毕业文(设计)
GRADUATION THESIS （DESIGN）
文（设计）题目
Title Of Thesis（Design）
基TDCGP21激光测距
分院（系）
Department
信息电子工程学院
专业
Speciality
电子信息工程
班级
Class
电子班
文（设计）作者
Author of Thesis（Design）
文完成日期
Date
2014年X月
文（设计）指导教师
Advisor
指导教师职
The Title of Advisor
教授
基TDCGP21激光测距
Laser ranging Based on TDCGP21
2014年 5月
May 2014
指导教师毕业文（设计）评语
Advisor’s Comments on Graduation Thesis (Design)
评语：
指导教师（签章）
Signature of Advisor
日期
Date
评阅意见
评阅姓名：
职称：
选项标准： A意 B意 C基意 D意
分
项
评
价
评价项目
A
B
C
D
选
题
质
量
1
选题符合专业培养目标体现综合训练基求
2
题目难易适度
3
题目工作量适
4
理意义实际价值
力
水
5
查阅文献资料力强
6
综合运知识力强
7
研究方案设计力强
8
研究方法手段运力强
9
外文应力强
成
果
质
量
10
文题相符
11
写作水高
12
写作规范
13
篇幅适度
14
成果理实际价值
总体评价： 优 □ 良 □ 中 □ 格 □ 格 □
评阅评语
评阅签字： 年 月 日
答辩（评审）委员会意见
Appraisal of Defence Commission
答辩（评审）成绩
Mark of Defence
鉴定意见
Appraisal & Comments
（签章）
Signature of Dean
日期
Date
基TDCPG21激光测距
摘激光测距仪正着型低功耗高精度方发展尝试研制种高精度便携式脉激光测距仪针脉式激光测距技术展开重点研究短时间间隔高精度测量关键技术普通脉激光测距机时间间隔测量方法分析提出基高精度时间间隔测量芯片TDCGP21便携式脉半导体激光测距仪系统方案分析TDCGP21时间测量原理设计基TDCGP21时间间隔测量单元脉半导体激光器驱动电源光电探测器驱动电路针限距离计数分辨率引起误差结合传统提高时间分辨率方法技术进行研究发展创新测距系统时间测量精度保证提高降低硬件成简化控制电路
关键词 激光测距时间间隔测量TDC—GP21测距精度
Laser Ranging Based on TDCGP21
[Abstract] The laser range finder is developing in smalllowpower and highprecision directionA portable laser range finder with high precision was researcher in this paper We have studied the pulsed laser ranging technology and the priority is the critical technology of the highprecision measurement in short intervals In this paperwe have proposed the solutions of the portable diode laser rangefinder system based on the highprecision time interval measurement chip TDCGP21 through a deep research of the principle of the pulsed laser rangefinder studied the time measuring principle of the TDCGP21 designed the time interval measurement unit that based on the TDCGP21 designed the driven power of the pulse semiconductor lasers and the driven circuit of the photoelectric detector To solve the error caused by the count resolution in a limited distance we have combined traditional methods to improve the time resolution and with the research development and innovation of the technology we have ensured and developed the time measurement accuracy of the ranging system reduced the cost of the hardware and simplified the control circuit
[Key Words] Laser ranging Time intervals TDCGP21 Ranging precision measurement
目 录
第章 引言 1
11 激光测距技术 1
12激光测距发展状况 1
13 课题研究目意义 2
14 文工作 3
第二章 脉激光测距原理 4
21 脉法测距 4
22 相位法测距 7
23 脉法测距相位法测距较 7
24脉激光测距机结构原理 8
25激光飞行时间测量技术 9
251起止时刻鉴技术 9
252高精度时间间隔测量技术 10
第三章 便携式激光测距仪设计 14
31 激光测距仪总体设计 14
32 APD接收光量估算 15
33 激光器选择驱动 17
331 激光器选择 17
332激光脉产生 18
34 光电转换器件选择驱动 19
341光电转换器件选择 19
342 APD供电电路 20
35 高精度时间测量芯片TDCGP21应 22
351 TDCGP21 具特点 23
352 TDCGP21驱动电路 23
353 TDCGP21电源设计 24
第四章 测量结果误差分析 26
41 测量结果 26
42 误差分析 27
43 改进方法 27
总结 28
致 谢 29
参考文献 30
第章 引言
11 激光测距技术
激光测距指根激光返测距离时间测定距离方法激光测距技术着激光技术出现发展起种精密测量技术良测距性广泛应军事民领域
1960年美国THMaiman博士制成世界第台红宝石激光器开始激光优异单色性方性高亮度性引起普遍关注激光特性决定着成理想测距光源国外均力开展激光测距系统研制工作1961年美国成功研制世界早红宝石激光测距系统1969年美国首次激光测距系统应坦克火控系统激光测距技术发展迅猛广泛应战场
激光测距方法原理分相位测距法脉测距法两种相位测量技术较成熟测距精度较高目前测距技术采法相位测距电路较复杂技术难度较测程短脉式测距方法结构简单信号易处理易实现实时测量具测程长优点发展潜力
12激光测距发展状况
国外许学研究机构公司开展方面研究工作芬兰奥鲁学电器工程系芬兰技术研究早研究中心 20世纪 70年代初持续30年研究容分系统整机应美国俄罗斯家著名公司联合开展应研究产品涉工业航天海洋机器视觉等许方面美国许家著名公司开展方面研究Schwartz ElectroOptics 公司美国国家数中心研制激光海浪测量装置守海浪测量站美国联邦政府高速公路理局研制激光动探测系统车辆速度高度测量提高交通效率军方研制直升机防撞告警装置期家美国公司开展方面研究报道1992 年美国亚特兰激光公司警方专门设计便携式眼安全激光二极测距机车辆测距测速1996 年半年美国 Bushnell公司推出测距力400码400型激光测距仪Yardage 400(800)1997年Bushnell公司Internet网推出测距力800码800型激光测距仪1998年美国Tasco公司推出测距力800码摄机型Lasersite LD激光测距仪年美国LaserTechLeica等公司相继推出测距力1000米精度1米手持式远镜测距仪1995 年国际眼安全半导体激光测距技术发展十分迅速已开展波长800900nm范围峰值功率脉宽度2050ns重复频率110kHz测量距离10m1km合作目标激光测距机研究
