摘要
脉冲飞行时间测量法是脉冲激光测距的关键技术，它广泛运用于激光测距。脉冲激光测距是通过测量激光脉冲发射信号（主波）和接收信号（回波）之间的时间间隔，就可以得知空间物体的距离。主波和回波被光电探测器接收，再放大整形后，通过门电路，开启和关闭计数器，计数器对基准脉冲计数，计得的脉冲数目就代表所要测的飞行时间。脉冲飞行时间的测量关键在于对回波信号的正确处理，其时间测量技术主要在于：采用时刻鉴别法判定计时点，时间间隔测量法测量主波和回波的时间间隔，模数转换技术提高测量精度、减小计时误差。本文设计的时间测量电路由光电探测电路、放大电路、阈值电路、门电路、LED显示电路、单片机主控制电路构成。各模块电路采用集成芯片，LED动态扫描显示，测时精度为1us。
关键词:单片机；脉冲激光测距；脉冲飞行时间；计数器；LED动态扫描
ABSTRACT
Pulse flight time measurement method was the key technique that the pulse laser measured the distance, which was made use of in laser to measure to be apart from extensively. The pulse laser measuring the distance that passed to measure time interval between transmiting (main wave) and then receiving (reflection) , so the distance of the space object could be known. Both of main wave and reflecting wave were received by the photoelectric detector, then passed an electric circuit after enlarging again orthopedics to open and close to a count-machine , and a count-machine to count to the basis pulse, which was accounted of the pulse number which was the flight time. The key of the flight time measurement was the right processing of the reflecting wave, and its time measurement technique mainly lay in:Adopting time distinguishing judged to time point, time interval measurement measure between main wave and reflecting wave's interval, analog signals and digital signals conversion technique improved measuring accuracy and reduced the error of the measuring time. Time measurement circuit include the the photoelectric detecting circuit,enlarging circuit, the doorsill circuit,Logic circuit,LED circuit,Microcontroller active control circuit.Each mold circuit adopted integration chip, and the LED dynamic scan and manifestation, while measuring accuracy is 1us.
Keyword:Microcontroller;The pulse laser measuring distance;the pulse flight time; the count-machine; the LED dynamic scan
目录
摘要..................................................................................................................................... I ABSTRACT.................................................................................................................................... I I 第一章绪论 (1)
