第一篇：激光三角法測(cè)量鋼板厚度光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

目 錄

摘 要…..........................................................................................................................第一章 引言..................................................................................................................1.1研究的背景和意義...........................................................................................1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀................................................................................................1.2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀.............................................................................................1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀...............................................................................................第二章 測(cè)量原理及方案論證.....................................................................................2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)分析.....................................................................................................2.2 測(cè)厚技術(shù)簡(jiǎn)述....................................................................................................2.3 激光三角法測(cè)量原理...........................................................................................2.3.1激光三角法測(cè)量的類型和區(qū)別....................................................................2.3.2激光三角法測(cè)量的基本原理........................................................................2.4 沙姆條件…………………………………………………................................2.5 測(cè)量模型及方案論證…………………………………………...........................第三章 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)....................................................................................................3.1總體結(jié)構(gòu)布局.......................................................................................................3.2光源......................................................................................................................3.3聚焦系統(tǒng)與成像系統(tǒng)...........................................................................................第四章 誤差與精度分析................................................................................................4.1 誤差分析...............................................................................................................4.1.1光學(xué)系統(tǒng)誤差分析.........................................................................................4.1.2隨機(jī)誤差分析................................................................................................4.2 精度分析.............................................................................................................第五章 總結(jié)....................................................................................................................參考文獻(xiàn).........................................................................................................................摘要

在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，外形尺寸的測(cè)量一直是工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，厚度測(cè)量更是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在測(cè)厚領(lǐng)域里，采用激光三角法這一典型的非接觸式測(cè)量方法對(duì)物體的厚度進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量不僅能滿足測(cè)量的實(shí)時(shí)性，還能保證測(cè)量的高精確度，這種測(cè)量方法已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。本文所提出的基于激光三角法厚度在線測(cè)量技術(shù)采用雙光路半導(dǎo)體激光技術(shù)與直射型激光三角法相結(jié)合，同時(shí)對(duì)平板物體進(jìn)行厚度的在線測(cè)量。

文中主要包括總體方案的設(shè)計(jì)和由此涉及的關(guān)鍵技術(shù)、測(cè)量原理、精度與誤差、實(shí)驗(yàn)等幾個(gè)部分，本課題提出的基于激光三角法厚度絕對(duì)測(cè)量研究,是集機(jī)、電、光、計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一體的精密測(cè)量方法,它的主要組成部分是:激光器、聚焦系統(tǒng)和成像系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換器件CCD及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理部分。這里由于是只對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以本文主要論述的是光學(xué)系統(tǒng)部分的任務(wù)分析，測(cè)量原理的理論分析和計(jì)算方法，并對(duì)光學(xué)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析，并對(duì)于個(gè)別誤差提出相對(duì)應(yīng)的解決措施，以提高測(cè)量精度和測(cè)量速度。全文的主要內(nèi)容分為四章：

第一章：引言,主要介紹了鋼板測(cè)厚的重要性，由于主要采用的是激光三角法進(jìn)行測(cè)量所以主要介紹以及激光三角法在非接觸測(cè)量中國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景。

第二章：測(cè)量原理，激光三角法測(cè)量的不同類型，通過對(duì)比，進(jìn)行選型；簡(jiǎn)述激光三角法的測(cè)量原理，我們所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)量模型和方案論證。

第三章：首先介紹了總體結(jié)構(gòu)的布局，然后對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的光源、聚焦系統(tǒng)及成像系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

第四章：對(duì)光學(xué)系統(tǒng)在測(cè)量過程中可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了分析，并對(duì)一些誤差提出了解決方案以提高測(cè)量的精度及速度。

第五章：總結(jié)，文章的最后進(jìn)行了全文的總結(jié)，并提出了在設(shè)計(jì)過程中的不足之處，講述了自己在設(shè)計(jì)過程中的心得體會(huì)。

第一章 引言

§1.1研究背景和意義

現(xiàn)如今，工業(yè)發(fā)展的水平可以近似直接代表著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的整體實(shí)力水平，因此工業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平對(duì)國(guó)民發(fā)展有著重要的意義。鋼板是造船、橋梁、機(jī)械、汽車行業(yè)中不可缺少的原材料，在軋鋼生產(chǎn)過程中鋼板尺寸是很重要的參數(shù)，直接決定著鋼板的成材率。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是采用檢測(cè)頭與待測(cè)鋼板直接接觸來(lái)測(cè)量，這種測(cè)量方法檢測(cè)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且會(huì)使測(cè)量?jī)x器的檢測(cè)頭發(fā)生磨損，從而造成儀器的測(cè)量精度下降。因此，在現(xiàn)代板材生產(chǎn)中，不論是軋制過程中還是最終產(chǎn)品的調(diào)整中，為獲得較高的板材命中率和最佳的軋制過程及剪切效果，板材尺寸測(cè)量系統(tǒng)已成為生產(chǎn)線上不可缺少的設(shè)備之一。寬度偏差每減少1mm，成材率就可以提高0．1％左右，因此尺寸控制技術(shù)可顯著提高經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，我國(guó)大部分企業(yè)仍在延用傳統(tǒng)的測(cè)量方法，采用接觸式的測(cè)量方式，技術(shù)相對(duì)落后，而且在處理復(fù)雜的零件時(shí)顯得無(wú)從下手。這種情況嚴(yán)重地影響了工作的效率與工作的質(zhì)量，為此應(yīng)加大力度地發(fā)展測(cè)量的新技術(shù)來(lái)解決傳統(tǒng)測(cè)量方式不能處理的問題，以適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展的需要。隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高與更新，這種非接觸式的測(cè)量方法能夠滿足對(duì)測(cè)量所要求的精確度與實(shí)時(shí)性，己經(jīng)成為這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。再加上電子技術(shù)與光學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，光電檢測(cè)這種綜合多種技術(shù)的測(cè)量方法成為非接觸式測(cè)量的重要手段。本文所提出的激光三角法是光電檢測(cè)技術(shù)其中的一種。這種方法在檢測(cè)長(zhǎng)度、距離以及三維形貌的用途中因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)、使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)顯得更具優(yōu)勢(shì)。這種方法已經(jīng)在測(cè)量位移、表面形貌等檢測(cè)工作中取得了很好的效果，并且會(huì)擴(kuò)展更廣闊的使用空間,發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),推動(dòng)工業(yè)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

§1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自上個(gè)世紀(jì)60年代激光測(cè)微儀的誕生，這種商品被大力的發(fā)展與生產(chǎn)，性能得到不斷的改善,應(yīng)用領(lǐng)域也被擴(kuò)展的更加廣泛，成為一種重要的非接觸式檢測(cè)儀器。國(guó)內(nèi)外也有不少企業(yè)在做這方面的技術(shù)，一般分為直射式與斜射式兩種形式。直射式的產(chǎn)品有基恩士公司生產(chǎn)的LS系列和LK系列，德國(guó)Micro-Epsilon

公司的optoNCDT系列，美國(guó)MT公司的MicroTRAK系列等多種型號(hào)；斜射式的激光位移傳感器以日本Keyence公司的LK系列最為突出。表1-1列出了目前市場(chǎng)上常見的幾種激光三角位移傳感器的技術(shù)指標(biāo)[6]。

表1-1 激光三角位移傳感器的技術(shù)指標(biāo)

[8]

1.2.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

在歐洲以及美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家很早就致力于激光三角法測(cè)量平板厚度的基礎(chǔ)理論研究及測(cè)量?jī)x器的研制，并且己經(jīng)為此投產(chǎn)，生產(chǎn)出了一系列相對(duì)比較完善光電檢測(cè)產(chǎn)品，尤其是在日本和德國(guó)，光電子技術(shù)的發(fā)展的速度非常快，應(yīng)用也相對(duì)的更為廣泛一些，所以國(guó)外在厚度檢測(cè)這一方面的發(fā)展有著很迅猛的速度，擁有光源照明技術(shù)和光電檢測(cè)元件的種類非常齊全，光電檢測(cè)技術(shù)也很成熟。例如:日本的Mot1toshiAndo等人運(yùn)用光三角方法印制線路板的線條檢測(cè)，用這種方法還可以檢驗(yàn)出工件表面的劃痕和裂痕；英國(guó)劍橋大學(xué)的Roert Johnes等人將該方法用于渦輪葉片及飛機(jī)機(jī)翼斷面檢測(cè)，在10mm范圍內(nèi)精度可達(dá)2-

5；西德早已報(bào)道把激光光學(xué)三角測(cè)量技術(shù)和裝置用于隨線控制，它既可測(cè)量鋼板的厚度，又可測(cè)量鋼水的高度；日本的安立一巖通公司推出的通用型激光厚度位移計(jì)ST-370型的1、2、3系列。國(guó)外各大公司在光電檢測(cè)技術(shù)中的突出表現(xiàn)代表了目前光電檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展程度，同時(shí)也預(yù)示著光電檢測(cè)技術(shù)更廣闊的發(fā)展空間。

1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

雖然國(guó)內(nèi)在光電檢測(cè)技術(shù)上的起步較晚，但是鑒于傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量技術(shù)有

著較大局限性，行內(nèi)的技術(shù)人員早已注重了對(duì)于新型測(cè)量方式—非接觸式測(cè)量技術(shù)的研究，使其技術(shù)在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展，并且取得了一些相對(duì)比較好的成果。例如：1987年8月由電子工業(yè)部第二十五研究所的陳為民、卞海洋等人研制成功的激光測(cè)厚儀采用激光雙三角測(cè)量原理，由激光器!視頻信號(hào)處理器、微機(jī)等組成；1991年,中國(guó)科技大學(xué)的金泰義、李勝利等人開發(fā)研制出了JW—1型CCD激光測(cè)微儀，它以半導(dǎo)體激光器為光源,通過CCD進(jìn)行信號(hào)接收，接受的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。這種測(cè)微儀是光、機(jī)、電一體化的典型事例，是光電檢測(cè)方面研制的比較早的CCD激光測(cè)厚儀，采用光電藕合器件CCD實(shí)現(xiàn),整體系統(tǒng)的技術(shù)水平在當(dāng)時(shí)的國(guó)內(nèi)己經(jīng)體現(xiàn)了檢測(cè)技術(shù)的最高水平；長(zhǎng)春光機(jī)所研制的基于光學(xué)三角測(cè)量原理的激光非接觸探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，測(cè)量精度高，速度快；安徽工業(yè)大學(xué)電信學(xué)院的章小兵在研究了板材在線測(cè)厚時(shí)就用的激光三角法并敘述了激光三角法測(cè)厚的原理[1]，對(duì)板材在線測(cè)厚系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)并給出了系統(tǒng)測(cè)量指標(biāo)。與此同時(shí)，例如計(jì)算機(jī)視覺測(cè)試技術(shù)等新型技術(shù)都是在以激光三角法為理論基礎(chǔ)的研究上發(fā)展起來(lái)的。

