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硕士学位论文

基于 905nm 激光的目标跟踪系统研究

硕士研究生: 崔子浩
导师: 付石友教授
申请学位: 理学硕士
学科、专业: 光学
所在单位: 光电科学系
答辩日期: 2010 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:O439
:535

Dissertation for the Master’s Degree

THE RESEARCH ON LASER TRACKING
SYSTEM BASED ON 905nm

Candidate: Cui Zihao
Supervisor: Prof. Fu Shiyou
Academic Degree Applied for: Master of Science
Specialty: Optics
Department of Optoelectronics
Affiliation:
Science
Date of Defence: June, 2010
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文
摘要
激光跟踪系统因其跟踪精度高,抗干扰能力强在激光雷达技术中获得广泛
的应用。即便如此,目前广泛应用的基于固体激光器的跟踪系统因其
能量转化率低,对人眼威胁较大,直接影响了激光跟踪系统的实用性和安全
性。而基于的 CO2 激光器也因为其较大的体积以及对制冷设备的依赖
而受到了应用限制。激光跟踪系统应用于现代城市建设、野外工程规划、大型
机械对接定位、大型建筑变形监测等方面时,要求跟踪系统对人眼相对安全,
对能源的依赖性较低。与传统固体激光器相比,905nm 半导体激光器能量转
化率高,其激光对人眼相对安全,弥补了传统跟踪系统的不足。针对这一特
点,本文设计了一套基于 905nm 半导体激光器的激光跟踪系统,并在指示系
统、跟踪系统以及系统性能方面进行了研究。
本文对激光跟踪的工作原理、激光跟踪过程进行了研究,对探测精度、跟
踪性能有重要影响的大气湍流、系统噪声也做了详细分析;并寻找到了解决问
题方案,为系统的设计打下理论基础。对四象限探测器做了深入的研究,对其
结构、算法、进行了分析和比较。分析了光斑大小对系统稳定性的影响。
半导体激光器体积小、能耗低、寿命长,但激光光束发散角较大,通过软
件设计一套简单实用的激光光束准直系统。利用两个相互垂直的柱透镜对激光
光束质量进行校正,使其能够满足激光跟踪系统对指示光光斑质量的要求。
通过对跟踪系统原理的分析,利用 905nm 半导体激光器作为指示光源,
设计制作了一套较精确的四象限光电定位跟踪系统,并对系统的跟踪噪声进行
了分析和统计,提出了解决方案。实验验证了解决方案的可行性。
通过对实验数据的处理和分析,证明该跟踪系统不但体积小而且精度较
高,稳定工作时间长,跟踪效果较好,跟踪误差<。整个系统对移动目
标也有较好的跟踪能力。通过移动指示光源的方法来测试跟踪系统的跟踪速
度,当探测器与目标距离 8m 时,指示光移动速度可达 15cm/s 而不丢失目
标,跟踪角速度约。利用 VB 编写了跟踪控制界面,拥有良好的人机交
互界面,对激光跟踪系统在人口密集区域的应用提供的一定参考价值。
实验证明,该系统不但体积小、对人眼威胁小,同时具有较高的跟踪精
度,拥有较好的应用前景。

关键词:激光技术;四象限光电检测;905nm;激光跟踪
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哈尔滨工业大学理学硕士学位论文
Abstract
Laser tracking system has been widely used in laser rader technology, because
of its high tracking preeision and storng anti-interference. Even so, the system
based on the solid-state laser is not applied en