高精度高重频脉冲激光测距系统
高精度脉冲式激光测距系统的设计
冲式激 光 测 距 系 统 进 行 了 整体 方 案 设 计 ，由 Ｔ Ｄ Ｃ ． Ｇ Ｐ ２ ２ 高精度 时间测量 芯片 、Ｓ Ｔ Ｍ ３ ２单 片机 、发 射 电 路及 接收电路等几 部分构成 。基 于理论分析 ，设计实 验内容和实验方案 ，按照实验 的步骤分别设计硬件 和 软件 ，在大量实验数据分析 的基础下 ，最终验证该方 案 的可行性 ，满足要求 的技术指标 。
Ｔ Ｉ Ａ Ｎ Ｈａ ｉ ｊ ｕ ｎ ， Ｙ Ａ Ｎ Ｇ Ｔ ｉ ｎ ｇ ， Ｚ Ｈ Ａ ｏ ｆ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ａ ｓ ｔ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｃ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｊ ｉ ｌ ｉ ｎ Ｊ ｉ ｌ ｉ ｎ １ ３ ２ ０ ０ ０ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
提高脉冲激光飞行 的时间测 量精 度 ，采用 时间数 字转换 芯片 Ｔ Ｄ Ｃ ． Ｇ Ｐ ２ ２ ，单片机通过 Ｓ Ｐ Ｉ 接 口技 术读 取测量结果 ，经单片机 处 理后的数据 传给 Ｌ Ｃ Ｄ１ ２ ８ ６ ４显示器 。测试结果表明 ：该测量方法精度达到 ６ ５ ｐ ｓ ，可以满足工业领域 的要求 。
前测量距离 中比较理想的仪器。在 国内外 ，激光测距 应用在激光雷达 、航 空遥控 、数字检测通信 、地形测 量 、跟踪导弹轨迹 等领域 中。在工业生产过程 中 ，有 许 多地方需 要对高 度 、宽度 、距离 、长度等进行精确
测量 。文 中采用德 国 Ａ Ｃ Ａ Ｍ公司生产的 Ｔ Ｄ Ｃ — Ｇ Ｐ ２ ２芯
２ ０ １ ７年 ２月
机床与液压
ＭＡＣＨＩ ＮＥ ＴＯ０Ｌ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ Ｉ ＣＳ
Ｆ ｅ ｂ． ２ ０１ ７ Ｖｏ １ ． ４５ Ｎｏ ． ３
高精度脉冲激光测距电路的研究
提高度脉冲激光测距高精的方法研究一、概述激光测距因其主动性、准直性以及相干性等特广泛应用于激光雷达、激光制导、激光近距探测军事及民用领域。
激光测距的基本原理是通过对脉冲往返于测距仪和被测目标之间的传播时间检测来实现距离的测量的。
传统激光脉冲计数法测距的测量精度不高，一般为分米量级，大大地限制了在这样的情况下，虽然可以引入数字/模拟内插术，将待测量时间进行放大处理，或进多周期的统计平均测量，但这些处理方式较为复杂，而且单次测量时也很长，不利于激光测距机的高精度、小型化、轻量化的发展方向，大大限制了这类仪器的使用范围。
为克服传统脉冲激光测距中存在的提高测距精度和缩短测量时间两者之间的矛盾，本文提出了基于恒比值时点判别技术、光路系统误差修正补偿技术、高精度时间间隔测量技术相结合起来实现的一种中短距离高精度激光脉冲测距方法，该方法比传统脉冲重复频率测量方法具有更高的测量精度和更快的测量速度，并且有效摆脱了时间间隔测量能力对测距精度的根本限制。
二、脉冲激光测距原理脉冲测距仪发射出的激光激光据脉冲，经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间t，光速c 和往返时间t 的乘积的一半，即：D=（C.t）/2测距仪系统组成图三、影响测距精度的主要因素及解决方法3.1、激光回波脉冲幅度对测距精度的影响及解决方法3.1.1 激光回波脉冲幅度对测距精度的影响分析在脉冲式激光测距系统中，整个接收部分要完成的功能是将光学脉冲转换为电压幅度信号，并且提取准确的时间鉴别点，以便进行时间间隔测量。
目前常用的方法是，时间鉴别点从脉冲信号的边沿鉴别，这种前沿鉴别技术是通过脉冲前沿与一恒定阈值电压进行比较而触发形成接收脉冲信号。
如果脉冲信号幅度变化，时间鉴别点的位置也将变化，从而产生相位误差从而影响测距精度在不考虑信号饱和引起的延时误差外，实际上，接收信号的幅度主要依赖于测量距离，目标的反射率及目标的角度。
即这个动态的范围依赖于具体的应用，很可能是1：1000或是更高，此环节由回波信号前沿（15-20ns）对测距精度的影响如下图所示(v1为触发阈值)。
脉冲激光测距高精度计时系统的设计
脉冲激光测距高精度计时系统的设计
纪荣祎;赵长明;任学成;曹旭
【期刊名称】《工矿自动化》
【年(卷),期】2010(036)008
【摘要】提出了一种应用于脉冲激光测距的高精度计时系统的设计方案,重点介绍了系统的硬件组成和控制程序设计.该计时系统以16位微控制器芯片
MSP430F149为硬件基础,使用基于延迟线原理的专用计时芯片TDC-GP2作精密计时,实现了对时间间隔的精密计时和对计时数据的提取、显示和保存功能.由时间间隔测量实验结果可知,该系统的计时精度可达100 ps,可实现厘米级精度且高重频的脉冲激光测距,具有广阔的应用前景.
