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1、北方工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告書題 目: 激光測距系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 指導(dǎo)教師: 牛長流 專業(yè)班級: 通信工程11-4 學(xué) 號: 11101060427 姓 名: 李 陽 日 期: 2015年 3 月 15日 一、選題的目的、意義如今人們逐漸開始采用連續(xù)波體制雷達用于測距、測速、氣象預(yù)報等民用領(lǐng)域并獲得了較理想的效果。在軍事領(lǐng)域,隨著低截獲概率雷達在戰(zhàn)場上應(yīng)用優(yōu)勢日益明顯 ,對低截獲雷達的研究也日益廣泛,雷達對目標的探測能力主要表現(xiàn)在雷達威力上由其發(fā)射的平均功率決定,連續(xù)波雷達的發(fā)射功率電平就比同樣平均功率的脈沖雷達的峰值功率低,因此,同樣戰(zhàn)場環(huán)境下,連續(xù)波雷達被偵察到的概率就遠遠小

2、于脈沖雷達,可以大大提高戰(zhàn)場生存能力。人們開始采用連續(xù)波體制用于近程、超低空目標及海上目標的探測與警戒。連續(xù)波雷達作為低截獲雷達的發(fā)展方向之一,理論研究和實際應(yīng)用也越來越深入。隨著高速數(shù)字信號處理技術(shù)快速發(fā)展和生產(chǎn)工藝日益完善,數(shù)字信號處理器件處理能力迅速提高、高速的數(shù)字信號處理成為可能,使很多模擬處理轉(zhuǎn)向數(shù)字信號處理,這使我們利用來進行便攜式連續(xù)波雷達系統(tǒng)的信息處理成為可能。線性調(diào)頻連續(xù)波雷達的應(yīng)用通常都注意它的高分辨率和高測量精度。三角波線性調(diào)頻連續(xù)波雷達利用差拍頻率對固定目標進行檢測,具有其獨特的優(yōu)勢。如果采用鋸齒波進行調(diào)制,由于鋸齒波有一跳變,在整個系統(tǒng)中產(chǎn)生很強的調(diào)制周期信號,影響系

3、統(tǒng)的靈敏度。如果改用三角波進行調(diào)制,由于這樣突變小了一點,因此系統(tǒng)中調(diào)制周期信號大大減弱,提高了系統(tǒng)性能。另外結(jié)合信號處理算法,三角波調(diào)制通過對上/下掃頻段的差頻信號分別進行處理并對目標上/下掃頻段的差拍頻譜進行配對處理,可消除距離速度禍合,實現(xiàn)多目標環(huán)境中運動目標的檢測與參數(shù)估計。因此,三角波線性調(diào)頻連續(xù)波雷達利用差拍頻率對固定目標和動目標進行檢測,具有其獨特優(yōu)勢。二、本題的基本內(nèi)容1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)線性調(diào)頻連續(xù)波激光測距儀受到國內(nèi)外很多部門的關(guān)注,目前還處于研究試制階段。圖1所示為LFMCW激光測距儀系統(tǒng)的原理框圖,該系統(tǒng)主要由信號發(fā)射模塊、接收模塊、數(shù)字信號處理模塊三部分組成。信號發(fā)射端主

4、要由線性調(diào)頻(Chirp)信號生成模塊、激光調(diào)制電路、半導(dǎo)體激光器和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)組成;接收機由接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器(APD)、跨導(dǎo)放大器、混頻器、低通濾波器、中頻放大器和A/D轉(zhuǎn)換器組成;數(shù)字信號處理系統(tǒng)主要由FFT信號處理器和邏輯判斷單元構(gòu)成。發(fā)送模塊 數(shù)字信號處理模塊發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)激光器 激光調(diào)制電路Chirp信號生成模塊 距離解算門限檢測頻譜分析 接收光學(xué)系統(tǒng)APD跨導(dǎo)放大混頻 延時的Chirp信號 中頻信號 圖1. LFMCW激光測距儀系統(tǒng)的原理框圖低通濾波器中頻放大A/D Chirp信號生成模塊產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號一路送入激光調(diào)制電路作為半導(dǎo)體激光器的光強調(diào)制信號,另一路作為本地振蕩

