【正文】 設(shè)計(jì) 17 串口通信程序設(shè)計(jì) 17 存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì) 18 脈沖發(fā)射程序 19 脈沖接收程序 20 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 21 Labview軟件介紹 21 激光測(cè)距儀前面板設(shè)計(jì) 22 上位機(jī)的串口通信設(shè)計(jì) 22 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì) 22 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì) 23 創(chuàng)建軟件安裝程序 235 脈沖激光測(cè)距儀的不確定度分析及性能測(cè)試 24 脈沖激光測(cè)距儀的不確定度分析 24 與人工拉皮尺測(cè)量方法比較 25 脈沖激光測(cè)距儀的性能測(cè)試 26 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn) 26 重復(fù)性實(shí)驗(yàn) 26結(jié)束語 28參考文獻(xiàn) 29附錄 30致謝 341 引 言距離的精確測(cè)量對(duì)國(guó)防建設(shè)、工程建設(shè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有十分重要的意義。油田開發(fā)以來，如何準(zhǔn)確測(cè)量石油管道的長(zhǎng)度是關(guān)注問題。這個(gè)階段，中國(guó)的技術(shù)水平是仍然相對(duì)落后的。每次測(cè)量需要手動(dòng)將測(cè)量卷尺整齊，然后測(cè)量累積的結(jié)果，這種方法不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，而且測(cè)量精度低[1]。為了改變這一落后現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)出一種新型的高精度，便攜帶，操作方便，防污能力強(qiáng)的石油管線長(zhǎng)度激光測(cè)量?jī)x，是為石油工業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。激光測(cè)距儀的特點(diǎn)是一個(gè)衡量距離，峰值功率高且要求有相對(duì)較低的相干光源。激光測(cè)距儀的發(fā)展趨勢(shì)為高精度、小型化、人眼安全。小型化脈沖半導(dǎo)體激光測(cè)距儀的主要特點(diǎn):功耗較低，測(cè)量方便，沒有合作目標(biāo)，對(duì)人眼安全，精度高。第三代人眼安全的激光測(cè)距儀，CO2激光測(cè)距儀，它有較大的功率和高的能量轉(zhuǎn)換，目前已進(jìn)入生產(chǎn)和應(yīng)用階段[2]。在近30年，也就是20世紀(jì)80年代初，國(guó)外許多大學(xué)，科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)開展工業(yè)用途和民用研究工作。航天科工集團(tuán)8358開發(fā)的測(cè)量范圍200m時(shí)，數(shù)據(jù)速率為100Hz激光測(cè)距儀。在1999年，學(xué)院信息工程學(xué)院光電子所與國(guó)外合作開發(fā)了低成本，低功耗，便攜式激光測(cè)距儀工作波長(zhǎng)905nm，10W峰值功率，脈沖寬度為25ns，重復(fù)頻率為1000 Hz的并發(fā)性和合作。常州市萊賽開發(fā)了一種測(cè)量距離200m。 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容這個(gè)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是開發(fā)一種精度高，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，低成本的手持式激光測(cè)距儀。（2）仔細(xì)研究脈沖法和相位法測(cè)距的工作原理，并比較他們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并最終選擇使用脈沖激光測(cè)距法測(cè)量石油管線的長(zhǎng)度，并給出了激光測(cè)距儀儀器的整體設(shè)計(jì)。