.1激光技術(shù)2.1.1激光簡(jiǎn)介激光是20世紀(jì)以來(lái)，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類(lèi)的又一重大發(fā)明，被稱(chēng)為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度約為太陽(yáng)光的100億倍。激光的原理早在 1916 年就被著名的美國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)。愛(ài)因斯坦根據(jù)物質(zhì)發(fā)光和吸收必須符合能量守恒的基本原則，預(yù)言除了大量的自發(fā)輻射以外還必然存在著少量的受激輻射，并且這種受激輻射還會(huì)進(jìn)一步引發(fā)同類(lèi)的受激輻射，因此可以獲得受激輻射被增強(qiáng)的效應(yīng)。愛(ài)因斯坦的論斷為激光的發(fā)明提供了理論基礎(chǔ)。但直到 1960 年激光才首次被成功制造

24、出來(lái)。之后，激光研究出現(xiàn)了空前繁榮的局面。1960年美國(guó)和歐洲的激光研究組的數(shù)量大約在2550之間，僅兩年之后單單在美國(guó)就有500個(gè)。1963年之后，研究者開(kāi)始指導(dǎo)自己發(fā)現(xiàn)激光的特殊性質(zhì)。對(duì)材料和受激方法的研究帶來(lái)了不同種類(lèi)的激光：半導(dǎo)體激光、離子激光和化學(xué)激光等，而對(duì)激光的性質(zhì)和效應(yīng)的研究則反過(guò)來(lái)進(jìn)一步促進(jìn)了激光技術(shù)的發(fā)展。新的激光類(lèi)型不斷出現(xiàn)，19651968年已經(jīng)有100多種新的激光出現(xiàn)。激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的，它一問(wèn)世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。激光可使人們有效地利用前所

25、未有的先進(jìn)方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從而促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。激光技術(shù)發(fā)展到今天已，形成了一個(gè)產(chǎn)業(yè)。美國(guó)、日本、德國(guó)三個(gè)國(guó)家激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展代表了當(dāng)今世界激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。美國(guó)在500瓦以下的中、小功率激光器方面占優(yōu)勢(shì)，德國(guó)在500瓦以上用于材料加工的高功率激光器方面占優(yōu)勢(shì)，而小功率的半導(dǎo)體激光器則是日本占優(yōu)勢(shì),占世界市場(chǎng)的70%以上。中國(guó)的激光技術(shù)研究起步很早。中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器于1961年8月在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功。在這以后，我國(guó)的激光技術(shù)得到了迅速發(fā)展，并在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。1987年6月1012W的大功率脈沖激光系統(tǒng)神光裝置,在中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密

26、機(jī)械研究所研制成功，多年來(lái)為我國(guó)的激光聚變研究作出了巨大的貢獻(xiàn)。我國(guó)激光技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過(guò)40多年的艱苦努力,在技術(shù)研究方面獲得重大突破,成為我國(guó)科學(xué)界最活躍的領(lǐng)域之一。激光產(chǎn)業(yè)也從無(wú)到有，目前全國(guó)共有5個(gè)國(guó)家級(jí)的激光技術(shù)研究中心，10多個(gè)產(chǎn)品研究機(jī)構(gòu)，有150多家公司生產(chǎn)和銷(xiāo)售激光及激光配套產(chǎn)品，并有多家公司已經(jīng)形成了具有一定規(guī)模的生產(chǎn)能力。公司主要分布在湖北、上海、江蘇、北京和西安等地區(qū)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)已形成的激光產(chǎn)業(yè)主要包括有激光光盤(pán)、激光通訊、激光加工、激光醫(yī)療、激光檢測(cè)、激光印刷設(shè)備及激光全息等，這些產(chǎn)業(yè)正在成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，從而引起了社會(huì)各界的高度重視。2.1.2激光及其產(chǎn)生激光是由受激發(fā)射

27、的光放大產(chǎn)生的輻射。激光最初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱(chēng)LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個(gè)字母組成的縮寫(xiě)詞。意思是“通過(guò)受激發(fā)射光擴(kuò)大”。 激光的英文全名已經(jīng)完全表達(dá)了制造激光的主要過(guò)程。1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱(chēng)“激光”。普通光源（如電燈、火焰、太陽(yáng)等）是由于外界作用（例如光照、受到其他原子或電子的碰撞等），基態(tài)原子吸收了外界能量后，從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過(guò)程是一個(gè)“受激吸收”過(guò)程。激光是由于處于高能級(jí)的原子受

28、到入射光子的作用，當(dāng)該光子的能量恰好等于其兩相應(yīng)能級(jí)的能量差時(shí)，受激原子將發(fā)生由高能態(tài)向低能態(tài)的躍遷，這種躍遷稱(chēng)為受激躍遷，其輻射稱(chēng)為受激輻射。受激輻射產(chǎn)生的光子與入射光子的傳播方向、頻率、振動(dòng)方向、相位完全一樣。也就是說(shuō)，普通光源發(fā)光是由于電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí),是受激吸收和自發(fā)輻射。而激光的產(chǎn)生，是由于電子從亞穩(wěn)態(tài)能量級(jí)躍遷到低能量級(jí)，是受激輻射和光的放大的結(jié)果。激光產(chǎn)生的條件是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和滿(mǎn)足閥值條件。1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布在自然狀態(tài)下，光源中的粒子受到輻射的幾率很小。實(shí)際情況是當(dāng)一定頻率的光射向工作物質(zhì)時(shí)，受激輻射與受激吸收兩種狀態(tài)同時(shí)并存，雖然受激輻射在不斷地釋放光子使光子數(shù)增加

