高精度小型化激光测距系统研究

发布时间：2020-04-27 14:59

【摘要】：当前激光测距系统的发展方向是小型化、多功能化、对人眼安全。高精度小型化激光测距技术,特别是对人眼安全波段的激光测距技术,能使系统在使用时不损伤操作人员视力、对烟雾的穿透能力强、目标反射率较高。本文通过研究脉冲半导体激光测距原理、人眼安全激光器构型、激光驱动电源方法、弱信号接收及数字信号处理技术、光学发射接收天线设计以及整机小型化设计等,全面阐述了人眼安全半导体小型化激光测距系统的设计方法。采用多种先进技术设计的小型化激光测距系统具有结构紧凑、重量轻、测程远、人眼安全、精度高等特点,从根本上减小能量的损耗并大大提高激光测距系统的测程和测量精度,为中远程小型化激光测距产品设计提供了系统的解决方案。本文的主要工作和创新点如下:1.阐述了激光测距系统技术,并对人眼安全波段激光测距优势和前沿进展进行了分析。2.在保证结构强度的前提下,采用结构一体化设计、激光器谐振腔模块化设计、激光电源小型化设计、接收与信号处理与综合化设计等新理念,使整套产品结构小巧紧凑,成功研制重量小于4 kg的激光测距机。3.研究半导体泵浦波长温度漂移补偿技术、角锥光束匀化散热技术、工作物质串接热畸变修复技术、TEC温控技术等一系列散热技术,并通过散热模型仿真计算,有效地对系统进行优化设计,在有限的体积下保证换热能力。4.采用OPO激光器设计人眼安全波段激光辐射器,实现了在较宽温度范围内输出能量≥10 mJ,优于国内其他产品。5.利用探测器接收放大技术、增益控制、恒虚警等技术、激光回波数字化处理技术等措施,实现了人眼安全波段激光测距的高灵敏探测。
【图文】：

天津大学硕士学位论文课题就是以脉冲式激光测距的方式进行分析与设计的。1.3 人眼安全激光测距系统的特点及实现途径人眼安全激光波段激光测距系统较其它激光波段测距系统具有诸多，1.5X μm 激光对人眼的允许曝光量是 1.064 μm Nd:YAG 激光的 40 万倍 10.6 μmCO2激光器的 100 倍[5]。目前常用的激光器波段都在 3 μm 以内这个范围内选择 1.5～1.8 μm 这个大气传输窗口的波段，不仅透过率高烟、雾的穿透能力也强。图 1-1 是用 LOWTRAN 软件仿真在高度 6 k对地进行激光测距时，不同波段激光的透过率。

图 2-1 激光脉冲测距原理图中激光辐射器是产生激光脉冲的核心部件，主要用于产生能量、发散的激光脉冲；激光电源主要完成对激光辐射器的供电，，并对半导体阵控制，以保证激光辐射器的单脉冲输出能量、脉冲宽度满足总体要求主要完成对激光辐射器出口的激光束散角进行压窄及面积扩束，保证光束散角满足系统设计要求。光接收放大电路主要作用是将接收到的目标反射的激光回波转换成进行放大处理，为信息处理电路提供关门信号；接收天线主要对在视场漫反射回来的激光进行收集、会聚，使得会聚弥散斑直径不大于系统制及信号处理电路从发射激光脉冲时开始计时，接收到被测目标返回束计时，然后计算这个时间间隔，还有对放大后的回波信号进行滤波噪声中提取出信号，并将其转换输出给上位机。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249

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本文编号：2642377