基于光子计数的远程激光测距技术研究
发布时间：2021-06-08 04:03
激光测距是利用激光进行距离测量,是常用的测距技术之一。目前,激光测距技术已在农业、工业以及航空航天等领域得到了广泛的应用。随着工业的快速发展和科技的不断进步,激光测距技术不断革新,其测距性能也更加优越。针对远程测距的应用需求,本文首先详细介绍了激光测距技术的国内外研究现状,论述了激光测距的实现方法,并对各方法进行了分析和比较。相较于其他波段,以1064nm波段为代表的近红外激光具有相同单脉冲能量下光子数多、大气透过率高、激光功率大等特点,有利于远程测距中回波信号的识别。为此,针对远程激光测距在探测效率、灵敏度和测距精度、系统体积和功耗约束等方面普遍存在的问题,本文选用1064nm固体激光器和InGaAs/InP单光子探测器作为主要器件,基于光子计数技术搭建了一套用于远距离测量的激光测距系统,并对系统各组成单元的功能、器件选型和电路模块设计等实现方案进行了详细阐述。为了消除太阳背景光等噪声对测距性能的影响,本文综合利用距离选通、光谱滤波、空间滤波以及信号相关处理等技术,分别从硬件和软件两方面着手,有效提高了系统的测距能力。在测距系统结构参数确定之后,本文对该系统的测距性能进行了数值分析和...
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
相位式激光测距工作原理
基于光子计数的远程激光测距技术研究16统的集成度和系统零部件的稳定性，减小了系统的体积。激光器驱动激光器模块接收系统模块探测器FPGA总控模块电平转换模块电源模块高压与温控模块图3.4远程测距设计系统实现结构图图3.4所示为远程激光测距系统的模装图，根据该系统各组成部分的实现方式进行划分，测距系统包括电源模块、FPGA总控模块、回波信号接收系统模块、电平转换模块、探测器模块、激光器模块以及上位机模块等部分。在实现测距系统时，本文将分别从硬件和软件两方面着手，依次阐述各个模块的实现方式及相关器件的选型，并利用相关开发软件和测试平台对测距系统的通信和数据处理的相关算法进行功能实现和仿真。3.3硬件部分3.3.1电源模块电源模块是为测距系统中的激光器、FPGA等各功能模块提供直流工作电压的单元。由于测距系统中的激光器模块的供电电压为＋24V，FPGA总控模块、电平转换模块和整形模块所需的供电电压为＋5V。因此，在给测距系统提供一个24V的外部直流电源的同时，还需设计一个＋24V转＋5V的电压转换电路。图3.5DC-DC电源模块原理图
基于光子计数的远程激光测距技术研究19生产的EO-1064-H型固体激光器，如图3.6所示，激光器的主要性能参数指标如表3.1所示。激光器驱动模块激光发射系统图3.6激光器该激光器的中心波长为1064.696nm，位于大气窗口内，平均功率为506.4mW，激光重频为1kHz，能够满足30km的测距需求。该激光器驱动模块设有RS232通信接口、外控输入信号接口、Q触发信号输出接口、LD信号输出接口，允许通过调Q技术提高其发射激光功率；并且，通过RS232通信接口，测距系统的总控模块可以与该激光器模块进行控制信号、温度特性等信息的传递。表3.1激光器的性能参数参数指标中心波长1064.696nm平均功率506.4mW@1kHz光斑直径（扩束后）~12mm发散角~0.2mrad重复频率1kHz脉冲宽度9.909ns@1kHzJitter445.5ps工作温度15-30℃供电电源DC24V激光头体积263mm×185mm×87mm3.3.3回波信号接收模块本小节主要分为三个部分：首先，对传统线性激光测距的光学接收单元进行了分析和比较，并设计完成了本文的测距系统的回波信号接收光路；其次，确定了回波信号接收光路的相关器件型号；最后，介绍了接收视场角和测距系统光学
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于激光测距技术核心元件SPAD的分析与研究[J]. 吴俊辉,濮国亮,沈寒冰,杨兴雨,卜晓峰. 激光杂志. 2019(09)