29、，可是受激吸收也在不停地吸收光子使光子數(shù)減小。當(dāng)物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，粒子在各能級(jí)上的分布呈金字塔狀，符合平衡狀態(tài)下粒子的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，處在較高能級(jí)層上的粒子數(shù)總是少于處在較低能級(jí)層上的粒子數(shù)。因而光照射工作物質(zhì)時(shí)，受激吸收總是占優(yōu)勢(shì)，所以光的能量只會(huì)減弱不會(huì)加強(qiáng)。要想使光的能量增強(qiáng)，必須使受激輻射占主導(dǎo)地位。也就是說(shuō)，要使分布在高能級(jí)的粒子數(shù)目大于分布在低能級(jí)的粒子數(shù)。這種粒子分布恰好與粒子處于平衡狀態(tài)時(shí)的統(tǒng)計(jì)分布相反，被稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，簡(jiǎn)稱(chēng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件。從理論上來(lái)說(shuō)，無(wú)論何種工作物質(zhì)，只要對(duì)其施加適當(dāng)?shù)募?lì)，就可以在粒子分布體系某兩個(gè)能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反

30、轉(zhuǎn)，如圖2-1所示。圖2-1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法很多，如光照、氣體放電、化學(xué)反應(yīng)等來(lái)對(duì)基態(tài)原子進(jìn)行激勵(lì)。這種激勵(lì)方式與水泵將低處的水抽往高處的原理相似，所以人們把各種對(duì)基態(tài)原子的激勵(lì)手段又叫泵浦或抽運(yùn)。用強(qiáng)光進(jìn)行激勵(lì)時(shí)叫光泵浦，而激勵(lì)光則叫泵浦光。雖然初期受激吸收過(guò)程強(qiáng)于受激輻射過(guò)程，但是在泵浦光的作用下，基態(tài)原子不斷地躍遷到高能態(tài)上，并逐漸地積累，最終可以是高能態(tài)的原子數(shù)多于基態(tài)原子數(shù)目而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。一旦實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射過(guò)程就占主導(dǎo)地位了。2滿(mǎn)足閥值條件形成激光不能只有粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布，由于激發(fā)狀態(tài)的激光是不穩(wěn)定的，它們?cè)诩ぐl(fā)狀態(tài)的時(shí)間范圍內(nèi)會(huì)紛紛跳回到基態(tài)，形成自

31、發(fā)輻射，這些光子會(huì)射向四面八方。要產(chǎn)生激光振蕩還必須有起著正反饋、諧振和輸出作用的光學(xué)諧振腔。激光諧振腔由兩塊相互平行的反射鏡組成，其中一塊為全反射鏡，另一塊為部分反射鏡。實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì)稱(chēng)為增益介質(zhì)。在諧振腔中，從增益介質(zhì)中輻射出來(lái)的光子剛開(kāi)始時(shí)其輻射方向是雜亂無(wú)章，其中偏離工作物質(zhì)軸向的光子逸出腔外，只有沿著軸向傳播的光子在諧振腔兩端反射鏡作用下才能往返傳播。這些光子就成為引起受激輻射的激發(fā)因子，它們可導(dǎo)致軸向受激輻射的產(chǎn)生。受激輻射發(fā)出的光子與引起受激輻射的光子有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振狀態(tài)。它們沿軸線(xiàn)方向不斷地往返，穿過(guò)已實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)，從而不斷地引發(fā)受

32、激輻射，使軸向行進(jìn)的光子不斷得到放大和振蕩。這種雪崩式的光放大過(guò)程使得諧振腔內(nèi)沿軸線(xiàn)方向的光量驟然增大。并從諧振腔的部分反射鏡端射出，這就是激光，也即受激輻射光。產(chǎn)生激光時(shí)，增益介質(zhì)的單位體積內(nèi)高能級(jí)的粒子數(shù)與低能級(jí)的粒子數(shù)之差，叫做閥值反轉(zhuǎn)密度。而外來(lái)激勵(lì)使工作物質(zhì)開(kāi)始產(chǎn)生受激輻射的能量、功率或電流，分別叫做閥值能量、閥值功率、閥值電流。綜上所述，要產(chǎn)生激光，首先必須利用激勵(lì)能源使激光工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這是產(chǎn)生激光的前提條件。但這還不夠，還必須滿(mǎn)足閥值條件，這是產(chǎn)生激光的決定性條件，兩者缺一不可。2.1.3激光的特性激光與普通光都是一種電磁波，但它又具有普通光所不能比擬的特性。1相