国样机研究始20世纪80年代固体气体激光测距机基础发展起目前基础技术已具备解决工程应问题开发种应产品航天科工集团八三五八研制出 200m 测程测距仪精度 05m重复频率 100k中科院海光机研制出便携式激光测距机漫反射水泥墙测距达100m采300MHz技术方式测距精度05m重复率1kHz中国计量学院信发展半导体激光器质结单异质结发展双异质结量子阱器件目前隧道生耦合光腔结构脉半导体激光器通源区结构实现峰值功率基稳定千瓦器件种半导体激光器满足中距离脉息工程系光电子国外合作开发低价便携半导体激光测距机作距离1km精度<士 1m采 4M 晶振线性时间放技术目前市面便携式激光测距仪德国喜利公司PD系列产品BOSCH 公司相关产品瑞士LEICAA系列设备基相位测距法测量距离般较低般测距范围100m国尚相关产品面市脉测距仪具错市场前景相位测距功耗相较般9V电池供电研究出更省电测量距离更远精度更高便携式激光测距仪具研究价值
13 课题研究目意义
着科学技术快速发展激光测距仪中应越越广目前技术水说具体利测距技术十分限正蓬勃发展限前景技术产业领域展未激光波测距仪作种新型非常重工具方面发展空间着更加高定位高精度方发展满足日益发展社会需求庸置疑未激光波测距仪动化智化接轨测距仪集成融合形成测距仪着测距仪技术进步测距仪具单纯判断功发展具学功终发展具创造力新世纪里面貌新测距仪发挥更作
14 文工作
文工作：
(1)研究脉激光测距机工作原理短时间间隔高精度测量关键技术研究基TDCGP21便携式脉半导体激光测距系统
(2)脉式激光测距系统整体方案设计系统组成部分进行详细设计
(3)选择适激光器激光探测器等应元件分析选元件特性激光器驱动电路满足测距系统需
(4)研究高精度时间测量芯片TDCGP21特性测时外围电路设计设计基单片机PIC18F4525时间间隔测量单元确保短时间间隔测量精度
第二章 脉激光测距原理
激光测距广泛采飞行时间法飞行时间法根直接者间接获激光飞行时间目标物距离基原理图21示：
分AB两点架设测距机反射器测距机B处发射束激光激光测距离AB间传播达B点激光反射器反射反射回激光测距机接收果激光测距机测出激光发射接收段时间间隔AB间距离计算出根光速c距离D：
(21)
D
A点激光测距机
B点反射棱镜
D——测站点AB两点间距离 ——光返AB次需时间
图21 激光测距基原理
Fig21The basic principle of laser range finder
目前采较相位法激光测距脉法激光测距两种测距方法做简单原理描述
21 脉法测距
脉激光测距利激光脉持续时间短量时间相集中瞬时功率（般达兆瓦）特点进行测距合作目标情况脉激光测距达极远测程脉激光测距测程远测距精度高等优点获广泛应
脉激光测距原理图22示
光脉发射器
光脉接收器
时标振荡器
电子门
计数显示部分
取样棱镜
图22 脉激光测距原理图
Fig22 Pulsed laser ranging principle diagram
激光器目标发射列窄光脉（脉宽度般50ns）取样棱镜光脉接收器输出电脉信号 开电子门时标脉通计数电路开始进行计数光脉目标反射回接收器接收器样产生电脉关闭电子门终止时标脉通通测量光脉达目标目标漫反射返回接收系统脉数计算出相应时间间隔计算出目标距离
设目标距离D光脉返时间t光真空中传播速度c（c ≈299 ×m s光速c空气中传输受介质气压温度湿度影响忽略）列公式成立：
(22)
t
信息脉
整形脉
时钟脉
计数脉
TNt
脉激光测距中t通常通测距计数器发射脉目标目标返回接收系统期间进入计数器时钟脉数累计测量具体图23示
图23 计时波形图
Fig23Timing waveform
设t时间N时钟脉进入计数器时钟脉周期T振荡频率
(24)
式中表示时钟脉代表距离增量计数器计数N时钟脉公式(23)目标距离RL决定脉测距测量计数精度：
(25)
距离分辨率≤30cm求≤2×109s求时标脉频率低500MHz距离测量精度取决发射激光脉升接收通道带宽探测器信噪时间间隔测量分辨率等素关
TOF（飞行时间）测距系统构成相简单获普遍应军作距离1km测距机基全基TOF前采精密时间间隔测量方法脉飞行时间激光测距单次测量精度达厘米量级获更高精度采取次测量均方法需更长测量时间限制应范围触发脉飞行时间激光测距法原理利激光接收单元输出信号行控制激光发射单元进触发激光脉测距目标发射激光接收单元接收激光脉触发激光发射单元产生激光脉激光脉发射接收循环相关脉接收周期信号周期测量接收周期数单周期距离实际测量结果进行次均提高精度分析原理知种方法仅静止目标效获距离产生测距周期信号激光器会长时间处发射状态效率言相较低时限制触发脉飞行时间激光测距法低功率激光器件运应仅限室短距离测量
22 相位法测距
相位法测距调制信号发射激光光强进行调制利测定调制光波返测距离产生相位变化间接测定时间求测距离D
相位测距原理图24示
发射出调制光波射测线端反射棱镜激光反射接收器接收然相位计发射信号（称参考信号）接收信号（称测距信号）进行相位较显示器显示出调制光测距离返传播引起相位移设目标距离D调制光速度c调制光返需时间调制光频率f距离计算公式：
D (26)
反射镜
激光器
调制器
距离显示
调制器
调制器
图24 相位激光测距原理图
Fig24Phase laser range finding principle diagram
23 脉法测距相位法测距较
(1)脉激光测距激光短时间脉出现激光瞬时功率直接利计时电路测量出激光脉飞行时间测定目标距离脉法测量距离精度般±1米左右测量盲区般15米左右合作目标情况脉激光测距达极远测程进行公里程测距时果精度求高合作目标利测目标脉激光漫反射取反射信号进行测距例美国Bushnell公司Yardage800测程达73152m脉法测距系统结构较简单信号易处理易实现实时测量具测程长优点发展潜力设计时刻鉴单元达消减漂移误差时间抖动脉激光测距重研究课题
(2)相位激光测距激光连续激光功率先通激光强度进行调制测发射接收光波相位变化间接测时间进步实现距离测量项技术较成熟测距精度较高目前测距技术采法例徕卡D2激光测距仪测程005米60米精度达15mm型号PD40德国喜利激光测距仪测程长达200米精度达10mm相位测距电路较复杂技术难度较测程短限制领域应
24脉激光测距机结构原理
脉激光测距机指利射目标激光脉测量目标距离种距离测量仪具测程远体积特点军事种战场目标测距通常战术应军激光测距机指脉激光测距机
脉激光测距机激光发射系统激光接收系统激光电源三基部件组成激光发射系统脉激光器发射光学系统取样器瞄准稳定光学系统组成作高峰值功率激光脉射目标激光接收系统滤光片光电探测器放器较器接收电路计数显示器组成作接收目标漫反射回激光脉回波计算显示目标距离激光电源高压电源低压电源组成作提供电
脉激光测距机原理图25示：
起始终止重显信号
测距仪光学系统统
气传输光路
测目标
激光触发
激光发射器
激光脉
回波信号
窄带滤光片
目标距离信号
光电探测器
放滤波网络
时钟
距离计数器
终止
起始
探测值
图25 脉激光测距机测距原理图
Fig25 Pulsed laser ranging principle diagram
脉激光测距机工作原理利脉激光器目标发射前陡峭峰值功率高单次激光脉激光脉串计数器测量激光脉达目标目标返回接收机返时间计算目标距离工作程：首先瞄准光学系统瞄准目标然接通激光电源起动激光器通发射光学系统压缩光束发散角瞄准目标发射激光脉信号（脉宽度般50ns）时采样器采集发射信号开电子门作计数器开门脉信号起动计数器标准频率发生器产生时标脉通进行计数目标反射回激光回波气传输进入接收光学系统回波信号滤光片作光电探测器转变电脉信号放器放进入计数器作计算器关门信号计数器停止计数计数器开门关门期间进入计数器积累脉数运算脉达目标目标漫反射返回接收系统时间计算出目标距离显示器显示出
脉测距仪原理结构较简单测程远功耗类测距仪般测量范围10km精度5cm
25激光飞行时间测量技术
251起止时刻鉴技术
激光脉空中传输程中衰减畸变导致接收脉发射脉幅度形状正确确定起止时刻带困难引起测量误差称漂移误差外输入噪声引起时间抖动测量带误差设计时刻鉴单元达消减漂移误差时间抖动激光脉测距重研究课题
目前时刻鉴方法三种：前鉴恒定值鉴高通容阻鉴
前鉴通固定阈值方式确定起止时刻脉前中强度等设阈值点达时刻作起止时刻脉幅度形状变化引起漂移误差阈值关值接脉升时间前鉴法测量误差