第二章脉冲激光飞行时间测量的技术研究 (3)
2.1 时间间隔测量方法 (3)
2.2 时刻鉴别方法 (4)
2.3 模数转换技术在时间测量中的应用 (6)
第三章测量电路设计方案 (7)
第四章飞行时间测量电路硬件设计 (10)
4.1 光电探测器电路 (10)
4.2 放大电路 (12)
4.3 阈值电路 (13)
4.4 门电路 (14)
4.5 LED显示电路 (15)
4.6 单片机主控制电路 (18)
第五章飞行时间测量电路软件设计 (21)
5.1 主程序流程设计 (21)
5.2 计数模块 (23)
5.3 中断服务程序 (24)
5.4 动态显示 (25)
参考文献 (27)
致谢.................................................................................................. 错误！未定义书签。附录. (28)
图表目录
图1.2 脉冲激光测距原理图 (1)
图2.1 模拟法工作原理 (3)
图2.2 数字法时间间隔记录误差 (4)
图2.3 前沿时刻鉴别 (5)
图2.4 恒定比例时刻鉴别 (5)
图2.5 高通阻容时刻鉴别 (5)
图3.1 单片机脉冲飞行时间测量系统框图 (7)
图3.2 各点波形图 (8)
图4.1 APD光谱响应灵敏度和波长的关系 (11)
图4.2 APD偏置电路 (11)
图4.3 常用光电探测器前置放大电路 (12)
图4.4 放大电路 (13)
图4.5 阈值电路波形 (13)
图4.6 阈值电路 (13)
图4.7 D触发器产生的逻辑信号 (14)
图4.8 D触发器的门电路 (14)
图4.9 共阳数码显示管原理图 (15)
图4.10 LED显示电路 (17)
图4.11 晶体震荡电路 (18)
图4.12 单片机上电复位电路 (19)
图4.13 外部中断撤消电路 (19)
图4.14 单片机控制电路 (20)
图5.1 主程序流程图 (22)
图5.2 定时/计数器子程序流程 (23)
图5.3 外部中断服务子程序 (24)
图5.4 LED动态显示流程图 (25)
表4.1 LED数码管显示字形码表 (16)
第一章 绪论
众所周知，声波和光波信号在空气介质中传播的速度是一定的，如果知道它们在空间中的传播时间，则可以计算波形在空气中的传播距离。人们将这种直接通过测量波形（或脉冲）飞行时间来计算距离的方法称为飞行时间法（time of flight ）。脉冲激光测距就采用了这种方法，脉冲激光测距仪向空间某一目标发射脉冲激光信号，由光电探测器接收到由物体表面反射回来的信号，然后通过测量发射和接收脉冲的时间差，就可以得知空间物体的距离。现在的大部分激光测距仪就采用了飞行时间法来测距，其精度已经可以达到1mm （测时精度达到了ps 级）。
脉冲激光测距是一种利用脉冲激光持续时间短、能量在时间上相对集中、瞬时功率大(一般可达兆瓦)的特点对物体进行测距的方法。在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测量距离。在进行近距离的测距时，如果测量的精度要求不高，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的反射信号，也可以进行测距。
如图1.1所示，一个典型的脉冲激光测距系统通常由以下五个部分组成:
图1.1 脉冲激光测距原理图
其基本原理是:由脉冲激光器发射一持续时间极短的脉冲激光，称之为主波。经过待测距离L 后射向待测目标，被反射回来的脉冲激光称之为回波，回波返回测距仪，由光电探测器接收，根据发射波信号与回波信号之间的时间间隔，即脉冲激光从激光器到待测目标之间往返时间t ，就可以算出待测目标的距离L 为：
1
2
L ct
(1.1) 式中 c ——脉冲激光在大气中的传播距离；
t ——脉冲激光在待测距离上的往返传播时间。
测距系统的测程与激光器、激光发射脉冲的功率、脉宽、大气衰减情况、光学系统对光能的吸收、光电探测器的响应度、接收放大器的噪声和通频带以及系统的信噪比等
种种因素有关。
对于传统脉冲激光测距，飞行时间测量是测量激光脉冲发射信号(START)和接收信号(STOP)之间的时间间隔。要达到高的单次测量精度，就需要高的计数频率。早期的脉冲激光测量电路采用的TTL和CMOS逻辑电路等分立元件，工作频率不可能很高，电路复杂，体积大，开发周期长，而且测距仪控制处理单元接口还要增加相应的外围电路，电路的安全保密性也难以保证。
