基于TDC-GP21的激光测距毕业论文


    毕业论文(设计) GRADUATION THESIS (DESIGN) 论文(设计)题目 Title Of Thesis(Design) 基于TDC-GP21的激光测距 分院(系别) Department 信息与电子工程学院 专业 Speciality 电子信息工程 班级 Class 电子班 论文(设计)作者 Author of Thesis(Design)    论文完成日期 Date 2014年X月 论文(设计)指导教师 Advisor    指导教师职 The Title of Advisor  教授     基于TDC-GP21的激光测距 Laser ranging Based on TDC-GP21 2014年 5月 May 2014 指导教师对毕业论文(设计)的评语 Advisor’s Comments on Graduation Thesis (Design) 评语:   指导教师(签章)   Signature of Advisor                           日期                    Date          评阅人意见 评阅人姓名: 职称: 选项标准: A很同意 B同意 C基本同意 D不同意 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,体现综合训练基本要求 2 题目难易适度 3 题目工作量适当 4 有理论意义或实际价值 能 力 水 平 5 查阅文献资料能力强 6 综合运用知识能力强 7 研究方案的设计能力强 8 研究方法和手段的运用能力强 9 外文应用能力强 成 果 质 量 10 文题相符 11 写作水平高 12 写作规范 13 篇幅适度 14 成果有理论或实际价值 总体评价: 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 □ 评阅人评语 评阅人签字: 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                主任(签章)                Signature of Dean                                     日期 Date     基于TDC-PG21的激光测距 【摘要】激光测距仪正朝着小型、低功耗和高精度方向发展,尝试研制一种高精度的便携式脉冲激光测距仪。针对脉冲式激光测距技术展开,重点研究短时间间隔的高精度测量这一关键技术。在对普通脉冲激光测距机的时间间隔测量方法分析后,提出了基于高精度时间间隔测量芯片TDC-GP21的便携式脉冲半导体激光测距仪系统方案。分析了TDC-GP21时间测量原理,设计了基于TDC-GP21的时间间隔测量单元,脉冲半导体激光器的驱动电源、光电探测器的驱动电路。针对有限距离的计数分辨率引起的误差,结合传统提高时间分辨率的方法,并对这一技术进行研究、发展和创新,使得测距系统的时间测量精度得到了很好的保证及提高,降低了硬件成本,简化了控制电路。 【关键词】 激光测距,时间间隔测量,TDC—GP21,测距精度 Laser Ranging Based on TDC-GP21 [Abstract] The laser range finder is developing in small,low-power and high-precision direction.A 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 high-precision measurement in short intervals. In this paper,we have proposed the solutions of the portable diode laser rangefinder system based on the high-precision time interval measurement chip TDC-GP21, through a deep research of the principle of the pulsed laser rangefinder. studied the time measuring principle of the TDC-GP21, designed the time interval measurement unit that based on the TDC-GP21, 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 , TDC-GP21, Ranging precision measurement 目 录 第一章 引言 1 1.1 激光测距技术 1 1.2激光测距的发展状况 1 1.3 课题研究的目的及意义 2 1.4 论文的主要工作 3 第二章 脉冲激光测距原理 4 2.1 脉冲法测距 4 2.2 相位法测距 7 2.3 脉冲法测距与相位法测距比较 7 2.4脉冲激光测距机结构和原理 8 2.5激光飞行时间测量技术 9 2.5.1起止时刻鉴别技术 9 2.5.2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 3.1 激光测距仪总体设计 14 3.2 APD接收的光能量估算 15 3.3 激光器的选择与驱动 17 3.3.1 激光器的选择 17 3.3.2激光脉冲的产生 18 3.4 光电转换器件的选择与驱动 19 3.4.1光电转换器件的选择 19 3.4.2 APD的供电电路 20 3.5 高精度时间测量芯片TDC-GP21的应用 22 3.5.1 TDC-GP21 具有的一些特点 23 3.5.2 TDC-GP21的驱动电路 23 3.5.3 TDC-GP21电源设计 24 第四章 测量结果和误差分析 26 4.1 测量结果 26 4.2 误差分析 27 4.3 改进方法 27 总结 28 致 谢 29 参考文献 30 第一章 引言 1.1 激光测距技术 激光测距是指根据激光往返待测距离的时间来测定距离的方法,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。 