恒定值鉴法原理起止时刻取脉高度定值方例恒定值取50取脉升中半高点达时刻起止时刻考虑波形畸变噪声等数影响幅度变化引起误差0见恒定值鉴法效消脉幅度变化带误差
高通容阻时刻鉴方法接收通道输出起止信号脉通高通容阻滤波线路原极值点转变零点作起止时刻点该方法效克服波形畸变噪声带误差误差受信号脉极值附斜率影响报道采方法时漂移误差控制±35 ps(相05mm测距精度)
时刻鉴误差采鉴类型关外激光回波脉波形光电探测器类型关激光回波脉先接收通道光电探测器进行光电转换前置放进入时刻鉴单元光电探测器光电转换机制接收通道引入噪声带宽限制影响回波脉波形完整恢复探测器光信号波形原力考虑时刻鉴误差时必须结合探测器时刻鉴类型光信号波形类型分
漂移误差外时刻鉴程中存时间抖动输入信号噪声接收通道附加噪声产生抖动幅度信号脉升宽度信号强度时刻鉴单元带宽鉴类型关输入时刻鉴单元噪声分白噪声相干噪声时间抖动作
252高精度时间间隔测量技术
高精度时间间隔测量技术三种方法：时间间隔扩展法时间振幅转换法传递延迟法
时间间隔扩展法
时间间隔扩展法测部分时间范围中电容器做恒定电流充电电容器端电压着测时间长短做线性增减测时间结束时利外充电电流恒流源电容器开始线性放电直电容器端电压回充电起始值止放电程中利计数器较长放电时间做计数放电时间反推充电时间(测部分时间)
送计数器
图26 时间扩展法原理图
Fig26Time extension principle diagram
设充电电流放电电流知间例系数扩展时间实际输入间隔间关系：
(27)
中：
时间间隔扩展法高分辨率受充电电流放电电流值影响较测时间放两次测量间时间间隔长
时间振幅转换法
时间振幅转换法测时间范围利恒流源电容充电该电容端电压会着测时间长短充电时间长短改变测时间结束时停止充电利模数转换器(AD)测量时电容电压电压正测时间长短利两组充电电路两模数转换器求测时间
时间振幅转换法克服时间间隔扩展法转换时间长非线性难控制等问题高插补分辨率实际中线性度问题极限制该方法应电容器端电压测时间长短做线性变化必须稳定电流充电先考虑电流源身稳定度开始充电瞬间必定会充电非线性现象出现种非线性现象原作控制充电开关快速开关完全截止状态完全导通状态需点时间通常微秒量级段时间里通充电电流变结果造成电压变化非线性测量短时间时出现较误差
传递延迟法
传递延时法利信号传输电子元件连接导线时必定产生时间延迟作现象作测量短暂时间手段图2728传递延时电路基结构示意图：
延时单元
串行输入
行输入
串行输出
状态输出
复位
图27 传递延迟法原理图
Fig27 Propagation delay principle diagram
传递延时链
开始
停止
数字码输出
编码电路
图28 传递延迟法原理图
Fig28Propagation delay principle diagram
图27中延时单元缓门D触发器组成串传递延时链基单位逻辑缓门输出逻辑状态着输入改变D触发器记录改变状态逻辑门数目延时单元两输入端两输出端：逻辑缓门输入端输出端分延时单元串联输入端串联输出端D触发器时钟输入端输出端Q延时单元联输入端状态输出端串联输出端均延时单元连接相应D触发器输入端便该触发器时获该逻辑缓门输出状态
图28中延时单元串联输出端连接延时单元串联输入端成链状整传递延时链联输入端均联方式接起接收停止信号作触发器时钟信号触发器状态输出端联式序连接编码电路输入端口信号逻辑缓门输入端前段连接路径需传输时间延时单元造成延迟时间果测部分时间开始时起始脉信号输入第延时单元串联输入端信号逻辑门连接导线需时间信号次传输逻辑缓门缓门输出延迟时间间隔次改变输出状态停止信号时U触发器记录时止少逻辑缓门状态改变然编码电路状态改变延时单元数目转换成数字信号输出接着测部分时间马数码延时单元传递时间获：
(28)
中测部分时间改变状态延时单元数j（0延时单元延迟时间传递延时链解析时间第(28)式计算时间必须求延时单元提供延迟时间均完全相然实际延时单元延迟时间差异越制成插补器线性度越测量误差越
第三章 便携式激光测距仪设计
31 激光测距仪总体设计
激光测距仪总体设计图31示：
图31 实验系统总体设计图
Fig31The overall design diagram of experimental system
该系统脉激光发射系统光电接收系统脉输入信号整形电路TDCGP21测量电路PIC18F4525单片机电源电路时钟电路组成
图示文中激光器产生激光脉脉宽32ns频率1kHz激光产生通分光镜分成两束束光直接射APD1束光射目标反射回滤光片APD2两者产生电信号分通电路处理区APD1产生信号作高速时间测量单元开始信号APD2产生信号作高速时间测量单元停止信号开始信号停止信号升触发样效消分光镜前时间误差时效抵消光电传感器信号处理时间延时
APD1出电信号两条路径走条直接送入放电路条通延时进送入放电路选择条路径CPU控制测量短距离时第条路径测量长距离时第二条路径
该系统测距程：激光器发出激光脉红外半导体激光准直透镜06GLC发散角456mrad激光束激光器发出激光行达远处测距目标光斑系统加入光束整形光束整形部分采焦距2mm目镜焦距384cm物镜组成光束分束镜约1量直接送APD1约99量射目标1量激光脉APD1转换电脉然前置放器续放器逐级进行放定鉴器进行整形处理理想电脉送TDCGP21作计时起点触发脉起始时刻表示射目标量目标漫反射回变较微弱接收光学系统接光学口径00254m光学系统透率09窄带光学滤波器透率07APD2雪崩光电探测器接收接收电路接收光信号转换幅值约1mV频率约1 KHz电脉然前置放器续放器分进行放定鉴器进行整形处理理想电脉送TDCGP21作计时终点触发脉终时刻表示公式
(31)
算出测目标距离
长时间工作程中激光器部温度升高导致输出功率输出波长发生变化保证系统性高度稳定必须激光器进行温度控制
APD增益反击穿电压具温度系数正常工作时必须配置高精度温度采集单元恒温控制电路单元提供合适偏置电压恒温控制电路单元单片机通调节半导体制冷器（TEC）工作电压实现精确温度控制
32 APD接收光量估算
面利光学规律估算APD接收光量测距系统光量变化程图32表示O激光发射点O′效接收面积中心点D测距离测量方测点法线pN夹角
推导程中忽略光传播程中气衰减
图32测距系统光量传输图
Fig32Optical energy transmission diagram ranging system
激光器发出准直激光激光发射功率发射系统光学透率发出效光功率P：
(32)
光测距离R达测点p根量守恒p处获光功率等发射光功率P假设p处理想朗伯漫射面(实际物体表面数非理想朗伯漫射面纯镜面反射表面外推导程漫射表面似成立)反射率漫反射光功率：
(33)
激光准直性p作光点漫反射光功率均匀分布p点球心半球面方光强：
(34)
效接收面积远远测距离R立体角Ω认光强均匀分布设接收系统光学透率滤波器透率计光传播程中气衰减接收光功率：
(35)
式见定测表面反射率测量方距离D提高接收光功率提高激光器输出功率增加效接收面积
增加接收面积会增加体积重量会增加余环境噪声选择适采功率激光器提高接收光功率效措施
33 激光器选择驱动
331 激光器选择
系统采半导体激光器(简称LD)现中型激光测距机采半导体激光器半导体激光器作脉激光源优点体积效率高脉重复率高价格仅便宜寿命长通调制输入电流输出直接调制响应速度快具类型激光器法拟特性
数激光测距机眼害眼敏感波段位0408µm波段会眼会聚视网膜量密度达定值时会造成眼暂甚永久性损伤波段光会眼角膜吸收相安全
测量目标设定石灰岩04090710mmD300m：
(36)
目前探测器探测功率10nW激光接收功率10nW时计算：
(37)
激光气传输衰减激光接收功率会进步降取发射激光脉峰值功率50W
述图33示系统采激光源选半导体激光器HLD980该半导体激光器性指标：
波 长： 980nm
功 率： 50w
工作电流： ＜900mA
阈值电流： 145mA
工作电压 ＜2V
图33 半导体激光器HLD980
Fig33HLD980 semiconductor laser
332激光脉产生
脉式半导体激光器脉信号驱动脉式半导体激光器驱动电源基求低阻负载应该产生快速电流脉质种电流开关电路半导体激光器两端压降PN结压降串联电阻压降组成电源求提供电流脉外应出足够脉电压幅度脉前越陡越
图34 脉信号发生电路原理图