§1.3展望

通過大量的檢索查新國(guó)內(nèi)國(guó)外文獻(xiàn)資料，可以發(fā)現(xiàn)目前我國(guó)光電檢測(cè)儀器與工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家相比，我國(guó)的光電檢測(cè)的儀器產(chǎn)業(yè)還不夠成熟。我國(guó)主要報(bào)導(dǎo)的多，實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用的少。從減小測(cè)量誤差、提高測(cè)量有效速率方面與發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品設(shè)計(jì)還是存在一定的差距的。特別是本文涉及的以激光技術(shù)激光三角檢測(cè)技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合對(duì)平板進(jìn)行絕對(duì)測(cè)厚的技術(shù)在國(guó)內(nèi)鮮少報(bào)道。

第二章 測(cè)量原理和方案論證

§2.1設(shè)計(jì)任務(wù)分析

由于在生產(chǎn)線從加熱爐出來(lái)，經(jīng)軋輥機(jī)軋制的鋼板，溫度很高，一般在900℃左右，呈現(xiàn)紅色或暗紅色。為了更快更準(zhǔn)確的獲得鋼板尺寸數(shù)據(jù)，得到最佳的軋制過程及剪切效果，需要實(shí)時(shí)在線采集鋼板尺寸信息，并及時(shí)顯示出來(lái)，以便于操作工人及時(shí)調(diào)整軋機(jī)或者印制尺寸標(biāo)識(shí)。所以我們根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，要求所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)必須可以進(jìn)行非接觸式的在線測(cè)量，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度，在設(shè)計(jì)要求中假設(shè)是在鋼板冷卻后再進(jìn)行測(cè)量。所需測(cè)試的鋼板的厚度為5±0.05mm，精度要求為±1％。

§2.2測(cè)厚技術(shù)簡(jiǎn)述

測(cè)厚技術(shù)通常都是以非接觸式檢測(cè)方法為主，按照測(cè)量原理和使用的傳感器類型來(lái)分，大致可分為激光三角法、電容法、射線法、超聲法等。這里我們選用的是激光三角法測(cè)厚度，所以其他測(cè)量方法就不做過多的贅述。

激光三角法利用探頭中的激光器發(fā)射出激光，入射到電荷藕合器件CCD或位置檢測(cè)器PSD作為接收器，通過在接收面上的像點(diǎn)經(jīng)過位移變化，再通過計(jì)算公式計(jì)算出被測(cè)面的位移。本系統(tǒng)就是采用這種雙激光三角法進(jìn)行厚度測(cè)量,其原理示意圖如圖2.1所示。

圖2.1雙激光三角法厚度測(cè)量原理示意圖

激光三角法在測(cè)厚領(lǐng)域里已經(jīng)日趨發(fā)展成熟，通過光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、電路系統(tǒng)三者有機(jī)的結(jié)合，已經(jīng)有一系列的測(cè)厚儀器問世；同時(shí)在近幾年中，應(yīng)用激光三角法，結(jié)合電荷耦合器件CCD，應(yīng)用兩個(gè)探頭同時(shí)進(jìn)行厚度測(cè)量，使測(cè)厚技術(shù)己經(jīng)逐步向于動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)化測(cè)量，自動(dòng)、程序化數(shù)據(jù)處理方向高速發(fā)展。

§2.3激光三角法測(cè)量原理

根據(jù)前文所述的任務(wù)分析，我們選擇采用具有分辨力高、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、非接觸測(cè)量、可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)、測(cè)量?jī)x器體積小等特點(diǎn)的激光三角法，來(lái)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的。盡管常用的微位移檢測(cè)的方法有很多種,例如機(jī)械法、電學(xué)法、光學(xué)法等，但都無(wú)法與激光三角法匹敵,激光三角法是位移檢測(cè)方法的發(fā)展趨勢(shì),具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3.1激光三角法測(cè)量的類型及區(qū)別

(1)反射型與投射型

激光三角法光路按檢測(cè)方式分為反射型與透射型本系統(tǒng)采用的就是反射型的激光三角法,通過激光在被測(cè)對(duì)象的表面發(fā)生反射,接收到被測(cè)信息。而對(duì)于一些特殊材料的被測(cè)工件如透明物質(zhì),由于其表面非常光滑，用反射型會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生一定的影響,則可以采用透射式激光三角法,通過激光器發(fā)出的光線透過被測(cè)工件再投射在光敏面上而獲取測(cè)量信息。(2)單束光和片光

按入射光束的形態(tài)來(lái)分,又可分為單束光和片光。顧名思義,若單束光入射的話,光斑小、光的強(qiáng)度高，但是廣度不夠,如果片光入射則需要采用激光透射光條與一個(gè)面陣探測(cè)器組成,通過光切法,也稱結(jié)構(gòu)光圖像法，能一次獲取一條掃描線上的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用的是單束光入射測(cè)量。(3)直射型和斜射型

若按入射光線與被測(cè)工件表面法線的關(guān)系來(lái)分,可分為直射式和斜射式。對(duì)于直射式,就是光束垂直入射到被測(cè)物表面,采用漫反射光進(jìn)行測(cè)量,當(dāng)物體縱向移動(dòng)時(shí),所測(cè)的始終是同一個(gè)被測(cè)點(diǎn)；斜射式的入射光束則與被測(cè)物表面形成一定的角度。

斜射型：如下圖2.2所示,入射光束與被測(cè)物面成一夾角,利用反射到探測(cè)器件CCD的像點(diǎn)位置變化測(cè)量物體的位置厚度,當(dāng)物體縱向移動(dòng)時(shí),所測(cè)的被測(cè)點(diǎn)會(huì)隨移動(dòng)發(fā)生改變,當(dāng)測(cè)量平滑物體如玻璃、鏡面時(shí)要比直射型的測(cè)量精度高很多。斜射式入射光照射在物體的不同位置,當(dāng)被測(cè)物體移動(dòng)時(shí),光點(diǎn)的位移不能直接得到,要通過角度計(jì)算得出。斜射式分辨率很高,但測(cè)量范圍較小、體積較大、光斑較大，所以在此不符合本系統(tǒng)體積的要求。

圖2.2斜射型示意圖

直射型：如下圖2.3所示,激光器發(fā)出的入射光束垂直于成像透鏡光軸O,光敏面與成像物鏡O平行,被測(cè)點(diǎn)的位移與光電探測(cè)器上光斑的位移為線性關(guān)系,可用于測(cè)量相對(duì)或絕對(duì)位移,但其光敏面要求很大,而且被測(cè)點(diǎn)在成像面的像并不清晰,因此測(cè)量精確度不高。光斑較小,光強(qiáng)集中,體積較小,并且不會(huì)因被測(cè)面不水平而擴(kuò)大光斑是直射型三角法的最大優(yōu)點(diǎn)。但由于直射型接收的是散射光,當(dāng)測(cè)量到較為平滑的被測(cè)面時(shí),散射性能較差,使光電探測(cè)器件CCD接收到的散射光光強(qiáng)小,對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響,令測(cè)量過程受到阻礙,測(cè)量精度受到影響。

圖2.3直射型示意圖

2.3.2激光三角法測(cè)量的基本原理

通過上述對(duì)激光三角法測(cè)量的類型及區(qū)別的論述，及我們?cè)O(shè)計(jì)任務(wù)需求的分析，綜合考慮我們選擇了單束光入射，光路檢測(cè)方式為反射型，光束垂直入射到被測(cè)物表面,采用漫反射光進(jìn)行測(cè)量的直射型激光三角法對(duì)鋼板厚度進(jìn)行測(cè)量。(1).傳統(tǒng)的激光三角法

傳統(tǒng)的激光三角法基本原理如圖2.4所示，采用直射型，光電探測(cè)器采用的是CCD，當(dāng)散射光通過成像透鏡時(shí)，如果將CCD以垂直于激光束入射的位置進(jìn)行安裝耦合，則成像到CCD上的光點(diǎn)會(huì)由于沒有完全聚焦而出現(xiàn)彌散斑，測(cè)量并不完全。

圖2.4 激光三角法的基本原理圖

于是為了光點(diǎn)所成的像在接收器表面上每一點(diǎn)都清晰，則要求透鏡光軸與接收面之間必須形成一定的夾角，所以我們選用CCD接收器為傾斜式的方式，即完全聚焦的激光三角法測(cè)量,如圖2.5所示。

圖2.5完全聚焦的激光三角法示意圖

圖中PO為入射光源,光線經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后垂直入射到物體表面，反射后經(jīng)過成像透鏡中心點(diǎn)M成像在CCD接收面上，入射光PO與反射光以的夾角為θ，反射光OA與CCD成像平面的夾角為，P點(diǎn)成像于CCD平面上的B點(diǎn)，O點(diǎn)成像于CCD平面上的A點(diǎn)，由圖中可知，P點(diǎn)與O點(diǎn)高度不同，所成的像投射到光敏面上的位置也是不同的，設(shè)O點(diǎn)所在平面為基準(zhǔn)面，A為CCD成像平面上的成像基準(zhǔn)點(diǎn)，則光線PO上的點(diǎn)與CCD平面上的投影點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的。因此，只要知道光線PO上的任何一點(diǎn)在CCD成像面上的位置就可以求出該點(diǎn)的高度信息。由圖2.5，可列出以下關(guān)系式

(2.1)

由公式(2.1)可推出

(2.2)式中：

PO一一物點(diǎn)的高度信息;AB一一P點(diǎn)在CCD成像平面的成像點(diǎn)與成像基準(zhǔn)點(diǎn)A的偏移量 OM一一O點(diǎn)成像PO物距;MA一一O點(diǎn)成像像距;激光束垂直投射到被測(cè)物面，所形成的漫反射光斑作為傳感信號(hào)，用透鏡成像將收集到的漫反射光會(huì)聚到像平面的光接收器上形成像點(diǎn)。當(dāng)被測(cè)物面移動(dòng)時(shí),入射光斑也會(huì)隨之移動(dòng)，像點(diǎn)也會(huì)在光接收面上做相應(yīng)的移動(dòng)，根據(jù)像移大小和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)可以確定被測(cè)物面的位移量，從而還可以獲取其它方面信息。本系統(tǒng)中，為使光接收器上的像點(diǎn)不存在盲點(diǎn),光接收器的光敏面必須與成像光軸成一夾角。這樣既可以保證入射光斑與其像斑位移具有的關(guān)系精確，還可以使成像點(diǎn)最小，有利于提高測(cè)量精度。同時(shí)為了提高測(cè)量精度，和θ必須滿足沙姆

