激光测距论文
基于PSD的高速激光距离传感器的信号检测与处理
华中科技大学硕士学位论文基于PSD的高速激光距离传感器的信号检测与处理姓名：莫伟申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：杨克成20080524摘要现代工业的飞速发展对距离测量提出了越来越高的要求。
与传统的测量手段不同，高速激光距离传感器可对高速运动中的目标进行非接触、短测程、高精度的距离测量，对于军事和民用范围内的应用都有着重要的研究意义。
本文对高速激光距离传感器的设计进行了论述。
以激光三角法测距作为理论基础，对其理论模型进行了讨论，详细分析了激光三角法的距离计算方法。
在此基础上，对比电荷耦合器件CCD和位置敏感器件PSD的特点和优势，选用PSD作为位置传感器。
根据PSD两极输出电流随光敏面上光斑位置不同而不同这一特点，对装置的信号检测和处理系统进行了深入分析和设计。
传统的PSD信号处理电路采用大量的模拟器件进行信号运算，电路复杂且精度不高。
本文对传统处理方式加以改进，采用数字化的方式对传感器进行设计。
信号检测和处理系统分为电源模块、前置放大电路、数据采集电路和单片机接口电路四个部分。
由于信号源输出信号为一个微弱信号，选定高精度线性电源模块为系统供电。
然后采用电阻结合集成运算放大器实现信号的I/V转换和前置放大。
模拟信号的数字化是系统的关键部分。
课题要求在1~1.5m处对探测目标实现精度为20cm的定距测量，根据这一指标计算选择12位高速A/D芯片实现数据采集。
单片机实现系统的总体控制，包括预置/探测状态选择、A/D控制、信号的计算和预警。
采用普通按键、发光二极管对单片机外围电路进行了设计。
改进传统的平均算法，提出新的算法实现了A/D控制和距离值的计算与预警。
在电路板的设计中采用光电耦合器件、铁氧体磁珠、旁路电容滤波等方式减小了噪声。
文章最后对传感器样机进行了实验分析。
实验采用不同颜色目标、不同光照条件作为对照，证实传感器样机能够完成1~1.5m处目标的定距测量；性能随目标反射率的增加而提高；背景光对探测的影响较小。
激光三角法测距原理研究
《激光三角法测距原理研究》摘要：文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）22-0242-03，对于激光三角法测距的原理的研究可以为激光三角法的实际测量提供良好的指导作用，本文在研究激光三角法测距的原理的过程中对激光三角法测距的已有光路与重要器件进行分析，找出各方案的特点吴博文冯国强摘要：激光三角法测距是一种以激光为光源的非接触式测量方法，其测量速度快、精度高，已被广泛的应用于工业生产检测领域。
本文首先介绍了激光三角法测距的基本原理;然后对不同的测量方案例如直射式和斜射式单点激光三角法测距进行系统的分析和比较;其次对各个测量方案的优缺点、各方案中采用的光电仪器的作用与优劣，以及影响激光三角法测量结果的因素与其解决方法进行了归纳和分析。
Abstract： Laser triangulation is a non - contact measuring method with laser as the light source. It has been widely used in the field of industrial production inspection. This paper first introduces the basic principle of laser triangulation method， and then analyzes and compares the different measurement schemes such as direct beam and oblique beam single point laser triangulation method. Secondly， the advantages and disadvantages of each measurement scheme， the functions and advantages and disadvantages of the photoelectric instruments used in each scheme，as well as the factors affecting the measurement results of laser triangulation method and their solutions are summarized and analyzed. Finally， an improved laser triangulation measurement scheme is designed and its feasibility and influencing factors are discussed. The development trend and prospect of laser triangulation are deduced.关键词：激光三角法;测距;直射式;斜射式Key words： laser triangulation;distance;direct type;oblique type中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）22-0242-030 引言随着工业的发展，与科学技术的进步，在一些领域对测量方面的要求越来越高越来越严格。
激光器技术在便携式仪器中的应用研究
激光器技术在便携式仪器中的应用研究激光器技术作为一项高科技技术，近年来在便携式仪器中的应用研究取得了长足的进展。
激光器技术的独特特性使得它成为制造高精度、高效率、小尺寸仪器的理想选择。
本文将介绍激光器技术在便携式仪器中的应用研究，并就其中的几个重要领域做简要的描述。
一、激光测距仪激光测距仪是一种利用激光器发射的激光束来测量距离的仪器。
它具有体积小、重量轻、测量精度高等特点，被广泛应用于建筑、工程测量等领域。
激光测距仪通过激光器发射激光束，经过物体反射后，通过接收器接收反射光，根据光的传播时间计算出距离。