自1960年美国T.H.Maiman博士制成世界上第一台红宝石激光器开始,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。激光的这些特性,决定着它成为理想的测距光源。国内外均大力开展了激光测距系统的研制工作。1961年美国就成功的研制了世界上最早的红宝石激光测距系统,1969年美国又首次将激光测距系统应用于坦克火控系统。从此,激光测距技术发展迅猛,广泛的应用于战场上。 激光测距方法从原理上分主要有相位测距法和脉冲测距法两种。由于相位测量技术较为成熟,因此测距精度较高,目前的测距技术大多采用此法,但相位测距电路较为复杂,技术难度较大,测程短。脉冲式测距方法结构简单,信号易于处理,并且易于实现实时测量,具有测程长的优点,因此发展潜力很大。 1.2激光测距的发展状况 国外许多大学,研究机构和公司都开展了这方面的研究工作。芬兰奥鲁大学电器工程系和芬兰技术研究是最早的研究中心,从 20世纪 70年代初至今持续了30多年,研究内容从各分系统到整机及其应用,并且与美国、俄罗斯几家著名公司联合开展了应用研究,其产品涉及工业、航天、海洋及机器人视觉等许多方面。美国有许多家著名公司开展了这方面的研究,Schwartz Electro-Optics 公司为美国国家数据中心研制了激光海浪测量装置,用于无人看守的海浪测量站为美国联邦政府高速公路管理局研制了激光自动探测系统,用于车辆速度和高度的测量,提高了交通效率还为军方研制了直升机防撞告警装置。近期又有几家美国公司开展这方面研究的报道,1992 年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的便携式人眼安全激光二极管测距机,用于对车辆的测距和测速。1996 年下半年美国 Bushnell公司推出了测距能力为400码的400型的激光测距仪Yardage 400(800);1997年Bushnell公司在Internet网上又推出测距能力为800码的800型激光测距仪;1998年美国Tasco公司推出测距能力为800码的摄像机型Lasersite LD激光测距仪。最近几年美国LaserTech、Leica等公司也相继推出测距能力1000米,精度1米的手持式望远镜测距仪。1995 年以来,国际上对人眼安全的半导体激光测距技术发展十分迅速,已开展了波长在800-900nm范围内,峰值功率为脉冲宽度20-50ns、重复频率1-10kHz、测量距离10m-1km无合作目标的激光测距机研究。 国内样机的研究始于20世纪80年代,是在固体气体激光测距机的基础上发展起来的。目前,基础技术已具备,主要是解决工程应用问题,开发各种应用产品,航天科工集团八三五八所研制出 200m 测程的测距仪,精度 0.5m,重复频率 100k;中科院上海光机所研制出便携式激光测距机,对漫反射水泥墙的测距达100m,采用300MHz技术方式,测距精度0.5m,重复率1kHz;中国计量学院信发展,半导体激光器从同质结、单异质结发展到双异质结、量子阱器件,再到目前的隧道再生耦合大光腔结构的脉冲半导体激光器,通过多有源区结构实现了峰值功率基本稳定到了有上千瓦的器件。这种半导体激光器可以满足近、中距离脉息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携半导体激光测距机,作用距离1km,精度<士 1m,采用 4M 晶振,线性时间放大技术。目前市面上的便携式激光测距仪主要都是德国的喜利得公司的PD系列产品,BOSCH 公司也有相关产品,瑞士LEICA的A系列设备,而且大都是基于相位测距法,其测量距离一般较低,一般测距范围都在100m以内,国内尚无其它相关产品面市,所以脉冲测距仪具有不错的市场前景,而且相位测距的功耗都相对较大,一般都要9V电池供电。研究出更省电、测量距离更远、精度更高的便携式激光测距仪具有很大的研究价值。 1.3 课题研究的目的及意义 随着科学技术的快速发展,激光将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说,人们可以具体利用的测距技术还十分有限,因此,这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来,激光波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间,它将朝着更加高定位高精度的方向发展,以满足日益发展的社会需求,无庸置疑,未来的激光波测距仪将与自动化智能化接轨,与其他的测距仪集成和融合,形成多测距仪。随着测距仪的技术进步,测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能,最终发展到具有创造力。在新的世纪里,面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。 