(Seheimpflug)條件，即，如圖2.6所示[5]:

圖2.6物一像位移軌跡圖

圖中d0為基準(zhǔn)點(diǎn)的物距,di為基準(zhǔn)點(diǎn)的象距，O’為O經(jīng)成像透鏡的像點(diǎn),A、B分別為a、b經(jīng)成像透鏡的像點(diǎn),θ為光入射角, 為成像角,l為成像透鏡,焦距為F。

當(dāng)激光光束照射到a點(diǎn)時(shí)，由圖3.7可知:

由相似三角形△ao1l△l得：

令 則由式(2.3)，同理可推得,當(dāng)物面由O至b時(shí)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)

可化簡(jiǎn)為

(2.7)

(2.8)

(2.10)(2.9)

(2.4)

綜合上面可得, 式中,符號(hào)“+”對(duì)應(yīng)于圖2.6由o移至b,符號(hào)“─ ”對(duì)應(yīng)物面由o移至a。式中,符號(hào)“+”對(duì)應(yīng)于圖2.6由o移至a,符號(hào)“─ ”對(duì)應(yīng)物面由o移至b。

(2.12)

(2.11)由Z-I關(guān)系公式可得Z-I關(guān)系曲線，圖2.7所示。從圖中可以看出I該曲線為非線性曲線，只有當(dāng)物面在O點(diǎn)附近較小范圍移動(dòng)時(shí)，上述曲線可近似按線性關(guān)系處理。

圖2.7 Z-I非線性關(guān)系曲線

§2.4 Scheimpflug Condition(沙姆條件)被測(cè)物表面,鏡頭平面和影像的平面在一個(gè)共同點(diǎn)上相交的光學(xué)狀態(tài)稱沙姆條件,即在直射型激光掃描測(cè)量中,當(dāng)入射光斑沿激光束方向位移時(shí),其成像點(diǎn)在像平面內(nèi)沿直線軌跡移動(dòng),則激光束軸線!成像透鏡主面及CCD像平面三者交于一點(diǎn),滿足高斯條件,這是激光三角測(cè)量傳感器實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量的前提條件。

§2.5測(cè)量模型及方案論證

本課題采用直射式三角法，測(cè)量模型的的基本組成有激光器、聚

焦物鏡、成像物鏡及光敏陣列線陣。CCD其測(cè)量原理為激光器發(fā)出光的軸線與聚焦物鏡的主平面兩者同處一個(gè)平面上，并與CCD垂直。當(dāng)激光器發(fā)出一束平行光，經(jīng)由聚焦物鏡聚焦在待測(cè)物的表面，產(chǎn)生的散射光通過成像透鏡成像在CCD光敏面上。CCD將像信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)測(cè)出其像點(diǎn)的位置。當(dāng)被測(cè)物體沿著法線方向移動(dòng)時(shí)，其表面上光斑會(huì)隨著聚焦物鏡的位置變化而發(fā)生改變，相應(yīng)地，像點(diǎn)在光敏器件CCD上的位置也要發(fā)生變化，精確地測(cè)量像點(diǎn)在CCD上的位移x，就可以得到被測(cè)物體的位移量。由于是絕對(duì)測(cè)量，所以采用激光上下表面雙三角法，準(zhǔn)確的測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的厚度。如下圖5.1所示，圖中a為散射光接收角，θ是成像角，d0為參考點(diǎn)處的物距，di為像距，d為上下兩參考面之間的距離，x是物位移，x’為像位移。

圖2.8 激光三角法測(cè)厚原理圖[2]

(2.13)由上圖可得光學(xué)關(guān)系式： 式中 β一一成像透鏡的放大倍數(shù)

上、下物面相對(duì)的移動(dòng)距離為x1和x2，兩CCD上的像點(diǎn)移動(dòng)至x’11和x’21，像點(diǎn)移動(dòng)距離 ,。根據(jù)幾何關(guān)系，有

則

因此，(2.14)由于上下探頭完全對(duì)稱,同理可得

(2.15)

其中

在后,C1與下探測(cè)頭測(cè)得像點(diǎn)位移量件的位移量x1、x2,物件厚度為

探頭參數(shù)確定C2為定值,當(dāng)上

后,按公式(2.14)、(2.15)式計(jì)算便可得到物

第三章 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

§3.1總體結(jié)構(gòu)布局

3.1.1系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)由以下幾大部分組成：激光發(fā)射器，光三角位移檢測(cè)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，工作臺(tái)。

圖3.1 測(cè)量系統(tǒng)方框圖

1.激光測(cè)頭部分

由激光發(fā)射器組成的光源系統(tǒng)、聚焦光源的準(zhǔn)直系統(tǒng)、接收光信號(hào)的激光成像系統(tǒng)構(gòu)成，由于本設(shè)計(jì)測(cè)量為絕對(duì)厚度，所以我們采用兩個(gè)激光探測(cè)頭。2.光三角位移檢測(cè)系統(tǒng)

本文采用激光三角法原理設(shè)計(jì)的測(cè)厚系統(tǒng),用線陣CCD作為光電接收器件，通過物面的位移由此檢測(cè)出在感光面上成像點(diǎn)的位移,通過計(jì)算得出厚度。3.計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是將接收到的光信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)的內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)計(jì)算出所求厚度,并顯示出測(cè)量結(jié)果、存貯及打印。4.工作臺(tái)

對(duì)所測(cè)物件進(jìn)行固定，并使其可按照一定規(guī)律、方向、有速度的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。這種系統(tǒng)主要是由基座、滑臺(tái)、導(dǎo)向、傳動(dòng)、定位與夾緊結(jié)構(gòu)等組成的。

2.3.2總體結(jié)構(gòu)布局

基于激光三角法原理設(shè)計(jì)的測(cè)厚系統(tǒng),是通過上述的激光探頭系統(tǒng)發(fā)出光源,照射在被測(cè)物體上,通過光三角位移系統(tǒng)作為信息載體,接收并反饋出所需信息,并經(jīng)過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)確定,對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量,則被測(cè)工件的絕對(duì)厚度可以確定了。根據(jù)系統(tǒng)組成,總體結(jié)構(gòu)布局如下圖3.1

圖3.1總體結(jié)構(gòu)布局

§3.2 光源

目前,激光作為一種新型能源[6],具有單色性好,光亮度極高,方向性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),它在測(cè)量,加工等多種領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用。在眾多的激光器中,氦氖氣體激光器和半導(dǎo)體激光器應(yīng)用尤為廣泛。其中氦氖氣體激光器具有連續(xù)輸出激光的能力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但體積較大,而半導(dǎo)體激光器具有體積較小、效率較高、驅(qū)動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于測(cè)距。于是為了本設(shè)計(jì)要求，本文選取了半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光,由于空間相干性好,投射點(diǎn)也相應(yīng)的變得很小,輻射能量就越小,分辨率就越高,能量密度也隨之增大。文中選用的是波長(zhǎng)為688nm半導(dǎo)體激光器。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),由于選用的激光器發(fā)出的激光光強(qiáng)較大,使投射到光電探測(cè)器CCD上像點(diǎn)的光斑也隨之增大,影響測(cè)量系統(tǒng)的分辨率。解決的方法是在聚焦透鏡后面放置一塊偏振片,通過調(diào)節(jié)偏振片,改變其旋轉(zhuǎn)方向,對(duì)激光器所發(fā)出的線偏振光進(jìn)行過濾,使光束中心光強(qiáng)較強(qiáng)的光束通過過濾,濾除邊緣較弱的光,使光束細(xì)化,則CCD上像點(diǎn)的光斑減小,提高儀器的測(cè)量精度。

§3.3聚焦系統(tǒng)及成像系統(tǒng)

在光路設(shè)計(jì)中,聚焦系統(tǒng)和成像系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)的可靠性在很大程度上取決于聚焦系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3.3.1聚焦透鏡

激光器光源發(fā)出的光盡管光束較細(xì),發(fā)散角較小,但仍存在一定的直徑,在CCD的光敏面上形成的是一個(gè)小光斑,測(cè)量精度會(huì)由于覆蓋光敏面上的光敏元離散而受到影響。另外,當(dāng)物體表面隨法線方向進(jìn)行移動(dòng),位移發(fā)生變化時(shí),像點(diǎn)在CCD的光敏面上也作出相應(yīng)的位置移動(dòng),如果像點(diǎn)過大,而CCD光敏面量程一定會(huì)影響測(cè)量效果,則應(yīng)盡量縮小投射在CCD光敏面上的像點(diǎn)直徑,減小孔徑,使像差較小。在本系統(tǒng)中,聚焦透鏡的設(shè)計(jì)不是本文研究的主要重點(diǎn),則設(shè)計(jì)中我們采取了結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)直效果較好的單透鏡聚焦系統(tǒng)。

3.3.2成像透鏡

本系統(tǒng)的成像透鏡是根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的分辨率、測(cè)量范圍、工作距離等要求光

電轉(zhuǎn)換器件CCD本身特性進(jìn)行設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)測(cè)量范圍很大時(shí),要求散射光在CCD面上的成像點(diǎn)不能過大。如果測(cè)量范圍很大,當(dāng)被測(cè)物體移動(dòng)到測(cè)量范圍邊緣時(shí),光強(qiáng)會(huì)隨移動(dòng)而逐漸衰減,所以要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)放大倍率刀的大小。

第四章 誤差與精度分析

§4.1誤差分析

基于激光三角法的厚度絕對(duì)測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)由機(jī)械、光學(xué)、電子和計(jì)算機(jī)組成的一個(gè)有機(jī)的整體,因此在測(cè)量實(shí)驗(yàn)中所得到的結(jié)果中所包含的誤差也是由多種誤差因素引起的。在這些誤差中,有些通過具體計(jì)算就可以得到,而有些則需要通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的方法來(lái)進(jìn)行估算,并且在某些情況下只能求出誤差的變動(dòng)范圍,這就是誤差極限值。這里主要介紹光學(xué)系統(tǒng)的誤差分析[4]。4.1.1光學(xué)系統(tǒng)誤差分析