激光测距仪在便携式仪器中的应用大大提高了测量的精确性和效率，为设计师们提供了更准确的测量数据，节约了时间和成本。
二、激光切割机激光切割机是一种利用激光束对材料进行切割的设备。
它具有高精度、高效率、无接触、无污染等特点，被广泛应用于金属加工、纺织、电子元器件等领域。
激光切割机采用高能量激光器发射激光束，通过对材料进行聚焦，使其形成高能量密度的光斑，从而将材料切割。
激光切割机在便携式仪器中的应用不仅提高了切割的精确性和速度，还减少了切割过程中对材料的损伤，为工业生产带来了巨大的便利。
三、激光雷达激光雷达是一种利用激光束进行测距和三维成像的设备。
它具有高分辨率、快速扫描、宽采样范围等特点，被广泛应用于地图绘制、障碍物检测等领域。
激光雷达通过激光器发射激光束，经过物体反射后，通过接收器接收反射光，并利用时差测量原理计算出距离。
激光雷达在便携式仪器中的应用使得它具备了高精度的测距和成像功能，为建筑测量、智能导航等领域提供了重要的技术支持。
四、激光投影仪激光投影仪是一种利用激光束进行图像投影的设备。
它具有高亮度、高对比度、色彩鲜艳等特点，被广泛应用于商业演示、教育培训等领域。
激光投影仪采用高功率激光器发射激光束，通过扫描控制系统将图像投射到特定位置。
激光投影仪在便携式仪器中的应用使得图像投影更加清晰、稳定，为商业演示和教育培训提供了更好的用户体验。
测绘工程论文激光雷达技术在测绘中的应用
测绘工程专业毕业论文激光雷达技术在测绘中的应用测绘工程专业毕业论文激光雷达技术在测绘中的应用概述：随着测绘技术的不断发展，激光雷达作为一种高精度、高效率的测绘工具，得到了广泛的应用。
本文将介绍激光雷达技术在测绘中的应用，并探讨其优势和发展趋势。
一、激光雷达技术简介激光雷达是一种利用激光测量距离、方位和高度的技术。
它利用激光束与目标物相互作用，通过测量激光的反射时间来计算目标物的距离。
激光雷达具有高精度、非接触式测量、高效率等特点，适用于各种测绘应用场景。
二、激光雷达在地形测量中的应用1. 地形数据采集激光雷达通过扫描地面并测量地面上各点的距离来获取地形数据。
与传统测量方法相比，激光雷达能够快速获取大量的高精度数据，大大提高了地形测量的效率和精度。
2. 地貌变化监测激光雷达可以周期性地对同一区域进行测量，通过比较不同时间点的地形数据，可以监测地貌的变化情况。
这对于土地利用规划、土地变动监测等方面具有重要的应用价值。
三、激光雷达在城市建设中的应用1. 建筑物三维建模激光雷达可以快速获取建筑物的三维点云数据，通过对点云数据进行处理和分析，可以生成高精度的建筑物三维模型。
这对于城市规划、建筑设计等方面提供了可靠的数据支持。
2. 道路测量与规划激光雷达可以对道路进行高精度的三维测量，可以获取道路的宽度、坡度、曲率等参数，为道路规划和设计提供准确的数据基础。
四、激光雷达在资源调查中的应用1. 森林资源调查激光雷达可以通过扫描森林并测量树木的高度、直径等参数，从而实现对森林资源的快速调查和评估。
这对于森林管理和防火工作具有重要的意义。
2. 水域测量与管理激光雷达可以通过测量水体表面的反射强度和形态，获取水域的波浪、流速等信息，对水资源的管理和保护起到关键作用。
五、激光雷达技术的优势和发展趋势激光雷达作为一种高精度、高效率的测绘工具，具有以下优势：1. 高精度：激光雷达能够实现亚厘米级的测量精度，提供了准确可靠的测绘数据。
激光测量技术及其在制造中的应用
激光测量技术及其在制造中的应用激光技术是一种高精度、高效率的现代制造技术。
其中，激光测量技术作为激光技术的一个重要分支，被广泛应用于制造行业中的检测、测量、加工等领域，成为制造的重要手段之一。
本文将介绍激光测量技术的基本原理、分类、应用场景和优缺点，以及它在制造中的应用。
一、激光测量技术的基本原理和分类激光测量技术是利用激光测量器(如激光测距仪、激光测角仪、激光干涉仪等)对被测物进行测量和检测的一种技术。
它基于激光的发射、传播、接收和处理，采用光学、电子、计算机等技术手段，实现对被测物特定参数的测量和检测。
激光测量技术依据测量参数的不同，可以分为以下几类：1.激光测距技术激光测距技术是利用激光脉冲(或连续波)发射器对被测物进行距离测量的一种技术。
它的测量精度高、适用范围广，可以应用于航空、军事、建筑、地质勘探、制造等领域。
2.激光测角技术激光测角技术是基于三角测量原理，利用激光束的反射、折射、干涉原理，测量两条光线之间的夹角的一种技术。
它主要应用于地质调查、建筑测量、机器制造等领域。
3.激光干涉仪技术激光干涉仪技术是一种多点、非接触式的测量技术。
它利用激光干涉原理，通过测量干涉条纹的变化，来获取被测物形貌、表面状态、位置等信息。
它主要应用于工业自动化、光学加工等领域。
二、激光测量技术的应用场景和优缺点1.应用场景激光测量技术广泛应用于以下领域：①制造业-用于精密加工、质量检测、测量分析等。
②建筑工程-用于测量建筑物高度、角度、布局等。
③环保-用于测量空气、水、土壤等物理、化学参数。
④地质调查-用于地形、地貌、构造及物理地质测量分析。
⑤医药-用于医学成像、医疗设备检测、临床医学等。
2.优缺点激光测量技术具有以下优点：①测量速度快、精度高、自动化程度高。
②测量范围大、测量不受与传统测量方法相比的测量距离限制。
③不会对被测物造成物理损伤，不影响被测物的表面状态。
④支持远程、无线传输，方便数据处理和存储。
光电传感器关于激光测距方面应用分析 3
题目：光电传感器关于激光测距方面应用分析学院：信息工程学院班级：B1409姓名：蔡沛华学号：0915140902光电传感器关于激光测距方面应用分析摘要: 激光传感器已经广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面，激光传感器正以自己独特的优势焕发勃勃生机,本文简单介绍了激光测距传感器工作的原理和应用。
关键字：激光测距、发展背景、生活应用、一、激光测距应用发展背景国内外在20世纪70年代初的一些测量仪器开始采用了激光技术。
世界上第一台激光器，是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于1960年，首先研制成功的，被称作柯丽达1型。
1971年，美国军方率先配置了AN/GVS-3型红宝石激光测距系统。