1.4 论文的主要工作 本论文主要工作为: (1)研究脉冲激光测距机的工作原理和短时间间隔高精度测量这一关键技术,研究基于TDC-GP21的便携式脉冲半导体激光测距系统。 (2)脉冲式激光测距系统整体方案设计,对系统各个组成部分进行详细设计。 (3)选择适当的激光器和激光探测器等应用元件。分析所选元件的特性及激光器驱动电路,以满足测距系统的需要。 (4)研究高精度时间测量芯片TDC-GP21的特性,及测时外围电路设计,设计基于单片机PIC18F4525的时间间隔测量单元,确保短时间间隔测量精度。 第二章 脉冲激光测距原理 激光测距广泛采用飞行时间法,飞行时间法是根据直接或者间接获得的激光飞行时间来得到目标物距离。其基本原理如图2.1所示: 即分别在A、B两点架设测距机和反射器,测距机向B处发射一束激光,激光在被测距离A、B之间传播,到达B点后,激光被反射器反射。反射回的激光被测距机接收,如果激光测距机能测出激光从发射到接收这一段时间间隔,那么,在A、B之间的距离就可以计算出来。根据光速c,则距离D为: (2-1) D A点激光测距机 B点反射棱镜 D——测站点A、B两点间距离 ——光往返A、B一次所需的时间 图2.1 激光测距基本原理 Fig2.1The basic principle of laser range finder 目前采用较多的是相位法激光测距和脉冲法激光测距,以下将这两种测距方法做简单原理描述。 2.1 脉冲法测距 脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间短,能量在时间上相对集中,瞬时功率很大(一般可达兆瓦)的特点进行测距,在有合作目标的情况下脉冲激光测距可达到极远的测程。脉冲激光测距以其测程远、测距精度高等优点获得了广泛的应用。 脉冲激光测距原理如图2.2所示。 光脉冲发射器 光脉冲接收器 时标振荡器 电子门 计数及显示部分 取样棱镜 图2.2 脉冲激光测距原理图 Fig2.2 Pulsed laser ranging principle diagram 激光器对目标发射一个或一列很窄的光脉冲(脉冲宽度一般小于50ns),经取样棱镜,光脉冲接收器输出一个电脉冲信号, 打开电子门让时标脉冲通过,计数电路开始进行计数。光脉冲被目标反射后回到接收器,接收器同样产生一个电脉冲,关闭电子门终止时标脉冲通过。通过测量光脉冲到达目标并由目标漫反射返回到接收系统的脉冲数就能计算出相应的时间间隔,从而计算出目标距离。 设目标距离为D,光脉冲往返时间为t,光在真空中的传播速度为c(c ≈2.99 ×m /s,光速c在空气中传输受介质、气压、温度、湿度的影响可忽略),则有下列公式成立: (2-2) t 信息脉冲 整形脉冲 时钟脉冲 计数脉冲 T-Nt 在脉冲激光测距中,t通常是通过测距计数器对从发射脉冲到目标并从目标返回到接收系统期间进入计数器的时钟脉冲个数的累计来测量的,具体如图2.3所示。 图2.3 计时波形图 Fig2.3Timing waveform 设在t时间内,有N个时钟脉冲进入计数器,时钟脉冲周期为T,振荡频率为。 (2-4) 式中,,表示每一个时钟脉冲所代表的距离增量。如计数器计数N个时钟脉冲,则由公式(2-3)可得到目标距离R。L的大小决定了脉冲测距的测量计数精度。即: (2-5) 若要距离分辨率≤30cm,则要求≤2×10-9s,即要求时标脉冲的频率最低为500MHz。距离测量的精度主要取决于发射激光脉冲的上升沿、接收通道的带宽、探测器的信噪比、时间间隔测量的分辨率等因素有关。 TOF(飞行时间)测距系统构成相对简单,因而获得了普遍的应用。军用的作用距离大于1km的测距机基本上全都是基于TOF的。当前,采用精密的时间间隔测量方法,脉冲飞行时间激光测距的单次测量精度可以达到厘米量级。为获得更高精度,可以采取多次测量平均的方法,但是这需要更长的测量时间,从而限制了它的应用范围。自触发脉冲飞行时间激光测距法,其原理利用激光接收单元的输出信号自行控制激光发射单元,进而触发激光脉冲向测距目标发射,即激光接收单元接收到激光脉冲之后,去触发激光发射单元产生下一个激光脉冲。激光脉冲的发射和接收是循环相关的。经过多个脉冲后,接收的这一周期信号经过周期测量再除以接收的周期数,从单个周期得到距离。实际上是对测量结果进行多次平均,从而提高精度。分析其原理可知,这种方法仅对静止目标有效,而且为了获得由距离而产生的测距周期信号,激光器会长时间的处于发射状态,就效率而言是相对较低的,同时,这也限制了触发脉冲飞行时间激光测距法只能在低功率激光器件上运用,从而其应用仅限于室内的短距离测量。 2.2 相位法测距 相位法测距是用一调制信号对发射激光的光强进行调制,利用测定调制光波往返于被测距离所产生的相位变化来间接地测定时间,从而求得被测的距离D。 相位测距原理如图2.4所示。 发射出的调制光波射向测线另一端的反射棱镜。激光经反射后被接收器所接收,然后由相位计将发射信号(又称参考信号)与接收信号(又称测距信号)进行相位比较,并由显示器显示出调制光在被测距离上往返传播所引起的相位移设目标距离为D,调制光的速度为c,为调制光往返所需要的时间,调制光的频率为f。则其距离的计算公式为: D== (2-6) 反射镜 激光器 调制器 距离显示 调制器 调制器 图2.4 相位激光测距原理图 Fig2.4Phase laser range finding principle diagram 2.3 脉冲法测距与相位法测距比较 (1)脉冲激光测距的激光是以短时间的脉冲出现的,激光瞬时功率很大,是直接利用计时电路测量出激光脉冲飞行时间来测定目标距离的。