在本測(cè)量系統(tǒng)中,光學(xué)系統(tǒng)的誤差主要是指采用的激光器、光學(xué)透鏡產(chǎn)生的,從測(cè)量原理上看,光源方面我們需要采用一種體積小、驅(qū)動(dòng)功率小、使用方便的光源發(fā)生器,同時(shí)還需要光源的空間相干性好,這樣才可以使投射到測(cè)量物體上的光斑小,光斑越小分辨率就越高,但是如果光斑非常小,輻射能量就不會(huì)很大,導(dǎo)致接收靈敏度就要降低。所以,為了在通過光學(xué)系統(tǒng)聚焦后產(chǎn)生較高的能量密度,系統(tǒng)采用了半導(dǎo)體激光器作為光源,這樣才能使探頭小型化。但是半導(dǎo)體激光器本身也會(huì)產(chǎn)生誤差[7]。

(l)激光束輸出功率的不穩(wěn)定及噪聲影響。激光的功率不穩(wěn)定將造成光強(qiáng)分布不穩(wěn)定及激光線寬;噪聲影響有很多因素,直接影響測(cè)量精度。

(2)激光投影質(zhì)量的影響。由于被測(cè)物體的表面特性、測(cè)量環(huán)境等因素的影響,激光投影質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生誤差。在光學(xué)元件方面,被測(cè)物體方向與成像系統(tǒng)光軸存在一定的夾角,雖然在實(shí)際裝調(diào)過程中調(diào)節(jié),但并不能達(dá)到理想角度,所以會(huì)產(chǎn)生各種象差(彗差、像散、畸變等軸外像差)使實(shí)際成像點(diǎn)偏離理想成像點(diǎn)而產(chǎn)生誤差。4.1.2隨機(jī)誤差分析

基于激光三角法厚度絕對(duì)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的隨機(jī)誤差可以主要?dú)w納為以下幾個(gè)方面:(l)測(cè)量裝置方面的因素:測(cè)量裝置采用的CCD探測(cè)器在采集信號(hào)及電信號(hào)處理時(shí)會(huì)造成隨機(jī)噪聲,在重復(fù)測(cè)量過程中,會(huì)產(chǎn)生離散化采樣誤差、每次測(cè)量時(shí)量塊的裝夾位置也不一致。

(2)測(cè)量環(huán)境方面的因素:測(cè)量主機(jī)所在的平臺(tái)會(huì)有外界所帶來(lái)的輕微的低頻震動(dòng);儀器所在的實(shí)驗(yàn)室氣流和溫度會(huì)有波動(dòng),以及空氣中塵埃的漂浮等。

(3)操作人員方面的因素:盡管儀器自動(dòng)采集與處理數(shù)據(jù),但測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣件是由操作人員裝夾并調(diào)整操作的,會(huì)使被采集的圖像分辨質(zhì)量差、造成較大的離散化采樣誤差;以及工作人員可以被當(dāng)做熱源引起氣流的擾動(dòng)。

隨機(jī)誤差是一種隨機(jī)變量,它具有隨機(jī)變量固有的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。設(shè)被測(cè)量值的真值為x0,各次測(cè)量值為xi,若xi中不含有系統(tǒng)誤差,則根據(jù)對(duì)隨機(jī)誤差δi的定義有：

δ

i

= xi-x0

對(duì)于一組測(cè)量數(shù)據(jù),往往用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表述這組數(shù)據(jù)的分散性。如果這組數(shù)據(jù)是來(lái)自于某測(cè)量總體的一個(gè)樣本,則該組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差是對(duì)

總體標(biāo)準(zhǔn)差的一個(gè)估計(jì),稱其為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

其中該公式中的Vi = Xi?X0定義為殘余物差即殘差。

§4.2精度分析

本系統(tǒng)采用的是精度很高的傳感器,但理論上,儀器的內(nèi)部還會(huì)存在測(cè)量誤差。這里同樣主要介紹光學(xué)系統(tǒng)方面[3]。1.測(cè)量系統(tǒng)方面

(1)光學(xué)系統(tǒng)的像差會(huì)使物體上任一點(diǎn)發(fā)出的光束通過光學(xué)系統(tǒng)后,不能匯聚在同一點(diǎn),而是形成一個(gè)彌散斑并不能表現(xiàn)出原物的形狀。相應(yīng)的改進(jìn)方法是在接受透鏡的設(shè)計(jì)中要考慮像差的因素。(2)光信號(hào)的輸入與電信號(hào)的輸出之間呈非線性,相應(yīng)的改進(jìn)方法是采取較優(yōu)的標(biāo)定方法,之后得到具體的物體位移值。2.被測(cè)物體方面

(l)被測(cè)表面的粗糙會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響,相應(yīng)的改進(jìn)方法是多選取幾塊標(biāo)準(zhǔn)量塊進(jìn)行多次測(cè)量,對(duì)于有時(shí)被測(cè)表面產(chǎn)生的陰影和死區(qū),采取兩個(gè)激光探頭發(fā)出的激光從相對(duì)的兩個(gè)方向同時(shí)對(duì)被測(cè)物進(jìn)行掃面,使用單光源、雙檢測(cè)器,最后通過計(jì)算融合數(shù)據(jù)。

(2)由于被測(cè)物不總是標(biāo)準(zhǔn)量塊,表面會(huì)有孔或者縫,使得傳感器不能很好的接收反射光。相應(yīng)的改進(jìn)方法是采取對(duì)稱性的光學(xué)三角傳感器。

(3)被測(cè)表面會(huì)有材料、光學(xué)性質(zhì)的差異，如透明物體，物體對(duì)光的反射或吸收程度會(huì)不同于半透明的物體,也不同于不透光的物體,反射率與折射率等因素會(huì)引起成像光斑有像差。改進(jìn)的方法是使傳感器的入射透鏡和接收透鏡的光軸所成的平面與待測(cè)表面平行,接受足夠的光強(qiáng),這有利于提高測(cè)量分辨率。如果是高度鏡面反射則需要采用線偏振光作為光源,利用線偏振光的參數(shù)隨鏡面反射改變。3.環(huán)境影響方面

在溫度方面,只能人為的保持周圍環(huán)境溫度穩(wěn)定,在使用儀器時(shí)進(jìn)行預(yù)熱;在氣流運(yùn)動(dòng)方面,使用保護(hù)罩保護(hù)測(cè)量頭或者使用風(fēng)扇更強(qiáng)的攪動(dòng)測(cè)量部分與工件之間的空氣;同時(shí)在灰塵與污物方面,采取小心的清潔。為了減小環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響,要在接收物鏡和線陣CCD之間安置一濾光片(激光器發(fā)出的紅光波長(zhǎng)為650nm,其透過率可達(dá)百分之九十多,而其它波段的光幾乎可以全部濾掉)。同時(shí)在激光器和聚光鏡之間安置孔徑光闌,以減小光斑直徑。本系統(tǒng)采用上下探頭同時(shí)測(cè)量,可以消除測(cè)量過程中盲區(qū)的出現(xiàn)。當(dāng)被測(cè)面有一定的傾斜角,也可以通過兩個(gè)探頭對(duì)測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)償,這種測(cè)量方法就可明顯提高傳感器的測(cè)量精度。

第五章 總結(jié)

激光三角法是本系統(tǒng)采用的基礎(chǔ)方法,在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的今天,激光三角法是非接觸測(cè)量中最常用的方法,具有很廣的應(yīng)用范圍。應(yīng)用此種方法可對(duì)各種類型物體進(jìn)行諸如物體表面形貌、厚度、三維等微位移的測(cè)量。由于激光三角法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試速度快、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)、使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，所以在這里我們將激光三角法作為本系統(tǒng)所采用的基礎(chǔ)方法對(duì)鋼板進(jìn)行非接觸式在線測(cè)量進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)在測(cè)量過程中可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了表述，并對(duì)一些可能影響測(cè)量精度的問題提出了修改方法和意見。

不足之處，由于時(shí)間緊迫并沒有搭建試驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬測(cè)量，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，提出改善方案。并沒有通過Zemax等軟件設(shè)計(jì)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的聚焦透鏡和成像透鏡進(jìn)行模擬光路的設(shè)計(jì)。

體會(huì)：光學(xué)儀器設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)需要整體的結(jié)構(gòu)考慮，不能只是一味的進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在儀器的設(shè)計(jì)中通過模擬軟件或裝置模擬搭建來(lái)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析也是光學(xué)系統(tǒng)中非常重要的一部分，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差分析我們還需要進(jìn)一步的對(duì)所設(shè)計(jì)的儀器裝置，系統(tǒng)部件參數(shù)選擇進(jìn)行優(yōu)化，以更好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)要求。在設(shè)計(jì)時(shí)我們要因地制宜，對(duì)要設(shè)計(jì)加工的對(duì)象，作業(yè)環(huán)境，操作流程特點(diǎn)進(jìn)行分析，這樣才能使我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)更具有實(shí)用性，高精度和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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第二篇：橢圓偏振法測(cè)量薄膜厚度實(shí)驗(yàn)的小結(jié)和心得（寫寫幫整理）

橢圓偏振法測(cè)量薄膜厚度實(shí)驗(yàn)的小結(jié)和心得

摘要：橢圓偏振測(cè)量是一種通過分析偏振光在待測(cè)薄膜樣品表面反射前后偏振狀態(tài)的改變來(lái)獲得薄膜材料的光學(xué)性質(zhì)和厚度的一種光學(xué)方法。由于橢圓偏振測(cè)量術(shù)測(cè)量精度高，具有非破壞性和非擾動(dòng)性，該方法被廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、攝影學(xué)，生物學(xué)以及生物工程等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：誤差、改進(jìn)、小結(jié)、實(shí)驗(yàn)感受

引言：橢圓偏振法是根據(jù)測(cè)量其反射光的偏振來(lái)確定薄膜厚度及各種光學(xué)參數(shù)。這種方法已成功應(yīng)用于測(cè)量介質(zhì)膜、金屬膜、有機(jī)膜和半導(dǎo)體膜的厚度、折射率、消光系數(shù)和色散等。本實(shí)驗(yàn)是采用消光型的橢圓偏振測(cè)厚儀，具有簡(jiǎn)單、精度高、慢等特點(diǎn)。