33、干性好相干性是所有波的共性，但由于各種光波的品質(zhì)不同，導(dǎo)致它們的相干性也有差別。由于激光是受激輻射光，所以具有很好的相干性。2單色性好光是一種電磁波。光的顏色取決于它的波長(zhǎng)。普通光源發(fā)出的光通常包含著各種波長(zhǎng)，是各種顏色光的混合。太陽(yáng)光包含紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色的可見(jiàn)光及紅外光、紫外光等不可見(jiàn)光。激光的波長(zhǎng)基本一致，譜線(xiàn)寬度很窄，顏色很純，單色性很好。光的顏色由光的不同波長(zhǎng)決定，不同的顏色，是不同波長(zhǎng)的光作用于人的視覺(jué)的不同而反映出來(lái)的。而某些激光的波長(zhǎng)，只集中在十分窄的光譜波段或頻率范圍內(nèi)。如氦氖激光的波長(zhǎng)為632.8nm，其波長(zhǎng)變化范圍不到萬(wàn)分之一納米。由于激光的單色性好，為精

34、密儀器測(cè)量和激勵(lì)某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了非常有利的條件。3方向性好普通光源(太陽(yáng)、白熾燈或熒光燈)向四面八方發(fā)光，而激光的發(fā)光方向可以限制在小于幾個(gè)毫弧度立體角內(nèi)，這就使得在照射方向上的照度提高了千萬(wàn)倍。激光發(fā)射后發(fā)散角非常小，射到38萬(wàn)公里的月球上，其光斑直徑還不到2公里。激光準(zhǔn)直、導(dǎo)向和測(cè)距就是利用方向性好這一特性。4亮度高激光的亮度很高，比普通光源高數(shù)億倍，這是由于激光的發(fā)射能力強(qiáng)和能量的高度集中，亮度是衡量一個(gè)光源質(zhì)量的重要指標(biāo)，若將中等強(qiáng)度的激光束經(jīng)過(guò)匯聚，可在焦點(diǎn)處產(chǎn)生幾千到幾萬(wàn)度的高溫。激光打孔、切割、焊接和激光外科手術(shù)就是利用了這一特性。激光的上述特性，使激光具有廣闊的應(yīng)用

35、前景。例如，工業(yè)上的激光打孔、切割、焊接、準(zhǔn)直、測(cè)距；農(nóng)業(yè)上用激光輻射改良種子、改變遺傳物性；醫(yī)學(xué)上的激光焊接視網(wǎng)膜和激光“光刀”；精密測(cè)量上用激光作長(zhǎng)度基準(zhǔn)和光頻標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量地球形變和大陸漂移等；國(guó)防建設(shè)上的激光測(cè)距、激光通訊、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光武器。還可用激光進(jìn)行全息照相。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)方面，由于激光極大地提高了時(shí)間、空間、和光譜測(cè)量的分辨率，因而必將進(jìn)一步擴(kuò)展人們對(duì)微觀(guān)世界的認(rèn)識(shí)和利用。2.1.4激光器的基本組成不同類(lèi)型和特點(diǎn)的激光器基本結(jié)構(gòu)一般包括三個(gè)部分，即工作物質(zhì)、激勵(lì)源（也稱(chēng)為泵浦源）和諧振腔，如圖2-2所示。圖2-2 激光器示意圖1工作物質(zhì)激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以

36、是氣體、液體、固體或者半導(dǎo)體。在這種介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以獲得產(chǎn)生激光的必要條件。亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在，對(duì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常有利的。現(xiàn)有的工作介質(zhì)近千種，可產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)包括從真空紫外到遠(yuǎn)紅外，非常廣泛。激光工作物質(zhì)也稱(chēng)為激活介質(zhì)。2激勵(lì)源（泵浦源）為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法激勵(lì)原子體系，使處于高能級(jí)的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法利用具有動(dòng)能的電子來(lái)激發(fā)介質(zhì)原子，稱(chēng)為電激勵(lì)；也可以用脈沖光源來(lái)照射工作介質(zhì)，稱(chēng)為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式被形象化的稱(chēng)為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地泵浦以維持處于高能級(jí)的粒子數(shù)比低能級(jí)的粒子數(shù)多。3

37、諧振腔有了合適的工作物質(zhì)和激勵(lì)源后，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱，無(wú)法實(shí)際應(yīng)用，于是人們就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際就是在激光器兩端，面對(duì)面裝上兩塊反射率很高的反射鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透過(guò)這塊反射鏡而射出。被反射回到工作介質(zhì)的光，繼續(xù)激發(fā)新的受激輻射，使光被放大。因此光在諧振腔中來(lái)回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，從部分反射鏡中輸出。2.1.5激光器的種類(lèi)激光器有很多不同的分類(lèi)方法，一般按工作介質(zhì)的不同來(lái)分類(lèi)，可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。另外，根據(jù)激光輸出方式的