自此，各国军队逐渐配备了用于侦查的激光测距机，各种型号的激光测距装置相应得到了应用。
20世纪70年代，美国、俄罗斯等国的著名公司开展合作研究，其产品涉及工业、航天、海洋等多个方面。
经过多年不断探索，激光测距机更新了两代，已经研制更新到了第3代。
第1代激光测距系统是光电倍增管探测器和红外宝石激光器构成的。
但是由于占地面积广、重量重、耗费电量多等缺点而被第2代测距系统取代。
第2代激光测距系统采用近红外钕激光器（主要是Nd：YAG激光器）和PIN光电二极管或者雪崩光电二极管。
与第一代相比，第2代激光测距系统的耗电量和体积都小很多，因此得到了迅速发展。
到20世纪70年代，YAG激光器技术趋于成熟，将这种激光器应用于远程、中程、短程的激光测距雷达以成为一种趋势。
但是由于其对全天候测距精度低、兼容性差及损伤人眼的缺点，伴随着激光技术与电子技术的发展，逐渐被第3代激光测距系统所取代。
第3代激光测距系统相较于前两代而言有了十足的发展。
其结构采用对人眼安全的激光器，并用最新电子的技术。
并且体积小、耗电量少而精度更高。
西方国家开发出了用途不同的测距系统，有单光束激光测距系统、二维激光扫描式测距系统等。
其中，一维系统用于测量距离，二维系统用于扫描平面，监控一片区域，三维测距系统用于对空间的定位与三维轮廓测量等应用领域。
基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计
第42卷 第9期2021年9月激光杂志LASER JOURNALVol.42,No.9September,2021收稿日期:2021-01-24作者简介:李龙骧(1990-),男,工程师,硕士,研究方向:光电对抗㊂Email:edwardwanzi2009@基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计李龙骧,郭俊超,马世伟,韩耀锋,张 佳,吕 祥,穆让修西安应用光学研究所,西安 710065摘 要:为了满足高精度多目标激光测距的需求,设计了一种高精度激光脉冲测距电路㊂电路采用高分辨率的时间-数字转换芯片TDC-GP22测量脉冲时间间隔,同时采用STM32F051K8U6作为主控芯片,实现了对最多三个脉冲时间间距的高精度测量㊂根据TDC-GP22的特点,设计了激光测距的硬件电路以及其软件控制流程,在试验中发现问题,通过对这些问题进行的分析,对电路做出改进,使电路达到应用要求㊂实验结果表明,该电路测距稳定性高,测量精度可以到达1ns 以内,对应的距离小于0.15m ㊂关键词:脉冲激光测距;TDC-GP22;时间间距测量;高精度中图分类号:TN249 文献标识码:A doi :10.14016/ki.jgzz.2021.09.027Design of circuit for multi -target pulsed laser range finding based on TDC -GP 22LI Longxiang,GUO Junchao,MA Shiwei,HAN Yaofeng,ZHANG Jia,LV Xiang,MU RangxiuXi ’an Institute of Applied Optics ,Xi ’an 710065,ChinaAbstract :In order to meet the requirements of multi-target laser range finding with high precision,a high-preci⁃sion circuit is designed for pulsed laser range finding.The Time-to-Digital chip,TDC-GP22,is used for time interval measurement between pulses.Meanwhile,STM32F051K8U6is used as the main control chip and finally the high-pre⁃cision time interval measurement between pulses,which has three results at most,is achieved.According to the fea⁃tures of TDC-GP22,hardware and software of the circuit used for laser range finding are designed.Then problems ofthe circuit are found in experiments.Through the analysis of these problems,the circuit is improved to meet the re⁃quirements of application.Experimental results show that the circuit has high stability on range finding and the accura⁃cy of the measurement can reach below 1ns,which is corresponding to 0.15m.Key words :pulsed laser range finding;TDC-GP22;time interval measurement;high precision1 引言脉冲激光测距是通过时间测量模块来测量激光脉冲在发射点与被测目标点之间往返的时间间隔,以此来计算出发射点与目标点之间的距离[1]㊂相对于其他两种激光测距的方法 