Fig34Pulse signal generating circuit principle diagram
图34系统设计脉信号发生电路原理图555产生占空定脉信号进入74LS112D芯片脉信号高低电发生变化通改变电阻电容获32ns峰值脉信号
图35 激光脉发生电路
Fig35Circuit pulse laser
述分析基础文设计激光脉发生电路图35示脉激光测距系统测距精度光脉升关系应选快速晶体电路板布线应合理
34 光电转换器件选择驱动
341光电转换器件选择
光电转换器件工作原理分光电导器件光生伏特器件光生电流器件测距系统需光电转换器件具短响应时间微弱信号敏感供选择光电传感器光电倍增(PMT)雪崩光电二级(APD)PIN型光电探测器PMT体积较动态响应范围较较少脉激光测距中PIN型光电探测器部没放作APD具部增益APDPIN型光电探测器灵敏度提高保证激光测距系统测距精度扩测距范围外APD具响应时间短噪声稳定度高等众优点系统选择APD作激光信号接收元件
系统需两光电转换器件保证两探测器延时致性二者采型号APD基述分析激光接收端信号测目标反射变微弱考虑光电转换器响应时间时保证较高响应度
系统采探测器德国Silicon SensorAD800型APDAD8008硅材料雪崩光电二极具体性特点：
光谱相应范围：
灵敏度高：03AW
工作电压：5V
响应时间：
暗电流：
342 APD供电电路
文选APD常温正常工作时需阴极加160V左右直流反偏压APD足够增益般系统提供样电压需设计高压发生电路APD提供反偏压分立元件做出升压电路耗高效率低便携式设备中取
文通采MAX1771升压芯片取代分立元件设计输出电压调升压电路MAX1771MAXIM公司生产生高效升压型DCDC控制器
MAX1771集PFMPWM两种控制方式身控制芯片电路负载时芯片通采PFM控制方式降低MOSFIT开关频率限度降低控制电路功耗负载增加时芯片工做频率动提高通PWM调制稳输出电压述分析采MAX1771控制芯片升压电路够整输出范围保持较高工作效率
加果获较测量结果必须设计温度补偿电路控制APD偏置电压APD种温度条件佳倍增增益工作接收系统获信噪里设计升压电路动调压功
电路原理框图：
DA转换
MAX1771控制器
升压电路功率原件
输出电压采样
AD转换
PIC16F886单片机
温度传感器
图36 调升压电路原理框图
Fig36Adjustable stepup circuit principle diagram
MAX1771组成升压电路原理图图示：
图37 升压电路原理图
Fig37Boost circuit principle diagram
343 APD温度补偿电路
文采温度传感器DS18B20DS18B20温度检测数字数输出全集成芯片抗干扰力更强工作周期分两部分温度检测数处理
值注意DS18B20芯片三引脚单数总线芯片单片机接口简单图示：
图38 DS18B20引脚图
Fig38DS18B20 pinout diagram
S18B20CPU连接图图示：
图39 DS18B20CPU连接图
Fig39Connection diagram of DS18B20 and CPU
引脚说明：
GND：电压
DQ：单数总线
VDD：电源电压
NC：空引脚
35 高精度时间测量芯片TDCGP21应
TDCGP21TDCGP2代升级产品颗芯片提供TDCGP2脚完全兼容功提升特性额外扩展功部集成模拟元器件较器模拟开关会外围电路设计简化时测量质量会提高外测量功耗会降低脉发生器功强化32khz晶振驱动集成进芯片外温度测量功进步提升总言TDCGP21会非常适合设计紧密低价格超声波热量表流量表应 果应TDCGP21模拟部分超声波热量表典型测量功耗降22uA
351 TDCGP21 具特点
特殊功：
1）脉产生器 产生127脉
2） 选升 降敏感
3） 通窗口功精确接受stop脉
4） 低功耗 32 kHz 振荡器 (500nA)
5） 时钟标定单元
6） 7x32 位 EEPROM
7）TDCGP21 非常适合低价格超声热量表应
TDCGP21两测量范围
测量范围 1
双通道典型精度90 ps单通道双精度 45 ps测量范围35 ns(0 ns) 25μs20ns脉间隔接受4脉
测量范围 2
单通道90ps典型精度 双精度模式 45ps 四精度模式 22ps测量范围 500ns 4ms 2xCLKHS脉间隔接受3脉3脉设定精准时间窗口窗口精确度达10ns
测量精度：
典型90ps双精度模式45p（测量范围1范围2）四精度模式22ps（仅测量范围2）
352 TDCGP21驱动电路
TDCGP21外围接口电路图示：
图310 TDCGP21外围电路
Fig310TDCGP21 peripheral circuit
TDCGP21外围电路图必须采2晶振TDCGP21需128MHz高速时钟进行校准测量范围2中TDCGP21需高速时钟信号作时间测量部分TDCGP21进行时间测量时必须振荡器TDCGP21够动控制振荡器开启时间测量时TDCGP21接收命令代码会动开启高速时钟保证振荡器测量开始前准备选择延迟时间陶瓷振荡器选择足够石英振荡器需设置延迟时间具体根实际情况参考数手册
该系统采4MHz石英振荡器时TDCGP21需32768kHz基准时钟控制高速时钟进行时钟校准时32768kHz振荡器始终处工作状态36V时电流消耗约通引脚CLK32提供外部低频矩形时钟信号外部微处理器产生
353 TDCGP21电源设计
TDCGP21身种全数字装置没模拟组成部分采1855V(核心电压1836V)供电达良测量质量模拟开关测量电流开始阶段纳秒时间实际零升十毫安需带电容电源
时TDCGP21高速测量单元测量偏差LSB电源电压密切关系电源电压范围1836v范围LSB变化范围35111Ps时电压越高LSB越低压情况测量范围1测量范围会增加电源测量会影响LSB值外会引入漂移电压情况引入漂移量需保证测量程中电源电压保持定
图311系统采电源供电路
图311 TDCGP21电源电路
Fig311TDCGP21 power supply circuit
LM1117系列开关稳压集成电路美国国家半导体公司(TI)生产集成稳压电路部集成固定振荡器需极少外围器件便构成种高效稳压电路量避免电源线干扰稳定电源值获高质量测量结果TDCGP21电源滤波电容加应离TDCGP21
第四章 测量结果误差分析
41 测量结果
根系统研究设计基TDCGP21激光测距仪系统精度进行结果测试图41TDCGP21硬件电路模板图42两根长度导线测量结果
图41TDCGP21硬件模板
Fig 41The hardware of TDCGP21 templat
图42测量结果
Fig42The measurement results
42 误差分析
4142图测距时候结果误差分析误差原：研究基TDCGP21脉激光测距系统时候没分析受气状态影响激光传输种素包括种气效应测程测距精度影响测量结果必然存着定误差
43 改进方法
研究计算分析出脉测距测程方程式信噪分析根目标反射率时距离接收激光脉光子数仿真结果目标反射率定情况气条件距离接收激光脉光子数仿真光子学角度分析测距仪测程全面讨激光测距精度样会程度减少测量误差
总结
激光测距原理基础国外脉激光测距技术发展现状作简单回顾分析目前脉激光测距机足提出半导体激光测距中项关键技术
高精度时间间隔测量芯片TDCGP21引入脉半导体激光测距系统中通种芯片深入研究出非常适合脉半导体激光测距系统采TDC芯片分立元件更规模更高工作速度更高时间分辨率更计数误差克服分立元件法克服缺点资料ACAM第代芯片TDCGP1达参数已非常高根研究结果TDCGP21更适合构造精度cm级型低成脉半导体激光测距系统效减电路规模降低硬件成提高系统性灵活性适应性着激光测距仪市场发展实现更高精度计时芯片需求必然趋势期性更TDC系列产品出现更测距系统设计方法
致 谢
文XX老师悉心教导完成选题文完成包含张老师指导文完成际四年学业付出诸心血张老师表示忠心感谢帮助学表示感谢
文写作程中实验室学量帮助文提宝贵意见问题帮解决时感谢历届师兄师姐许容研究基础完成搭建良台
真心感谢二十年辛勤劳作父母生命创造良物质条件陪伴四年班学特东区115宿舍姐妹家学生活相互顾相互帮忙利完成学业
感谢参加答辩位专家教授老师感谢百忙中抽出宝贵时间文进行评审答辩提出宝贵改进意见表示崇高敬意
参考文献
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[16] TDCGP21中文数手册