（4）激光測(cè)距儀設(shè)計(jì)的軟件部分，包括使用單片機(jī)C語言開發(fā)的激光測(cè)距儀下位機(jī)軟件下在KEIL Vision4平臺(tái)，進(jìn)入儀器主機(jī)計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)，同時(shí)利用LabVIEW圖形化工具。2 激光測(cè)距儀的總體方案設(shè)計(jì) 激光測(cè)距法的分類 按測(cè)量原理分類從測(cè)量原理分類，大體可分為三類：相位測(cè)距發(fā)、脈沖測(cè)距法、干涉測(cè)距法。（2）脈沖測(cè)距法由于激光脈沖有很大的瞬時(shí)功率，具有發(fā)射時(shí)間短、發(fā)散角小等優(yōu)點(diǎn)，能量在空間和時(shí)間上相對(duì)集中。（3）干涉測(cè)距法干涉測(cè)距法屬于相位法測(cè)距的一種。表1 測(cè)距方法比較測(cè)距方法測(cè)距范圍精度應(yīng)用領(lǐng)域相位法激光測(cè)距幾米到幾公里毫米量級(jí)大地、體育測(cè)量脈沖法激光測(cè)距幾十米到上萬公里米量級(jí)軍事、科研干涉法激光測(cè)距厘米微米量級(jí)地殼形變、大陸 按測(cè)距能力分類從測(cè)距能力來看可分為5 類：微位移激光測(cè)距儀、短距離激光測(cè)距儀、中距離激光測(cè)距儀、遠(yuǎn)距離激光測(cè)距儀、超遠(yuǎn)距離激光測(cè)距儀。（2）短程激光測(cè)距儀短程激光測(cè)距領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，一般采用半導(dǎo)體激光測(cè)距儀，測(cè)程可達(dá)3km。（4）遠(yuǎn)距離激光測(cè)距儀遠(yuǎn)距離激光測(cè)距儀在地形、大地測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用的很多，測(cè)程在 15km到100km 范圍內(nèi)。 按激光載波數(shù)分類激光測(cè)距儀根據(jù)激光載波數(shù)目可分為單載波激光測(cè)距儀和多載波激光測(cè)距儀兩種。（2）多載波激光測(cè)距儀為了能夠測(cè)量更遠(yuǎn)的距離，達(dá)到更高的測(cè)量精度，多載波激光測(cè)距儀采用不同頻率的激光來測(cè)距。對(duì)于近距離的測(cè)量，從速度、精度和穩(wěn)定性等方面綜合考慮，相位式激光測(cè)距方法優(yōu)于其它的測(cè)距方法，但是由于相位式的激光發(fā)射功率不可能太高，所以測(cè)量還是受到了限制，為了在確保測(cè)距精度的前提下盡可能增大測(cè)量范圍，同時(shí)提高系統(tǒng)信噪比，一般要采用光學(xué)角反射器作為合作目標(biāo)。為方便分析，設(shè)調(diào)制頻率為f，波形為正弦波，波長(zhǎng)λ，假設(shè)接收位置在A，點(diǎn)(實(shí)際發(fā)射和接收位置都在A點(diǎn))，AB=BA’， AA’=2L，信號(hào)波經(jīng)過AA’后的相移為ψ，飛行時(shí)間t，如圖1所示。由式（1）可知，相位式激光測(cè)距原理類似于用尺子測(cè)量距離，尺子為L(zhǎng)s，測(cè)得的距離等于整數(shù)倍的單位尺長(zhǎng)加上不足一個(gè)單位尺長(zhǎng)的余數(shù)。當(dāng)距離時(shí)，即m=0時(shí)，可確定距離L為 (2)由式（2）可知，對(duì)于長(zhǎng)距離的測(cè)量，可適當(dāng)降低調(diào)制頻率f，即可得到被測(cè)距離L，但是由于測(cè)相誤差的存在，使得選用的光尺Ls越大，導(dǎo)致測(cè)距誤差也越大。比如，測(cè)量相精度為1%時(shí)，選用Ls為1000m調(diào)制光作“粗尺”以及Ls為10m作“細(xì)尺”，用Ls測(cè)量不足1000m的尾數(shù)967m，用Ls測(cè)量不足 10m ，兩者加起來就得到最終的測(cè)量結(jié)果。 脈沖式激光測(cè)距原理激光技術(shù)的早期應(yīng)用之一就是脈沖式激光測(cè)距。因此在合作目標(biāo)配合的情況下，脈沖激光測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)較大的量程。