光子计数法和三角测距法,脉冲激光测距具有测距精度高㊁探测距离远㊁峰值功率高㊁对光源相干性要求低等特点,而广泛应用于工业㊁民用㊁航天㊁医疗等领域[2]㊂很多脉冲激光测距机都是对单个目标进行测量,计算激光发射时光电二极管采到的信号与探测器接收到最早到来的激光回波信号之间的时间间隔㊂本文中提到的多目标脉冲测距与单目标测距的原理基本相同,不同点在于,测距时,发射出的激光在其传播路径上,由于疏散角的影响,遇到距离不同的障碍物,而发生多次反射,被探测器接收到,探测电路把这些信号经过处理向控制端发送,即接收到的信号可以是多个脉冲,计算这些脉冲信号与发射时采集到的起始信号之间的时间间隔,经过公式换算就可以得到相应的多个目标的距离值㊂这种测距模式可以应用在对某目标的连续测距中,若目标前突然有其他小的物体出现,则可以通过这种模式进行对正确距离值的筛选,从而提高测距的准确性㊂由于脉冲激光测距是测量发射与接收脉冲信号之间的时间间隔,因此时间测量的精度决定了测距精度[3]㊂常用的测量方法有模拟法㊁数字法和数字插入法,其中延迟线数字插入法以其精度高㊁测量范围大的优点被广泛应用,这种方法可以用FPGA的内部延时单元实现,但是该单元容易受温度和工作电压的影响[4],一旦温度或者工作电压出现波动,测量的结果就会出现较大变化㊂设计时采用TDC-GP22芯片作为时间间隔测量芯片,该芯片内部采用延迟线插入技术[5],通过独特的校准及精确化技术,与利用FPGA内部延迟单元的方法相比,很好地降低了测量误差㊂2 TDC-GP22芯片简介TDC-GP22芯片是德国ACAM公司推出的一款专用的高分辨率时间-数字转换(Time-to-Digital Converter)芯片,其内部主要由脉冲发生器㊁数据处理单元ALU㊁时间数字转换单元TDC㊁温度测量单元㊁时钟控制单元㊁配置与结果寄存器以及SPI串口组成[6],TDC测量时间间隔时采用逻辑门延时单元来获取两个或者多个脉冲之间的精确时间间隔[7-9]㊂该芯片以其集成度高㊁尺寸小㊁功耗低以及精度高等特点,被广泛应用于水流速测量和距离测量等领域[10-15]㊂TDC-GP22有三个脉冲输入端 START,STOP1, STOP2,同时拥有两个测量模式,默认分辨率为90ps,脉宽须大于2.5ns㊂测量模式1的测量范围可以达到0~2.4μs(START与STOP上脉冲之间的时间间隔范围为3.5ns~2.4μs,两个STOP通道间的脉冲时间间隔范围为0~2.4μs,STOP上相邻两个脉冲的最小时间间隔为20ns),而实际测量范围最大到2×Tref,其中Tref为芯片参考时钟周期,同时需要确保2×Tref<2.4μs㊂在该模式下,芯片可以测量START 与STOP之间的脉冲时间间隔,也可以测量两个STOP 之间的脉冲时间间隔,还可以测量STOP1或STOP2上两个脉冲的时间间隔㊂如图1所示,为测量模式1的测量时序图,RefClk是芯片参考时钟,Cal1和Cal2是校准单元的校准值,HIT1和HIT2是芯片内部数字延时单元测量的数值,校准后写入结果寄存器的值为R,这些值的关系如式(1),实际的时间间隔等于R乘以参考时钟的周期㊂在一次测量过程中(即START 引脚收到信号时,芯片认为测量开始,STOP引脚收到脉冲的数目与设定的数目相同时或测量值超出最大测量范围时,芯片认为一次测量完成),START引脚只能接收一个脉冲,两个STOP引脚最多可以接收4个脉冲,多出的脉冲被忽略,此模式下分辨率可以设置为45ps,此时只能测量START与STOP1上脉冲之间的时间间隔㊂相比于测量模式1,测量模式2的测量范围扩大了很多,在参考时钟频率(最高为8MHz)为4MHz时,其测量范围为500ns~4096μs,但是只能测量START与STOP1上脉冲之间的时间间隔,在一次测量过程中,START引脚同样只能接收一个脉冲, STOP1引脚最多可以接收3个脉冲,多出的脉冲被忽略,在此模式下,分辨率可以设置为45ps和22ps㊂其测量时序图如图2所示,与模式1的类似,RefClk 是芯片参考时钟,Cal1和Cal2是校准单元的校准值, FC1和FC2是芯片内部数字延时单元测量的数值,Cc 是粗计数值,校准后写入结果寄存器的值为R,这些值的关系如式(2),实际的时间间隔等于R乘以参考时钟的周期㊂图1 测量模式1的测量时序图图2 测量模式2的测量时序图R=HIT1-HIT2Cal2-Cal1(1)R=Cc+FC1-FC2Cal2-Cal1(2)当TDC-GP22对外部信号测量完成后,可以对结果进行校准,最后把测量结果写入对应的32位结果寄存器中(测量到的周期个数,高16位为整数位,低16位为小数位)㊂3 测距电路设计方案由于电路应用于远距离测距,要求能够测得的两82李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计个相邻目标的距离的最小值为50m,所以TDC-GP22选择测量模式2,同时选择8MHz的晶振作为TDC-GP22的参考时钟,测量范围变为250ns~2048μs, STOP1上相邻两个脉冲的时间间隔最小为2×Tref,Tref为参考时钟周期,即最小时间间隔为250ns㊂根据公式(3),其中S为距离值,c为光速,t为时间间隔,t可由公式(4)得出,其中n为从TDC-GP22读出的32位二进制结果,T为参考时钟周期,即125ns,最终可以算出测距范围为37.5m~307.2km,相邻两物体间的最小间距为37.5m,可以满足测距需求㊂S=12ct(3)t=n×T65536(4) 3.1 硬件设计方案硬件电路设计如图3所示,采用拥有尺寸小㊁片上资源丰富㊁易于开发等特点的STM32F051K8U6作为主控芯片,通过其4线SPI通信接口与TDC-GP22通信,从而完成配置TDC-GP22以及读取其测量结果和状态等信息的功能,其中SSN为SPI使能端,低电平有效,SCK为SPI的时钟输入端,最高可以到20 MHz,SO与SI端是数据输出和输入端,分别与主控芯片SPI(主机模式)的MISO和MOSI端相连接㊂TDC-GP22的START端与光电二极管采样电路的输出端连接,用于接收激光起始信号,STOP1端与探测电路输出端连接,用于接收探测到的激光回波信号㊂EN_ START,EN_STOP1与EN_STOP2端口是TDC-GP22的START,STOP1和STOP2端口的接收使能端,高电平有效,因为电路工作在测量模式2,所以EN_START 与EN_STOP1串联电阻接3.3V,EN_STOP2悬空或者接地即可㊂TDC-GP22的INTN端与主控芯片的IO 