正文：

1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?/p>

通過實(shí)驗(yàn)，了解橢偏法的基本原理，學(xué)會(huì)用橢偏法測(cè)量納米級(jí)薄膜的厚度和折射率，以及金屬的復(fù)折射率。橢偏法測(cè)量的基本思路是，起偏器產(chǎn)生的線偏振光經(jīng)取向一定的1／4 波片后成為特殊的橢圓偏振光，把它投射到待測(cè)樣品表面時(shí)，只要起偏器取適當(dāng)?shù)耐腹夥较?，被待測(cè)樣品表面反射出來(lái)的將是線偏振光。根據(jù)偏振光在反射前后的偏振狀態(tài)變化（包括振幅和相位的變化），便可以確定樣品表面的許多光學(xué)特性。

2、實(shí)驗(yàn)的誤差來(lái)源

通過實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)最大的誤差是來(lái)源于對(duì)消光位置的判定。實(shí)驗(yàn)中，由于儀器不能完全被消光，所以消光位置的確定就顯得有些困難。雖然經(jīng)過多次調(diào)節(jié)光路，到最后確定位置的時(shí)候也不能確定完全消光，這會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)的精度，給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)較大誤差。除此之外，由于本實(shí)驗(yàn)中，各種狀態(tài)的判定均靠人眼判斷，例如：樣品臺(tái)是否水平、消光狀態(tài)、起偏器和檢偏器的位置讀數(shù)等，使實(shí)驗(yàn)存在較多的人為誤差，這些都是不可避免的。

3、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

由上述的誤差分析，我們可以知道實(shí)驗(yàn)的主要誤差來(lái)源。對(duì)于最主要的誤差“消光位置的確定”,是由于靠人眼來(lái)判斷消光位置的所致的。因此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中應(yīng)該盡量避免更多的不確定因素，我們可以使光學(xué)量通過電學(xué)量來(lái)表示，即可以在儀器的末端安裝一個(gè)光電接收電流表，通過電流表的讀數(shù)可以直觀地反映出儀器的消光狀況，使得測(cè)量更加精確。雖然電流表的讀數(shù)也是靠人眼來(lái)讀取，但是通過這種方式會(huì)減少誤差。還有一些關(guān)于次要誤差的減少，例如：我們?cè)谡{(diào)節(jié)載物臺(tái)水平時(shí)，可以用精度高一些的水平儀，以確保我們實(shí)驗(yàn)的條件更加好。而且，我們應(yīng)該盡量多地讀取更多組數(shù)據(jù)，以便求平均值來(lái)減少誤差。

4、實(shí)驗(yàn)小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)是光學(xué)實(shí)驗(yàn)。對(duì)于光學(xué)實(shí)驗(yàn)，最為重要的是光路的調(diào)節(jié)，光路的調(diào)節(jié)準(zhǔn)確與否，直接影響了實(shí)驗(yàn)的精度。因此，在實(shí)驗(yàn)前要準(zhǔn)確調(diào)節(jié)光路，使起偏器和檢偏器保持光線同軸。

學(xué)習(xí)本實(shí)驗(yàn)中簡(jiǎn)化問題的方法。從實(shí)驗(yàn)原理看，本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)際計(jì)算的量很多，而且需要求解很煩的超越方程。但通過適當(dāng)?shù)淖儞Q以及光學(xué)儀器的運(yùn)用可使問題簡(jiǎn)化。如通過1/4波片之后，光變成等幅橢圓偏振光，使得

|E?EE/E?1，使得tg??|?EErprsis||ipis變?yōu)閠g??|E?Ers|，計(jì)算可以大大簡(jiǎn)

rpip化。通過調(diào)整儀器，使反射光成為線偏光，即

?rp???0或（?），則

rs??（?? ip??)或????，可使問題簡(jiǎn)化。（???）isipis5、近代物理實(shí)驗(yàn)課的感受

上完這個(gè)學(xué)期的近代物理實(shí)驗(yàn)課，我們大學(xué)階段的物理實(shí)驗(yàn)課就結(jié)束了。這個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)課，和以往一樣都是那么的生動(dòng)有趣。一方面是，這學(xué)期的物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方法與上一個(gè)學(xué)期一樣。在做實(shí)驗(yàn)之前，老師不僅要求我們課前要預(yù)習(xí)，還要求我們做實(shí)驗(yàn)之前要小組討論，而且要討論得激烈。我很喜歡這種上課的模式，因?yàn)殡m然實(shí)驗(yàn)前同學(xué)們都有預(yù)習(xí)，但仍然存在一些不明白的知識(shí)，在討論的過程中，同學(xué)們可以通過對(duì)彼此的觀點(diǎn)的思考與辨別，更加深入地了解與掌握本實(shí)驗(yàn)的原理和知識(shí)點(diǎn)，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)手過程，就讓我們更加地認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)的原理。另一方面，這個(gè)學(xué)期的物理實(shí)驗(yàn)課，讓我們接觸到一些放射性的物質(zhì)，雖然有一點(diǎn)危險(xiǎn)，不過更多的是有趣。因?yàn)檫@些關(guān)于核的實(shí)驗(yàn)可以讓我更加地了解放射性的性質(zhì)，幫我揭開了關(guān)于核的神秘面紗。

在本學(xué)期的近代物理實(shí)驗(yàn)課上，我們做了關(guān)于近代物理的實(shí)驗(yàn)，讓我受益菲淺。其中很多知識(shí)在平時(shí)的學(xué)習(xí)中都是無(wú)法學(xué)習(xí)到的，其中很多實(shí)驗(yàn)都開闊了我們的視野，讓我們獲得了許多平時(shí)課堂上得不到的知識(shí)。

通過一個(gè)學(xué)期的物理實(shí)驗(yàn)，我覺得實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，我們學(xué)到的許多理論都來(lái)源于實(shí)驗(yàn)，也學(xué)到了許多物理課上沒有教到的理論。很多實(shí)驗(yàn)都是需要花費(fèi)許多心思去學(xué)習(xí)的，也是非常復(fù)雜的。我們學(xué)習(xí)理科的同學(xué)，更加要重視實(shí)驗(yàn)課，因?yàn)槔碚撆c實(shí)踐結(jié)合是最重要。

在每次試驗(yàn)之前，我們都要做預(yù)習(xí)報(bào)告，通過實(shí)驗(yàn)手冊(cè)和自己參閱資料，得知本次實(shí)驗(yàn)的目的、原理、所需儀器、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)中的要求及注意事項(xiàng)等問題。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)課我們可以知道預(yù)習(xí)報(bào)告是非常重要的，只有在實(shí)驗(yàn)前認(rèn)真做好預(yù)習(xí)，才能在實(shí)驗(yàn)課上更快、更好地完成實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也能收獲更多知識(shí)。

實(shí)驗(yàn)操作當(dāng)然是物理實(shí)驗(yàn)的核心。經(jīng)過了一個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)，我發(fā)現(xiàn)做實(shí)驗(yàn)有許多需要注意的地方，掌握了這些技巧才能讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果變的更加準(zhǔn)確和方便。做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，一定要集中精神，例如在做蓋革—米勒計(jì)數(shù)管的特性及放射性衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，我們要集中精神地看著電壓和計(jì)數(shù)率的變化情況，因?yàn)殡妷阂刂圃谝欢ǖ姆秶?dāng)我們稍不留神，電壓就會(huì)超出觀察的范圍，從而造成儀器的損壞或者實(shí)驗(yàn)的失敗，因此集中注意力是相當(dāng)重要的。其次，做實(shí)驗(yàn)時(shí)要有足夠的耐心和定力。就像做橢偏法測(cè)薄膜厚度這個(gè)實(shí)驗(yàn)一樣，需要測(cè)多組數(shù)據(jù)，而且不一定測(cè)出來(lái)的每一組數(shù)據(jù)都能成功，還要在電腦上通過查表之后才能確定，這就需要足夠的耐心和一定的動(dòng)手能力。最后，一定要知道實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)，什么是不能做的，就像做核實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們就不能隨便去碰那些放射源，在拿取時(shí)必須要用鑷子拿，不然會(huì)對(duì)人造成危險(xiǎn)。當(dāng)然做完實(shí)驗(yàn)之后一定要還原好實(shí)驗(yàn)器材，不能做完了就拍拍屁股走人，這是一名大學(xué)生應(yīng)有的素質(zhì)?？傊趯?shí)驗(yàn)中需要注意的事情還有很多，這些事情讓我們體會(huì)到，物理實(shí)驗(yàn)需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S，需要認(rèn)真思考，每一步都要嚴(yán)謹(jǐn)，不然就會(huì)產(chǎn)生不該產(chǎn)生的誤差影響最終的數(shù)據(jù)結(jié)果，或?qū)е聦?shí)驗(yàn)失敗。

實(shí)驗(yàn)完成之后自然是數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是對(duì)實(shí)驗(yàn)定量分析的依據(jù)，是探索、驗(yàn)證物理規(guī)律的第一手資料。在系統(tǒng)誤差一定的情況下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得恰當(dāng)與否，會(huì)直接影響偶然誤差的大小。所以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理是實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容之一。這學(xué)期的近代物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)都是比較多和比較繁瑣的，而且要求圖文并茂，這更加要求我們處理數(shù)據(jù)的時(shí)候要細(xì)心。還有需要一些軟件幫助處理數(shù)據(jù)和畫圖，我們?cè)谳斎霐?shù)據(jù)的時(shí)候就要更加認(rèn)真謹(jǐn)慎。

經(jīng)過這一年的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，讓我收獲多多。想要做好物理實(shí)驗(yàn)容不得半點(diǎn)馬虎，它培養(yǎng)了我們的耐心、信心和恒心。當(dāng)然，我也發(fā)現(xiàn)了自己存在很多不足的地方。我的動(dòng)手能力還不夠強(qiáng)，理論知識(shí)還不夠扎實(shí)，當(dāng)有些實(shí)驗(yàn)需要比較強(qiáng)的動(dòng)手能力的時(shí)侯我還不能從容應(yīng)對(duì)，實(shí)驗(yàn)就是為了讓你動(dòng)手做，去探索一些你未知的或者是你尚不是深刻理解的東西。現(xiàn)在，大學(xué)生的動(dòng)手能力越來(lái)越被人們重視，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)正好為我們提供了這一平臺(tái)讓我們?nèi)ュ憻捵约旱膭?dòng)手能力。我的學(xué)習(xí)方式還有待改善，當(dāng)面對(duì)一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)時(shí)我還不能很快很好地完成。偉大的科學(xué)家之所以偉大就是他們利用實(shí)驗(yàn)證明了他們的偉大。唯有實(shí)驗(yàn)才是檢驗(yàn)理論正確與否的唯一方法。為了要使你的理論被人接受，你必須用事實(shí)來(lái)證明，讓那些懷疑的人啞口無(wú)言。雖然我們的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)只是對(duì)以前的實(shí)驗(yàn)的一種再現(xiàn)，但是對(duì)于一個(gè)普通的大學(xué)生來(lái)說，這些事情也并不是一件容易的事情。我的數(shù)據(jù)處理能力還得提高，數(shù)據(jù)處理的是否得當(dāng)將直接影響你的實(shí)驗(yàn)成功與否。當(dāng)實(shí)驗(yàn)得出一大堆復(fù)雜數(shù)據(jù)的時(shí)侯我的處理方式和能力還不足，有時(shí)候會(huì)算錯(cuò)結(jié)果，有時(shí)候會(huì)無(wú)從下手，有時(shí)候會(huì)繞遠(yuǎn)路用復(fù)雜的方式去處理數(shù)據(jù)。經(jīng)過這一年，我學(xué)會(huì)了一些處理數(shù)據(jù)的方法，相信這同樣也能對(duì)我其它的課程的學(xué)習(xí)起到幫助作用。