脉冲法测量距离的精度是一般是在±1米左右,测量盲区一般是15米左右。有合作目标的情况下,脉冲激光测距可以达到极远的测程。在进行几公里的近程测距时,如果精度要求不高,即使不使用合作目标,只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得反射信号,也可以进行测距。例如美国Bushnell公司的Yardage800,测程可达731.52m。脉冲法测距系统结构较简单,信号易于处理,并且易于实现实时测量,具有测程长的优点,发展潜力很大。如何设计时刻鉴别单元以达到消除或减小漂移误差和时间抖动,是脉冲激光测距的重要研究课题之一。 (2)相位激光测距的激光是连续的,激光的功率不大,是先通过对激光的强度进行调制,测得发射与接收光波的相位变化间接测得时间,再进一步实现距离测量的。这项技术较为成熟,因此测距精度较高,目前的测距技术大多采用此法。例如徕卡D2激光测距仪测程为0.05米-60米,精度可达1.5mm。型号为PD40的德国喜利得激光测距仪测程最长可达200米,精度可达1.0mm。但相位测距电路较为复杂,技术难度较大,测程短,限制了很多领域的应用。 2.4脉冲激光测距机结构和原理 脉冲激光测距机是指利用射向目标的激光脉冲测量目标距离的一种距离测量仪。具有测程远,体积小的特点,多用在军事上对各种战场目标测距,因此通常战术应用的军用激光测距机主要是指脉冲激光测距机。 脉冲激光测距机大多由激光发射系统、激光接收系统和激光电源三个基本部件组成。激光发射系统由脉冲激光器、发射光学系统、取样器以及瞄准和稳定光学系统组成,其作用是将高峰值功率的激光脉冲射向目标。激光接收系统由滤光片、光电探测器、放大器、比较器、接收电路和计数显示器组成,其作用是接收从目标漫反射回来的激光脉冲回波并计算和显示目标距离。激光电源由高压电源和低压电源组成,其作用是提供电能。 脉冲激光测距机原理如图2.5所示: 起始、终止重显信号 测距仪光学系统统 大气传输光路 被测目标 激光触发 激光发射器 激光脉冲 回波信号 窄带滤光片 目标距离信号 光电探测器 放大和滤波网络 时钟 距离计数器 终止 起始 探测值 图2.5 脉冲激光测距机测距原理图 Fig2.5 Pulsed laser ranging principle diagram 脉冲激光测距机的工作原理是利用脉冲激光器向目标发射前沿陡峭、峰值功率高的单次激光脉冲或激光脉冲串,计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间,由此计算目标的距离。其工作过程是:首先用瞄准光学系统瞄准目标,然后接通激光电源,起动激光器,通过发射光学系统压缩光束发散角,向瞄准的目标发射激光脉冲信号(脉冲宽度一般小于50ns)。同时,采样器采集发射信号打开电子门,作为计数器开门的脉冲信号,起动计数器,让标准频率发生器产生的时标脉冲通过并对其进行计数。由目标反射回来的激光回波经过大气传输,进入接收光学系统,回波信号经过滤光片后作用在光电探测器上,转变为电脉冲信号,经过放大器放大,进入计数器,作为计算器的关门信号,计数器停止计数。计数器从开门到关门期间,所进入的用计数器积累的脉冲个数,经过运算得到脉冲到达目标并由目标漫反射返回到接收系统的时间从而计算出目标的距离,在显示器上显示出来。 脉冲测距仪的原理和结构较简单,测程远,功耗小,此类测距仪一般测量范围10km,精度5cm。 2.5激光飞行时间测量技术 2.5.1起止时刻鉴别技术 由于激光脉冲在空中传输过程中的衰减和畸变,导致接收到的脉冲与发射脉冲在幅度和形状上有很大不同,给正确确定起止时刻带来困难,由此引起的测量误差称为漂移误差;另外,由输入噪声引起的时间抖动也给测量带来误差。如何设计时刻鉴别单元以达到消除或减小漂移误差和时间抖动,是激光脉冲测距的重要研究课题之一。 目前时刻鉴别的方法主要有三种:前沿鉴别、恒定比值鉴别和高通容阻鉴别。 前沿鉴别是通过固定阈值方式来确定起止时刻,即以脉冲前沿当中强度等于所设阈值的点到达的时刻作为起止时刻。由脉冲幅度与形状变化引起的漂移误差为,其大小还与阈值的大小有关,最大值可能接近脉冲上升时间。因此,前沿鉴别法的测量误差是很大的。 恒定比值鉴别法的原理,是将起止时刻取在脉冲高度一定比值的地方,例如恒定比值取50%,即取脉冲上升沿中半高点到达的时刻为起止时刻,如不考虑波形畸变和噪声等其它因数的影响,由幅度变化引起的误差=0,由此可见,恒定比值鉴别法能有效消除由脉冲幅度变化带来的误差。 高通容阻时刻鉴别方法是使接收通道输出的起止信号脉冲通过一高通容阻滤波线路,原来的极值点转变为零点,以此作为起止时刻点。该方法能有效地克服波形畸变和噪声带来的误差。它的误差主要受信号脉冲在极大值附近斜率的影响。据报道采用此方法时,漂移误差能控制在±3.5 ps(相当0.5mm的测距精度)。 时刻鉴别的误差除了跟所采用的鉴别类型有关外,还与激光回波脉冲波形和光电探测器的类型有关。激光回波脉冲是先经接收通道的光电探测器进行光电转换和前置放大后进入时刻鉴别单元的,光电探测器的光电转换机制以及接收通道引入的噪声和带宽限制都将影响回波脉冲波形的完整恢复。不同探测器对光信号波形的还原能力不同,因此,在考虑时刻鉴别误差时,必须结合使用的探测器和时刻鉴别类型,以及光信号波形类型分别对待。 除漂移误差外,在时刻鉴别过程中还存在时间抖动,它是由于输入信号噪声和来自接收通道的附加噪声产生的,抖动幅度还与信号脉冲上升沿宽度、信号强度、时刻鉴别单元的带宽以及鉴别类型有关。输入到时刻鉴别单元的噪声分为白噪声和相干噪声,它们对时间抖动的作用是不同的。 