山东科技大学学士学位论文 相位式激光测距技术
但是这种方式的缺点为：第一，两个频率太接近，所以在产生本地振荡器时电路设计难度加大；第二，在电路中同时存在四个或更多高频频率，相互之间的干扰会增大，电路设计难度增加，给相位测量带来困难；第三，由于各间接测尺频率值非常接近，在设计滤波放大器时不可能把这些频率分开，所以在测距时只能是先用一个频率去调制接收处理再用另一个频率去调制接收处理，不能同时多个频率去调制接收，这会造成测量时间的增长。因此，在短距离测量系统中，间接的测尺频率会很高，第一个缺点和第二个缺点很明显，一般不采用这种方式，而是采用分散的测尺频率方式。 2.2.3测距技术的选定
根据本课题的要求，设计1000米以内的激光测距仪，采用分散的直接测尺频率方式，选择频率为15MHz与150KHz的测尺，保证测程为1km,精度为1cm。
精测：f1=15MHz对应的精测尺长：Ls1?C2f1?10m，精度为1cm 粗测：f2=150KHz对应的粗测尺长：Ls2?C2f2?1000m，精度为1m 例如测量687.33m的距离时，则可用粗尺测得不足1000m的尾数687m，用精尺可测得不足10米的7.33m，将两者结合起来就可以得到687.33m。这样，就解决了测距仪高精度和长测程之间的矛盾，其中最短的测尺保证了必要的测距精度，最长的测尺则保证了测距仪的测程。
2.3差频测相原理
在测相精度很高（一般为1‰左右）的情况下，为了保证必要的测距精度，精尺的频率必须选得很高，一般为十几MHz～几十MHz甚至几百MHz。
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目前一些国家正在研制的超高频激光测距仪调制频率高达500 MHz，在这样高的频率下直接对发射波和接收波进行相位测量，在技术上将遇到极大的困难。例如高频电路中的寄生参量的影响将产生显著的附加相移，降低测相精度。另外，因为鉴相器的读数和频率有直接关系，若对不同的测尺频率直接测相，就必须有几套测相电路，使电路结构复杂化，也不经济。因此，目前相位式测距仪都采用差频来测相[5]。
所谓采用差频测相就是将高频信号变到携带相同的相位信息的低频信号，然后对该低频信号进行测相。在频率降低后，信号的周期扩大，这样的就大大提高了测相的分辨率，即提高了测相精度。同时，多个测尺频率转换为统一低频信号测相后，对接收机的频响要求降低，即对不同的调制频率，其接收信号差频后的滤波放大频率始终固定，这样有利于接收机获得高增益与高选择性。
在测距仪内一路主振信号经过激光器调制发射出去, 经待测目标反射回来,再由光电器件转成电信号, 与本振信号送入混频器差频成低频或中频信号, 这一路信号称为测量信号。另一路的主振和本振直接送入混频器差频出相同频率的低频或中频信号, 称为参考信号，比较两路信号的相位差。
图2.2 差频测相电路中各单元电路的相位关系
由图2.2可以看出差频信号仍保持着原高频信号的相位关系，测量中低
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频信号的相位就等于测量主振信号经2D距离后的相位延迟。
两路混频信号所得的相位差为：
?????1??0?t??1??0???1??0?t??1??0?2?1tD?2?1tD。
2.4 自动增益控制原理
从发射到接收过程中，经过目标物的漫反射以及衰减，由于受半导体激光器发射功率、收发距离远近等各种因素的影响，接收电路所接收的激光信号强弱变化范围很大。如果接收电路增益不变，则信号太强时会造成接收机的饱和或者阻塞，甚至使接收机损坏，而信号太弱时又有可能丢失。因此在信号接收放大模块中必须包含自动增益控制电路（AGC），以便对信号幅度的放大进行自动控制，在接受弱信号时，使接收电路有很高的增益，而在接收弱信号时，接收电路的增益应减小一些。这种要求靠人工增益控制来实现是困难的，必须采用自动增益控制电路，使接收电路的增益随着接收信号强弱而自动变化，使接收信号其满足混频器的要求。自动增益控制电路是接收电路中不可缺少的辅助电路[6]。
自动增益控制电路的作用是：当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出电压恒定或基本不变。具体地说，当输入信号很弱时，接收机的增益大，自动增益控制电路不起作用；当输入信号很强时，自动增益控制电路进行控制，使接收机的增益减小。这样，当接收信号强度变化时，接收机的输出端的电压或功率基本不变或保持恒定。
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图2.3自动增益控制电路框图
设输入信号振幅为Ui,输出信号振幅为Uo，可控增益放大器器增益为K，它是控制电压UAGC的函数，则有U0?KUi，在AGC电路中，比较参量是信号电平，所以采用电压比较器，反馈网络由电平检测器、低通滤波器和直流放大器组成，检测出输出信号振幅电平，滤除不需要的较高频率，进行适当放大后与恒定的参考电平Ur比较，产生一个误差信号uc，这个误差信号uc通过控制信号发生器去控制可控增益放大器的增益，当Ui减小而使输出Uo减小时，检波电路产生的控制信号UAGC将使增益K增加，从而使Uo趋于增大，当Ui增大而使输出Uo增大时，检波电路产生的控制信号UAGC将使增益K减小，从而使Uo趋于减小。无论何种情况，通过环路的不断循环反馈，会使输出信号的振幅Uo保持基本不变或者仅在较小的范围内变化。
AGC电路的主要性能指标有两个：一个是动态范围，二是响应时间。 1、动态范围
AGC电路是利用电压误差信号去消除输出信号振幅与要求输出信号振幅之间电压误差的自动控制电路。所以当电路达到平衡状态后，仍会有电压误差存在。从对AGC电路的实际要求考虑，一方面希望输出信号振幅的变化越小越好，即要求输出电压振幅的误差越小越好；另一方面也希望允许输入信号振幅的变化范围越大越好。因此，AGC的动态范围是在给定输
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出信号振幅变化范围内，允许输入信号振幅的变化范围。由此可见，AGC的动态范围越大，性能越好。
2、响应时间
AGC电路是通过对可控增益放大器增益的控制来实现对输出信号振幅变化的限制，而增益变化又取决于输入信号振幅的变化，所以要求AGC电路的反应既要能跟得上输入信号振幅的变化速度，又不会出现反调制现象，这就是响应时间特性。所谓的反调制是指当输入调幅信号时，调幅波的有用幅值变化被AGC电路的控制作用所抵消。
因此对AGC电路的要求是：在输入信号较小时，AGC电路不起作用，只有当输入信号增大到一定程度后，AGC电路才起控制作用，使增益随输入信号的增大而减少。为实现上述要求，必须有一个能随外来信号强弱而变化的控制电压或电流信号，利用这个信号对放大器的增益自动进行控制。本设计采用半波检测电路输出的直流分量作为AGC控制信号。
2.5光电探测器
光电探测器件的作用是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号。它的性能对光电系统的性能影响很大，它可以缩小系统的体积、减轻系统的重量、增大系统的作用距离等。在军事上、空间技术和其他的科学技术以及工农业等生产上光电探测器件得到广泛应用。 2.5.1光电探测器件的性能参数
由于光电检测器种类很多，特性以及要求是不同的。但作为光电检测器用于探测光信号并把它变换为相应的电信号，则有如下特性和要求[7][8]:
1、探测灵敏度:灵敏度是用来描述探测器对光辐射的敏感程度，定义为
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