基于相位法的高精度激光测距仪的研究与设计

论文摘要

随着各行业对智能化要求的不断提高,激光测距技术的应用领域也越来越广泛。然而目前国内大多数激光测距仪与国外相比普遍存在测距精度不高,性能较低的缺陷,针对上述缺陷,本文结合相位法激光测距的优势,提出了一种基于PLL高频信号源的激光测距仪的设计思路。本文在产品技术指标的基础上,对相位法激光测距仪中需要的关键技术进行了分析讨论,最终选择基于差频测相法的多测尺技术。并对测距所需的多组频率进行了设计及分析。通过在相同信噪比时对常用的鉴相算法产生的误差进行仿真,并对仿真结果分析,最终选择全相位FFT数字鉴相算法作为测距仪设计所需的鉴相算法。在此基础上提出总体设计方案,设计以STM32F407作为主控器,按照功能模块分为信号发生单元、激光调制发射单元、APD光电接收单元及负责与串口调试通信的单元。在测距仪的软件设计部分主要对PLL高频信号的产生和鉴相算法的实现进行重点分析,并对分析结果进行了验证。最后通过搭建系统测试平台,使用高性能示波器对系统的硬件模块进行了功能验证,同时对样机进行了整机测试,并完成了对测试结果的误差分析。测试结果表明设计的激光测距仪可以满足测距精度及测距量程的要求,证明了本文设计的激光测距仪可满足系统的设计指标要求。本文设计的激光测距仪采用PLL技术实现的激光调制频率高于150MHz,实际的激光测距精度可达到1mm。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 激光测距仪的国内外发展现状
•   1.3 激光测距技术概述
•     1.3.1 激光三角法测距
•     1.3.2 激光干涉法测距
•     1.3.3 激光脉冲法测距
•     1.3.4 激光相位测距法
•   1.4 本文主要内容及结构安排
• 2 相位法激光测距的技术研究
•   2.1 激光测距仪的技术指标要求
•   2.2 激光测距法的比对
•   2.3 激光相位法测距的原理及关键技术
•     2.3.1 激光相位法测距的原理
•     2.3.2 测尺技术的研究
•     2.3.3 鉴相技术的研究
•     2.3.4 差频测相技术的研究
•     2.3.5 多组测尺频率的设计
•   2.4 本章小结
• 3 激光测距仪总体方案及硬件电路设计
•   3.1 激光测距仪的总体方案设计
•   3.2 激光发射电路设计
•     3.2.1 激光发射器件的选择
•     3.2.2 激光二极管的调制原理
•     3.2.3 激光二极管的调制电路设计
•   3.3 激光测距仪光电检测电路的设计
•     3.3.1 APD器件的选择
•     3.3.2 APD反向偏置电路的设计
•     3.3.3 APD电外差混频技术的硬件实现
•     3.3.4 光电转换电路设计
•   3.4 激光测距仪的差频电路设计
•   3.5 PLL合成技术的电路设计
•     3.5.1 频率合成技术的介绍
•     3.5.2 PLL合成技术的基本原理
•     3.5.3 PLL合成电路的设计
•   3.6 本章小结
• 4 激光测距仪的软件设计
•   4.1 激光测距仪总体逻辑方案设计
•   4.2 PLL控制模块逻辑设计
•     4.2.1 PLL控制器的读写操作
•     4.2.2 PLL输出信号的参数校准
•     4.2.3 PLL输出信号频率设置
•     4.2.4 PLL模块输出信号的测试及分析
•   4.3 激光调制控制模块逻辑设计
•   4.4 APD偏压控制模块逻辑设计
•   4.5 双路ADC采样模块逻辑设计
•   4.6 串口通信的逻辑设计
•   4.7 全相位FFT鉴相模块逻辑设计
•     4.7.1 FFT变换的鉴相法分析
•     4.7.2 全相位FFT变换鉴相分析
•     4.7.3 两种数字鉴相算法的对比分析
•     4.7.4 全相位数字鉴相算法的实现
•   4.8 本章小结
• 5 测距仪功能测试与分析
•   5.1 样机测试平台搭建
•   5.2 硬件各功能模块测试结果及分析
•     5.2.1 PLL模块的输出信号
•     5.2.2 APD的偏置电压信号
•     5.2.3 混频器的输出信号
•     5.2.4 APD电外差输出信号
•   5.3 PLL控制模块IIC数据测试
•   5.4 综合测试结果及分析
•   5.5 测试结果的误差分析
•   5.6 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 论文归纳总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及所取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 成乃朋

导师: 李锦明

关键词: 激光测距,全相位,调制频率

来源: 中北大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中北大学

分类号: TN247

总页数: 81

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