【总页数】5页(P18-22)
【作者】纪荣祎;赵长明;任学成;曹旭
【作者单位】北京理工大学光电学院,北京,100081;北京理工大学光电学院,北京,100081;北京理工大学光电学院,北京,100081;北京理工大学光电学院,北
京,100081
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.脉冲激光测距系统中高精度时间间隔测量模块的研究 [J], 吴刚;李春来;刘银年;戴宁;王建宇
2.基于PSD器件的脉冲激光三角法测距系统设计 [J], 吴寅虎
3.脉冲激光测距中高精度时间间隔系统设计 [J], 田海军;杨婷;赵杨辉
4.低测量误差脉冲激光测距系统设计 [J], 陈昭;刘继勇
5.基于PSD器件的脉冲激光三角法测距系统设计 [J], 吴寅虎
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高精度激光脉冲测距技术
展 激 光脉 冲快速 扫描 测距 积 累 了经验 。 关键 词 ：激 测 ； 时 间 间隔测量
中 图分 类 号 ： Ｎ ４ Ｔ ２９ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ — ２ ６ ２ １ ）８ １６ — ５ ０ ７ ２ ７ （０ １０ — ４ ９ ０
第４ ０卷 第 ８期
Ｖｏ１ Ｏ８ ． Ｎ ． ４０
红 外 与 激 光 工 程
Ｉ ｆａ ｅ ｎ ｓ ｒ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｎ ｒ ｄ ａ ｄ Ｌａ ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｒ
２１ ０ １年 ８ 月
Ａｕｇ． ２０１１
高精 度 激 光 脉 冲 测 距 技 术
李 密 ， 宋影松 ， 虞 静， 李春领 ， 唐 丹
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｌａ ｅ ｄ ｓａ ｅ ｓｒ ｃ ： ｓ ｒ ｉｔｎｃ ｍ ｅ ｓ ｒｎ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｉ ａ ｉ ｏ ｔｎ ｉ ｆｕ ｎ ｅ ａ ｔ ｒ ｏ ｔｅ ｃ ｐ ｂｌｔ ｏ ａ ｕ ｇ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｓ ｎ ｍｐ ｒａ ｔ ｎ ｌ ｅ ｃ ｆ ｃｏ ｔ ｈ ａ ａ ｉ ｙ ｆ ｉ ｉ ＬＩ Ｒ． Ｉ ｓ ｅｙ ｍ ｐ ｒａ ｔ ｔ ｄ ｖ ｌ ｐ ｈ ｇ ｒ ｃ ｓｏ ｌｓ ｒ ｉｔｎ ｅ ＤＡ ｔ ｖ ｒ ｉ ｏ ｔｎ ｏ ｅ ｅｏ ｉ ｈ ｐ ｅ ｉｉ ｎ ａ ｅ ｄ ｓａ ｃ ｍ ｅ ｓ ｒｎ ｓ ｓｅ ｔ ｉ ｒ ｖ ｔｅ ｉ ａ ｕ ｇ ｙ ｔｍ ｏ ｍｐ ｏ ｅ ｈ ｉ ｃ ｐａ ｉ ｔ ｏ ＬＩ ａ ｂ ｌ ｙ ｆ ＤＡ Ｒ． Ｔｈ ｅ ｐ ｒｍ ｅ ｔ ｆ ａ ｅ ｐ ｌｅ ｉｔ ｎ ｅ ｉ ｅ ｘｅ ｉ ｎ ｏ ｌｓ ｒ ｕ ｓ ｄ ｓａ ｃ ｍｅ ｓ ｒｎ ｗａ ｃ ｒｉｄ ｕ ， ａ ｄ ｅｅ ｎ ａｕ ｇ ｉ ｓ ａｒｅ ｏ ｔ ｎ ｒ ｌｖａ ｔ ｒ ｓ ａ ｃ ｏ ｗｅ ｋ ｉｈ ｄ ｔｃｉ ｇ ｎ ｔｍ ｅ ｎ ｅｖａ ｍ ｅ ｓ ｒｎ ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｗｅ ｅ ｔｒｅ ｔｅ ｔ ｅ ａ ｅ ｅｅ ｒｈ ｎ ａ ｌｇ ｔ ｅｅ ｔｎ ａ ｄ ｉ ｉ ｔｒ ｌ ａｕ ｇ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｉ ｒ ｓａ ｔｄ ｈ ｎ ｈ ｌｓ ｒ ｄｓａ ｃ ｅ ｓ ｒｎ ｅ ｐ ｒｍ ｅ ｔｐ ａｆ ｒ ａ ｄ ｍ ｅ ｓ ｒｎ ｑ ｉｍ ｅ ｔ ｒ ｅ ｔｂ ｉｈ ｄ．Ｈｉｈ ｐ ｅ ｉｉ ｎ ｌｓ ｒ ｉｔｎ ｅ ｍ ａ ｕ ｇ ｘ ｅ ｉ ｉ ｎ ｌｔｏ ｍ ｎ ａ ｕ ｇ ｅ ｕｐ ｉ ｎ ｓ ｗｅ ｅ ｓａ ｌｓ ｅ ｇ ｒ ｃ ｓｏ ａ ｅ
