基于光栅的激光测速仪设计

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1、清华大学2012届毕业设计说明书第一章绪论1.1研究的背景和意义光学多普勒效应是光学领域中具有广泛应用前景的学科分支之一。尤其是激光多普勒效应的研究更是具有极强的应用潜力。国际上，激光多普勒效应的研究工作开展较早。自激光出现后，国外学者相继提出并从事该领域的研究工作，在理论上取得了一定的进展。由于激光系统的复杂性、稳定性、造价及寿命的原因，曾经使这一研究项目的实用性受阻。随着半导体激光器的出现和产业化，给这一研究领域的实用化注入了无限的生机【1】。激光多普勒测速仪由于采用激光为光源，具有一些激光的特性，这也就是测速仪的优点，使得

2、无论是从精度到时间和空间上的分辨率都提高到一个量级，在科学的各个领域都是少不了的检测方法【2】。据市场调查，该项目在许多领域都有很大的市场。激光测速技术是目前交通管理方面研究的热点问题，随着汽车的普及率越来越高，我们更需要一种更有效的检测手段。自1960年美国T．H．Maiman博士制成世界上第一台激光器开始，激光优异的单色性、方向性和高亮度性就引起了人们的普遍关注。激光测速是从六十年代中期发展起来的，利用激光的单色性、能量高度集中的特点，用测频的方法直接测物体的速度。比起老式的雷达测速仪，最新的激光测速仪的性能有了明显的提高【

3、3】。激光测速主要是加强对超速车辆的监控，尤其是加强对高速公路超速行驶车辆的监控，及时纠正和查处超速驾驶的违法行为，预防和减少道路交通事故的发生。激光多普勒测速仪的研究项目属于激光测量技术范畴。它是以激光作光源，利用光射到运动物体上产生的多普勒效应，并使用一些特定的处理方法，实现对运动物体速度的测量。激光多普勒效应一方面是光学领域中具有广阔应用前景的学科分支之一，它不仅应用于军事激光雷达，而且也广泛应用于国民经济及科技领域。另一方面，随着电子技术的发展及半导体激光器的出现及产业化，给这一研究领域的实用化注入了生机。近年来无论从光

4、路设计还是在信号处理方面都有所创新，所以激光多普勒技术的研究又重新受到了重视。激光多普勒效应的研究具有极强的应用潜力。第42页共42页清华大学2012届毕业设计说明书目前，国外生产的测速系统一般为短程测速系统，均需要反射棱镜，测程一般在1-3km左右；如果采用多个反射棱镜作配合目标，测程可提高，有的可达5km以上。目前在国内销售的外国产品主要有：瑞士的徕卡系列、美国的YARDAGEPRO(雅而准)系列、美国Impulse激光测速仪以及日本的索肖全站仪系列。国外测速仪方面的最新发展主要有：一是自动目标跟踪测距测速仪，它可以在一定的

5、移动速度范围内自动跟踪配合目标，以实现单人测量；二是配合目标短程测距测速仪，它可以在没有反射棱镜作为配合目标的情况下，仅利用目标物对反射光的漫反射来实现目标距离的测量，因此其量程通常较短；三是用GPS接收机实现距离的高精度测量【4】。在国内，测绘仪器的研制开发和生产还处于一个较低层次水平上，光电测速仪的研制起步较晚，七十年代清华大学、北二光、常州二电等几家单位才开始研制。激光测速技术的发展始终围绕着提高精度，扩大测量范围，缩短测量时间和对人眼安全等方面展开。目前，市场上的手持式激光测距测速仪的工作物质主要有以下几种：工作波长为9

6、05纳米和1540纳米的半导体激光，工作波长为1064纳米的YAG激光。1064纳米的波长对人体皮肤和眼睛是有害的，特别是如果眼睛不小心接触到了1064纳米波长的激光，对眼睛的伤害可能将是永久性的。所以，在国外，手持激光测距测速仪中，完全取缔了1064纳米的激光。在国内，某些厂家还有生产1064纳米的激光测距测速仪。对于905纳米和1540纳米的激光测距测速仪，我们就称之为“安全”的。对于1064纳米的激光测距测速仪，由于它对人体具有潜在的危害性，所以我们就称之为“不安全”的，在实际应用中也尽量避免。在国内，目前比较成熟的技术是

7、LDV技术，然而LDV技术使用的仪器更为复杂，产品成本也很高，不能在短时间内全面普及【5】。本设计所介绍的激光多普勒测速技术是一种非接触式测量技术，它通过光栅探测物体表面散射或反射光与参考光的频移，可以得到运动物体的速度信息，具有极高的测量精度。从原理上讲，这种测速技术响应没有滞后，能跟得上物体的快速脉动【7】。它能覆盖很宽的速度范围，且测量不受物体压力、温度、密度、粘度等参数的影响，与传统的测速仪相比具有如下优点：非接触测量、空间分辨率极高、动态响应快、测量精度高、测量量程大。而与之相比，传统的激光测速仪价格较贵、耗电量大。因

8、此，无论从经济还是实用性方面考虑，研究这种装置更为简便、成本更加低廉的激光测速仪都是很有必要的。第42页共42页清华大学2012届毕业设计说明书在国内目前比较成熟的技术是LDV技术，然而LDV技术使用的仪器更为复杂，产品成本也很高，不能在短时间内全面普及。本设计