38、不同又可以分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。還可以按發(fā)光的頻率和發(fā)光功率的大小來(lái)分類(lèi)。1固體激光器一般來(lái)說(shuō)，固體激光器具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大等特點(diǎn)。這種激光器的工作介質(zhì)主要是作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，除了紅寶石和玻璃外，常用的還有釔釹鋁石榴石(YGA)晶體中摻入三價(jià)釹離子的激光器。2氣體激光器氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、操作方便、工作介質(zhì)均勻、光束質(zhì)量好、能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定連續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn)。這是目前品種最多、應(yīng)用廣泛的一類(lèi)激光器，廣泛應(yīng)用于材料加工、激光生物醫(yī)學(xué)、激光化學(xué)、檢測(cè)測(cè)量、國(guó)防等領(lǐng)域。3液體激光器常用的是染料激光器，采用有機(jī)染料為工作介質(zhì)。大多數(shù)情況是把

39、有機(jī)燃料溶于溶劑中（乙醇、丙醇、水等）中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的，利用不同染料可以獲得不同波長(zhǎng)的激光（在可見(jiàn)光范圍）。4半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的激光器，如圖2-3所示。目前較為成熟的是砷化嫁激光器，發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的砷化嫁、硫化鉻、硫化鋅等激光器。激勵(lì)方式有光泵浦、電激勵(lì)等。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固，特別適合在飛機(jī)、車(chē)輛、宇宙飛船上使用，是目前最為實(shí)用的一類(lèi)激光器。圖2-3 半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖2.1.6激光器的選擇半導(dǎo)體激光器與其他種類(lèi)的激光器相比，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如體積小、重量輕、全固態(tài)、壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)換效率高、可靠性好、

40、省電，是理想的激光測(cè)距光源。雖然半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光波在大氣中的衰減比較大，但足以滿(mǎn)足短程測(cè)距的要求。由于脈沖寬度和占空比對(duì)測(cè)量精度有影響，峰值功率在很大程度上影響著測(cè)量距離，工作波長(zhǎng)與人眼安全及接收電路光電探測(cè)器的轉(zhuǎn)換效率密切相關(guān)，閥值電流在一定程度上決定了系統(tǒng)功耗，發(fā)散角太大會(huì)引起激光能量的發(fā)散，所以在選擇激光發(fā)射器時(shí)需要考慮脈沖寬度、占空比、峰值功率、工作波長(zhǎng)、閥值電流、垂直方向和水平方向發(fā)散角等因素。本系統(tǒng)選用的半導(dǎo)體激光器是PerkinElmer公司的PGEW1S09,如圖2-4所示。圖2-4 PGEW1S09實(shí)物圖這是一款價(jià)格低廉的多量子阱激光器,用較低的驅(qū)動(dòng)電流,就能得到高峰值輸

41、出功率,能夠保持良好的溫度操作范圍和較小的輸出光束發(fā)散角,輸出波長(zhǎng)為905nm，峰值輸出功率高，封裝成本低，脈沖寬度為30ns，脈沖頻率為1KHz以下，它輸出的典型功率為15W,譜寬度為7nm，光束發(fā)散角為1030,峰值電流為25A。它的一些典型參數(shù)詳見(jiàn)表2-1，內(nèi)部電路如圖2-5所示。表2-1 PGEW1S09的典型參數(shù)正向電流脈沖寬度偏置電壓占空比工作溫度范圍存儲(chǔ)溫度范圍焊接條件 825A30ns2V0.00755S圖2-5 PGEW1S09半導(dǎo)體激光器電路圖2.1.7半導(dǎo)體激光二極管的特性半導(dǎo)體激光二極管的性質(zhì)會(huì)對(duì)發(fā)射的激光脈沖的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，而激光脈沖的質(zhì)

42、量影響著激光測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距精度、測(cè)距量程、功耗、抗干擾能力、系統(tǒng)帶寬等性能。發(fā)射脈沖的上升沿時(shí)間和測(cè)距精度關(guān)系緊密，上升沿持續(xù)的時(shí)間越短，越有助于提高測(cè)量精度，發(fā)射脈沖的峰值功率和測(cè)距范圍大體上成正比，也就是說(shuō)，發(fā)射脈沖的峰值功率越大，測(cè)距量程越大，所以要對(duì)它的一些特性做深入的研究。半導(dǎo)體激光二極管有兩個(gè)比較重要的特性，簡(jiǎn)要介紹如下：1半導(dǎo)體激光二極管的IV特性和PI特性，如圖2-6和2-7所示圖2-6 半導(dǎo)體激光二極管的IV特性圖圖2-7 半導(dǎo)體激光二極管的PI特性圖a半導(dǎo)體激光二極管的IV特性激光二極管雖然有各種各樣的結(jié)構(gòu)，但都是由PN結(jié)構(gòu)成的二極管，所以叫做激光二極管。除了在發(fā)出激光的時(shí)