高频相位激光测距系统的高精度鉴相
第 31 卷第 15 期2023 年 8 月Vol.31 No.15Aug. 2023光学精密工程Optics and Precision Engineering高频相位激光测距系统的高精度鉴相孟语璇1，2，董登峰1，2*，周维虎1，2，纪荣祎1，2，朱志忠1，2（1.中国科学院微电子研究所，北京 100029；2.中国科学院大学，北京 101408）摘要：相位测距是一种非常重要的绝对测距手段，是大尺寸精密测量的重要保障。
提高激光调制频率并采用高性能器件实现高频采样分析是提升相位激光测距精度最有效的方式之一。
针对高性能器件的最大采样频率总是受限，难以满足高调制频率采样的难题，分析验证了欠采样方法用于相位测距的可行性，同时仿真分析了全相位傅里叶频谱分析法（all-phase Fast Fourier Transform，apFFT）提高鉴相精度的优势。
在此基础上，提出“欠采样+ apFFT”的方法，并构建了激光相位测距的鉴相系统。
当调制频率为201 MHz，欠采样频率为100 MHz时，系统鉴相精度高于±0.04°，对应的测距精度为±0.08 mm。
实验结果表明，基于“欠采样+apFFT”的相位测距方法具有高精度、抗干扰能力强等优势，在科学研究与工程应用中具有重要价值。
关键词：相位测距；欠采样；全相位频谱分析法；高精度；鉴相系统中图分类号：TN249；TH711 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233115.2193High-precision phase discrimination for high-frequency phaselaser ranging systemMENG Yuxuan1，2，DONG Dengfeng1，2*，ZHOU Weihu1，2，JI Rongyi1，2，ZHU Zhizhong1，2（1.Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029， China；2.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 101408， China）* Corresponding author， E-mail： dongdengfeng@Abstract：Phase laser ranging is an important means of absolute ranging and an important guarantee for large-scale precision measurement. One of the most effective ways to improve the precision of phase laser ranging is to increase the laser modulation frequency and use high-performance devices to achieve high-fre⁃quency sampling analysis. However， the maximum sampling frequency of high-performance devices is lim⁃ited. To solve the problem that existing devices have difficulty in the sampling of high modulation frequen⁃cies， the feasibility of an undersampling method for phase ranging was analyzed and verified. The advan⁃tages of all-phase fast Fourier transform （apFFT） analysis was examined to improve the precision of phase laser detection. Based on this