口连接,通过该端口的状态判断TDC-GP22是否完成测量计算或者是溢出,低电平有效㊂TDC-GP22的RSTN端为硬件复位端,也是低电平有效,该端口也与STM32芯片的IO口相连,方便对TDC-GP22进行硬件复位㊂CLK32OUT与CLK32IN端是32KHz晶振接口,该晶振用于校准高频陶瓷晶振,陶瓷晶振由于其温漂大,所以需要校准,而本设计高频时钟接口采用温漂小的石英晶振,故不需要接该晶振校准, CLK32IN端接地㊂信息传递方面,主控芯片采用422通迅串口与上位机通信,上传距离信息㊂图3 测距电路硬件原理图3.2 测距电路软件设计软件控制流程如图4所示,上电复位TDC-GP22,然后开始配置TDC-GP22,通过SPI串口(主机模式)发送写命令以及配置内容来设定其内部配置寄存器的内容㊂主要配置TDC-GP22工作在测量模式2,参考时钟为8MHz,配置STOP1接收脉冲个数为3,开启自动校准,开启自动计算功能(只有测量模式2有,即计算完成后自动将结果写入相应的结果寄存器中),使能计算完成中断,开启溢出时强制写入0xFFFFFFFF功能(此时也算计算完成),设置分辨率为4倍默认分辨率,即22ps㊂配置完成后,初始化TDC-GP22,开始时间间隔的测量㊂然后等待INTN 端口被拉低,即等待TDC-GP22计算完成㊂当INTN 端口变低,发送读取命令,读取所有的计算结果,乘以参考时钟周期就是脉冲时间间隔,带入公式1可以得到距离值㊂读取完结果,发送初始化TDC-GP22的命令,将INTN端口置高,内部状态寄存器相应的位清零,使其准备下一次测量㊂3.3 存在的问题设计完毕,将电路的STRAT端和STOP1端与信号发生器的两个输出端相连,用信号发生器的两个输出信号模拟光电二极管采样信号和接收到的探测信号㊂在TDC-GP22的测量范围内,并且信号也能满足前文提到的限制条件时(测试时计算时间向上发送),可以得到三个误差很小的结果㊂当STOP1端接收到的脉冲中,有一个或者两个脉冲由于超出测量范围,或者两个脉冲时间间隔太短,而被TDC-GP22芯片忽略,亦或是只有一个或者两个信号时,得到的三个数92李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计据都是0xFFFFFFFF对应的时间值,由此可知,测量模式2下TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数小于寄存器中配置的数时,TDC-GP22会溢出,此时开启的溢出强制写入0xFFFFFFFF功能,会将所有数据写成0xFFFFFFFF㊂实际应用中,遇到脉冲丢失的情况,希望得到未丢失信号的时间间隔,这种状态不希望出现㊂图4 TDC-GP22软件控制流程图当关闭溢出强制写入0xFFFFFFFF功能,使能溢出中断时,继续模拟上文提到的脉冲丢失的情况㊂当发生溢出时,读取状态寄存器会发现,指向结果寄存器的指针保持为0,若有数据写入结果寄存器,该指针应该大于0,由此可以发现在测量模式2下,TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数小于寄存器中配置的数时,TDC-GP22溢出,其ALU数据处理单元不工作㊂3.4 改进方案为了得到正确的测量数据,必须要使TDC-GP22不发生溢出,即要保证TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数大于等于寄存器中配置的数目,同时还要避免影响已接收到的脉冲信号㊂考虑到该应用中的激光测距范围不会超过75km,对应的时间间隔为500μs,而本设计里,TDC-GP22的测量范围可以到2048μs,所以考虑在接收到SATRT信号后500μs到2048μs之间,在STOP1端产生至少3个脉冲(相邻脉冲的间隔要大于250ns),作为探测信号的补偿信号,以保证TDC-GP22不发生溢出㊂硬件电路的改进如图5所示,光电二极管采样电路的输出端信号START分为两路,除了与TDC-GP22的START端相连外,另一路与STM32的一路IO相连,当STM32接收到START信号,则输出一组符合条件的多脉冲信号,该多脉冲信号输出端Pulse与逻辑或门芯片74LVC1G32的输入端A相连,同时逻辑或门的另外一个输入端B与探测电路的输出端STOP 连接,输出端Y与TDC-GP22的STOP1端连接,由于探测电路的输出信号与START信号之间的间隔小于500μs,而START信号与Pulse端的输出信号之间的间隔大于500μs,故在START信号到的500μs内, STM32的多脉冲信号输出端Pulse保持低电平,Y输出的就是探测电路的输出端的输出信号,在START 信号到来的500μs后,探测电路的输出端保持低电平,Y输出的就是Pulse端的输出信号,这样便可以保证TDC-GP22的STOP1端可以接收到足够的脉冲数,同时也不影响真正探测到的信号,从而得到正确的测量值㊂图5 测距电路硬件改进原理图软件上需配置STM32,设计时设置STM32的TIM1工作在OnePulse模式,同时配置TIM1的重复计数寄存器的内容为2,这样配置可以另STM32在使能TIM1之后,运行三个设定好的时钟周期自动失能停止㊂配置TIM1为触发模式,TIM1的Channel2为PWM输出,模式为PWM2模式,Channel1配置成输入触发源TI1FP1,即Channel1接收START信号作为触发使能TIM1㊂最后,设置TIM1的计数周期为510μs (510μs×3=1530μs,小于2048μs),由于在PWM2模式下,当计数器中的数值小于比较寄存器中的数值时,PWM输出端输出低电平,否则输出为高电平,所03李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计以设置比较寄存器的数值为509μs对应的值㊂此时,如图6所示,当TIM1的Channel1接收到START 信号被使能后,STM32的PWM输出端Pulse在延时509μs后,输出脉宽为1μs的3个脉冲,相邻的两个脉冲的间隔为509μs㊂这样便可自动完成对TDC-GP22的STOP1端的输入脉冲补充㊂图6 START与Pulse信号时序图保持对TDC-GP22的配置不变,完成上述的改进,接入信号发生器再次模拟前文提到的脉冲丢失的情况㊂当出现脉冲丢失的情况时,TDC-GP22没有发生溢出,读出的数值与理论值接近㊂最后,在软件上加入判断,判断测量值是否大于500μs,如果有数值大于500μs,则说明有脉冲丢失,向上位机发送0,代表有目标超过量程,或是两个目标太近,亦或是未接收到回波㊂4 