摘要

本文的研究内容是在激光测距项目基础上进行的，分析了各种激光测距方法的利弊，最终选用脉冲激光测距的实现方式。本文设计了以 FPGA 为核心的信号处理模块，实现了对激光信号的编码和译码、对激光发射控制时钟的分频、和内部 PLL倍频，实现内部高频计时时钟等，提高了系统的精度和稳定性。使用并行脉冲计数法，提高了计时精度，分析了可能产生误差的原因。并且制定了两种工作模式，可以根据不同的实际环境选择相应的测距模式，以达到最好的测量效果。

1.1 研究背景及意义

激光是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光，激光的特点有：

1.方向性好——普通光源(太阳、白炽灯或荧光灯)向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。

2.亮度高——激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。

3.单色性好——光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。而某种激光的波长，只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为 632.8 纳米，其波长变化范围不到万分之一纳米。由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。

4.相干性好——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然相干性极好。

1.2 国内外研究概况及发展趋势

激光测距是激光在军事上应用最早和最成熟的技术。自 1960 年第一台激光器--红宝石激光器发明以来，便有人开始进行激光测距的研究。和微波测距等其它方法相比，激光测距具有更好的方向性和更高的测距精度，测程远，抗干扰能力强，隐蔽性好，因而得到广泛的应用。激光测距的研究还对雷达技术的发展起了很大的促进作用，因而在国民经济和国防建设中具有重要意义。脉冲激光测距仪作为军用装备器材，发展于 60 年代初。经过 30 多年的开发、研制和装备，目前国外已完成了“手持式、脚架式、潜望式、坦克、装甲、水面舰载潜艇潜望、高炮、机载、机场测云、导弹和火箭发射、人造卫星、航天器载”等约十三大类 400 多个品种和型号，其中装备量最大的是以 ND：YAG 为器件的固体脉冲激光测距仪，其次是 CO2 脉冲激光测距仪。0.69 u m 的红宝石脉冲激光测距仪是第一代军用激光测距仪，其结构简单，紧凑。因工作波长属近红外绿光，极易暴露目标，加上对人眼极不安全，目前除少数应用外已被淘汰。ND：YAG 脉冲激光测距仪主要优点是隐蔽性、电效率和脉冲重复工作频率大

大优于红宝石激光测距仪，因而从 60 年代后期开始广泛装备部队，主要缺点有：1.工作波长为 1.06 u m，相对说来较短，在大气中的衰减较大，不完全适合自然雾和战场烟幕等环境条件；

2.1.06u m 波长被发射后经人眼聚焦进入视网膜，在很短的距离上若不加防护观察，可以使人眼永久致盲；

3.1.06 u m 波长不与 8-12 u m 热成像系统兼容。而 ND：YAG 脉冲激光测距仪目前仍具有无法取代的独特优点

CO2 脉冲激光测距仪是 70 年代末和 80 年代中期主要针对 1.06um 的 ND：YA激光测距仪的缺点发展起来的新一代人眼安全激光测距仪。其主要优点有：

1.大气穿透能力优于 ND：YAG 激光波长，能在较低能见度和战场烟幕等大气条件下工作；

2.能与 8-12um 波段内的典型热成像系统兼容并可共用接收光学系统和探测器，能有效实现热成像仪能探测到的绝大多数目标；

3.能实现对人眼安全。主要缺点是： 10.6u m 的 CO2 激光波长极易被水分子吸收衰减，在大气中含水蒸汽密度大的晴天和潮湿条件下，限制了它的最大测距能力，特别是雨天和目标被雪覆盖时，目标呈现多镜面对称反射，对 CO2 激光波长测距不利。国外有许多大学、研究机构和公司都开展了脉冲半导体激光测距机的研究。主要有芬兰的奥鲁大学、美国的 Schwartz Electro Optics 公司、EXXON 公司等。