idea， the method of undersampling and apFFT was developed， and a phase detection system for laser phase ranging was constructed. When the modulation frequency is 201 MHz and the undersampling frequency is 100 MHz，the system phase discrimination accuracy is higher than 文章编号1004-924X（2023）15-2193-10收稿日期：2023-02-13；修订日期：2023-03-13.基金项目：国家重点研发计划资助项目（No.2020YFB1710500，No.2019YFB2006100）；国家高质量发展专项（No.TC220H05T）第 31 卷光学精密工程±0.04°， and the corresponding ranging accuracy is approximately ±0.08 mm. The experimental results show that the phase ranging method based on undersampling and apFFT has the comprehensive advantag⁃es of high accuracy and strong anti-interference ability， making it valuable for scientific research and engi⁃neering applications.Key words： phase ranging；under-sampling；all-phase fast fourier transform；high precision；phase dis⁃crimination system1 引言相位式激光测距技术具有响应快、量程大、抗干扰能力强、精度高等优点，被广泛应用于航空、航天、船舶和机器人等大型装备制造领域［1-6］。
脉冲激光测距系统的原理
脉冲激光测距系统的原理脉冲激光测距系统是一种利用激光脉冲测量目标物体距离的技术。
该系统通过发射一个短暂而高能量的脉冲激光束，并测量从发射到接收激光返回的时间来计算目标物体距离。
下面将详细介绍脉冲激光测距系统的原理。
脉冲激光测距系统由脉冲激光发射器、接收器、时钟计时装置和信号处理系统等组成。
首先，脉冲激光发射器发出一个高能量的短脉冲激光束，传输至目标物体表面。
随后，激光束与目标物体表面发生相互作用，部分激光能量被反射回来。
接收器接收到反射的激光，并将其转换为电信号。
接收器中的光电探测器负责将反射的激光转化为电信号。
光电探测器通常使用光电二极管或光电倍增管等设备，能够将光能有效地转化为电能。
收到的电信号的强度与激光的入射能量和目标物体的反射特性有关。
时钟计时装置用于记录从激光发射到接收激光返回的时间。
它通常使用高精度的计时器或时钟来测量发射和返回激光之间的时间间隔。
通过计算时间间隔，可以确定激光从发射到返回的时间，从而计算出目标物体与测距系统之间的距离。
信号处理系统负责处理接收到的电信号，并计算目标物体的距离。
该系统通常包括放大器、滤波器和模数转换器等设备，用于放大、滤除噪声和数字化电信号。
信号处理系统还可以对接收到的信号进行分析和处理，例如提取出激光返回的特征信号，通过波形分析等方法计算出目标物体的距离。
脉冲激光测距系统的原理基于光信号的传播速度恒定不变，光在真空中的传播速度约为每秒299,792,458米。
因此，通过测量激光发射和反射之间的时间间隔，可以计算出目标物体与测距系统之间的距离。
根据光的速度，时间间隔可以通过以下公式计算：距离= （光速×时间间隔）/ 2其中，时间间隔是激光从发射到返回的时间。
由于激光在往返过程中需要通过大气中的空气等介质，因此通常需要考虑激光在介质中传播速度的影响。
综上所述，脉冲激光测距系统通过发射和接收激光束，并测量激光返回的时间间隔，可以计算出目标物体与测距系统之间的距离。
脉冲式激光测距系统设计.