20世纪80年代中期，CPLD(Complex Programmable Logic Device)和与标准门阵列类似的FPGA(Field Programmable Gate Array)的运用，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活，因此在测量电路中得到广泛的使用。采用FPGA 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。其精度已经可以达到1mm（测时精度达到了ps级）。同时可有效的减小电路规模，使脉冲激光测距机更加小型化，象1993在法国Batimat展出世界第一台手持式激光测距仪就使用了FPGA芯片。
激光测距的应用前景十分广泛，目前的脉冲激光测距机正向小型化、高精度化、多功能化、易操作化和安全化发展。本文以这个原则为指导，力求进一步简化测距系统，使之能更好的应用在不同的领域。
本文设计的脉冲飞行时间测量电路由光电探测电路、放大电路、阈值电路、门电路、LED显示电路、单片机主控制电路构成。各模块电路采用集成芯片，LED动态扫描显示，测时精度为1us。电路的工作流程是：主波和回波被光电探测器接收后，再放大整形后，通过门电路，开启和关闭计数器，计数器对基准脉冲计数（计得的脉冲数目就代表所要测的飞行时间），最后进行时间处理，将结果用LED显示出来。
第二章脉冲激光飞行时间测量的技术研究
脉冲激光在空中飞行时光能量不断衰减，特别是在目标物表面发射回来的激光脉冲的波形已经畸变了。所以脉冲飞行时间的测量关键在于对回波信号的正确处理，其时间测量技术主要有：时间间隔测量法测量主波和回波的时间间隔，时刻鉴别法判定计时点，模数转换技术提高测量精度、减小计时误差。
2.1 时间间隔测量方法
时间间隔测量单元是用来测量起止信号之间的时间间隔t m。到目前为止，测量方法主要有三种:模拟法、数字法和数字插入法。其中模拟法适合于短距离短时间间隔的测量，数字法适用于精度不高的场合，数字插入法结合了前两者的优点。
(1)模拟法
模拟法即在待测时间间隔t m内对一已知电容以一大电流i1.进行充电，然后对其以小电流i2放电(i1/i2 =k)，则放电时间为kt m，实际测得为nT(图2.1)。此方法的优点是测t精度非常高，可以达到皮秒的量级。缺点是由于电容充放电过程中，充放电时间之间的关系不是绝对线性的，存在非线性现象，这就限制了测量范围，或者说随着测量范围的增加，
ps C)，对测量系精度会降低；另外，电容的充放电性能受温度的影响非常大(达10-30/o
统的温度特性要求就非常苛刻。
终止信号
充放电信号
计时信号
图2.1 模拟法工作原理
(2)数字法
数字法即用同步时钟脉冲对时间间隔进行计时。其优点是线性好，并与测量范围无关。但是由于其测量精度主要受时钟频率所限，即它的测量精度为正负一个时钟周期，所以在通常使用几百兆赫兹的时钟时，这种方法的测距精度为十纳秒的量级。测距精度显然非常低。可以通过采用多次测量取平均值的方法来提高测量精度。
时钟信号
起始信号
终止信号
图2.2 数字法时间间隔记录误差
(3)数字插入法
数字插入法是通过采用数字法结合各种不同的插入方法来实现精确测量的，它既继承了数字法的测量范围大和线性好的优点，同时通过插入法提高测量精度。数字法的时间间隔测量误差主要来源于时钟脉冲的上升沿与测量开始和终止脉冲的上升沿之间的时间差t a和t b，所导致的误差大小为△T=nT-t m=nT-t b+t a。其中T为时钟脉冲周期，nT为测得时间间隔，t m为实际时间间隔。
运用插入法的目的就是通过在信号开始处与信号结束处使用各种插入法高精度测量t b与t a，从而求出△T，对测量结果进行修正：t m =nT-△T= nT-t b+t a。目前，已有的插入方法主要有三种：延迟线插入法、模拟插入法和差频测相插入法。
2.2 时刻鉴别方法
由于脉冲激光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都有很大不同，给正确确定起止时刻带来困难，由此引起的测量误差被称之为漂移误差(Walk Error)；另外，由输入噪声引起的时间抖动也给测量带来了误差。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，是脉冲激光飞行时间测量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阻容鉴别(CR-High pass Discriminator)。
(1) 前沿鉴别法是通过固定阈值方式来确定起止时刻(如图2.3)，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△t，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t r。因此，前沿鉴别法的测量误差是很大的。
图2.3 前沿时刻鉴别