結(jié)束語(yǔ)： 總之，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課讓我收獲頗豐，也發(fā)現(xiàn)了自身的許多不足的地方。我會(huì)將在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)到的東西發(fā)揮到更多的地方去，也將在今后的學(xué)習(xí)和工作中不斷提高、完善自我。在今后的學(xué)習(xí)、工作中取得更大的收獲，在將來(lái)畢業(yè)的時(shí)候能夠成為一個(gè)對(duì)社會(huì)有更大貢獻(xiàn)的人才。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳先球 熊予瑩主編.近代物理實(shí)驗(yàn)教程.科學(xué)出版社 [2] 母國(guó)光、戰(zhàn)無(wú)齡.光學(xué).北京，人民教育出版社，1978 [3] 黃佐華，何振江，楊冠玲等.多功能橢偏測(cè)厚儀.光學(xué)技術(shù) [4] 吳思誠(chéng).近代物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：人民教育出版社，1972.[5] 莫黨.橢圓偏振法-----測(cè)量薄膜與研究表面的新方法.電子科學(xué)技術(shù)

第三篇：相位法激光測(cè)距的理論設(shè)計(jì)(綜合最新版)

相位法激光測(cè)距的理論設(shè)計(jì)

摘要

本文介紹了半導(dǎo)體激光技術(shù),并在傳統(tǒng)的相位法激光測(cè)距原理的基礎(chǔ)上, 參考激光測(cè)距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),運(yùn)用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)的測(cè)量方法，提出一種把直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)相結(jié)合的新的相位激光測(cè)距理論設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)有助于簡(jiǎn)化電路、提高相位測(cè)距的精度。

關(guān)鍵詞： 相位激光測(cè)距，數(shù)字相關(guān)檢測(cè)，數(shù)字信號(hào)

Phase Type Laser Ranging Theoretical Design This article introduced the semiconductor laser technology, and in the traditional phase laser ranging principle foundation, the reference laser ranging optical system design, Using digital correlation detection measuring technique,proposing one kind the new phase laser ranging theoretical design which(DDS)technical and the digital signal processing(DSP)the technology unifies the direct digital frequency synthesis, for could overcome in the traditional phase range finder method the precision to enhance, the measuring range with difficulty difficulty with increases, the electric circuittoo is complex and so on the shortcoming provides has been possible to supply the reference the theoretical design.Key word：PHASE LASER RANGING，DIGITAL CORRELATION DETECTION，DIGITAL SIGNAL

目錄

第一章 引言.....................................................................................................................4 第二章 國(guó)內(nèi)外研究狀況.................................................................................................5 第三章 激光測(cè)距光學(xué)系統(tǒng).............................................................................................7 3．1 激光測(cè)距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu).........................................................................................7 3．2光學(xué)系統(tǒng)圖示..........................................................................................................8 3．3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要部件功能與作用.....................................................................9 3．4 主要參考性能數(shù)據(jù)...............................................................................................10 第四章 數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)改進(jìn)方法設(shè)計(jì)...................................................................11 4．1 激光相位式測(cè)距的基本原理.............................................................................11 4．2 數(shù)字信號(hào)處理(DSP)的簡(jiǎn)述.................................................................................13

4.2.1 數(shù)字信號(hào)處理的主要研究?jī)?nèi)容....................................................................14 4.2.2 測(cè)試信號(hào)數(shù)字化處理的基本步驟................................................................14 4.2.3 數(shù)字處理信號(hào)的優(yōu)勢(shì)....................................................................................15 4．3 直接數(shù)字頻率合成技術(shù).......................................................................................15

4.3.1 DDS的基本工作原理....................................................................................16 4．4 改進(jìn)的數(shù)字測(cè)相的框圖設(shè)計(jì)...............................................................................16 第五章 小結(jié)...................................................................................................................22 參 考 文 獻(xiàn).............................................................................................................23 致謝.................................................................................................................................24

第一章 引言

第一章 引言

激光，是一種自然界原本不存在的，因受激而發(fā)出的具有方向性好、亮度高、單色性好和相干性好等特性的光。物理學(xué)家把產(chǎn)生激光的機(jī)理溯源到1917年愛因斯坦解釋黑體輻射定律時(shí)提出的假說，即光的吸收和發(fā)射可經(jīng)由受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射三種基本過程[1]。

所謂激光技術(shù)，就是探索開發(fā)各種產(chǎn)生激光的方法以及探索應(yīng)用激光的這些特性為人類造福的技術(shù)的總稱。30多年來(lái)，激光技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，利用激光技術(shù)不僅研制了各個(gè)特色的多種多樣的激光器，而且隨著激光應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，形成了激光唱盤唱機(jī)、激光醫(yī)療、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新興產(chǎn)業(yè)。激光技術(shù)的飛速發(fā)展，使其成為當(dāng)今新技術(shù)革命的先鋒！

激光和普通光的根本不同在于它是一種有很高光子簡(jiǎn)并度的光。光子簡(jiǎn)并度可以理解為具有相同模式(或波型、位相、波長(zhǎng))的光子數(shù)目,即具有相同狀態(tài)的光子數(shù)目。這些特性使激光具有良好的準(zhǔn)直性及非常小的發(fā)散角,使儀器可進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)量,適應(yīng)非常狹小和復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境。激光測(cè)距儀就是利用激光良好的準(zhǔn)直性及非常小的發(fā)散角度來(lái)測(cè)量距離的一種儀器。激光在A、B 兩點(diǎn)間往返一次所需時(shí)間為t, 則A、B 兩點(diǎn)間距離D 可表示為: D = c2t /2,式中, c為光在大氣中傳播的速度。由于光速極快, 對(duì)于一個(gè)不太大的D 來(lái)說, t是一個(gè)很小的量。如:假設(shè)D =15km, c = 3 3105 km / s,則t = 5 310-5 s。由測(cè)距公式可知,如何精確測(cè)量出時(shí)間t的值是測(cè)距的關(guān)鍵。

由于測(cè)量時(shí)間t的方法不同,便產(chǎn)生了兩種測(cè)距方法:脈沖測(cè)距和相位測(cè)距。其中相位測(cè)距更加精確[1]。

廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（相位法激光測(cè)距的理論設(shè)計(jì)）

第二章 國(guó)內(nèi)外研究狀況

相位式激光測(cè)距技術(shù)的研究起始于20 世紀(jì)60年代末,到80 年代中期陸續(xù)解決了激光器件、光學(xué)系統(tǒng)及信號(hào)處理電路中的關(guān)鍵技術(shù),80 年代后期轉(zhuǎn)入應(yīng)用研究階段,并研制出了各種不同用途的樣機(jī),90年代中期,各種成熟的產(chǎn)品不斷出現(xiàn),預(yù)計(jì)近期將是其應(yīng)用產(chǎn)品大發(fā)展的階段,在中、近程激光測(cè)距應(yīng)用方面有取代YAG激光的趨勢(shì)。隨著激光技術(shù)的發(fā)展, 應(yīng)用激光作精密光波測(cè)距系統(tǒng)的光源, 是現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器的一個(gè)顯著特點(diǎn)。

據(jù)近年的資料, 國(guó)外用于大地測(cè)量、城市和工程測(cè)量的各類光電測(cè)距儀約15000多臺(tái)。其中, 長(zhǎng)程及中程各占1/4, 短程測(cè)距儀占1/2。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已把各種激光測(cè)距儀紅外測(cè)距儀作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備, 裝備測(cè)量作業(yè)隊(duì)。

近年來(lái)，中長(zhǎng)程激光測(cè)距儀的技術(shù)發(fā)展有以下特點(diǎn):（1）普遍采用He-Ne激光光源, 功率為1～5mW;（2）普遍采用新穎的高效調(diào)制器, 如ADP(磷酸二氫銨NH4H2PO4), KDP(磷酸二氫鉀(KH2PO4)), KD*P(磷酸二氘鉀(KD2PO4))等；（3）向自動(dòng)化和數(shù)字化方向發(fā)展。中遠(yuǎn)程激光測(cè)距儀的精度主要是受到比例誤差的限制, 這是值得注意的。如美國(guó)的Geodolit-3G遠(yuǎn)程激光測(cè)距儀, 其數(shù)字測(cè)相的分辨力達(dá)±0.03 mm, 其固定誤差為±0.03 mm, 但它的比例誤差仍有1 mm/km[2]。為獲得測(cè)線的平均氣溫, 氣壓、濕度誤差影響￡1mm/km，還需要用飛機(jī)沿測(cè)線作氣象測(cè)定, 這對(duì)作業(yè)無(wú)疑是不方便的。對(duì)比之下, ±0.03 mm的測(cè)相分辨力, 對(duì)于單色激光的遠(yuǎn)程測(cè)距, 并不必需。

短程的光波測(cè)距儀通常以砷化鎵半導(dǎo)體(GaAs)紅外波段激光源的紅外測(cè)距儀為主, 實(shí)用上也有少量采用He-Ne激光作光源。這類儀器普遍在向自動(dòng)化、數(shù)字化與小型化、一機(jī)多能的方向發(fā)展。按儀器的功能可分為單測(cè)距儀器, 測(cè)角與測(cè)距相結(jié)合的儀器, 測(cè)距、測(cè)角與計(jì)算三結(jié)合儀器(電子速測(cè)儀)及高精度的短程測(cè)距儀這四類。