脉冲式激光测距系统设计摘要本文通过对高精度脉冲式激光测距系统的研究，并在参照课题技术指标的基础上，旨在提供一种高精度脉冲式激光测距系统的解决方案，并对脉冲式激光测距仪系统设计中所涉及的脉冲读取与放大电路、时刻鉴别、时间间隔测量等关键技术进行了深入的研究和探讨。
本论文详细讨论了一种可实现高速激光测距的接收电路和计时电路。
实验系统采用APD作为光电传感器，将激光脉冲信号转变为微弱电流脉冲，经过两级放大后，信号变为幅度较大的电压脉冲，经过时点鉴别电路分别确定计时起点和终点后，由计时电路来精确测量两个时间点之间的时间间隔。
关键词:脉冲激光测距，时刻鉴别，TDC-GP2，传递延时，APDPulse laser rangefinder system designAbstract：A high-precision pulse laser rangefinder solution is proposed in this paper through the research of high-precision pulsed laser rangefinder system on the basis of referring to the subject technical indexes. Besides, some key technology involved in pulse laser range finder system design such as pulse reading, amplifying circuit, timing discrimination, time-interval measurement, etc, have been researched and discussed in depth.A type of receiver circuit and timing circuit which can be applied in high-speed laser range- finder is discussed in this paper. After two-level amplification we got a voltage pulse that had a enough amplitude to be applied，the timing point was discriminated by the constant-fraction timing discriminator circuit.Key words: Pulsed Laser Rangefinder,Timing Discrimination,TDC-GP2,Propagation delay,APD目录1 绪论 (1)1.1 课题研究的背景意义 (1)1.2 激光测距机的发展状况 (1)1.3 论文研究的目的、内容 (2)2 脉冲激光测距及测距方程 (3)2.1 脉冲激光测距基本原理 (3)2.2 脉冲激光测距性能方程 (3)2.2.1 脉冲激光测距的测距方程 (3)2.2.2脉冲激光测距的信噪比方程 (7)2.2.3 脉冲激光测距仪的测距性能指标 (10)2.3 激光脉冲飞行时间法的关键技术 (13)2.3.1 时间间隔的测量 (13)2.3.2 起止时刻时间鉴别技术 (13)2.3.3 回波信号探测技术 (14)2.4 激光测距系统结构 (16)2.5 本章总结 (17)3 脉冲激光测距系统激光发射、接收电路设计 (18)3.1 半导体激光器简介 (18)3.2 发射单元电路图 (18)3.3 光电检测传感器的选择 (19)3.4 PD接收单元电路设计 (21)3.5 APD接收单元电路设计 (22)3.5.1 APD反向偏压发生电路 (22)3.5.2 电压控制反馈电路 (25)3.5.3 APD反向偏压发生电路整体 (26)3.5.4 放大电路 (26)3.5.5 定比例时点判别法的原理 (27)4 脉冲激光测距计时电路 (29)4.1 时间数字转换法 (29)4.2 基于 TDC-GP2 高精度时间间隔测量模块设计 (29)4.2.1 TDC 工作原理及功能描述 (29)4.2.2 TDC-GP2 硬件电路设计 (30)4.2.3 TDC-GP2 系统硬件程序设计 (32)4.2.4 TDC-GP2 测量控制流程 (33)5 总结 (36)参考文献 (37)致谢 (40)1 绪论1.1 课题研究的背景意义在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。
高精度激光测量系统设计与实现
高精度激光测量系统设计与实现激光测量是一种通过测量光束的特性来获取目标物体相关数据的技术。
高精度激光测量系统设计与实现是一个复杂的过程，需要综合考虑光学、检测和系统控制等方面的知识。
本文将介绍高精度激光测量系统的设计和实现步骤。
一、需求分析在设计高精度激光测量系统之前，首先需要进行需求分析。
需求分析的目的是明确测量系统要实现的功能和性能要求。
根据不同的应用场景和需求，我们可以确定测量系统的精度、测量范围、测量速度等参数。
二、激光器选择在高精度激光测量系统中，激光器是一个关键组件。
激光器的选择应根据需求分析的结果和实际情况进行。
常见的激光器有氦氖激光器、二极管激光器、固体激光器等。
不同类型的激光器有不同的特性和输出功率，需要根据实际需求进行选择。
三、光学系统设计光学系统是高精度激光测量系统中的另一个重要组成部分。
光学系统的设计要根据具体应用场景进行选择。
光学系统包括激光发射器、光束形状调整器、光学透镜和光电探测器等组件。
通过适当的设计和优化，可以提高激光测量系统的精度和稳定性。
四、探测器选择探测器是用于接收和转换光信号的装置，对于高精度激光测量系统的性能起着关键作用。