实验结果将电路的脉冲输入端START和STOP接入信号发生器的两个信号输出端,与START连接的信号每次触发输出一个脉宽500ns的脉冲,与STOP连接的信号每次触发输出三个脉冲,相邻两脉冲间的间隔均为1μs,脉宽500ns,相对于START的触发延时可调㊂测得不同延时下的数据(计算的时间值),如表1所示㊂表1 不同延时条件下测量的时间间隔延时/μs10次平均测量值/ns间隔1间隔2间隔35 10 20 30 40 50 60 70 80 905004.3710004.6420005.2430005.7740006.3150006.8760007.4670008.0480008.6190009.176004.4411004.6821005.3031005.8441006.3751006.9361007.5571008.1081008.6791009.217004.4812004.7622005.3932005.8942006.4352006.9962007.5672008.1782008.7292009.29测量的误差主要来源于电路的传输延时以及TDC-GP22的测量误差㊂从表1的数据可知,TDC-GP22的测量误差随着测量间隔的增大而变大,可以绘制出实际值与误差值的关系图,其变化近似线性,对其进行直线拟合,如图7所示,横轴为实际值r,纵轴为误差值e,单位都为ns,最终可以得到e=0.000056×r+4.085㊂由于测量值t等于误差值加实际值,即t=e+r,因此可以得到测量值与实际值的关系为t=1.000056×r+4.085,从而可以对测量值校准,得到比较准确的结果㊂图7 实际值与误差值关系图电路的测量精度可通过对固定时间间隔的两个脉冲重复测量来得到,如图8,实验重复测量时间间隔为5μs的两个脉冲,绘出测量的波动图㊂由于误差在某点是相对稳定的,从图8可以发现测量值的波动在1ns以内,对应的距离值小于0.15m,故说明该电路稳定性好,精度高㊂为验证实际应用中,收到的激光回波信号数目不等于3的情况下,测距电路测得的数据是否正常,用信号发生器仿真该情况㊂STOP连接的信号每次触发输出数目可变的脉冲,STOP相对于START的触发延时设定为10μs,可以得到如表2的数据,其中,间隔1-4分别代表STOP上第一个到第四个回波脉冲与START上起始脉冲的时间间隔㊂从表2的数据可知,当出现脉冲丢失的情况,即接收到的回波脉冲数小于3时,测距电路得到的数据正常,当回波数目大于等于3时,也可以得到相应的结果,但是不会超过3个,多余的回波被忽略㊂图8 时间间隔为5000ns的测量结果分布图13李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计表2 不同回波脉冲数条件下测量的结果回波脉冲个数信号发生器设定的间隔/μs测量结果/ns间隔1间隔2间隔3间隔41230----000 110---10004.7200 21020--10004.6720005.270 3102030-10004.6520005.3030005.70 41020304010004.7020005.3330005.725 结论为了满足远距离㊁高精度㊁多目标测距的应用需求,设计了一种高精度测距电路,该电路基于分辨率小于100ps的专用时间间隔测量芯片TDC-GP22,可以实现最多三个高精度的脉冲时间间隔测量㊂相对于传统的测距电路,该设计缩小了电路的尺寸,并且软件设计也得到了简化,降低了设计的复杂程度,同时还具有测量范围大㊁精度高㊁分辨率高等优点㊂参考文献[1] 陈超,叶桦,陈晓涛.TDC-GP21在激光测距中的应用[J].工业控制计算机,2017,30(6):127-128. [2] 张彬彬,崔永俊,杨兵.基于TDC-GP21的高精度时间间隔测量系统设计[J].电子器件,2016,39(5):1108-1112.[3] 纪荣祎,赵长明,任学成,等.脉冲激光测距高精度计时系统的设计[J].工矿自动化,2010(8):18-22. [4] 李瑞艳,张春熹,王鹏,等.基于TDC-GP22的脉冲激光测距系统设计[J].半导体光电,2018,39(6):848-852.[5] 李巍.脉冲式激光测距系统的设计及研究[D].北京:北京化工大学,2014.[6] 周宇.脉冲式激光测距仪的研究与设计[D].武汉:华中师范大学,2016.[7] 莫朗,朱建良,薄煜明.基于TDC-GP22的室内定位系统的设计及实现[J].电子设计工程,2017,25(18):168-171.[8] 陈玉.TDC-GP22时间数字芯片关键编程算法研究与实现[J].软件工程,2018,21(8):4-6.[9] 孟宏峰,张浩钧,唐琳,等.高精度时间测量芯片在激光成像系统中的应用[J].制导与引信,2018,39(3):40-42.[10]闫德立,王伟明,靳邵云,等.基于FPGA与TDC-GP22的连续脉冲测距系统研究[J].国防交通工程与技术,2016(4):14-17.[11]余浩,赵旭,苏中.脉冲激光测距中高精度时间测量时钟信号误差补偿[J].激光杂志,2020,41(7):23-26. [12]白雪菲,冯迪,秦川,等.高精度脉冲激光测距系统设计与实验研究[J].激光杂志,2019,40(10):6-10. [13]黄民双,刘晓晨,马鹏.脉冲飞行时间激光测距系统中周期误差补偿[J].红外与激光工程,2018,47(3):229-233.[14]田海军,杨婷,赵杨辉.脉冲激光测距中高精度时间间隔系统设计[J].现代电子技术,2017,40(4):155-158. [15]岱钦,毛有明,吴凯旋,等.脉冲激光测距中高速精密时间间隔测量研究[J].液晶与显示,2015,30(1):83-87.23李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计。
激光测距仪光学系统设计
激光测距仪光学系统设计摘要：激光测距仪是利用激光器来对距离进行准确测量的仪器。
相位式激光测距仪工作时会向目标发射一束准直光，由感光元件接收目标漫反射回的光，计算准直光从发射到接收的时间，从而算出从观测者到目标的距离。