2.5.2高精度时间间隔测量技术 高精度时间间隔测量技术有三种方法: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 时间间隔扩展法是在待测的部分时间范围中,对电容器做恒定电流充电,让电容器的端电压随着待测时间的长短做线性的增减,但是在待测时间结束时,则利用另外一个比充电电流要小得多的恒流源使电容器开始线性放电,直到电容器的端电压回到充电的起始值为止。在放电的过程中,利用计数器对较长的放电时间做一计数。在得到放电时间之后,就可以反推得到充电时间(即待测部分时间)的大小。 送计数器 图2.6 时间扩展法原理图 Fig2.6Time extension principle diagram 设充电电流为,放电电流,己知与之间的比例系数,就可以得到扩展后的时间与实际输入间隔之间的关系如下: (2-7) 其中: 时间间隔扩展法也可以得到很高的分辨率,受充电电流与放电电流的比值影响较大。由于它把待测时间放大了,因此两次测量之间的时间间隔长。 时间振幅转换法 时间振幅转换法是在待测时间范围内,利用一个恒流源对一个电容充电,于是该电容的端电压就会随着待测时间的长短,即充电时间的长短而改变。在待测时间结束的同时,停止充电,并利用一个模数转换器(A/D)来测量此时的电容电压,则电压的大小将正比于待测时间的长短。利用两组充电电路与两个模数转换器,可以求得待测时间。 时间振幅转换法克服了时间间隔扩展法转换时间过长、非线性难以控制等问题,可以得到很高的插补分辨率。但在实际中,线性度的问题极大地限制了该方法的应用。若要使电容器的端电压随待测时间的长短做线性变化,则必须以稳定的电流充电。先不考虑电流源本身的不稳定度,在开始充电的瞬间,必定会有充电非线性现象出现。这种非线性现象的原因是作为控制充电开关的快速开关管,在由完全截止状态到完全导通状态需要一点时间,通常为微秒量级,在这段时间里,通过的充电电流也由小变大,结果就造成了电压变化的非线性,使得其在测量很短的时间时出现较大的误差。 传递延迟法 传递延时法利用了当信号传输经过电子元件与连接导线时,必定产生时间延迟作用的现象作为测量短暂时间的手段。图2.7、2.8是传递延时电路的基本结构示意图: 延时单元 串行输入 并行输入 串行输出 状态输出 复位 图2.7 传递延迟法原理图 Fig2.7 Propagation delay principle diagram 传递延时链 开始 停止 数字码输出 编码电路 图2.8 传递延迟法原理图 Fig2.8Propagation delay principle diagram 图2.7中一个延时单元由一个缓冲门及一个D触发器组成,它是一串传递延时链的基本单位。逻辑缓冲门的输出逻辑状态随着输入改变,D触发器用来记录改变了状态的逻辑门数目。一个延时单元有两个输入端与两个输出端:逻辑缓冲门的输入端与输出端分别为延时单元的“串联输入端”与“串联输出端”;D触发器的时钟输入端与输出端Q则为延时单元的“并联输入端”与“状态输出端”。每一个串联输出端,均在同一个延时单元内连接到相对应的D触发器输入端,以便该触发器可以及时获得该逻辑缓冲门的输出状态。 图2.8中延时单元的串联输出端连接到下一个延时单元的串联输入端而成为链状。整个传递延时链的所有并联输入端均以并联的方式接在一起,接收同一个停止信号作为触发器的时钟信号。触发器的状态输出端并联式的顺序连接到编码电路的输入端口。信号经过一个逻辑缓冲门与其输入端前的一段连接路径所需要的传输时间,就是一个延时单元所造成的延迟时间。如果在待测部分时间开始的同时,将起始脉冲信号输入第一个延时单元的串联输入端,由于信号经过各逻辑门与连接导线都需要时间,所以这个信号将依次传输过每一个逻辑缓冲门,使各缓冲门的输出以的延迟时间为间隔,依次地改变其输出状态。当停止信号来临时,各U触发器记录下到此时为止有多少逻辑缓冲门的状态改变了,然后经过编码电路将状态改变的延时单元数目转换成数字信号输出。接着待测部分时间就马上可以经由此数码乘以一个延时单元的传递时间而获得: (2-8) 其中为任一个待测部分时间;为改变了状态的延时单元个数;j(0<j<l)为小于一个延迟时间而无法直接判别的时间分量,即量化误差。 延时单元的延迟时间即为此传递延时链可以解析的最小时间。使用第(2-8)式来计算时间,必须要求每一个延时单元所提供的延迟时间均完全相同,然而实际上这是不可能的。各个延时单元的延迟时间之差异越小,则制成插补器的线性度越好,测量误差也越小。 第三章 便携式激光测距仪设计 3.1 激光测距仪总体设计 激光测距仪总体设计如图3.1所示: 图3.1 实验系统总体设计图 Fig3.1The overall design diagram of experimental system 该系统主要由脉冲激光发射系统、光电接收系统、脉冲输入信号整形电路、TDC-GP21测量电路、PIC18F4525单片机、电源电路、时钟电路组成。 如上图所示,在本文中,激光器产生的激光脉冲脉宽是32ns,频率是1kHz。激光产生后通过分光镜分成两束,一束光直接射到APD1上,另一束光射向目标并反射回来经滤光片打到APD2上,两者产生的电信号分别都通过电路处理,区别是APD1上产生的信号是作为高速时间测量单元的开始信号,而APD2上产生的信号是作为高速时间测量单元的停止信号,开始信号和停止信号都是以上升沿为触发。这样可以有效地消除在分光镜之前的时间误差,同时也有效地抵消光电传感器和信号处理的时间延时。 APD1出来的电信号有两条路径可走,一条是直接送入放大电路,另一条是通一个延时后再进送入放大电路。而选择哪一条路径就由CPU来控制,测量短距离时用第一条路径,测量长距离时用第二条路径。 