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GRADUATION THESIS （DESIGN）
文（设计）题目
Title Of Thesis（Design）
基TDCGP21激光测距
分院（系）
Department
信息电子工程学院
专业
Speciality
电子信息工程
班级
Class
电子班
文（设计）作者
Author of Thesis（Design）
文完成日期
Date
2014年X月
文（设计）指导教师
Advisor
指导教师职
The Title of Advisor
教授
基TDCGP21激光测距
Laser ranging Based on TDCGP21
2014年 5月
May 2014
指导教师毕业文（设计）评语
Advisor’s Comments on Graduation Thesis (Design)
评语：
指导教师（签章）
Signature of Advisor
日期
Date
评阅意见
评阅姓名：
职称：
选项标准： A意 B意 C基意 D意
分
项
评
价
评价项目
A
B
C
D
选
题
质
量
1
选题符合专业培养目标体现综合训练基求
2
题目难易适度
3
题目工作量适
4
理意义实际价值
力
水
5
查阅文献资料力强
6
综合运知识力强
7
研究方案设计力强
8
研究方法手段运力强
9
外文应力强
成
果
质
量
10
文题相符
11
写作水高
12
写作规范
13
篇幅适度
14
成果理实际价值
总体评价： 优 □ 良 □ 中 □ 格 □ 格 □
评阅评语
评阅签字： 年 月 日
答辩（评审）委员会意见
Appraisal of Defence Commission
答辩（评审）成绩
Mark of Defence
鉴定意见
Appraisal & Comments
（签章）
Signature of Dean
日期
Date
基TDCPG21激光测距
摘激光测距仪正着型低功耗高精度方发展尝试研制种高精度便携式脉激光测距仪针脉式激光测距技术展开重点研究短时间间隔高精度测量关键技术普通脉激光测距机时间间隔测量方法分析提出基高精度时间间隔测量芯片TDCGP21便携式脉半导体激光测距仪系统方案分析TDCGP21时间测量原理设计基TDCGP21时间间隔测量单元脉半导体激光器驱动电源光电探测器驱动电路针限距离计数分辨率引起误差结合传统提高时间分辨率方法技术进行研究发展创新测距系统时间测量精度保证提高降低硬件成简化控制电路
关键词 激光测距时间间隔测量TDC—GP21测距精度
Laser Ranging Based on TDCGP21
[Abstract] The laser range finder is developing in smalllowpower and highprecision directionA portable laser range finder with high precision was researcher in this paper We have studied the pulsed laser ranging technology and the priority is the critical technology of the highprecision measurement in short intervals In this paperwe have proposed the solutions of the portable diode laser rangefinder system based on the highprecision time interval measurement chip TDCGP21 through a deep research of the principle of the pulsed laser rangefinder studied the time measuring principle of the TDCGP21 designed the time interval measurement unit that based on the TDCGP21 designed the driven power of the pulse semiconductor lasers and the driven circuit of the photoelectric detector To solve the error caused by the count resolution in a limited distance we have combined traditional methods to improve the time resolution and with the research development and innovation of the technology we have ensured and developed the time measurement accuracy of the ranging system reduced the cost of the hardware and simplified the control circuit
[Key Words] Laser ranging Time intervals TDCGP21 Ranging precision measurement
目 录
第章 引言 1
11 激光测距技术 1
12激光测距发展状况 1
13 课题研究目意义 2
14 文工作 3
第二章 脉激光测距原理 4
21 脉法测距 4
22 相位法测距 7
23 脉法测距相位法测距较 7
24脉激光测距机结构原理 8
25激光飞行时间测量技术 9
251起止时刻鉴技术 9
252高精度时间间隔测量技术 10
第三章 便携式激光测距仪设计 14
31 激光测距仪总体设计 14
32 APD接收光量估算 15
33 激光器选择驱动 17
331 激光器选择 17
332激光脉产生 18
34 光电转换器件选择驱动 19
341光电转换器件选择 19
342 APD供电电路 20
35 高精度时间测量芯片TDCGP21应 22
351 TDCGP21 具特点 23
352 TDCGP21驱动电路 23
353 TDCGP21电源设计 24
第四章 测量结果误差分析 26
41 测量结果 26
42 误差分析 27
43 改进方法 27
总结 28
致 谢 29
参考文献 30
第章 引言
11 激光测距技术
激光测距指根激光返测距离时间测定距离方法激光测距技术着激光技术出现发展起种精密测量技术良测距性广泛应军事民领域
1960年美国THMaiman博士制成世界第台红宝石激光器开始激光优异单色性方性高亮度性引起普遍关注激光特性决定着成理想测距光源国外均力开展激光测距系统研制工作1961年美国成功研制世界早红宝石激光测距系统1969年美国首次激光测距系统应坦克火控系统激光测距技术发展迅猛广泛应战场
激光测距方法原理分相位测距法脉测距法两种相位测量技术较成熟测距精度较高目前测距技术采法相位测距电路较复杂技术难度较测程短脉式测距方法结构简单信号易处理易实现实时测量具测程长优点发展潜力
12激光测距发展状况
国外许学研究机构公司开展方面研究工作芬兰奥鲁学电器工程系芬兰技术研究早研究中心 20世纪 70年代初持续30年研究容分系统整机应美国俄罗斯家著名公司联合开展应研究产品涉工业航天海洋机器视觉等许方面美国许家著名公司开展方面研究Schwartz ElectroOptics 公司美国国家数中心研制激光海浪测量装置守海浪测量站美国联邦政府高速公路理局研制激光动探测系统车辆速度高度测量提高交通效率军方研制直升机防撞告警装置期家美国公司开展方面研究报道1992 年美国亚特兰激光公司警方专门设计便携式眼安全激光二极测距机车辆测距测速1996 年半年美国 Bushnell公司推出测距力400码400型激光测距仪Yardage 400(800)1997年Bushnell公司Internet网推出测距力800码800型激光测距仪1998年美国Tasco公司推出测距力800码摄机型Lasersite LD激光测距仪年美国LaserTechLeica等公司相继推出测距力1000米精度1米手持式远镜测距仪1995 年国际眼安全半导体激光测距技术发展十分迅速已开展波长800900nm范围峰值功率脉宽度2050ns重复频率110kHz测量距离10m1km合作目标激光测距机研究