5、信號。光學(xué)系統(tǒng)對激光器發(fā)射光束進行適當?shù)恼闻c擴束。回波信號通過接收光學(xué)系統(tǒng)聚焦到光電探測器上,光電探測器輸出微弱的電流信號,經(jīng)過跨導(dǎo)放大器后與Chirp信號生成模塊送來的線性調(diào)頻信號進行混頻;混頻器輸出的信號經(jīng)過濾波與放大后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。數(shù)字信號處理系統(tǒng)對中頻數(shù)字信號進行頻譜分析與過門限檢測:當判斷目標存在時,在頻域中提取出目標的距離信息;當頻域中無目標超越探測門限時,繼續(xù)重復(fù)檢測、判斷的動作。2、測量原理Chirp信號是一種非平穩(wěn)的正弦波信號如圖3 (a)所示,該信號在時頻坐標中呈現(xiàn)鋸齒形的特點,即信號的頻率隨時間線性增加至最大值,然后又回到初始頻率,繼續(xù)隨時間線性增加。如圖3 (b)所

6、示為該信號的時域波形示意圖。 LFMCW激光測距儀依據(jù)回波信號與發(fā)射信號的差頻,對靜止目標進行距離的測量,如圖4所示,實線為發(fā)射信號的時頻曲線,虛線為經(jīng)理想目標反射的回波信號的時頻曲線,因激光的傳輸需要一定的時間,使得發(fā)射信號與回波信號之間存在一定的頻率差值。線性調(diào)頻信號的初始頻率為f0,掃頻帶寬為B,掃頻周期為T,信號往返于目標與測距儀所需的時間為。線性調(diào)頻發(fā)射信號的表達式為:S1(t)= A0cos(2f0t +kt2 + 0 ),0tT (1)式中:A0為發(fā)射信號的幅度;k=B/T為掃頻斜率;0為初始相位。發(fā)射信號的瞬時頻率表達式為: (2) 對于距離為R的目標,相對發(fā)射信號,回波信號的

7、時延為 (3)式中,C為光速。回波信號的表達式為 其中,為衰減系數(shù)。因此,回波的瞬時頻率為 發(fā)射信號與回波信號混頻后,經(jīng)過低通濾波器得到的中頻信號在tT的表達式為故中頻信號為一正弦信號,其頻率為將k=B/T與(3)式代入(7)式中得到目標的距離表達式為三、完成期限和主要措施第12周:收集參考資料、翻譯外文資料第34周:撰寫開題報告,準備開題答辯第5周:查閱、翻譯外文資料第6周:學(xué)習protel等軟件第78周:C語言及其它硬件語言方面參考資料的學(xué)習和整理第913周:軟、硬件設(shè)計及激光發(fā)射電路驅(qū)動和仿真第14周:整理設(shè)計資料第15周:撰寫論文,提交論文草稿第1618周:修訂論文,準備答辯四、預(yù)期達

8、到的目標能達到激光測距的目的,誤差為5m之內(nèi)。五、主要參考文獻1 調(diào)頻波探測性能分析程受浩,王彥平,劉華,徐德華 (北京理工大學(xué),北 京100081)2 線性調(diào)頻連續(xù)波激光測距儀原理及性能分析,陳峰,張曉永,尚生華(總裝備部武漢軍事代表局駐焦作地區(qū)軍事代表室,河南焦作454001)3 線性調(diào)頻連續(xù)波激光雷達測量方法研究,曾朝陽、張曉永、賈鑫 ( 1 裝備指揮技術(shù)學(xué)院光電裝備系, 北京101416; 2 武漢軍事代表局駐焦作地區(qū)代表室, 河南焦作454001)4 線性調(diào)頻連續(xù)波激光雷達探測原理分析,張曉永,陳峰,李曉慶 ( 總裝備部武漢軍事代表局駐焦作地區(qū)軍事代表室, 河南焦作454001)5

9、線性調(diào)頻連續(xù)波激光雷達信號處理研究,張海洋, 趙長明, 楊蘇輝, 符銘鑠(1北京理工大學(xué)光電學(xué)院, 北京100081; 2北京科技大學(xué), 北京100083)6 張洪潤,等. 電子線路及應(yīng)用. 北京:科學(xué)出版社,2003. 7 劉明.激光在測距上的應(yīng)用J.技術(shù)監(jiān)督實用技術(shù),1999,1(5):134-141. 8 王古常,孫斌,成勇.軍用脈沖激光測距技術(shù)與研究現(xiàn)狀J,2003,1(4):55-99. 9 李適民.激光器件原理與設(shè)計M.北京:國防工業(yè)出版社,1998. 10 吳應(yīng)民.便攜式脈沖激光測距儀的研制D.西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位文,2009.11 Palorvi P,Ruotsalainen T, Kostamovara J. A new approach to avoid walk error in pulsed laser range findingJ.IEEE. In-term. Sympos. On Circu and System Pro,1999(1):258-261.12 M L Simposon, M J Paulus. Discriminator design considerationsfor time-interval measurement C

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