该系统的测距过程为:激光器发出一个激光脉冲,经过近红外半导体激光用准直透镜06GLC得到发散角为4.56mrad的激光束。由于激光器发出的激光并不是平行的,到达远处测距目标光斑很大,故本系统在此加入了光束整形。光束整形部分采用焦距为2mm的目镜和焦距为3.84cm物镜组成。光束经过分束镜后,约1%的能量直接送到APD1,约99%的能量射向目标。1%能量的激光脉冲经过APD1后被转换为电脉冲,然后经前置放大器和后续放大器逐级进行放大,最后经过定比鉴别器进行整形处理,得到理想的电脉冲,送给TDC-GP21作为计时起点的触发脉冲,起始时刻用表示;射向目标的能量经目标漫反射回来后变的较微弱,经接收光学系统,接光学口径=0.0254m,光学系统透过率=0.9,窄带光学滤波器的透过率=0.7。被APD2雪崩光电探测器接收,接收电路将接收到的光信号转换为幅值约1mV频率约1 KHz的电脉冲,然后经前置放大器和后续放大器分别进行放大,最后经过定比鉴别器进行整形处理,得到理想的电脉冲,送给TDC-GP21作为计时终点的触发脉冲,终了时刻用表示。由公式 (3-1) 即可算出被测目标距离。 在长时间工作过程中激光器内部温度升高,这将导致输出功率和输出波长发生变化,为了保证系统性能的高度稳定必须对激光器进行温度控制。 由于APD的内增益及反向击穿电压具有很大的温度系数,在正常工作时必须配置一个高精度温度采集单元和恒温控制电路单元来提供合适的偏置电压。恒温控制电路单元由单片机通过调节半导体制冷器(TEC)的工作电压来实现精确温度控制。 3.2 APD接收的光能量估算 下面利用几何光学规律来估算APD接收光能量的大小,测距系统光能量的变化过程用图3.2表示。O为激光发射点,O′为有效接收面积的中心点,D为被测距离,为测量方向与被测点法线pN的夹角。 在以下推导过程中,忽略光传播过程中的大气衰减。 图3.2测距系统光能量传输图 Fig3.2Optical energy transmission diagram ranging system 激光器发出准直激光,激光发射功率,发射系统光学透过率,则发出的有效光功率P为: (3-2) 光经过被测距离R后到达被测点p,根据能量守恒,p处获得的光功率等于发射光功率P。假设p处为理想朗伯漫射面(实际物体表面大多数为非理想朗伯漫射面。但除纯镜面反射表面外,本推导过程对漫射表面都近似成立),反射率为,则漫反射的光功率为: (3-3) 因激光准直性好,所以p可看作一个光点,其漫反射光功率均匀分布在以p点为球心的半个球面上,则方向的光强为: (3-4) 因有效接收面积远远小于被测距离R,所以在立体角Ω内,可以认为光强是均匀分布的。设接收系统的光学透过率为,滤波器透过率为,不计光传播过程中的大气衰减,则接收到的光功率为: (3-5) 由上式可见,对于一定的被测表面反射率、测量方向和距离D,为提高接收光功率,可以提高激光器输出功率、增加有效接收面积。 增加接收面积不但会增加体积和重量,还会增加多余的环境噪声,所以的选择要适当。所以采用功率大些的激光器是提高接收光功率的有效措施。 3.3 激光器的选择与驱动 3.3.1 激光器的选择 本系统采用半导体激光器(简称LD)。现在的中小型激光测距机多采用的是半导体激光器,以半导体激光器作为脉冲激光源的主要优点在于它的体积小、效率高,脉冲重复率高,价格不仅便宜寿命也很长,可通过调制输入电流对的输出直接调制,并且响应速度快,具有其它类型激光器无法比拟的特性。 大多数激光测距机对人眼可能有害,人眼的敏感波段位于0.4-0.8µm,这一波段会被人眼会聚到视网膜,并在能量密度达到一定值时,会造成人眼暂甚至永久性的损伤。其他波段的光会被眼角膜吸收,也就是相对安全的。 我们的测量目标设定为石灰岩,=0.4,==0.9,=0.7,=,=10mm,D=300m。则: (3-6) 目前探测器最小探测功率小于10nW,当最小激光接收功率为10nW时,计算得到: (3-7) 由于激光在大气传输的衰减,激光接收功率会进一步下降,我们取发射激光脉冲的峰值功率为50W。 由上所述,如图3.3所示,本系统采用的激光源选用半导体激光器HLD980。以下是该半导体激光器的性能指标: 波 长: 980nm; 功 率: 50w; 工作电流: <900mA; 阈值电流: 145mA; 工作电压: <2V。 图3.3 半导体激光器HLD980 Fig3.3HLD980 semiconductor laser 3.3.2激光脉冲的产生 脉冲式半导体激光器用脉冲信号来驱动。脉冲式半导体激光器对驱动电源的基本要求是,它在低阻负载上应该能产生快速电流脉冲。因此,本质上它是一种大电流开关电路。又由于半导体激光器两端的压降是由PN结压降及串联电阻压降组成,所以电源除了要求能提供大的电流脉冲外,还应给出足够大的脉冲电压幅度,脉冲的前后沿越陡越好。 图3.4 脉冲信号发生电路原理图 Fig3.4Pulse signal generating circuit principle diagram 图3.4为系统设计的脉冲信号发生电路原理图,经由555产生占空比一定的脉冲信号,进入74LS112D芯片,使其脉冲信号的高低电平比发生变化,通过改变电阻及电容的大小,可以获得32ns的峰值脉冲信号。 图3.5 激光脉冲发生电路 Fig3.5Circuit pulse laser 在上述分析的基础上,本文设计的激光脉冲发生电路如图3.5所示。脉冲激光测距系统的测距精度和光脉冲的上升沿有很大的关系,因此应选用快速的晶体管,电路板的布线应合理。 3.4 光电转换器件的选择与驱动 3.4.1光电转换器件的选择 光电转换器件按工作原理的不同可分为光电导器件、光生伏特器件、光生电流器件。