常见的探测器有光电二极管（PD）、光电倍增管（PMT）和CCD等。
不同类型的探测器有不同的响应速度和噪声水平，需要根据实际需求进行选择。
五、系统控制系统控制是高精度激光测量系统中一个重要的环节。
系统控制包括激光调节、光路调整、数据采集和信号处理等过程。
合理的系统控制可以提高激光测量系统的稳定性和精度。
通常，我们可以使用微控制器或者计算机来实现系统控制。
六、误差分析和校正在实际应用中，高精度激光测量系统难免会出现误差。
误差分析和校正是确保测量系统精度的关键步骤。
通过对系统的误差源进行分析和校正，可以提高激光测量系统的准确性。
七、系统性能评估在完成系统设计和实现后，需要对系统的性能进行评估。
系统性能评估可以用来检验系统是否满足需求分析中的要求。
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第40卷第8期红外与激光工程2011年8月Vol.40No.8Infrared and Laser Engineering Aug.2011高精度高重频脉冲激光测距系统纪荣祎，赵长明，任学成(北京理工大学光电学院，北京100081)摘要：在三维激光扫描探测系统中，激光测距的测量重频和测量精度是影响整个系统性能的关键参数。
介绍了三维激光扫描探测系统的工作特点，设计了一种以Nios II嵌入式软处理器为核心的高重频、高精度脉冲激光测距系统。
通过分析影响测量重频和测距精度的因素，采用双阈值时刻鉴别方法进行计时起止时刻的鉴别，使用TDC-GP2高精度时间间隔测量芯片进行精密计时，设计了基于Nios II嵌入式软处理器的计时控制系统以提高测量重频。
实验结果表明：实现了测量重频为20000次/s、测距精度为3cm的激光测距。
与传统的单片机控制的计时系统相比,该系统不仅测量重频和测量精度高，且具有更好的可扩展性和灵活性。
关键词：脉冲激光测距；精密时间测量；三维激光扫描；Nios II中图分类号：TN247文献标志码：A文章编号：1007-2276(2011)08-1461-04High precision and high frequency pulse laser ranging systemJi Rongyi,Zhao Changming,Ren Xuecheng(School of Photoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China)Abstract:In three-dimensional(3D)laser scanning detection system,the measurement repetition rate and measurement precision of laser ranging are the key parameters affecting the performance of the whole system.The work characteristics of3D laser scanning detection system were introduced,and a high repetition rate and high measurement precision pulse laser ranging system based on the Nios II soft-core was designed.According to the analysis of the factors which affected the repetition rate and precision of range measure,the double-threshold time discriminator was adopted to produce timing mark for the start-stop time discrimination,and the TDC-GP2high-precision interval measuring chip was used to achieve high precision on time measure.In addition,the time measure control system based on the Nios II soft-core was designed to improve the measurement repetition rate.Experimental results show that the measurement repetition rate of20000/s and the ranging precision of±3cm are pared with the traditional MCU time measure control system,the designed system owns the advantages of high repetition rate and high measurement precision,furthermore,it is more expandable and flexible.Key words:pulse laser ranging;high precision time measure;3D laser scanning;Nios II收稿日期：2010-12-18；修订日期：2011-01-17基金项目：国防科技工业技术基础科研项目(J172009C001)作者简介：纪荣祎(1984-)，男，博士生，主要从事三维扫描激光探测系统的研究。
Email:xiaoxiao8673@。
