激光测距系统方案

来源：爱问旅游网

深圳市天微电子有限公司SHENZHEN TITAN MICRO ELECTRONICS CO.,LTD. 远距离激光测距系统方案

一、激光的基本特点：

激光亮度高的一个原因是，激光束的面积比普通光源的发光面积小得多。激光的发散角是普通光源的几百万分之一，由于激光的能量在空间上高度集中，从而提高了亮度。激光亮度高的另一个原因是，采用了压缩发射时间的方法来提高瞬时发射功率。以一般脉冲工作的激光器，输出一个脉冲的持续时间可短至几十毫微秒。如果输出一个脉冲的能量为0.1焦耳，则激光功率可达到千万瓦。采用特殊的脉冲压缩技术，还可把脉冲时间压缩到数纳秒，使激光功率达到万亿瓦。所以说激光是在受激辐射过程中产生并被放大了的光。

这一现象最早是由著名科学家爱因斯坦在1916年首先发现的。光的受激辐射理论的提出，为激光的发明定了理论基础。1960年7月，美国休斯公司实验室从事红宝石材料研究的年轻科学家梅曼，发明了世界上第一台红宝石激光器。这之后不同类型的激光器便接二连三地发明出来。目前激光技术已经渗透到侦察、通信、武器制导和定向能武器等各个军事领域。二、激光测距基本原理

激光测距就是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。

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深圳市天微电子有限公司SHENZHEN TITAN MICRO ELECTRONICS CO.,LTD. 激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速（30万千米/秒）乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。现在广泛使用的手持式和便携式测距仪，作用距离为数百米至数十千米，测量精度为五米左右。我国研制的对卫星测距的高精度测距仪，测量精度可达到几厘米。连续波相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射被测目标，从测量光束往返中造成的相位变化，可换算出被测目标的距离。为了确保测量精度，一般要在被测目标上安装激光反射器。它测量的相对误差为百万分之一。激光测距就是以连续波激光为载波的相位式精密测距方法。激光工作于脉冲状态的测距仪，亦称激光测距仪，属于脉冲测距法；红外测距仪中采用红外激光载波的称为红外激光测距仪。由于激光的单色性好、方向性强等特点，激光测距不仅可以日夜作业，而且能提高测程精度，显著减少仪器重量和功耗。激光测距仪与微波雷达结合，还可以发挥激光波速窄的特长，弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足。激光测距与光学经纬仪、红外及电视跟踪系统相结合，组成光电跟踪测量系统，既可作为靶场试验的测量设备，又常用作武器的光电火力控制系统。这种激光测距仪已广泛用于地面火炮、坦克炮的火控系统，大大提高了命中率。在军事技术侦察中，激光测距具有反应灵敏，分辨率高，适于夜间使用等特点。战略激光侦

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深圳市天微电子有限公司SHENZHEN TITAN MICRO ELECTRONICS CO.,LTD. 察技术中又分为高空激光侦察和空间激光监视。在高空激光侦察中用于机载的激光侦察设备有激光侧视雷达、激光行扫描传感器、激光帧扫描传感器等。在空间监视中，激光多用于预警卫星和侦察卫星等观察设备上。用这些设备可以监视敌方兵力的调动和大型兵器的部署，并可完成对交通要道、机场、仓库及其他军事设施的监视。半导体激光测距望远镜民用半导体激光测距望远镜是国外20世纪90年代中期发展起来的产品，该产品具有体积小，重量轻，对人眼安全，使用方便等优点。主要用于城市道路建筑和电缆架设等工程测量，以及打高尔夫球等娱乐活动，还可用于汽车防撞系统测距等。该产品结合了普通望远镜和激光测距仪的功能；在观察远处目标的同时，可测量在一定距离范围内物体的距离，测距时间快，距离显示直观（液晶显示），具有码米转换、多种测距模式转换、省电，不使用时自动切断电源等特点。激光测距仪结合了普通望远镜和激光测距仪的功能，在观察镜内物体的同时，可测量在一定距离范围内物体的距离，并且测距时间快、距离显示直观、耗电省，不使用时自动断电。测距望远镜激光发射功率小，对人眼安全；不需合作目标，可对任意物体测距；体积小、重量轻，便于携带；机内使用一节3V电池，更换和新购均很方便。利用“RAIN”模式，即使雨天也不影响测距；利用“＞150”模式,可消除近距离电线、树枝等小目标的影响。三、激光测距望远镜基本结构与性能 3.1、主要单元

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深圳市天微电子有限公司SHENZHEN TITAN MICRO ELECTRONICS CO.,LTD. 望远镜目镜（境内距离显示）望远镜物镜（激光发射物镜）激光接收物镜模式选择触发选择电源部分 3.2、主要性能测距范围：15-600m

测距方式:半导体激光测距(对人眼无害) 测距误差：±0.75m±0.1% 测距显示方式:视野内LCD显示有效物镜口径:25mm 镀膜:多层镀膜出瞳直径:3.8mm 出瞳距离:12mm 对焦方式:目镜调焦望远镜倍率：6X在1000m之视野:122m

测距模式:RAIN;RELF;>150;无显示为标准模式. 电源：3V(不含) 外形尺寸:40X99X68mm

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深圳市天微电子有限公司SHENZHEN TITAN MICRO ELECTRONICS CO.,LTD. 重量：180g

防水性:不防水/防水 3.3、镜内符号及功能符号示意如图

望远镜内测距符号示意图

瞄准标记:在视场中心，用“+”表示，测距时用中心圆瞄准目标。距离显示：在视场正上方，三位数；无距离时显示：“---”。距离单位：在视场右上方，用“METERS”（米）或“YARDS”（码）表示。