43、候外，激光二極管的IV特性和發(fā)光二極管是一樣的，激光二極管的IV特性就是一個(gè)典型二極管的IV特性。當(dāng)加以正偏電壓并逐漸增加電壓值時(shí)，激光二極管在開(kāi)始階段的工作狀態(tài)類(lèi)似一個(gè)邊沿發(fā)射二極管。在低偏區(qū)域內(nèi)，也就是低激發(fā)區(qū)內(nèi)，自發(fā)發(fā)射是主要方面，因?yàn)槭芗ぐl(fā)層的載流子密度不是足夠高，難以形成密度轉(zhuǎn)化。隨著偏置程度增加，受激發(fā)層形成了密度轉(zhuǎn)化，受激發(fā)射在某個(gè)偏置點(diǎn)成為主要方面，這一偏置點(diǎn)稱(chēng)為發(fā)射激光的門(mén)檻。相應(yīng)的電流值稱(chēng)為門(mén)檻電流Ith，也就是我們前面提到的閾值電流。在門(mén)檻點(diǎn)，二極管由LED的方式過(guò)渡到LD的工作方式。所對(duì)應(yīng)的電壓Vf稱(chēng)為導(dǎo)通電壓，這個(gè)電壓和材料的禁帶寬度有關(guān)。b半導(dǎo)體激光二極管的PI特性

44、對(duì)于脈沖式半導(dǎo)體激光測(cè)距儀來(lái)說(shuō)，脈沖激光的峰值功率和測(cè)量距離密切相關(guān)，峰值功率越大，測(cè)量距離就越大。由圖2-7可以看出當(dāng)激光二極管正向偏置有注入電流時(shí)就有光輸出，一開(kāi)始輸出光功率隨著注入電流的增加而線(xiàn)性增加，但發(fā)光效率很低，幾乎可以看作為零，如圖2-7中零到閥值電流段，這一階段是自發(fā)輻射發(fā)光階段。當(dāng)注入電流增加到一定值后，發(fā)光效率開(kāi)始增加，斜率突然變大，表明受激輻射發(fā)光開(kāi)始起作用并逐漸加大比重，如圖2-7的PI曲線(xiàn)的閥值電流段，這一階段的發(fā)光稱(chēng)為超輻射發(fā)光。當(dāng)注入電流進(jìn)一步增加，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到光子在腔內(nèi)所得到的增益與受到的損耗相等時(shí)，光子才能獲得凈增益并在腔內(nèi)振蕩激射，此后光輸出功率隨電流陡

45、峻上升，這一階段是受激輻射發(fā)光階段。可以從圖2-7中看到當(dāng)電流超過(guò)閥值電流Ith之后，激光二極管的輸出功率隨電流的增加而急劇上升。2溫度特性激光二極管的溫度特性是指半導(dǎo)體激光器的閥值電流Ith，導(dǎo)通電壓Vf隨溫度變化而變化的性質(zhì)。氣溫每升高10，閥值電流和導(dǎo)通電壓大約會(huì)在原來(lái)的基礎(chǔ)上增大5%25%，溫度過(guò)高，就可能導(dǎo)致激光器中止激光發(fā)射。由于影響溫度的因素很多，很難用一個(gè)確定而準(zhǔn)確的公式把各種激光器在所有溫度范圍內(nèi)的關(guān)系量化表示。然而存在著經(jīng)驗(yàn)理論公式，可用來(lái)大體表示閥值電流Ith和導(dǎo)通電壓Vf隨溫度變化的特點(diǎn)。公式如下：Ith （3-1）Vf （3-2）在式（3-1）和（3-2）中，為=時(shí)的

46、閥值電流，為=時(shí)導(dǎo)通電壓，為特征溫度，為工作溫度。當(dāng)其它條件保持不變時(shí)，工作溫度升高會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器的閥值電流變大，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致激光器輸出功率隨之下降。2.2激光測(cè)距原理激光測(cè)距廣泛采用測(cè)量激光飛行時(shí)間的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)距，也就是通過(guò)測(cè)量激光在測(cè)量路線(xiàn)上往返飛行所需要的時(shí)間來(lái)進(jìn)行距離值的測(cè)量。根據(jù)測(cè)量方式的不同，測(cè)距方法可以分為脈沖法和相位法。脈沖法通過(guò)激光脈沖直接測(cè)量飛行時(shí)間，而相位法通過(guò)測(cè)量相位間接得到飛行時(shí)間。目前較為常見(jiàn)的激光測(cè)距方法主要包括兩種，即相位法與脈沖法。相位法主要應(yīng)用于近距離高精度的激光測(cè)距系統(tǒng)，而脈沖法則用于中遠(yuǎn)距離的激光測(cè)距系統(tǒng)，其測(cè)量精度比相位法測(cè)量精度要低，但是隨著時(shí)差

47、測(cè)量精度的提高，脈沖法測(cè)距也可以應(yīng)用于高精度的測(cè)距系統(tǒng)。2.2.1相位法激光測(cè)距通常相位法激光測(cè)距具有較高的測(cè)距精度。相位式激光測(cè)距是利用發(fā)射的調(diào)制光與被測(cè)目標(biāo)反射的接收光之間的相位差包含的距離信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)距離的測(cè)量，由于采取調(diào)制和差頻測(cè)相等技術(shù)，具有較高的測(cè)量精度，廣泛應(yīng)用于有合作目標(biāo)的精密測(cè)距場(chǎng)合。相位測(cè)距的方法是通過(guò)對(duì)光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)測(cè)量調(diào)制激光信號(hào)，在待測(cè)距離 L上往返傳播所形成的相位差，間接測(cè)出激光在測(cè)量點(diǎn)與目標(biāo)間的往返時(shí)間t,根據(jù)光速，求出待測(cè)距離L。相位法激光測(cè)距實(shí)現(xiàn)原理如下：圖2-8 相位法調(diào)制波形圖設(shè)調(diào)制頻率為，調(diào)制波形如圖2-8所示，波長(zhǎng)為 （2-1）式