本测距系统需要光电转换器件具有很短的响应时间,对微弱信号要很敏感,因此可供选择的光电传感器有光电倍增管(PMT)、雪崩光电二级管(APD)和PIN型光电探测器。PMT体积较大,动态响应范围较小,较少在脉冲激光测距中使用。PIN型光电探测器内部没有放大作用,APD具有内部增益,APD比PIN型光电探测器灵敏度有很大提高,既能保证激光测距系统的测距精度,又能扩大测距范围。另外,APD还具有响应时间短,噪声小,稳定度高等众多优点。因此,本系统选择APD作为激光信号的接收元件。 本系统需要两个光电转换器件,但为了保证两个探测器延时的一致性,因此二者采用同一型号的APD。基于上述分析,激光接收端信号经被测目标反射后变得微弱,因此要既要考虑光电转换器响应时间,同时保证较高的响应度。 因此,本系统采用的探测器为德国Silicon Sensor的AD800型APD,AD800-8为硅材料雪崩光电二极管,其具体性能和特点如下: 光谱相应范围:; 灵敏度高:0.3A/W; 工作电压:5V; 响应时间:; 暗电流: 。 3.4.2 APD的供电电路 本文选用的APD在常温下正常工作时需要在阴极加上一个160V左右的直流反向偏压,以使APD有足够的增益,而一般系统不可能提供这样一个电压,故需要设计高压发生电路来给APD提供反向偏压。而用分立元件做出来的升压电路能耗高,效率低,这在便携式设备中是不可取的。 本文通过采用MAX1771升压芯片来取代分立元件,设计一个输出电压可调的升压电路。MAX1771是MAXIM公司生产生的高效升压型DC-DC控制器。 MAX1771是一个集PFM和PWM两种控制方式于一身的控制芯片。当电路的负载很小时,芯片通过采用PFM的控制方式降低MOSFIT的开关频率,从而最大限度地降低控制电路的功耗。当负载增加时,芯片的工做频率自动提高并且通过PWM调制来稳输出电压。由上述分析,采用MAX1771控制芯片的升压电路能够在整个输出范围内都能保持较高的工作效率。 再加上,如果要获得较好的测量结果,必须设计温度补偿电路来控制APD的偏置电压,使APD在各种温度条件下都能以最佳倍增增益工作,从而使接收系统获得最大的信噪比。所以,在这里设计的升压电路还要有自动调压的功能。 电路的原理框图如下: D/A转换 MAX1771控制器 升压电路功率原件 输出电压采样 A/D转换 PIC16F886单片机 温度传感器 图3.6 可调升压电路原理框图 Fig3.6Adjustable step-up circuit principle diagram 由MAX1771组成的升压电路原理图如下图所示: 图3.7 升压电路原理图 Fig3.7Boost circuit principle diagram 3.4.3 APD的温度补偿电路 本文采用的温度传感器是DS18B20。DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上,从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分,即温度检测和数据处理。 值得注意的是DS18B20芯片只有三引脚,是单数据总线芯片,与单片机的接口简单。如下图所示: 图3.8 DS18B20引脚图 Fig3.8DS18B20 pinout diagram S18B20与CPU的连接图如下图所示: 图3.9 DS18B20与CPU的连接图 Fig3.9Connection diagram of DS18B20 and CPU 引脚说明: GND:电压地 ; DQ:单数据总线; VDD:电源电压; NC:空引脚。 3.5 高精度时间测量芯片TDC-GP21的应用 TDC-GP21为TDC-GP2的下一代升级产品.这颗芯片提供了对于TDC-GP2的管脚完全兼容的功能,以及一些提升的特性和额外扩展的功能.内部集成的模拟元器件如比较器,模拟开关将会使外围电路的设计大大简化.同时,测量的质量也会被提高,另外测量的功耗将会被降低.脉冲发生器功能也被强化,一个32khz晶振驱动被集成进芯片,另外温度测量功能也被进一步的提升.总而言之,TDC-GP21将会非常适合设计紧密低价格的超声波热量表和流量表应用. 如果应用TDC-GP21的模拟部分,那么一个超声波热量表的典型测量功耗可以下降到2.2uA。 3.5.1 TDC-GP21 具有的一些特点 特殊功能: 1)脉冲产生器, 可以产生最多127个脉冲; 2) 可以选则上升沿 和/或 下降沿敏感; 3) 通过窗口功能精确接受stop脉冲; 4) 低功耗 32 kHz 振荡器 (500nA); 5) 时钟标定单元 ; 6) 7x32 位 EEPROM; 7)TDC-GP21 非常适合低价格的超声热量表的应用。 TDC-GP21有两个测量范围 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3.5 ns(0 ns)到 2.5μs,20ns最小脉冲间隔,最多接受4个脉冲。 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 到 4ms ,2xCLKHS脉冲最小间隔最多可以接受3个脉冲,3个脉冲每个都可以设定精准的时间窗口,窗口精确度达10ns。 测量精度: 典型90ps,在双精度模式45p(在测量范围1和范围2),在四精度模式为22ps(仅在测量范围2) 3.5.2 TDC-GP21的驱动电路 TDC-GP21的外围接口电路如下图所示: 图3.10 TDC-GP21外围电路 Fig3.10TDC-GP21 peripheral circuit TDC-GP21外围电路图必须采用2个晶振。