[2]距离千米级双望远镜的空间碎片激光测距[J]. 龙明亮,张海峰,邓华荣,汤凯,张忠萍,张阿丽. 光学学报. 2020(02)
[3]超短脉冲激光器加工工艺参数自适应及其生效技术[J]. 李志明,田梦,王子璇,王晓妍,申利民. 计算机集成制造系统. 2019(08)
[4]远程激光测距技术及其进展[J]. 胡伟伟,李永亮,顾小琨,张翼鹏,张英明,刘泓鑫. 激光与红外. 2019(03)
[5]激光测距系统中光电探测器的研究进展[J]. 顾小琨,李永亮,胡伟伟,刘泓鑫,张英明,张翼鹏. 量子光学学报. 2019(01)
[6]半导体单光子探测器信号提取技术研究[J]. 甘琳巧,高家利. 激光杂志. 2018(05)
[7]Dynamic time-correlated single-photon counting laser ranging[J]. 彭欢,王煜蓉,孟文东,颜佩琴,李召辉,李辰,潘海峰,吴光. Optoelectronics Letters. 2018(02)
[8]高重频光子计数激光雷达样机设计及测距试验[J]. 王遨游,陶宇亮,李旭,王春辉,彭欢,吴光,王龙,张靖涛. 激光与红外. 2017(07)
[9]浅谈激光测距法及其原理[J]. 肖军. 电脑迷. 2017(06)
[10]基于激光三角测距法的激光雷达原理综述[J]. 周俞辰. 电子技术与软件工程. 2016(19)
博士论文
[1]脉冲半导体激光器高速三维成像激光雷达研究[D]. 胡春生.国防科学技术大学 2005
硕士论文
[1]基于相位法的激光测距系统研究[D]. 王子剑.吉林大学 2019
[2]无人驾驶车测距激光雷达系统设计[D]. 蒋猛.西安理工大学 2019
[3]基于FP标准具滤光的单光子探测激光测距研究[D]. 吕阳.华东师范大学 2019
[4]MPPC及其在激光测距中的应用[D]. 高秀秀.西安工程大学 2018
[5]光子计数激光测深技术研究[D]. 张河辉.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2018
[6]基于CCD激光三角法测距系统的设计与实现[D]. 宋宇健.西安工业大学 2018
[7]基于激光三角法的三维轮廓测量系统[D]. 朱妍.合肥工业大学 2018
[8]基于激光干涉测量原理的轮廓测量系统[D]. 马天宇.浙江理工大学 2018
[9]激光测距研究与设计[D]. 耿捷.北方工业大学 2016
[10]基于InGaAs/InP APD单光子探测器的研究[D]. 解超.华中科技大学 2016
本文编号：3217655
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
相位式激光测距工作原理
基于光子计数的远程激光测距技术研究16统的集成度和系统零部件的稳定性，减小了系统的体积。激光器驱动激光器模块接收系统模块探测器FPGA总控模块电平转换模块电源模块高压与温控模块图3.4远程测距设计系统实现结构图图3.4所示为远程激光测距系统的模装图，根据该系统各组成部分的实现方式进行划分，测距系统包括电源模块、FPGA总控模块、回波信号接收系统模块、电平转换模块、探测器模块、激光器模块以及上位机模块等部分。在实现测距系统时，本文将分别从硬件和软件两方面着手，依次阐述各个模块的实现方式及相关器件的选型，并利用相关开发软件和测试平台对测距系统的通信和数据处理的相关算法进行功能实现和仿真。3.3硬件部分3.3.1电源模块电源模块是为测距系统中的激光器、FPGA等各功能模块提供直流工作电压的单元。由于测距系统中的激光器模块的供电电压为＋24V，FPGA总控模块、电平转换模块和整形模块所需的供电电压为＋5V。因此，在给测距系统提供一个24V的外部直流电源的同时，还需设计一个＋24V转＋5V的电压转换电路。图3.5DC-DC电源模块原理图