48、中c為光速。由圖可知，光波從 A 點(diǎn)傳到 B 點(diǎn)的相移可表示為: = 2m= (mm) 2 （2-2）式中,m是零或者整數(shù),m 是個(gè)小數(shù), m = /2。A,B 兩點(diǎn)之間的距離L為: L =(mm) （2-3）式中，t代表光由 A 點(diǎn)傳到 B 所需的時(shí)間。給出式（2-3）時(shí)已利用式（2-1）和式（2-2）。由式（2-3）可知，如果測(cè)得光波相位差中 2 的整數(shù) m 和小數(shù)m，就可由式（2-3）確定被測(cè)距離 L，所以調(diào)制光波被認(rèn)為是一把“光尺”，即波長(zhǎng)就是相位式激光測(cè)距儀量度距離的一把尺子。在激光測(cè)距中，一般測(cè)量的是測(cè)距儀到目標(biāo)物體之間往返一次所經(jīng)過(guò)的路程，因此在相位法測(cè)距中，測(cè)量的是激光往返一次

49、所引起的相位差。圖2-9示意地表示光波在距離 L 上往返一次后的相位變化。圖2-9 光波經(jīng)過(guò)距離2L后相位的變化圖為了分析方便，假定測(cè)距儀的接收系統(tǒng)置于A（實(shí)際發(fā)射和接收系統(tǒng)都處在A點(diǎn)），并且AB=BA,AA= 2L，如圖2-9所示，則有 2L=(mm) （2-4） L(mm) = Ls (mm) （2-5）式中，m 是整數(shù)，m 是小數(shù)，這時(shí) Ls作為度量距離的一把光尺，但需要指出的是相位測(cè)量技術(shù)只能測(cè)量出不足2的相位尾數(shù)，即只能確定小數(shù)m= /2，而不能確定出相位的整數(shù)倍 m，因此當(dāng)距離L大于Ls時(shí)，僅用一把“光尺”是無(wú)法測(cè)定距離的。但當(dāng)L /2時(shí)，即 m = 0 時(shí)，可確定距離 L 為 L

50、 （2-6）由此可知，如果被測(cè)距離較長(zhǎng)，可降低調(diào)制頻率，使得 Ls大于 L，即可確定距離 L。但是由于相位測(cè)量系統(tǒng)存在測(cè)相誤差，使得所選用的 Ls越大使測(cè)距誤差越大。例如，如果測(cè)相系統(tǒng)的測(cè)相誤差1，則當(dāng)測(cè)尺長(zhǎng)度 Ls=1m時(shí)，會(huì)引起 1mm 的誤差，而當(dāng)Ls=100m 時(shí)，所引起的誤差就是10cm。因此，相位法測(cè)距不適合遠(yuǎn)距離的測(cè)距要求。理論上，影響相位法測(cè)距精度的因素主要有：1由于光的傳播介質(zhì)折射率變化等原因引起光速誤差；2調(diào)制頻率的誤差（調(diào)制頻率穩(wěn)定性）；3相位測(cè)量誤差。其中，由傳播介質(zhì)引起的誤差可以采用實(shí)時(shí)實(shí)地環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)來(lái)補(bǔ)償以降低誤差，如大氣能見(jiàn)度、溫度、大氣壓力等。其余兩方面誤差原

51、因則取決于電路系統(tǒng)。因此，在設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)時(shí)，調(diào)制頻率發(fā)生電路和相位測(cè)量電路是關(guān)鍵，它直接影響系統(tǒng)測(cè)量誤差的大小。另外，還必須考慮信號(hào)在系統(tǒng)光路和電路上的傳輸所產(chǎn)生的附加相位移。對(duì)于附加相位移，一些固定的、不隨外界環(huán)境的變化而變化，只與電路或者光路系統(tǒng)本身有關(guān)，這類(lèi)附加相位移在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，可通過(guò)加減固定偏移量來(lái)修正。另一類(lèi)是隨機(jī)性附加相位移，它隨著外界環(huán)境、元器件性能而變化，無(wú)法用修正來(lái)進(jìn)行消除，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。2.2.2脈沖法激光測(cè)距脈沖法激光測(cè)距即激光飛行時(shí)間（Time of Flight簡(jiǎn)稱(chēng)TOF）測(cè)距，它是利用激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，能量在時(shí)間上相對(duì)集中，瞬時(shí)功率很大的特點(diǎn)