国样机研究始20世纪80年代固体气体激光测距机基础发展起目前基础技术已具备解决工程应问题开发种应产品航天科工集团八三五八研制出 200m 测程测距仪精度 05m重复频率 100k中科院海光机研制出便携式激光测距机漫反射水泥墙测距达100m采300MHz技术方式测距精度05m重复率1kHz中国计量学院信发展半导体激光器质结单异质结发展双异质结量子阱器件目前隧道生耦合光腔结构脉半导体激光器通源区结构实现峰值功率基稳定千瓦器件种半导体激光器满足中距离脉息工程系光电子国外合作开发低价便携半导体激光测距机作距离1km精度<士 1m采 4M 晶振线性时间放技术目前市面便携式激光测距仪德国喜利公司PD系列产品BOSCH 公司相关产品瑞士LEICAA系列设备基相位测距法测量距离般较低般测距范围100m国尚相关产品面市脉测距仪具错市场前景相位测距功耗相较般9V电池供电研究出更省电测量距离更远精度更高便携式激光测距仪具研究价值
13 课题研究目意义
着科学技术快速发展激光测距仪中应越越广目前技术水说具体利测距技术十分限正蓬勃发展限前景技术产业领域展未激光波测距仪作种新型非常重工具方面发展空间着更加高定位高精度方发展满足日益发展社会需求庸置疑未激光波测距仪动化智化接轨测距仪集成融合形成测距仪着测距仪技术进步测距仪具单纯判断功发展具学功终发展具创造力新世纪里面貌新测距仪发挥更作
14 文工作
文工作：
(1)研究脉激光测距机工作原理短时间间隔高精度测量关键技术研究基TDCGP21便携式脉半导体激光测距系统
(2)脉式激光测距系统整体方案设计系统组成部分进行详细设计
(3)选择适激光器激光探测器等应元件分析选元件特性激光器驱动电路满足测距系统需
(4)研究高精度时间测量芯片TDCGP21特性测时外围电路设计设计基单片机PIC18F4525时间间隔测量单元确保短时间间隔测量精度
第二章 脉激光测距原理
激光测距广泛采飞行时间法飞行时间法根直接者间接获激光飞行时间目标物距离基原理图21示：
分AB两点架设测距机反射器测距机B处发射束激光激光测距离AB间传播达B点激光反射器反射反射回激光测距机接收果激光测距机测出激光发射接收段时间间隔AB间距离计算出根光速c距离D：
(21)
D
A点激光测距机
B点反射棱镜
D——测站点AB两点间距离 ——光返AB次需时间
图21 激光测距基原理
Fig21The basic principle of laser range finder
目前采较相位法激光测距脉法激光测距两种测距方法做简单原理描述
21 脉法测距
脉激光测距利激光脉持续时间短量时间相集中瞬时功率（般达兆瓦）特点进行测距合作目标情况脉激光测距达极远测程脉激光测距测程远测距精度高等优点获广泛应
脉激光测距原理图22示
光脉发射器
光脉接收器
时标振荡器
电子门
计数显示部分
取样棱镜
图22 脉激光测距原理图
Fig22 Pulsed laser ranging principle diagram
激光器目标发射列窄光脉（脉宽度般50ns）取样棱镜光脉接收器输出电脉信号 开电子门时标脉通计数电路开始进行计数光脉目标反射回接收器接收器样产生电脉关闭电子门终止时标脉通通测量光脉达目标目标漫反射返回接收系统脉数计算出相应时间间隔计算出目标距离
设目标距离D光脉返时间t光真空中传播速度c（c ≈299 ×m s光速c空气中传输受介质气压温度湿度影响忽略）列公式成立：
(22)
t
信息脉
整形脉
时钟脉
计数脉
TNt
脉激光测距中t通常通测距计数器发射脉目标目标返回接收系统期间进入计数器时钟脉数累计测量具体图23示
图23 计时波形图
Fig23Timing waveform
设t时间N时钟脉进入计数器时钟脉周期T振荡频率
(24)
式中表示时钟脉代表距离增量计数器计数N时钟脉公式(23)目标距离RL决定脉测距测量计数精度：
(25)
距离分辨率≤30cm求≤2×109s求时标脉频率低500MHz距离测量精度取决发射激光脉升接收通道带宽探测器信噪时间间隔测量分辨率等素关
TOF（飞行时间）测距系统构成相简单获普遍应军作距离1km测距机基全基TOF前采精密时间间隔测量方法脉飞行时间激光测距单次测量精度达厘米量级获更高精度采取次测量均方法需更长测量时间限制应范围触发脉飞行时间激光测距法原理利激光接收单元输出信号行控制激光发射单元进触发激光脉测距目标发射激光接收单元接收激光脉触发激光发射单元产生激光脉激光脉发射接收循环相关脉接收周期信号周期测量接收周期数单周期距离实际测量结果进行次均提高精度分析原理知种方法仅静止目标效获距离产生测距周期信号激光器会长时间处发射状态效率言相较低时限制触发脉飞行时间激光测距法低功率激光器件运应仅限室短距离测量
22 相位法测距
相位法测距调制信号发射激光光强进行调制利测定调制光波返测距离产生相位变化间接测定时间求测距离D
相位测距原理图24示
发射出调制光波射测线端反射棱镜激光反射接收器接收然相位计发射信号（称参考信号）接收信号（称测距信号）进行相位较显示器显示出调制光测距离返传播引起相位移设目标距离D调制光速度c调制光返需时间调制光频率f距离计算公式：
D (26)
反射镜
激光器
调制器
距离显示
调制器
调制器
图24 相位激光测距原理图
Fig24Phase laser range finding principle diagram
23 脉法测距相位法测距较
(1)脉激光测距激光短时间脉出现激光瞬时功率直接利计时电路测量出激光脉飞行时间测定目标距离脉法测量距离精度般±1米左右测量盲区般15米左右合作目标情况脉激光测距达极远测程进行公里程测距时果精度求高合作目标利测目标脉激光漫反射取反射信号进行测距例美国Bushnell公司Yardage800测程达73152m脉法测距系统结构较简单信号易处理易实现实时测量具测程长优点发展潜力设计时刻鉴单元达消减漂移误差时间抖动脉激光测距重研究课题
(2)相位激光测距激光连续激光功率先通激光强度进行调制测发射接收光波相位变化间接测时间进步实现距离测量项技术较成熟测距精度较高目前测距技术采法例徕卡D2激光测距仪测程005米60米精度达15mm型号PD40德国喜利激光测距仪测程长达200米精度达10mm相位测距电路较复杂技术难度较测程短限制领域应
24脉激光测距机结构原理
脉激光测距机指利射目标激光脉测量目标距离种距离测量仪具测程远体积特点军事种战场目标测距通常战术应军激光测距机指脉激光测距机
脉激光测距机激光发射系统激光接收系统激光电源三基部件组成激光发射系统脉激光器发射光学系统取样器瞄准稳定光学系统组成作高峰值功率激光脉射目标激光接收系统滤光片光电探测器放器较器接收电路计数显示器组成作接收目标漫反射回激光脉回波计算显示目标距离激光电源高压电源低压电源组成作提供电
脉激光测距机原理图25示：
起始终止重显信号
测距仪光学系统统
气传输光路
测目标
激光触发
激光发射器
激光脉
回波信号
窄带滤光片
目标距离信号
光电探测器
放滤波网络
时钟
距离计数器
终止
起始
探测值
图25 脉激光测距机测距原理图
Fig25 Pulsed laser ranging principle diagram
脉激光测距机工作原理利脉激光器目标发射前陡峭峰值功率高单次激光脉激光脉串计数器测量激光脉达目标目标返回接收机返时间计算目标距离工作程：首先瞄准光学系统瞄准目标然接通激光电源起动激光器通发射光学系统压缩光束发散角瞄准目标发射激光脉信号（脉宽度般50ns）时采样器采集发射信号开电子门作计数器开门脉信号起动计数器标准频率发生器产生时标脉通进行计数目标反射回激光回波气传输进入接收光学系统回波信号滤光片作光电探测器转变电脉信号放器放进入计数器作计算器关门信号计数器停止计数计数器开门关门期间进入计数器积累脉数运算脉达目标目标漫反射返回接收系统时间计算出目标距离显示器显示出
脉测距仪原理结构较简单测程远功耗类测距仪般测量范围10km精度5cm
25激光飞行时间测量技术
251起止时刻鉴技术
激光脉空中传输程中衰减畸变导致接收脉发射脉幅度形状正确确定起止时刻带困难引起测量误差称漂移误差外输入噪声引起时间抖动测量带误差设计时刻鉴单元达消减漂移误差时间抖动激光脉测距重研究课题