單測(cè)距的儀器都采用強(qiáng)制歸心基座可與經(jīng)緯儀交替使用, 以利于邊角測(cè)量和導(dǎo)線測(cè)量的實(shí)施, 這類儀器也可采用激光光源。角、距結(jié)合的儀器有二種: 一種是測(cè)距系統(tǒng)作為經(jīng)緯儀的附件, 積木式裝在經(jīng)緯儀上, 將自動(dòng)測(cè)距與經(jīng)緯儀測(cè)角相結(jié)合直接為水平距離并能作坐標(biāo)差Dx、Dy的計(jì)算.如DI-3及DI-3S;另一種能將自動(dòng)測(cè)距與光學(xué)測(cè)微器

3-廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（相位法激光測(cè)距的理論設(shè)計(jì)）

第三章 激光測(cè)距光學(xué)系統(tǒng)

3．1 激光測(cè)距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

激光電子測(cè)距儀一般由激光光源、激光調(diào)制及發(fā)射電路、光學(xué)系統(tǒng)、接收單元、高頻放大電路、采樣積分電路、邏輯電路、振蕩電路和微處理器部分組成,系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。激光光源采用半導(dǎo)體激光二極管。晶振部分包括主振單元和本振單元,通過頻率合成電路分別產(chǎn)生發(fā)射頻率信號(hào)和基準(zhǔn)混頻信號(hào)。發(fā)射頻率信號(hào)經(jīng)過一定的波形變換和功率放大后,作用于激光二極管,進(jìn)行內(nèi)調(diào)制,發(fā)出調(diào)制激光信號(hào)[3]。

圖3.1 激光測(cè)距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.3.1 laser ranging equipment system structure 激光測(cè)距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案及原理為：動(dòng)目標(biāo)指示,目標(biāo)速度分辨力8km/ h ；主動(dòng)成象,幀頻為100～200 幀/ s；精確測(cè)距 ；以每秒1000 次的速率編排并記錄方位、仰角、距離和時(shí)間數(shù)據(jù)；進(jìn)行坐標(biāo)變換,以便輸出高精度的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù),便于繪圖和數(shù)字顯示；使用程序指出方位上幾個(gè)區(qū)域,保證目標(biāo)或其它關(guān)鍵區(qū)域在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)安全控制。

連續(xù)波(GaA1As)激光發(fā)射機(jī);2連續(xù)波(CO2)激光發(fā)射機(jī);4、5聲光調(diào)制器;8、9-前置放大器;10散熱器;12、30-測(cè)距通道探測(cè)器;13二維電荷耦合器(CCD);15調(diào)準(zhǔn)傳感器;17本振通道;19后反射器;21、22、23氣體池;25柵鏡;27、33四分之一波片;29分束器;34、35方 位俯仰驅(qū)動(dòng)器;37廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（相位法激光測(cè)距的理論設(shè)計(jì)）

3．3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要部件功能與作用

相位(GaA1As)激光發(fā)射機(jī)的作用是用于近場(chǎng)廣角截獲跟蹤目標(biāo), 并進(jìn)行目標(biāo)的粗測(cè);連續(xù)波(GaA1As)激光發(fā)射系統(tǒng)用于精確的測(cè)距;連續(xù)波(CO2)激光發(fā)射系統(tǒng)用于測(cè)量速度。微調(diào)反射鏡有兩對(duì),分別用于GaA1As 激光束和CO2 激光束的偏轉(zhuǎn)掃描,目標(biāo)截獲、跟蹤探測(cè)器采用二維的電荷耦合器件CCD。

電荷耦合器件的傳感功能是在光致信息電荷的存儲(chǔ)和傳輸兩個(gè)過程完成的。如果把被測(cè)目標(biāo)的光學(xué)圖象聚集在電荷耦合器件圖象傳感器的光敏區(qū)上,則其上個(gè)點(diǎn)所產(chǎn)生的光生載流子的數(shù)量,將與各象點(diǎn)上的圖象亮度相對(duì)應(yīng)。在一般稱為光積分時(shí)間的時(shí)間間隔內(nèi),這些少數(shù)光生載流子分別被收集、存儲(chǔ)在就近的勢(shì)阱里,形成一個(gè)個(gè)的信息電荷包,每一個(gè)信息電荷包所儲(chǔ)存的信息電荷與電荷耦合器件工作表面上相應(yīng)位置的光強(qiáng)成正比,因而成為被測(cè)光學(xué)圖象的諸點(diǎn)取樣模擬。這樣,就把光學(xué)圖象轉(zhuǎn)變成為由信息電荷所描繪的電子圖象,完成了光電轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存信息的過程。為了按掃描順序取出各電荷包的信息電荷,使被接收的圖象以電信號(hào)的形式再現(xiàn)出來(lái),可在各個(gè)電極上依次施加有規(guī)則變化的時(shí)鐘脈沖電壓,各個(gè)電極下的勢(shì)阱深度也將作相應(yīng)的變化,從而使電荷包能夠沿半導(dǎo)體表面作定向運(yùn)動(dòng)。

二維電荷耦合器件的感光單元呈二維矩陣排列,組成感光區(qū)。由于傳輸和讀出結(jié)構(gòu)方式不同,面陣圖象器件有多種形式。碲鎘汞器件是目前性能最優(yōu)良的最有前途的光電導(dǎo)探測(cè)器。它的光譜響應(yīng)在8～4μm 之間,為大氣窗口波段,其峰值波長(zhǎng)為1016μm 與CO2 激光器的激光波長(zhǎng)相匹配,響應(yīng)時(shí)間約為10

第三章 激光測(cè)距光學(xué)系統(tǒng)

3．4 主要參考性能數(shù)據(jù)

作用距離0～30 ,000m 角度測(cè)量準(zhǔn)確度< ±110″ 分辨距離0.115m 角度覆蓋范圍180° 掃描角速度2°/ ms 角度偏轉(zhuǎn)范圍0～20°

連續(xù)波(GaA1As)激光器波長(zhǎng) 0185μm 連續(xù)波CO2 激光器波長(zhǎng) 1016μm 相位(GaA1As)激光器波長(zhǎng) 01905μm 峰值功率

15W 輸出功率

15mW 重復(fù)頻率

90pps(每秒鐘的周期數(shù))接收探測(cè)器 硅雪崩光電二極管 接收鏡孔徑 18～100mm

本文的相位測(cè)距數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)激光測(cè)距的工作原理及由激光測(cè)距原理繼而發(fā)展的相位式激光測(cè)距的原理，并參考在激光領(lǐng)域所做的相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。

廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（相位法激光測(cè)距的理論設(shè)計(jì)）

第四章 數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)改進(jìn)方法設(shè)計(jì)

相位法激光測(cè)距是利用發(fā)射的調(diào)制光與被測(cè)目標(biāo)反射的接收光之間光強(qiáng)的相位差所含的距離信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)距離的測(cè)量。由于采用調(diào)制和差頻測(cè)相技術(shù), 具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn), 廣泛用于有合作目標(biāo)的精密測(cè)距場(chǎng)合。激光相位式測(cè)距儀由于其測(cè)量精度高而被廣泛地應(yīng)用于軍事、科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)建設(shè)等領(lǐng)域。相位式測(cè)距儀的基本原理是通過測(cè)量連續(xù)調(diào)幅信號(hào)在待測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn) 生的相位延遲,來(lái)間接地測(cè)定信號(hào)傳播時(shí)間,從而求得被測(cè)距離.因此,信號(hào)相位測(cè)量的精度也就決定了激光測(cè)距儀的精度[6]。

測(cè)距儀相關(guān)檢測(cè)技術(shù)是信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域里一種重要工具,它能在低信噪比的情況下提取出有用的信號(hào),具有較強(qiáng)的抗噪聲的能力,如同頻域里的譜分析一樣,時(shí)域里的相關(guān)分析幾乎在信號(hào)的所有領(lǐng)域里都有應(yīng)用,例如圖像處理、衛(wèi)星遙感、雷達(dá)及超聲探測(cè)、醫(yī)學(xué)和通信工程等。

在此本文設(shè)計(jì)一種新型的激光相位式測(cè)距儀,它將現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于測(cè)距系統(tǒng),利用數(shù)字信號(hào)處理芯片的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算功能,對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字相關(guān)運(yùn)算,計(jì)算出測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的相位差,繼而得到距離值。

4．1 激光相位式測(cè)距的基本原理

傳統(tǒng)的相位法激光測(cè)距機(jī),為了提高測(cè)量精度,通常需要把激光調(diào)制頻率提高到幾十兆甚至幾百兆；為了增大量程,通常把激光調(diào)制頻率降低到幾兆甚至更低;為了提高測(cè)量相位的精度,通常把發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)與本振混頻進(jìn)行移相和鑒相測(cè)相。如要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度和大量程,則需要多組激光調(diào)制頻率,且隨著測(cè)量精度的提高,調(diào)制頻率會(huì)不斷的提高,這些對(duì)電路性能要求會(huì)越來(lái)越高,電路的復(fù)雜度也會(huì)隨之增大,各個(gè)信號(hào)之間的串?dāng)_會(huì)隨之嚴(yán)重,這給高精度激光測(cè)距機(jī)的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)很大的困難。為了克服這些困難,本文提出了一種把直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)相結(jié)合的激光測(cè)距方法,利用DSP強(qiáng)大的實(shí)時(shí)信號(hào)處理的特點(diǎn)和DDS 器件能在一定帶寬內(nèi)產(chǎn)生任意頻率的特點(diǎn),只需把調(diào)制頻率限制在10兆赫茲以內(nèi)就可以達(dá)到很高的測(cè)量精度和很大的量程,而且在工作量提供了一定的理論設(shè)計(jì)[6]。本文就其基本原理, 系統(tǒng)框圖和誤差分析

第四章 數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)改進(jìn)方法設(shè)計(jì)

做詳細(xì)的論述。

光以速度c 在大氣中傳播，在A、B 兩點(diǎn)間往返一次所需時(shí)間與距離的關(guān)系可表示為：L= ct/2。

上式中L ─— 待測(cè)兩點(diǎn)A、B 間的直線距離；c ─— 光在大氣中傳播的速度；t ─— 光往返A(chǔ)B 一次所需時(shí)間。由上式可知，距離測(cè)量實(shí)質(zhì)是對(duì)光在AB 間傳播時(shí)間的測(cè)量。由于對(duì)時(shí)間測(cè)量不夠精確，所以將對(duì)時(shí)間的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)相位差的測(cè)量。相位差的測(cè)量可以達(dá)到很高的精度，故而距離的測(cè)量也就達(dá)到了很高的精度[7]。