脈沖激光測(cè)距原理是通過測(cè)定激光在待測(cè)距離上往返所經(jīng)歷的時(shí)間(飛行時(shí)間)，然后由測(cè)定到的時(shí)間通過式（3）求出距離： (3)其中L為待測(cè)距離，c為光速，t為激光飛行時(shí)間脈沖式激光測(cè)距原理框圖如圖2所示，該系統(tǒng)由激光發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)元件、接收電路、轉(zhuǎn)換芯片、控制和顯示電路組成。圖2 脈沖式激光測(cè)距原理圖當(dāng)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)目標(biāo)后，由激光器發(fā)出一個(gè)強(qiáng)度很大，很窄的激光脈沖，這個(gè)脈沖經(jīng)過光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)的聚焦以及準(zhǔn)直作用后，會(huì)使其發(fā)射角變小，當(dāng)激光脈沖發(fā)射出去的同時(shí)，其中有一部分光經(jīng)兩塊反射鏡反射進(jìn)入到接收望遠(yuǎn)鏡，以它作為發(fā)射的參考信號(hào)，以此來標(biāo)定激光的發(fā)射時(shí)間；參考信號(hào)進(jìn)入接收望遠(yuǎn)鏡后會(huì)首先經(jīng)過濾光片，然后到達(dá)光電探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬電信號(hào)，經(jīng)過放大，整形等處理后，送入時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)，將其作為起始脈沖，使觸發(fā)器觸發(fā)電子門的開啟，讓計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，而發(fā)射到被測(cè)目標(biāo)的激光脈沖，經(jīng)漫反射后，一部分光脈沖從原路返回，進(jìn)入到接收望遠(yuǎn)鏡，通過同樣的信號(hào)處理，得到結(jié)束脈沖，使觸發(fā)器觸發(fā)電子門的關(guān)閉，讓計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，通過測(cè)量光脈沖到達(dá)目標(biāo)后，由目標(biāo)漫反射回到接受系統(tǒng)的脈沖數(shù)就能計(jì)算出相應(yīng)的時(shí)間間隔，從而計(jì)算出目標(biāo)的距離。設(shè)在t時(shí)間內(nèi)，有N個(gè)時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘脈沖的振蕩頻率為f0，則有: (4)式(4)中，表示每一個(gè)時(shí)鐘脈沖所代表的距離增量。圖3 時(shí)間間隔T的時(shí)序圖 相位法與脈沖法的比較脈沖激光測(cè)距法相比相位激光測(cè)距法有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn):（1）因?yàn)槊}沖激光通?？梢杂泻芨叩乃查g輸出光功率，使較遠(yuǎn)處的目標(biāo)物仍能反射回足夠被檢測(cè)到的光信號(hào)強(qiáng)度，所以在相同的總平均光功率輸出的條件下，脈沖光波型激光測(cè)距儀可測(cè)量的距離遠(yuǎn)比連續(xù)光波型激光測(cè)距儀要長(zhǎng)。脈沖激光測(cè)距只需要收到回波脈沖即結(jié)束計(jì)時(shí)，所以采取某些計(jì)時(shí)方式時(shí)，其單次測(cè)量所需要的時(shí)間非常短。（3）不需要合作目標(biāo)，隱蔽性和安全性好?？紤]到以上特點(diǎn)和實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)要滿足體積小、功耗低、高重頻、測(cè)距速度快等特點(diǎn)，我們選擇脈沖激光測(cè)距法作為整體系統(tǒng)的測(cè)距方式。（4）使用可靠、操作簡(jiǎn)單、高精度、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備；（5）能適應(yīng)野外的惡劣條件，在冷，熱，塵，雨，電，風(fēng)沙等環(huán)境下正常使用；（6）確保性價(jià)比高。通過推算，其接收光功率為[3]： (5)其中，PR為接收光功率，Pτ為發(fā)射光功率，TI 為發(fā)射透鏡光學(xué)透過率，AR為光電探測(cè)器有效接收面積，TR為接收透鏡光學(xué)透過率，Aτ為接收部分光學(xué)濾波片的光學(xué)透過率，β為目標(biāo)反射率，θ為光軸和目標(biāo)反射表面法線之間的夾角，D為測(cè)量距離。