目前时刻鉴方法三种：前鉴恒定值鉴高通容阻鉴
前鉴通固定阈值方式确定起止时刻脉前中强度等设阈值点达时刻作起止时刻脉幅度形状变化引起漂移误差阈值关值接脉升时间前鉴法测量误差
恒定值鉴法原理起止时刻取脉高度定值方例恒定值取50取脉升中半高点达时刻起止时刻考虑波形畸变噪声等数影响幅度变化引起误差0见恒定值鉴法效消脉幅度变化带误差
高通容阻时刻鉴方法接收通道输出起止信号脉通高通容阻滤波线路原极值点转变零点作起止时刻点该方法效克服波形畸变噪声带误差误差受信号脉极值附斜率影响报道采方法时漂移误差控制±35 ps(相05mm测距精度)
时刻鉴误差采鉴类型关外激光回波脉波形光电探测器类型关激光回波脉先接收通道光电探测器进行光电转换前置放进入时刻鉴单元光电探测器光电转换机制接收通道引入噪声带宽限制影响回波脉波形完整恢复探测器光信号波形原力考虑时刻鉴误差时必须结合探测器时刻鉴类型光信号波形类型分
漂移误差外时刻鉴程中存时间抖动输入信号噪声接收通道附加噪声产生抖动幅度信号脉升宽度信号强度时刻鉴单元带宽鉴类型关输入时刻鉴单元噪声分白噪声相干噪声时间抖动作
252高精度时间间隔测量技术
高精度时间间隔测量技术三种方法：时间间隔扩展法时间振幅转换法传递延迟法
时间间隔扩展法
时间间隔扩展法测部分时间范围中电容器做恒定电流充电电容器端电压着测时间长短做线性增减测时间结束时利外充电电流恒流源电容器开始线性放电直电容器端电压回充电起始值止放电程中利计数器较长放电时间做计数放电时间反推充电时间(测部分时间)
送计数器
图26 时间扩展法原理图
Fig26Time extension principle diagram
设充电电流放电电流知间例系数扩展时间实际输入间隔间关系：
(27)
中：
时间间隔扩展法高分辨率受充电电流放电电流值影响较测时间放两次测量间时间间隔长
时间振幅转换法
时间振幅转换法测时间范围利恒流源电容充电该电容端电压会着测时间长短充电时间长短改变测时间结束时停止充电利模数转换器(AD)测量时电容电压电压正测时间长短利两组充电电路两模数转换器求测时间
时间振幅转换法克服时间间隔扩展法转换时间长非线性难控制等问题高插补分辨率实际中线性度问题极限制该方法应电容器端电压测时间长短做线性变化必须稳定电流充电先考虑电流源身稳定度开始充电瞬间必定会充电非线性现象出现种非线性现象原作控制充电开关快速开关完全截止状态完全导通状态需点时间通常微秒量级段时间里通充电电流变结果造成电压变化非线性测量短时间时出现较误差
传递延迟法
传递延时法利信号传输电子元件连接导线时必定产生时间延迟作现象作测量短暂时间手段图2728传递延时电路基结构示意图：
延时单元
串行输入
行输入
串行输出
状态输出
复位
图27 传递延迟法原理图
Fig27 Propagation delay principle diagram
传递延时链
开始
停止
数字码输出
编码电路
图28 传递延迟法原理图
Fig28Propagation delay principle diagram
图27中延时单元缓门D触发器组成串传递延时链基单位逻辑缓门输出逻辑状态着输入改变D触发器记录改变状态逻辑门数目延时单元两输入端两输出端：逻辑缓门输入端输出端分延时单元串联输入端串联输出端D触发器时钟输入端输出端Q延时单元联输入端状态输出端串联输出端均延时单元连接相应D触发器输入端便该触发器时获该逻辑缓门输出状态
图28中延时单元串联输出端连接延时单元串联输入端成链状整传递延时链联输入端均联方式接起接收停止信号作触发器时钟信号触发器状态输出端联式序连接编码电路输入端口信号逻辑缓门输入端前段连接路径需传输时间延时单元造成延迟时间果测部分时间开始时起始脉信号输入第延时单元串联输入端信号逻辑门连接导线需时间信号次传输逻辑缓门缓门输出延迟时间间隔次改变输出状态停止信号时U触发器记录时止少逻辑缓门状态改变然编码电路状态改变延时单元数目转换成数字信号输出接着测部分时间马数码延时单元传递时间获：
(28)
中测部分时间改变状态延时单元数j（0
第三章 便携式激光测距仪设计
31 激光测距仪总体设计
激光测距仪总体设计图31示：
图31 实验系统总体设计图
Fig31The overall design diagram of experimental system
该系统脉激光发射系统光电接收系统脉输入信号整形电路TDCGP21测量电路PIC18F4525单片机电源电路时钟电路组成
图示文中激光器产生激光脉脉宽32ns频率1kHz激光产生通分光镜分成两束束光直接射APD1束光射目标反射回滤光片APD2两者产生电信号分通电路处理区APD1产生信号作高速时间测量单元开始信号APD2产生信号作高速时间测量单元停止信号开始信号停止信号升触发样效消分光镜前时间误差时效抵消光电传感器信号处理时间延时
APD1出电信号两条路径走条直接送入放电路条通延时进送入放电路选择条路径CPU控制测量短距离时第条路径测量长距离时第二条路径
该系统测距程：激光器发出激光脉红外半导体激光准直透镜06GLC发散角456mrad激光束激光器发出激光行达远处测距目标光斑系统加入光束整形光束整形部分采焦距2mm目镜焦距384cm物镜组成光束分束镜约1量直接送APD1约99量射目标1量激光脉APD1转换电脉然前置放器续放器逐级进行放定鉴器进行整形处理理想电脉送TDCGP21作计时起点触发脉起始时刻表示射目标量目标漫反射回变较微弱接收光学系统接光学口径00254m光学系统透率09窄带光学滤波器透率07APD2雪崩光电探测器接收接收电路接收光信号转换幅值约1mV频率约1 KHz电脉然前置放器续放器分进行放定鉴器进行整形处理理想电脉送TDCGP21作计时终点触发脉终时刻表示公式
(31)
算出测目标距离
长时间工作程中激光器部温度升高导致输出功率输出波长发生变化保证系统性高度稳定必须激光器进行温度控制
APD增益反击穿电压具温度系数正常工作时必须配置高精度温度采集单元恒温控制电路单元提供合适偏置电压恒温控制电路单元单片机通调节半导体制冷器（TEC）工作电压实现精确温度控制
32 APD接收光量估算
面利光学规律估算APD接收光量测距系统光量变化程图32表示O激光发射点O′效接收面积中心点D测距离测量方测点法线pN夹角
推导程中忽略光传播程中气衰减
图32测距系统光量传输图
Fig32Optical energy transmission diagram ranging system
激光器发出准直激光激光发射功率发射系统光学透率发出效光功率P：
(32)
光测距离R达测点p根量守恒p处获光功率等发射光功率P假设p处理想朗伯漫射面(实际物体表面数非理想朗伯漫射面纯镜面反射表面外推导程漫射表面似成立)反射率漫反射光功率：
(33)
激光准直性p作光点漫反射光功率均匀分布p点球心半球面方光强：
(34)
效接收面积远远测距离R立体角Ω认光强均匀分布设接收系统光学透率滤波器透率计光传播程中气衰减接收光功率：
(35)
式见定测表面反射率测量方距离D提高接收光功率提高激光器输出功率增加效接收面积
增加接收面积会增加体积重量会增加余环境噪声选择适采功率激光器提高接收光功率效措施
33 激光器选择驱动
331 激光器选择
系统采半导体激光器(简称LD)现中型激光测距机采半导体激光器半导体激光器作脉激光源优点体积效率高脉重复率高价格仅便宜寿命长通调制输入电流输出直接调制响应速度快具类型激光器法拟特性
数激光测距机眼害眼敏感波段位0408µm波段会眼会聚视网膜量密度达定值时会造成眼暂甚永久性损伤波段光会眼角膜吸收相安全
测量目标设定石灰岩04090710mmD300m：
(36)
目前探测器探测功率10nW激光接收功率10nW时计算：
(37)
激光气传输衰减激光接收功率会进步降取发射激光脉峰值功率50W
述图33示系统采激光源选半导体激光器HLD980该半导体激光器性指标：
波 长： 980nm
功 率： 50w
工作电流： ＜900mA
阈值电流： 145mA
工作电压 ＜2V
图33 半导体激光器HLD980
Fig33HLD980 semiconductor laser
332激光脉产生
脉式半导体激光器脉信号驱动脉式半导体激光器驱动电源基求低阻负载应该产生快速电流脉质种电流开关电路半导体激光器两端压降PN结压降串联电阻压降组成电源求提供电流脉外应出足够脉电压幅度脉前越陡越
图34 脉信号发生电路原理图