TDC-GP21需要1个2-8MHz的高速时钟进行校准用。在测量范围2中TDC-GP21还需要高速时钟信号作为时间测量的一部分。TDC-GP21只是在进行时间测量时才必须要用振荡器,TDC-GP21能够自动控制振荡器的开启时间。在测量时,TDC-GP21接收到命令代码会自动开启高速时钟。为了保证振荡器在测量开始之前就准备好,可选择延迟时间。对于陶瓷振荡器选择就足够了。对于石英振荡器则需要设置的延迟时间。具体根据实际情况参考数据手册。 该系统采用4MHz石英振荡器。同时TDC-GP21需要一个32.768kHz的基准时钟来控制高速时钟和进行时钟校准用。同时,32.768kHz振荡器始终处于工作状态,在3.6V时电流消耗大约为。也可通过引脚CLK32提供一外部低频矩形时钟。这个信号也可由外部微处理器产生。 3.5.3 TDC-GP21电源设计 TDC-GP21本身是一种全数字装置,没有模拟组成部分,采用1.8-5.5V(其核心电压1.8-3.6V)供电。为达到良好的测量质量它使用模拟开关,在测量电流的开始阶段几纳秒的时间内由实际的零升至几十毫安就需要一个带有大的电容电源。 同时由于TDC-GP21的高速测量单元的测量偏差LSB是与其电源电压有密切关系的,电源电压范围从1.8-3.6v,那么在这个范围内LSB的变化范围35-111Ps,同时电压越高,LSB越好。在低压情况下,测量范围1的测量范围也会随之增加。而且电源对测量除了会影响LSB的值之外,还会引入一个漂移。在电压不同情况下引入的漂移量是不同的,因此需要保证在测量过程中电源电压保持一定。 图3.11为系统采用的电源供给电路。 图3.11 TDC.GP21电源电路 Fig3.11TDC.GP21 power supply circuit LM1117系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司(TI)生产的集成稳压电路,它内部集成了一个固定的振荡器,只需极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路。为了尽量避免由于电源线干扰,稳定电源值,从而获得高质量的测量结果,可以将TDC-GP21电源的滤波电容加到以上,而且应离TDC-GP21尽可能近。 第四章 测量结果和误差分析 4.1 测量结果 根据系统研究,对设计的基于TDC-GP21的激光测距仪系统精度进行结果测试,图4.1是TDC-GP21的硬件电路模板,图4.2是对两根长度不同的导线测量结果; 图4.1TDC-GP21硬件模板 Fig 4.1The hardware of TDC-GP21 templat 图4.2测量结果 Fig4.2The measurement results 4.2 误差分析 由4.1、4.2图得到,在测距的时候,结果仍有误差。分析后可得到误差原因:在研究基于TDC-GP21的脉冲激光测距系统的时候,没有分析受大气状态影响激光传输的各种因素,包括各种大气效应对测程和测距精度的影响,因此在测量结果上必然存在着一定的误差。 4.3 改进方法 研究计算分析得出脉冲测距的测程方程式以及信噪比分析,根据不同目标反射率时,不同距离接收到每个激光脉冲的光子数的仿真结果以及在目标反射率一定的情况下,不同大气条件下,对不同距离接收到每个激光脉冲的光子数仿真,从光子学的角度分析了测距仪的测程,全面讨论了激光测距精度,这样会很大程度上减少测量误差。 总结 在激光测距原理基础上,对国内外脉冲激光测距技术的发展和现状作了简单的回顾,分析了目前脉冲激光测距机的不足,提出了半导体激光测距中的几项关键技术。 将高精度时间间隔测量芯片TDC-GP21引入到脉冲半导体激光测距系统中,通过对这种芯片的深入研究,可以看出它是非常适合脉冲半导体激光测距系统的。采用TDC芯片比分立元件有更大的规模、更高的工作速度、更高的时间分辨率、更小的计数误差,能克服分立元件无法克服的缺点。从资料上看,ACAM第一代芯片TDC-GP1达到的参数已经非常高了,根据我们的研究结果看,用TDC-GP21更适合构造精度为cm级的小型低成本脉冲半导体激光测距系统,能有效地减小电路规模,降低硬件成本、提高系统的可靠性、灵活性和适应性。随着激光测距仪市场的发展,能实现更高精度的计时芯片的需求也将是必然的趋势,因此我们期待性能更好的TDC系列产品的出现和更好的测距系统设计方法。 致 谢 本论文是在XX老师的悉心教导下完成的,从选题到论文完成,无不包含了张老师的指导。在论文即将完成之际,向四年以来对我的学业付出了诸多心血的张老师表示忠心的感谢,向帮助过我的同学们表示感谢。 在论文写作过程中,得到了实验室同学的大量帮助。他们给我的论文提了宝贵意见,有很多问题帮我解决。同时还要感谢历届师兄师姐们,许多内容都是在他们研究的基础上完成,他们为我搭建了良好的平台。 真心感谢二十多年来辛勤劳作的父母,是他们给了我生命,为我创造了良好的物质条件。还有陪伴我四年的同班同学,特别是东区115的宿舍姐妹,大家学习生活上相互照顾、相互帮忙,一同顺利完成学业。 最后,感谢参加答辩的各位专家、教授、老师,感谢你们在百忙之中抽出宝贵时间对本论文进行评审、答辩并提出宝贵改进意见,向你们表示最崇高的敬意。 参考文献 [1] RaoJionghui, Fang Qiwan, Jiang Chuanfu. 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    文***品

    贡献于2022-03-30

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