52、進(jìn)行測(cè)距的。在有合作目標(biāo)的情況下，脈沖激光測(cè)距可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)量距離，在進(jìn)行幾公里的近程測(cè)距時(shí)，如果精度要求不高，即使不使用合作目標(biāo)，只是利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)脈沖激光的漫反射所取得回波信號(hào)，也可以進(jìn)行測(cè)距。目前脈沖式激光測(cè)距方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如地形測(cè)量、戰(zhàn)術(shù)前沿測(cè)距、導(dǎo)彈運(yùn)行軌道跟蹤、激光雷達(dá)測(cè)距，以及人造衛(wèi)星、地球到月亮距離的測(cè)量等。圖2-10 脈沖式激光測(cè)距原理圖脈沖式激光測(cè)距的原理如圖2-10所示。由激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)持續(xù)時(shí)間極短的脈沖激光，經(jīng)過(guò)待測(cè)距離L之后，被目標(biāo)物體反射，脈沖激光信號(hào)（回波信號(hào)）被激光接收系統(tǒng)中的光電探測(cè)器接收，計(jì)時(shí)電路通過(guò)計(jì)算脈沖激光發(fā)射和回波信號(hào)到達(dá)之間的時(shí)

53、間間隔，即激光脈沖從激光測(cè)距儀到目標(biāo)物體之間的往返時(shí)間t，即可計(jì)算出目標(biāo)物體與激光測(cè)距儀之間的距離 L 為： L （2-7）式中，c為光速。當(dāng)認(rèn)為光速一定時(shí)(不考慮大氣中光速的微小變化)，測(cè)距精度L為： L （2-8）由公式（2-8）可以看出，脈沖法激光測(cè)距的測(cè)量精度主要取決于脈沖發(fā)射到脈沖接收之間的時(shí)間差測(cè)量的精度。當(dāng)測(cè)量精度要求為 1m 時(shí)，設(shè)光速c為，根據(jù)公式（2-8）可以計(jì)算出其時(shí)差測(cè)量精度必須達(dá)到，約為7ns，如用直接用計(jì)數(shù)法進(jìn)行時(shí)差測(cè)量，那么其計(jì)數(shù)脈沖的頻率為150MHz。另外，光速c的精度主要依賴(lài)于大氣折射率的測(cè)定，大氣折射率與氣壓、溫度、適度及大氣成分有關(guān)，并且不同波長(zhǎng)的大氣折

54、射率不同。由折射率測(cè)定誤差而帶來(lái)的誤差約為，因此對(duì)于短距離脈沖激光測(cè)距（幾十公里以?xún)?nèi)）來(lái)說(shuō)，測(cè)距精度主要取決于時(shí)間間隔t的精度的大小，影響時(shí)間間隔精度的因素有很多，比如脈沖的寬度，目標(biāo)反射面和接收光學(xué)系統(tǒng)對(duì)激光脈沖的展寬，測(cè)量電路對(duì)脈沖信號(hào)的響應(yīng)延遲等。2.2.3兩種測(cè)距方式的性能分析及其對(duì)比相位法與脈沖法是兩種不同的測(cè)距方式，兩種測(cè)距方法針對(duì)各種不同的工作場(chǎng)合和不同的精度要求都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。兩種測(cè)距方法對(duì)比如下：1相位法測(cè)距a測(cè)距精度: 與相位測(cè)量精度，調(diào)制頻率的穩(wěn)定性，傳播介質(zhì)折射率變化引起的光速誤差有關(guān)，測(cè)量精度為毫米級(jí)別。b側(cè)量距離：測(cè)量距離小，一般用于100米范圍之內(nèi)的距離測(cè)量。c

55、與目標(biāo)物體的關(guān)系：有合作目標(biāo)時(shí)，測(cè)量范圍可擴(kuò)展至200300m。2脈沖法測(cè)距a測(cè)距精度: 與時(shí)差測(cè)量精度，脈沖上升沿，時(shí)刻鑒別精度，目標(biāo)物體對(duì)脈沖激光的反射和大氣對(duì)激光的吸收散射以及光學(xué)系統(tǒng)對(duì)脈沖的展寬有關(guān)。根據(jù)應(yīng)用的不同，測(cè)距精度在1cm到1m之間。b側(cè)量距離：測(cè)量距離大，一般在幾百米到幾十公里之間，用于測(cè)量衛(wèi)星、月亮到地球之間的距離時(shí)可達(dá)幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)公里。c與目標(biāo)物體的關(guān)系：無(wú)合作目標(biāo)時(shí)，測(cè)量距離可達(dá)12km。根據(jù)相位法和脈沖法兩種激光測(cè)距方式的對(duì)比可以得出以下兩點(diǎn)：1相位法激光測(cè)距常用于小距離測(cè)距（一般用于百米以?xún)?nèi)的距離測(cè)量），具有很高的測(cè)量精度（測(cè)量精度可達(dá)到毫米級(jí)別），并且設(shè)計(jì)相對(duì)

56、簡(jiǎn)單。對(duì)于測(cè)量精度的影響，除了大氣溫度、氣壓和濕度等外在因素外，還包括測(cè)距儀自身的光發(fā)射功率、測(cè)量平均次數(shù)和調(diào)制頻率及其穩(wěn)定性等因素的影響。另外，電子噪聲特別是由大功率調(diào)制引入的電子相干噪聲對(duì)探測(cè)精度影響很大。而且，如果光電信號(hào)與調(diào)制源具有相同的頻率，就會(huì)限制測(cè)相精度。這是由于調(diào)制源存在與光電信號(hào)頻率相同的泄漏場(chǎng)，它與光電信號(hào)發(fā)生相干作用，降低了信噪比特別是在回波信號(hào)很弱的時(shí)候。2脈沖式激光測(cè)距儀主要用于遠(yuǎn)距離的激光測(cè)距應(yīng)用中，特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，精度高。目前主流的脈沖式激光測(cè)距產(chǎn)品的測(cè)量精度可達(dá)到厘米級(jí)別。脈沖激光測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度主要依賴(lài)于接收通道的帶寬、激光脈沖的上升沿、光電探測(cè)器的信噪