导师简介：赵长明(1960-)，男，教授，博士生导师，博士，主要从事新型激光器件与技术、光电子信息技术与系统方面的研究工作。
Email:zhaochm1@红外与激光工程第40卷0引言三维激光扫描是一种基于激光精密测距的主动式三维信息获取技术，是获取空间数据的重要技术手段。
与传统的测量手段相比，它具有独特的优势：数据获取速度快，实时性强；数据量大，精度较高；主动性强，能全天候工作；全数字特征，信息传输、处理容易。
同时，三维激光扫描技术可以深入到恶劣的环境及空间中进行扫描操作，在工业、国防、医学等领域中广泛应用[1]。
三维激光扫描仪获取目标信息需要进行以下操作：在计算机的控制下，发射激光脉冲对三维物体的表面进行扫描测距，根据获得的距离点阵信息生成被测物体表面的三维图像，快速重构出目标的三维模型以及线、面、体、空间等各种制图数据。
三维激光扫描技术具有高精度测距和快速扫描的工作特点，需要对目标表面进行大量高精度的点测距工作。
因此，高精度和高重频的激光测距技术的研究是开发三维激光扫描系统的关键。
1测距原理脉冲激光测距利用测量脉冲激光的飞行时间来测量目标的距离，其原理如图1所示[2]。
图1脉冲激光测距系统简图Fig.1Main configuration of pulse laser ranging system图中，激光发射机向目标发射激光脉冲，同时由光学方式(探测发射的脉冲信号)或电学方式(LD驱动信号)确定发射时间，生成起始信号，开启TDC计时。
探测器接收被目标反射回的激光脉冲，在接收通道生成停止信号，停止TDC计时。
TDC模块测量起止信号的时间间隔t，可得目标距离R为：R=12ct(1)由公式式1可知，目标距离R的测量精度由时间间隔t的测量精度决定。
2系统组成2.1系统整体设计为了实现高精度和高重频的激光测距，文中设计了基于Nios II处理器的激光测距系统，其硬件结构如图2所示。
在Nios II控制系统中，由脉冲产生模块产生驱动脉冲信号，驱动脉冲发射机发射激光脉冲信号，同时，由驱动信号产生计时开始信号，启动TDC芯片开始计时。
目标返回的脉冲回波信号由接收通道接收，经过放大和时刻鉴别，产生计时停止信号，结束时间间隔测量。
Nios II控制系统的SPI接口模块控制计时芯片工作，读取计时数据并进行数据格式转换，并把处理过后的数据通过USB接口模块传递给上位PC机。
控制系统中使用的Nios II处理器是ALTERA 公司开发的基于SOPC嵌入式系统的32位RISC处图2系统结构及Nios II内核设计框图Fig.2System structure and kernel design of Nios II 1462第8期理器；选用ALTERA公司的Cyclone II EP2C8作为实现Nios II系统设计和生成的硬件芯片；利用SOPC Builder设计软件生成SOPC系统。
2.2高精度时间测量的实现由脉冲激光测距原理可知，测距误差源于飞行时间的测量误差，飞行时间的测量是由起止信号控制的时间间隔测量电路完成的。
因此，减小起止时刻的鉴别误差和时间间隔测量误差，是提高测距精度的主要途径。
使用传统的前沿时刻鉴别法时，由于漂移效应，给前沿定时带来较大的定时误差[3]。
降低鉴别阈值是减少漂移误差的有效措施，但鉴别阈值的减少会引起噪声误触发。
为此，系统使用一种双阈值鉴别方法，如图3所示[4]。
低阈值用来做定时鉴别，高阈值用来排除噪声信号。
为了使高、低阈值鉴别出来的信号能产生正确的时刻鉴别信号，将低阈值鉴别输出信号延迟，使得在符合电路中，高阈值信号能“包住”低阈值信号，输出时刻鉴别信号。
图3双阈值鉴别方法原理图Fig.3Principle of double-threshold leading edge discriminator利用双阈值时刻鉴别方法，选择合适的高、低阈值，可以最大限度地消除幅度效应引起的时间游动和噪声引起的时间抖动。
通过实验，当前放输出信号幅度为3.2~0.5V时，设置高阈值为400mV，低阈值为80mV，得到时刻鉴别的漂移误差和时间抖动误差约为70ps。
实现时间间隔测量的方法主要有脉冲计数法、时间-模拟量转化法和插入法[5]。
插入法的时间间隔测量精度最高，其中，延迟线插入法是通过信号在延迟线上的固定时延实现时间间隔的精确测量，同时得到高测量精度和高线性，具有测量范围大、线性好、测量精度高以及测量速度快的优点，综合性能最好[6]。
TDC-GP2芯片是德国ACAM公司设计的高精度时间数字转换芯片，采用延迟线插入法技术，其主要构架如图4所示。
图4TDC-GP2芯片计时部分内部结构图Fig.4Measurement unit framework of TDC-GP2该芯片有两种测量模式：测量模式1的测量范围为3.5ns~1.8μs，两个Stop通道共用一个Start通道，每个通道的典型分辨率为65ps，可进行4次采样，均可选择上升沿或下降沿触发；测量模式2的测量范围为2×T ref~4ms，只有Stop1通道对应Start通道，典型分辨率为65ps，有3次采样能力，可选择上升沿或下降沿触发[7]。
综上所述，TDC-GP2芯片可实现分辨率为65ps 的时间间隔测量，是实现脉冲激光测距时间间隔测量的理想器件。
2.3高重频测距的实现使用TDC-GP2进行激光脉冲测距时间间隔测量，需要通过SPI接口与TDC-GP2通讯，进行控制命令和计时数据的读写操作。
由SPI接口的读写时序和计时测量时序可知，进行一次时间间隔测量，各步骤操作使用的时钟周期如图5所示。
图5TDC-GP2时间间隔测量工作流程Fig.5Flow chart of timing measure by TDC-GP2使用MSP430单片机作为控制器，通过SPI接口控制TDC-GP2计时，当主时钟Mclk为8MHz时，由图5可知，从初始化到数据读取，最少共需要83μs。