基于光子计数的远程激光测距技术研究19生产的EO-1064-H型固体激光器，如图3.6所示，激光器的主要性能参数指标如表3.1所示。激光器驱动模块激光发射系统图3.6激光器该激光器的中心波长为1064.696nm，位于大气窗口内，平均功率为506.4mW，激光重频为1kHz，能够满足30km的测距需求。该激光器驱动模块设有RS232通信接口、外控输入信号接口、Q触发信号输出接口、LD信号输出接口，允许通过调Q技术提高其发射激光功率；并且，通过RS232通信接口，测距系统的总控模块可以与该激光器模块进行控制信号、温度特性等信息的传递。表3.1激光器的性能参数参数指标中心波长1064.696nm平均功率506.4mW@1kHz光斑直径（扩束后）~12mm发散角~0.2mrad重复频率1kHz脉冲宽度9.909ns@1kHzJitter445.5ps工作温度15-30℃供电电源DC24V激光头体积263mm×185mm×87mm3.3.3回波信号接收模块本小节主要分为三个部分：首先，对传统线性激光测距的光学接收单元进行了分析和比较，并设计完成了本文的测距系统的回波信号接收光路；其次，确定了回波信号接收光路的相关器件型号；最后，介绍了接收视场角和测距系统光学
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于激光测距技术核心元件SPAD的分析与研究[J]. 吴俊辉,濮国亮,沈寒冰,杨兴雨,卜晓峰. 激光杂志. 2019(09)
[2]距离千米级双望远镜的空间碎片激光测距[J]. 龙明亮,张海峰,邓华荣,汤凯,张忠萍,张阿丽. 光学学报. 2020(02)
[3]超短脉冲激光器加工工艺参数自适应及其生效技术[J]. 李志明,田梦,王子璇,王晓妍,申利民. 计算机集成制造系统. 2019(08)
[4]远程激光测距技术及其进展[J]. 胡伟伟,李永亮,顾小琨,张翼鹏,张英明,刘泓鑫. 激光与红外. 2019(03)
[5]激光测距系统中光电探测器的研究进展[J]. 顾小琨,李永亮,胡伟伟,刘泓鑫,张英明,张翼鹏. 量子光学学报. 2019(01)
[6]半导体单光子探测器信号提取技术研究[J]. 甘琳巧,高家利. 激光杂志. 2018(05)
[7]Dynamic time-correlated single-photon counting laser ranging[J]. 彭欢,王煜蓉,孟文东,颜佩琴,李召辉,李辰,潘海峰,吴光. Optoelectronics Letters. 2018(02)
[8]高重频光子计数激光雷达样机设计及测距试验[J]. 王遨游,陶宇亮,李旭,王春辉,彭欢,吴光,王龙,张靖涛. 激光与红外. 2017(07)
[9]浅谈激光测距法及其原理[J]. 肖军. 电脑迷. 2017(06)
[10]基于激光三角测距法的激光雷达原理综述[J]. 周俞辰. 电子技术与软件工程. 2016(19)
博士论文
[1]脉冲半导体激光器高速三维成像激光雷达研究[D]. 胡春生.国防科学技术大学 2005
硕士论文
[1]基于相位法的激光测距系统研究[D]. 王子剑.吉林大学 2019
[2]无人驾驶车测距激光雷达系统设计[D]. 蒋猛.西安理工大学 2019
[3]基于FP标准具滤光的单光子探测激光测距研究[D]. 吕阳.华东师范大学 2019
[4]MPPC及其在激光测距中的应用[D]. 高秀秀.西安工程大学 2018
[5]光子计数激光测深技术研究[D]. 张河辉.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2018
[6]基于CCD激光三角法测距系统的设计与实现[D]. 宋宇健.西安工业大学 2018
[7]基于激光三角法的三维轮廓测量系统[D]. 朱妍.合肥工业大学 2018
[8]基于激光干涉测量原理的轮廓测量系统[D]. 马天宇.浙江理工大学 2018
[9]激光测距研究与设计[D]. 耿捷.北方工业大学 2016
[10]基于InGaAs/InP APD单光子探测器的研究[D]. 解超.华中科技大学 2016
本文编号：3217655
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