激光測(cè)距是用無(wú)線電波段的頻率,對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)定調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲,再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測(cè)定出光經(jīng)往返測(cè)線所需的時(shí)間,如圖4.1所示。

圖4.1 測(cè)距相位示意圖

Fig.4.1 range finder phase schematic drawing 相位式激光測(cè)距一般應(yīng)用在精密測(cè)距中。由于其精度高,一般為毫米級(jí),為了有效地反射信號(hào),并使測(cè)定的目標(biāo)限制在與儀器精度相稱的某一特定點(diǎn)上,對(duì)這種測(cè)距儀大多配置了被稱為合作目標(biāo)的反射鏡。

圖4.2為典型的模擬測(cè)相電路的原理圖[8]：

wо)t ] , E2 = Ecos[(ws

第四章 數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)改進(jìn)方法設(shè)計(jì)

經(jīng)成為一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域和獨(dú)立的學(xué)科體系，當(dāng)前已經(jīng)形成了有潛力的產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)，在現(xiàn)代光電通信中也得到十分廣泛和成功的應(yīng)用。

廣義來(lái)說，數(shù)字信號(hào)處理是研究用數(shù)字方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、變換、濾波、檢測(cè)、調(diào)制、解調(diào)以及快速算法的一門技術(shù)學(xué)科。但很多人認(rèn)為：數(shù)字信號(hào)處理主要是研究有關(guān)數(shù)字濾波技術(shù)、離散變換快速算法和譜分析方法。隨著數(shù)字電路與系統(tǒng)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也相應(yīng)地得到發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器的實(shí)用型式很多，大略可分為有限沖激響應(yīng)型和無(wú)限沖激響應(yīng)型兩類，可用硬件和軟件兩種方式實(shí)現(xiàn)。在硬件實(shí)現(xiàn)方式中，它由加法器、乘法器等單元所組成，這與電阻器、電感器和電容器所構(gòu)成的模擬濾波器完全不同[9]。

4.2.1 數(shù)字信號(hào)處理的主要研究?jī)?nèi)容

數(shù)字信號(hào)處理主要研究用數(shù)字序列或符號(hào)序列表示信號(hào)，并用數(shù)字計(jì)算方法對(duì)這些序列進(jìn)行處理，以便把信號(hào)變換成符合某種需要的形式。數(shù)字信號(hào)處理的主要內(nèi)容包括頻譜分析、數(shù)字濾波與信號(hào)的識(shí)別等。

數(shù)字信號(hào)處理中常用的運(yùn)算有差分方程計(jì)算、相關(guān)系數(shù)計(jì)算、離散傅里葉變換計(jì)算、功率譜密度計(jì)算、矩陣運(yùn)算、對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算、復(fù)頻率變換及模數(shù)和數(shù)值轉(zhuǎn)換等。很多數(shù)字信號(hào)處理問題，都可以用這些算法加上其它基本運(yùn)算，經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕M合來(lái)實(shí)現(xiàn)[10]。

4.2.2 測(cè)試信號(hào)數(shù)字化處理的基本步驟

隨著微電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，在工程測(cè)試中，數(shù)字信號(hào)處理方法得到廣泛的應(yīng)用，已成為測(cè)試系統(tǒng)中的重要部分。從傳感器獲取的測(cè)試信號(hào)中大多數(shù)為模擬信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理之前，一般先要對(duì)信號(hào)作預(yù)處理和數(shù)字化處理。而數(shù)字式傳感器則可直接通過接口與計(jì)算機(jī)連接，將數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算機(jī)（或數(shù)字信號(hào)處理器）進(jìn)行處理[11]。

(1)預(yù)處理是指在數(shù)字處理之前，對(duì)信號(hào)用模擬方法進(jìn)行的處理。把信號(hào)變成適于數(shù)字處理的形式，以減小數(shù)字處理的困難。如對(duì)輸人信號(hào)的幅值進(jìn)行處理，使信號(hào)幅值與A／D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍相適應(yīng)；衰減信號(hào)中不感興趣的高頻成分，減小頻混的影響；

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隔離被分析信號(hào)中的直流分量，消除趨勢(shì)項(xiàng)及直流分量的干擾等項(xiàng)處理。(2)A／D轉(zhuǎn)換是將預(yù)處理以后的模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，存入到指定的地方，其核心是A/V轉(zhuǎn)換器。信號(hào)處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)與其有密切關(guān)系。

(3)對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析和計(jì)算，可用數(shù)字運(yùn)算器件組成信號(hào)處理器完成，也可用通用計(jì)算機(jī)。目前分析計(jì)算速度很快，已近乎達(dá)到“實(shí)時(shí)”。

(4)結(jié)果顯示一般采用數(shù)據(jù)和圖形顯示結(jié)果。

4.2.3 數(shù)字處理信號(hào)的優(yōu)勢(shì)

數(shù)字信號(hào)處理能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代光電通信中，是因?yàn)镈SP與模擬信號(hào)處理相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)[12]：

(1)信號(hào)處理的動(dòng)態(tài)范圍大，有比模擬信大30dB的動(dòng)態(tài)范圍，因而有更高的精度。(2)數(shù)字信號(hào)處理僅受量化誤差和有限字長(zhǎng)的影響，處理過程不產(chǎn)生其它噪聲，具有更高的信噪比。

(3)具有高度的靈活性，能夠快速處理、緩存和重組，可以時(shí)分多用、并行處理，還可以靈活地改變系統(tǒng)參量和工作方式，并以利用系統(tǒng)仿真。(4)具有極好的重現(xiàn)性、可靠性和預(yù)見性。(5)算法具有直接的可實(shí)現(xiàn)性。

(6)對(duì)白噪聲、非平衡干擾和多徑干擾，可以有相應(yīng)的最佳化的實(shí)現(xiàn)方法去進(jìn)行特有的信號(hào)處理。

以上優(yōu)點(diǎn)是DSP(數(shù)字信號(hào)處理)在現(xiàn)代光電等通信中應(yīng)用的重要保證。

4．3 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)，是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)。和傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，他具有頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)變速度快、輸出相位連續(xù)、相位噪聲低、可編程和全數(shù)字化、便于集成等突出優(yōu)點(diǎn)。DDS將先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)與方法引入信號(hào)合成領(lǐng)域，成為現(xiàn)代頻率

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圖4.4 改進(jìn)的數(shù)字測(cè)相框圖

Fig.4.4 The improvement numeral measures the diagram

改進(jìn)的測(cè)量系統(tǒng)與原測(cè)量系統(tǒng)相比主要有以下區(qū)別：

1)主頻率信號(hào)與參考頻率信號(hào)都由直接數(shù)字頻率合成器(簡(jiǎn)稱DDS)產(chǎn)生，這種方法不僅輸出頻率的分辨率高，而且可以通過編程改變輸出頻率，很容易改變光尺,提高測(cè)距的精度。

2)經(jīng)過混頻、低通濾波器后的2 路信號(hào)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)，由DSP 控制在同一時(shí)刻啟動(dòng)2 路ADC 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并由DSP利用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)的方法測(cè)量相位差,得到距離值。

由于DSP 具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理特點(diǎn)和DDS 器件的寬帶特性,可將DSP 和DDS 結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)的一種新的激光測(cè)距方法。利用DSP 和DDS 器件產(chǎn)生一定帶寬范圍內(nèi)的任意頻率f ,在這任意頻率中,用一定的掃頻方法,找到相鄰的兩個(gè)使相位法激光測(cè)距的基本公式:L =mc/2f+Δφ/2πc2f 式中Δφ = 0的頻率fs1整和fs2整計(jì)算L[14]。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖為圖4.5所示。

圖4.5 基于DDS 和DSP 的激光測(cè)距機(jī)結(jié)構(gòu)圖

Fig.4.5 Based on DDS and DSP laser range finder structure drawing

415-廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（相位法激光測(cè)距的理論設(shè)計(jì)）

圖4.6 DSP 內(nèi)部的軟件流程圖 Fig.4.6 DSP interior software flow chart

4．5 數(shù)字相關(guān)檢測(cè)的原理及在本系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

互相關(guān)函數(shù)可以理解為2個(gè)信號(hào)的乘積的時(shí)間平均,這是一個(gè)很有用的統(tǒng)計(jì)量,一方面它可以用來(lái)了解2個(gè)未知信號(hào)之間的相似程度,或者2個(gè)已知信號(hào)的時(shí)間關(guān)系，另一方面它有很強(qiáng)的抗噪聲能力，這是因?yàn)樵肼曅盘?hào)的相關(guān)系數(shù)幾乎為零,在微弱信號(hào)中經(jīng)常使用相關(guān)檢測(cè)的方法提取有用的信號(hào)[16]。信號(hào)x(t)和y(t)的互相關(guān)函數(shù)的嚴(yán)格定義如下：

式中: T 是平均時(shí)間,如果x(t)和y(t)是周期為T0 的周期信號(hào),則只需要在它的1 個(gè)周期里作相關(guān)計(jì)算即可,即

, 通常直接稱為時(shí)差, T 為采樣時(shí)間間隔。

在本系統(tǒng)中為了分析方便, 先在模擬域中分析,由上面的分析可知經(jīng)過混頻器和低通濾波器輸出的信號(hào)分別為[17]：

E1 = Dcos[(wsw0)t + φ] + n2(t)。

式中: n1(t)和n2(t)分別是隨機(jī)噪聲干擾項(xiàng).由互相關(guān)的定義可知,信號(hào)E1 與E2 的互相關(guān)函數(shù)應(yīng)是φ的函數(shù),其表達(dá)式如下:

式中: T1 為差頻信號(hào)的周期,由于隨機(jī)噪聲的相關(guān)性較差,由式(1)可得： R12(φ)= DEcosφ/2。(2)由式(2)可知, 要想得到相位差φ, 必須要知道D 和E 的值, D 和E 的值受外界的干擾比大,所以相關(guān)運(yùn)算要做歸一化處理.。經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的2 路信號(hào)分別表示為：

E1(n)= Dcos[(wsw0)n T + φ] + n2(n T)。在數(shù)字域內(nèi)的相關(guān)函數(shù)為：

r12(φ)=1/N ∑E1(n)E2(n)。信號(hào)E1(n)和E2(n)的均方根值為：

除非輸入信號(hào)幅度非常小，否則FFT運(yùn)算結(jié)果可能導(dǎo)致溢出，為防止溢出的發(fā)生，F(xiàn)FT運(yùn)算提供了歸一化功能（可選擇），就是輸出結(jié)果被運(yùn)算長(zhǎng)度N所除。在FFT

71819300。

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