激光測(cè)距系統(tǒng)是一種典型的光子雷達(dá)系統(tǒng)，其光子測(cè)距方程可表示為： (6)其中，NR、NI分別為接收和發(fā)射的光子數(shù)，τI、τR 分別為發(fā)射透鏡和接收透鏡的透射率，α為大氣的衰減系數(shù)，D為待測(cè)目標(biāo)的距離，d為接收透鏡的光孔徑，β為目標(biāo)反射率，θ為觀察方向與法線方向之間的夾角。在相同的目標(biāo)反射率β，大氣條件不同，即大氣的衰減系數(shù)α不同的情況下，接收光子數(shù)會(huì)隨著大氣衰減系數(shù)變小而增加。假設(shè)接收的光子數(shù)NR等于105，脈寬Δτ為90ns時(shí)，經(jīng)過計(jì)算，107W。測(cè)量完畢后，可以通過串口通訊模塊將數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行再現(xiàn)及數(shù)據(jù)保存。其結(jié)構(gòu)總體框圖如圖4所示。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到儀器的穩(wěn)定性以及功能的實(shí)現(xiàn)。（2）上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)：該程序的編寫是基于LabVIEW平臺(tái)，基于圖形化編程，目的是實(shí)現(xiàn)石油管線長(zhǎng)度測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果的傳送、處理、并以表格的方式存儲(chǔ)，方便用戶查看。激光器的原理：在工作物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，或能帶與雜志（受主或施主）能級(jí)之間，通過一定的激勵(lì)方式，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的電子與空穴復(fù)合時(shí)，就可以產(chǎn)生受激發(fā)射作用。工作物質(zhì)也稱激活物質(zhì)，它是指用來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)，它的原子能級(jí)間距離可提供所需的激光頻率。按工作物質(zhì)來分類的話，激光器可以分為以下幾種：（1）氣體激光器氣體激光器。（2）固體激光器固體激光器。（3）染料激光器染料激光器。（4）半導(dǎo)體激光器。目前，用的最為廣泛的是砷化鎵（GaAs）激光器，波長(zhǎng)為840nm，另外還有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻、硫化鋅等。自由電子激光器是一種特殊的新型的激光器。它的應(yīng)用前景非?？捎^，可以用在通訊、光譜學(xué)、光化學(xué)、遙感、同位素分離等領(lǐng)域。由于激光器的種種優(yōu)點(diǎn)，激光器被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、精密測(cè)量、通訊、醫(yī)療、軍事等各領(lǐng)域，特別是作為測(cè)距光源，它方向性好、功率大、測(cè)量精度高、測(cè)程遠(yuǎn)。目前，應(yīng)用較廣且性能較好的半導(dǎo)體激光器是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式，波長(zhǎng)為 。它廣泛應(yīng)用于在軍事、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。影響它性能的主要因素有：光電二極管類型、材料、摻雜物質(zhì)和光電二極管的體積。考慮到動(dòng)態(tài)特性（即頻率響應(yīng)與時(shí)間響應(yīng)）時(shí)，光電二級(jí)管和光電倍增管較好；考慮靈敏度時(shí)，光敏電阻、光電三極管、雪崩光電二極管、光電倍增管較好，考慮光電特性（即線性）時(shí)，光電池、光電二極管、光電倍增管較好。缺點(diǎn)是：本身不具備內(nèi)增益，對(duì)放大器的要求很高，僅用在對(duì)體積和重量要求嚴(yán)格，接受靈敏度和響應(yīng)速度不高的場(chǎng)合。在選擇光電探測(cè)器時(shí)，應(yīng)注意一下幾點(diǎn)的匹配：（1）在光譜特性上，必須與光學(xué)系統(tǒng)及輻射信號(hào)源匹配。（2）在光電轉(zhuǎn)換特性上，必須與入射輻射信號(hào)匹配。