测距模式：视场左上方，有四种状态：无字母显示-标准状态；

“RAIN”-适用于下雨天测距,且目标距离>60m; “REFL”-适用于薄雾天或水气严重天气。

“＞150”-适用于150m内有干扰的目标（例如：电线、树枝等），

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深圳市天微电子有限公司SHENZHEN TITAN MICRO ELECTRONICS CO.,LTD. 此时，被测目标必须大于150m。

测距质量：在视场正下方，用“QUALITY---- ”表示，“?--”个数多，表示回波强，一般显示6个，即可显示距离，若不足6个，表示回波弱，不能显示距离。

激光发射：在视场左下方，用“LASER”表示，发射激光时，“LASER”闪烁。

电池欠压：在视场右下方，当显示“BATT”时，表示电池电压不足，须更换。 3.4、测距操作

调节望远镜目镜视度，使视场内的物体清晰。

点动“触发”按扭，镜内显示“+”，将中心圆对准待测目标，“模式”一般置于标准状态，再次持续按下“触发”按扭3秒钟左右，目标距离显示，若不使用15秒后自动关机。

为了可靠地测回目标，第二次按下“触发”按扭时，可持续3秒以上，直至目标距离显示，按下时间也不能太长，否则会显示噪声产生的小数。若3秒以后仍无距离显示，说明目标回波质量差，此时显示“----”。

每按“模式”按扭一次，即可改变状态。各种模式的用途可按第3条的说明选择，接通电源时，处于上一次的使用模式。要进行距离单位转换时，需按下“模式”按扭3秒以上。

测距望远镜的测距远近与被测目标的性质、发射光束与目标表面的角

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深圳市天微电子有限公司SHENZHEN TITAN MICRO ELECTRONICS CO.,LTD. 度及天气能见度有关，一般来说，目标表面光滑、亮色、面积大，光束与目标表面垂直，天气晴朗的情况下测的距离远；目标表面粗糙、暗色、面积小，光束与目标表面倾斜，雾天的情况下测的距离近。四、激光测距的ASIC实现原理 4.1 功能框图 MCU 被测物体控制IC TM0610

高压驱动激光发射高速运放激光接收被测距离 4.2 功能描述

如4.1功能框图所示，由MCU发控制指令给控制IC TM0610，TM0610

发出触发控制信号，通过高压驱动器驱动半导体激光器发射激光，发射出的激光经过物体反射回来后，激光接收器接收到信号经过高速运放后送回控制IC，控制IC TM0610通过处理发射和接收到数据的时间差得到该时间差值送给MCU，MCU通过计算、校准后显示该测量得到的数值，并完成本次的测量，下次测量时重复该过程。 4.3 测距专利算法

4.3.1 ASIC 使用的测量办法

ASIC 通过使用计数器测量发射和返回信号之间的时间差值。 4.3.2 测量精度

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深圳市天微电子有限公司SHENZHEN TITAN MICRO ELECTRONICS CO.,LTD. ASIC为实现所规定的测量误差，以此来估算测量的最小时间精度，假设要实现±0.75m的测量误差，最小的时间计量精度为5ns，所要求的计量频率为200MHz，因此，要达到要求的计量距离精度，需要达到相应的时间精度。 4.3.3 计数器的实现方法

通过ASIC内部的延迟锁相环（DLL）以及锁相倍频器（PLL），来生成延时差分高频信号来生成高频的计量频率，再通过N组同步计数器来计算时差，再通过ASIC的转换将数据输出出来。 4.4 ASIC实现

通过上述算法可见，通过ASIC实现的部分主要包括差分计数器、延迟锁相环（DLL）、锁相倍频器（PLL）、数据转换器，输入触发单元，接收高速检测单元等。通过专利的分频、倍频、差分算法实现在较低的频率下实现较高的测量精度。由于要在芯片上实现上述单元，需要采用0.25uM以上的加工工艺进行设计制造该ASIC。五、激光测距的成本与市场价值体现

从4.1功能框图可见，ASIC TM0610和MCU共同构成该激光测距的核心计量部分，由于激光测距产品的成本由望远镜目镜、望远镜物镜、激光发射管和激光接收管和激光测距的核心计量部分共同决定，而核心计量部分是成本的主要部分，当该部分成为ASIC以后，激光测距产品的成本、测试将直线下降，并且产品的质量和产品的一致性得到严格的保证，同时该模块的尺寸和功耗均较小适合于各种便携式产品

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深圳市天微电子有限公司SHENZHEN TITAN MICRO ELECTRONICS CO.,LTD. 应用。采用ASIC方式的激光测距产品较目前现有的激光测距产品具有以下优势：

5.1 模块的成本低，是目前同类产品的十分之一。

5.2 模块的体积小，便于集成在其他产品中作为辅助功能，如军/民用望远镜等。

5.3 产品一致性好，便于调试。 5.4 功耗低，有利于野外作业。

5.5 产品精度高，可以达到±0.5的精度，甚至更低。 5.6 抗干扰性强，可实现扰情况下测量。

基于上述特征的激光测距产品优势是很明显的，由于成本与性能的因素，该产品可以广泛推广用于军事、科研、工业以及民用等诸多领域，有良好的市场应用前景。六、系统框图：

MCU LCD显示控制IC TM1723 瞄准系统测距IC TM0610 激光发射TX 激光接收RX 延迟线放大

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