本文利用相位式测距原理的激光测距仪，在无合作目标测距时，采用可见激光进行瞄准，这对激光光斑有非常高的要求，激光的准直程度是指光斑在被测目标上的大小，这直接影响到测距精度和测程，所以，激光测距的发射光学系统的设计至关重要，解决这个问题对提高无合作目标的测程和精度都是十分有益的。
关键词：无合作目标；激光；相位测距；激光准直1无合作目标相位激光测距原理将相位式测距系统中的发射器和接收器同轴放置，发射器发出的是调制频率为的正弦调幅波，当发出的激光照射到待测目标点时，物体的表面会发生漫反射，这中间的与发射波同轴的返回波会被探测器所接收。
由于发射波和接收波之间会产生一个相位差，记为，通过测试相位差，就可以得到要测量的距离d。
；其中，c是真空中的光速；为系统的调制频率，通常在10MHz以上。
测距仪的测距能力是由从被测目标反射回探测器的光能量的多少来决定的。
由此探测器接收的最大功率的表达式就是；其中，D是接收透镜直径，是发射光学系统透过率，是接受光学系统透过率，P是发射激光平均功率，是被测物反射率，是被测点法线和测量方向之间的夹角，是大气衰减系数，d是被测距离。
上式是假定反射光照射在目标上产生漫反射，实际调制时一般都采用大口径长焦距平行光管，这就可以使可见激光光源在无穷远处的成像同接收光纤或APD所成的像相重合，接收光纤或者APD都可以用可见光对其表面进行照射，这样在平行光管里就能观察到它的像。
在短程测距时，一般不需要在被测目标上单独放置像棱镜之类的合作目标，只需要利用接收器直接来接收物体表面的漫反射信号，从而实现测距功能，也就是我们所说的无合作目标测距。
便携式无合作目标的激光测距仪体积一般较小，使用方便，主要应用于家庭或室内装修测距。
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摘要激光测距技术是随着激光技术的出现而发展起来的一种精密测量技术，因其良好的测距性能而广泛应用在军事和民用领域。
激光测距方法从原理上主要分为相位法测距和脉冲法测距两种。
本文将脉冲激光测距和相位激光测距进行了原理分析与比较,根据课题设计需要选择了测程远、精度高、成本低且结构简单的脉冲激光测距作为设计方法。
本文对组成脉冲激光测距系统的几个重要单元电路做了深入研究。
主要包括激光发射电路、激光接收电路、高精度时间测量电路、单片机以及LCD显示。
在发射电路中采用集成芯片LM555和74LS123设计的窄脉冲发生电路。
在接收电路中对回波信号的放大、滤波、整形和时刻鉴别进行了分析和研究，对已有的时刻鉴别电路做了对比与选择,设计了前沿时刻鉴别电路,有效地减小了由于幅度的随机抖动而引起的误差。
脉冲飞行时间测量精度直接影响着脉冲激光测距系统的整体测距精度,因此在高精度计时电路中采用了高精度计时芯片TDC—GP2测量脉冲飞行时间,不仅使电路结构变得简单,而且有效地提高了计时精度。
关键词：激光测距；脉冲法；发射电路；接收电路；高精度计时ABSTRACTWith the development of laser technology，laser ranging becomes a new precise measurement technology, and is extensively used in the military and civil field for its high accuracy.The laser range finder is divided into pulse and phase two types at present.This paper analyzed the pulse laser range finder and phase laser range finder，chose the pulse laser range finder as the research method because of high precision，low cost and simple structure.The paper had been done deeply study of pulse laser measuring system, mainly including the laser emitting circuit, the laser receiving circuit, the high precision time measurement circuit,single chip and LCD display. The narrow pulse generating circuit was designed using LM555 and 74LS123 integrated chip in the emitting circuit.In the receiving circuit analyzed and studied for the signal of echo amplification, filtering, shaping and time identify circuit，cutting edge moment discrimination circuit are designed to reduce the error of due to amplitude random jitter by comparison and selection the existing time discrimination circuit.Pulse time of flight measurement accuracy directly affects the whole measurement of the pulse laser ranging system accuracy, so high precision time measurement chip TDC—GP2 is used measurement pulsed time of flight in the high precision time measurement circuit.It not only makes the circuit structure become simple but also improves