Fig34Pulse signal generating circuit principle diagram
图34系统设计脉信号发生电路原理图555产生占空定脉信号进入74LS112D芯片脉信号高低电发生变化通改变电阻电容获32ns峰值脉信号
图35 激光脉发生电路
Fig35Circuit pulse laser
述分析基础文设计激光脉发生电路图35示脉激光测距系统测距精度光脉升关系应选快速晶体电路板布线应合理
34 光电转换器件选择驱动
341光电转换器件选择
光电转换器件工作原理分光电导器件光生伏特器件光生电流器件测距系统需光电转换器件具短响应时间微弱信号敏感供选择光电传感器光电倍增(PMT)雪崩光电二级(APD)PIN型光电探测器PMT体积较动态响应范围较较少脉激光测距中PIN型光电探测器部没放作APD具部增益APDPIN型光电探测器灵敏度提高保证激光测距系统测距精度扩测距范围外APD具响应时间短噪声稳定度高等众优点系统选择APD作激光信号接收元件
系统需两光电转换器件保证两探测器延时致性二者采型号APD基述分析激光接收端信号测目标反射变微弱考虑光电转换器响应时间时保证较高响应度
系统采探测器德国Silicon SensorAD800型APDAD8008硅材料雪崩光电二极具体性特点：
光谱相应范围：
灵敏度高：03AW
工作电压：5V
响应时间：
暗电流：
342 APD供电电路
文选APD常温正常工作时需阴极加160V左右直流反偏压APD足够增益般系统提供样电压需设计高压发生电路APD提供反偏压分立元件做出升压电路耗高效率低便携式设备中取
文通采MAX1771升压芯片取代分立元件设计输出电压调升压电路MAX1771MAXIM公司生产生高效升压型DCDC控制器
MAX1771集PFMPWM两种控制方式身控制芯片电路负载时芯片通采PFM控制方式降低MOSFIT开关频率限度降低控制电路功耗负载增加时芯片工做频率动提高通PWM调制稳输出电压述分析采MAX1771控制芯片升压电路够整输出范围保持较高工作效率
加果获较测量结果必须设计温度补偿电路控制APD偏置电压APD种温度条件佳倍增增益工作接收系统获信噪里设计升压电路动调压功
电路原理框图：
DA转换
MAX1771控制器
升压电路功率原件
输出电压采样
AD转换
PIC16F886单片机
温度传感器
图36 调升压电路原理框图
Fig36Adjustable stepup circuit principle diagram
MAX1771组成升压电路原理图图示：
图37 升压电路原理图
Fig37Boost circuit principle diagram
343 APD温度补偿电路
文采温度传感器DS18B20DS18B20温度检测数字数输出全集成芯片抗干扰力更强工作周期分两部分温度检测数处理
值注意DS18B20芯片三引脚单数总线芯片单片机接口简单图示：
图38 DS18B20引脚图
Fig38DS18B20 pinout diagram
S18B20CPU连接图图示：
图39 DS18B20CPU连接图
Fig39Connection diagram of DS18B20 and CPU
引脚说明：
GND：电压
DQ：单数总线
VDD：电源电压
NC：空引脚
35 高精度时间测量芯片TDCGP21应
TDCGP21TDCGP2代升级产品颗芯片提供TDCGP2脚完全兼容功提升特性额外扩展功部集成模拟元器件较器模拟开关会外围电路设计简化时测量质量会提高外测量功耗会降低脉发生器功强化32khz晶振驱动集成进芯片外温度测量功进步提升总言TDCGP21会非常适合设计紧密低价格超声波热量表流量表应 果应TDCGP21模拟部分超声波热量表典型测量功耗降22uA
351 TDCGP21 具特点
特殊功：
1）脉产生器 产生127脉
2） 选升 降敏感
3） 通窗口功精确接受stop脉
4） 低功耗 32 kHz 振荡器 (500nA)
5） 时钟标定单元
6） 7x32 位 EEPROM
7）TDCGP21 非常适合低价格超声热量表应
TDCGP21两测量范围
测量范围 1
双通道典型精度90 ps单通道双精度 45 ps测量范围35 ns(0 ns) 25μs20ns脉间隔接受4脉
测量范围 2
单通道90ps典型精度 双精度模式 45ps 四精度模式 22ps测量范围 500ns 4ms 2xCLKHS脉间隔接受3脉3脉设定精准时间窗口窗口精确度达10ns
测量精度：
典型90ps双精度模式45p（测量范围1范围2）四精度模式22ps（仅测量范围2）
352 TDCGP21驱动电路
TDCGP21外围接口电路图示：
图310 TDCGP21外围电路
Fig310TDCGP21 peripheral circuit
TDCGP21外围电路图必须采2晶振TDCGP21需128MHz高速时钟进行校准测量范围2中TDCGP21需高速时钟信号作时间测量部分TDCGP21进行时间测量时必须振荡器TDCGP21够动控制振荡器开启时间测量时TDCGP21接收命令代码会动开启高速时钟保证振荡器测量开始前准备选择延迟时间陶瓷振荡器选择足够石英振荡器需设置延迟时间具体根实际情况参考数手册
该系统采4MHz石英振荡器时TDCGP21需32768kHz基准时钟控制高速时钟进行时钟校准时32768kHz振荡器始终处工作状态36V时电流消耗约通引脚CLK32提供外部低频矩形时钟信号外部微处理器产生
353 TDCGP21电源设计
TDCGP21身种全数字装置没模拟组成部分采1855V(核心电压1836V)供电达良测量质量模拟开关测量电流开始阶段纳秒时间实际零升十毫安需带电容电源
时TDCGP21高速测量单元测量偏差LSB电源电压密切关系电源电压范围1836v范围LSB变化范围35111Ps时电压越高LSB越低压情况测量范围1测量范围会增加电源测量会影响LSB值外会引入漂移电压情况引入漂移量需保证测量程中电源电压保持定
图311系统采电源供电路
图311 TDCGP21电源电路
Fig311TDCGP21 power supply circuit
LM1117系列开关稳压集成电路美国国家半导体公司(TI)生产集成稳压电路部集成固定振荡器需极少外围器件便构成种高效稳压电路量避免电源线干扰稳定电源值获高质量测量结果TDCGP21电源滤波电容加应离TDCGP21
第四章 测量结果误差分析
41 测量结果
根系统研究设计基TDCGP21激光测距仪系统精度进行结果测试图41TDCGP21硬件电路模板图42两根长度导线测量结果
图41TDCGP21硬件模板
Fig 41The hardware of TDCGP21 templat
图42测量结果
Fig42The measurement results
42 误差分析
4142图测距时候结果误差分析误差原：研究基TDCGP21脉激光测距系统时候没分析受气状态影响激光传输种素包括种气效应测程测距精度影响测量结果必然存着定误差
43 改进方法
研究计算分析出脉测距测程方程式信噪分析根目标反射率时距离接收激光脉光子数仿真结果目标反射率定情况气条件距离接收激光脉光子数仿真光子学角度分析测距仪测程全面讨激光测距精度样会程度减少测量误差
总结
激光测距原理基础国外脉激光测距技术发展现状作简单回顾分析目前脉激光测距机足提出半导体激光测距中项关键技术
高精度时间间隔测量芯片TDCGP21引入脉半导体激光测距系统中通种芯片深入研究出非常适合脉半导体激光测距系统采TDC芯片分立元件更规模更高工作速度更高时间分辨率更计数误差克服分立元件法克服缺点资料ACAM第代芯片TDCGP1达参数已非常高根研究结果TDCGP21更适合构造精度cm级型低成脉半导体激光测距系统效减电路规模降低硬件成提高系统性灵活性适应性着激光测距仪市场发展实现更高精度计时芯片需求必然趋势期性更TDC系列产品出现更测距系统设计方法
致 谢
文XX老师悉心教导完成选题文完成包含张老师指导文完成际四年学业付出诸心血张老师表示忠心感谢帮助学表示感谢
文写作程中实验室学量帮助文提宝贵意见问题帮解决时感谢历届师兄师姐许容研究基础完成搭建良台
真心感谢二十年辛勤劳作父母生命创造良物质条件陪伴四年班学特东区115宿舍姐妹家学生活相互顾相互帮忙利完成学业
感谢参加答辩位专家教授老师感谢百忙中抽出宝贵时间文进行评审答辩提出宝贵改进意见表示崇高敬意
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