57、比（峰值信號(hào)電流與噪聲電流均方根值之比）和時(shí)間間隔測(cè)量精度。以上主要是從激光飛行時(shí)間t出發(fā)來(lái)考慮測(cè)量的精度，其中關(guān)鍵是如何精確地確定t的起止時(shí)刻和精確測(cè)量激光飛行時(shí)間t，它們各自對(duì)應(yīng)的是時(shí)刻鑒別單元和時(shí)間間隔測(cè)量單元。另一方面就是大氣折射率也受環(huán)境溫度、氣壓及大氣湍流的影響。在時(shí)刻鑒別中，由于激光脈沖在空中傳播過(guò)程中的衰減和畸變，導(dǎo)致接收到的脈沖與發(fā)射脈沖在幅度和形狀上都有很大不同，這給正確確定起止時(shí)刻帶來(lái)了困難，由此引起的測(cè)量誤差被稱(chēng)之為漂移誤差。另外，由輸入噪聲引起的時(shí)間抖動(dòng)也給測(cè)量帶來(lái)了誤差。如何設(shè)計(jì)時(shí)刻鑒別單元以達(dá)到消除或減小漂移誤差和時(shí)間抖動(dòng)，已經(jīng)成為脈沖法激光測(cè)距的重要研究課題之一

58、。2.2.4激光測(cè)距的要求與方法的選擇激光測(cè)距儀的測(cè)量要求如下：測(cè)量范圍：5m100m；測(cè)量精度：0.1m；反應(yīng)時(shí)間：小于0.2s；帶有液晶顯示，可直接讀出測(cè)量的距離。經(jīng)過(guò)比較和分析兩種測(cè)距方法，最后選擇脈沖式激光測(cè)距。脈沖式激光測(cè)距有如下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1測(cè)量距離。在激光輸出功率相同的情況下,脈沖式激光測(cè)距可測(cè)量的距離遠(yuǎn)比相位式激光測(cè)距可測(cè)量的距離要遠(yuǎn)。因?yàn)槊}沖激光測(cè)距有很高的瞬間輸出功率,使得激光發(fā)射到較遠(yuǎn)處的物體時(shí),仍然能夠反射回足夠的可以被檢測(cè)到的光信號(hào)。2測(cè)距速度。脈沖式激光測(cè)距儀在測(cè)距時(shí),測(cè)距儀只需要接收到回波信號(hào)便結(jié)束計(jì)時(shí),在采取一定計(jì)時(shí)方式的情況下,單次測(cè)量所需要的時(shí)間非常短。而相位

59、式激光測(cè)距儀在測(cè)量距離時(shí),由于測(cè)量的是兩個(gè)連續(xù)信號(hào)之間的相對(duì)相位差,因此在測(cè)量時(shí)間上比較費(fèi)時(shí)。3合作目標(biāo)。相位式激光測(cè)距儀通常需要在目標(biāo)物處放置反射鏡等裝置,以提高回波信號(hào)的接收率,而脈沖式激光測(cè)距儀具有很高的瞬時(shí)輸出功率,不需要合作目標(biāo),這在很多應(yīng)用場(chǎng)合是非常方便的。另外,脈沖式激光測(cè)距儀由于采取瞬時(shí)發(fā)射功率的方式進(jìn)行測(cè)距,其隱蔽性和安全性較高。第三章 系統(tǒng)總體方案與電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體方案3.1.1系統(tǒng)基本組成脈沖激光測(cè)距儀系統(tǒng)框圖如圖3-1所示圖3-1 脈沖激光測(cè)距儀系統(tǒng)框圖由圖3-1可知脈沖激光測(cè)距儀系統(tǒng)主要窄脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)、TDC-GP2高精度時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、LCD顯示、目標(biāo)物體等組成。系統(tǒng)各組成部分的功能如下：窄脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)：激光發(fā)射單元主要由窄脈沖發(fā)生電路、激光驅(qū)動(dòng)電路、半導(dǎo)體激光器組成。窄脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生窄脈沖信號(hào)，這一信號(hào)送到激光驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生所需的激光。激光接收系統(tǒng)：激光接收單元主要由接收光路、光電探測(cè)器、放大電路、比較整形電路、時(shí)刻鑒別電路、高壓產(chǎn)生電路組成。高壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高壓加載到光電探測(cè)器上，使回波激光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、比較整形后，送到時(shí)刻鑒別電路進(jìn)行鑒別，判斷是否為真正的回波信號(hào)，以終止計(jì)時(shí)。TDC-GP2高精度時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)：計(jì)時(shí)單元主要由TDC-GP2芯片以及外圍電路組成。它是