accuracy.Key words：Laser range finder；Pulse method；Emitting circuit；Receiving circuit；High precision time measurement目录第一章绪论 (1)1.1课题研究背景及意义 (1)1.2国外研究现状 (2)1.3课题研究容 (3)第二章激光测距系统理论分析与设计 (4)2.1激光技术 (4)2.1.1激光简介 (4)2.1.2激光及其产生 (6)2.1.3激光的特性 (8)2.1.4激光器的基本组成 (9)2.1.5激光器的种类 (10)2.1.6激光器的选择 (11)2.1.7半导体激光二极管的特性 (12)2.2激光测距原理 (15)2.2.1相位法激光测距 (15)2.2.2脉冲法激光测距 (17)2.2.3两种测距方式的性能分析及其对比 (19)2.2.4激光测距的要求与方法的选择 (20)第三章系统总体方案与电路设计 (21)3.1系统总体方案 (21)3.1.1系统基本组成 (21)3.1.2系统工作流程 (22)3.2系统电路的设计 (23)3.2.1激光发射电路的设计 (23)3.2.1.1窄脉冲发生电路 (23)3.2.1.2激光驱动电路 (28)3.2.1.3半导体激光器 (31)3.2.2激光接收电路的设计 (32)3.2.2.1接收光路 (32)3.2.2.2光电探测器 (34)3.2.2.3放大电路 (37)3.2.2.4比较整形电路 (41)3.2.2.5时刻鉴别电路 (43)3.2.2.6高压产生电路 (45)3.2.3高精度计时电路 (47)第四章单片机与液晶显示 (51)4.1单片机 (51)4.1.1 AT89C51简介 (52)4.1.2 AT89C51主要特性 (52)4.1.2 AT89C51引脚说明 (53)4.1.3 AT89C51外围电路 (55)4.2液晶显示 (55)4.2.1 LM016L简介 (56)4.2.2 LM016L引脚说明 (56)4.2.2 LM016L外围电路 (57)第五章总结 (57)致 (59)参考文献 (60)附录一激光测距仪程序框图 (61)附录二激光测距仪程序 (62)第一章绪论1.1课题研究背景及意义随着科学技术的不断发展，人们在民用和军事领域对距离测量的需求日益增加。
对测量围和测量精度的要求也在不断提高，因此人们一直在研究新的测量方法和理论。
近年来，随着激光技术迅速发展和完善，导致了光学及其应用技术的巨大变革，促进了物理学和其他相关学科的发展，激光测距技术也随之发生了质的改变。
激光器已经被确认为20世纪最重要的发明之一，而激光技术的发展，标志着人们掌握和利用光波进入了一个新阶段。
激光技术出现之后，很快被应用到各种测量中。
例如测量、地形测量、工程测量、航空摄影测量，以及人造地球卫星的观测和月球的光学定位等航天测量。
这使得测量方法不断革新，测量精度显著提高，引起了测量领域的深刻变化，从而巨推动了测量技术的发展。
与此同时，现代电子技术的飞速发展和光电器件性能的不断提高，使激光测距仪获得了很大的发展，现在激光测距仪已经成为测量距离的主要仪器之一。
激光测距技术具有测量精度高、方向性好、抗干扰能力强等特点，是目前应用广泛的一种测量技术。
它与一般测量方法相比，具有测量精度高、分辨率高、体积小、重量轻、操作简便及昼夜可用等优点，所以被广泛应用于民用和军用领域。
在民用领域，例如在船舶和海洋方面用来勘探石油，在交通管制方面用来测量汽车速度，车辆倒车时起警示作用的倒车雷达装置，工业上面的炼钢炉表面轮廓测量，船舶制造过程的精确控制等。
以往在测量房屋等大型建筑物的尺寸时，往往采用人工测尺测量的方法,不仅耗时，而且受人为因素的影响，测量结果波动比较大。
在具有较高精度要求的测量场合下，不能保证测量结果的准确性。
因此，随着激光测距技术的发展，对激光测量精度的研究就变得尤为重要。
与传统的测距技术相比，激光测距的测量精度要高很多,而且具有结构简单、体积小、质量轻、效率高、功耗低、可靠性高、抗干扰能力强、价格低廉等特点。
在军事领域，随着各国在军事方面的竞争越来越激烈，现代军事的信息化程度也越来越高，世界各国对激光测距的研究也越来越广泛，各种不同类型的激光测距方式越来越多被应用。
世界各国纷纷将其研制的激光测距仪装备到陆、海、空三军，比如有轻型便携式脉冲激光测距仪、地面车载脉冲激光测距仪、对空火炮和导弹防御脉冲激光测距仪、机载脉冲激光测距仪、舰载脉冲激光测距仪、导弹靶场所用的脉冲激光测距仪、人造卫星脉冲激光测距仪、太空载脉冲激光测距仪、云高脉冲激光测距仪等。
随着激光技术研究的不断深入，激光测距有逐步取代传统测距方式的趋势，同时也将对测距行业产生积极而深远的影响。
由于激光测距在测量领域得到了广泛青睐，并且被迅速推广应用，所以在国民经济和国防建设中具有非常重要的意义。
1.2国外研究现状激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。
激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。
激光测距仪是激光技术、精密机械控制、信号处理技术、电子学及光电子等多种技术的综合应用。
随着激光技术、电子技术、计算机信号处理技术和集成光学的发展，激光测距仪正朝着自动化、数字化、小型化的方向发展。
而且随着微型计算机的发展和应用，激光测距仪的测距精度和测量速度都有了很大的提高。
世界上第一台激光器是在1960年由美国休斯飞机公司的科学家梅曼首先研制成功的。
美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。
1961年第一台军用激光测距仪通过了美国军方试验，此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。
从20世纪70年代末到80年代中期，激光测距仪进入了大批生产装备和广泛应用阶段，成为军用激光市场上军方最大的采购项目。
半导体激光测距仪的研究起始于 20 世纪 60 年代末，到 80 年代中期陆续解决了光学系统及信号处理电路的关键技术，80 年代后期转入应用研究阶段，并研制了各种不同用途的样品，90 年代中期，各种成熟的产品不断出现。