(2) 图2.4是恒定比值鉴别法的原理图解，恒定比值F此处取50%，即取脉冲上升沿中半高点到达的时刻为起止时刻，如果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△t=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。
△t
图2.4 恒定比例时刻鉴别
(3) 为了有效地克服波形畸变和噪声带来的误差，提出了高通阻容时刻鉴别方法，如图2.5所示。接收通道输出的起止信号脉冲(左)通过一个高通阻容滤波线路，原来的极值点转变为零点，以此作为起止时刻点，它的误差主要受信号脉冲在极大值附近斜率的影响。采用此方法时，漂移误差能控制在±3.5ps。
时刻点
图2.5 高通阻容时刻鉴别
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。由于探测器的工作机理各不相同，其对光信号波形的还原能力也不同，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。
2.3 模数转换技术在时间测量中的应用
由前几节的讨论可知，脉冲激光测距实际上就是测量回波脉冲与发射脉冲之间的时间延迟T r，再由T r与大气中传播的光速c一起作运算而得到目标的斜距L=cT r/2 。明显可见,T r的测量精度亦即测时精度对于距离的测量有着很大的影响。目前对T r的测量主要采取脉冲计数的方法，由激光主波脉冲前沿启动计数器开始计数而由回波脉冲前沿关闭计数器停止计数，其计数结果与计数周期相乘被认为是被测的时间T r。
由于这里激光主波和回波利用的是它们的前沿，而实际上脉冲激光尤其是回波脉冲，在幅度和时间上存在着两种影响测时结果的误差因素。一是由于回波幅度不同而引起的触发不稳，不同目标所反射的回波强弱不一样，回波脉冲又不是严格的方波，其前沿有一定的倾斜，因而当它与一个固定门限相比较，并让由它通过门限脉冲的时刻去开启计数器计数时，就会出现强弱回波脉冲的触发时间不同，即使后面有非常精确的测时电路也不能改善测时精度，减少这种误差影响的方法有上一节介绍的恒比定时触发技术等。另外一种因素是计数量化误差，由于脉冲激光的主波和回波出现的时间都不可能正好与计数时钟同步，它们与计数时钟之间存在着一个随机的时差，这就是人们常说的计数量化误差，这时即使前面提供了准确触发的主、回波也不能提高测时精度。
要减少计数量化误差，最直接的办法就是提高计数脉冲频率，但它的提高也受到各种因素的限制。例如，若需要计数量化误差所限制的测时精度是lns，就要求计数脉冲频率达1000MHz这在实现时是很困难和昂贵的。所以，只有通过一定的方法实时地测量出每一轮计数过程中的计数量化误差，再用它对计数结果进行修正才能够得到比较精确的测时结果。因此采用模数转换技术实现时间扩展可以使计数量化误差有较大的降低，有效的提高时间测量的精度。
第三章测量电路设计方案
基于单片机的脉冲飞行时间测量系统的框图见图3.1。它主要由脉冲激光发射系统、光电接收系统、阈值判定单元、基准脉冲振荡器以及单片机和LED显示电路组成。
图3.1 单片机脉冲飞行时间测量系统框图
其工作过程是：首先开启复位开关S，复位电路给出复位信号，使整机复原，准备进行测量；同时启动脉冲激光发生器，产生脉冲激光。在脉冲激光发射的同时，取样棱镜将一小部分激光发射到接收天线，经光电探测器转换为电信号后通过阈值电路的作用下，在门电路的控制下产生开门信号。开门信号启动单片机的计数器，作为计时的起始点，同时给单片机的外部脉冲计数端口提供一个标准稳定的基准时钟脉冲信号，让单片机的计数器对这一基准时钟脉冲信号开始计数。当接收天线接收到脉冲激光在目标上反射的回波时，经光电变换放大后通过阈值电路的作用下，输入到门路作为关门信号，关闭了单片机的计数器，停止对基准时钟脉冲信号计数。计数器计取的基准时钟脉冲个数乘以每个脉冲的周期便是脉冲激光在待测距离上往返的飞行时间t。
在3.1图中，干涉滤波片和小孔光阑的作用是减少背景光及杂散光的影响，降低探测器输出信号的背景噪声。
单片机脉冲激光飞行时间测量系统的各点时序波形如图3.2所示。
图3.2 各点波形图
对脉冲激光飞行时间进行设计时，必须同时考激光脉冲的性能参数，对飞行时间测量起决定作用的是光电探测器的最小可探测信号功率min P ，min P 越小，测量范围也就越大。利用雪崩倍增效应制成的APD 的增益M 可达102～104，响应时间非常短(0.5ns)，是高精度微弱信号探测的首选探测器。故选用APD 雪崩光电管可以很好的解决测量范围的问题。
脉冲激光飞行时间的测量精确度主要依赖于接收通道的带宽、脉冲上升沿的位置、探测器的信噪比（峰值信号电流与噪声电流均方根值之比）和时间间隔测量精确度。上面提出的方法主要是在脉冲触发门电路时间的t 内来计数测时，其中的关键是如何精确、稳定地确定t 的起止时刻和精确测量t 的长度，它们各自对应的是时刻鉴别单元和时间间隔测量单元。另一方面就是大气折射率的对回波的影响，它受环境温度、气压及大气湍流的影响，在本次毕业设计中对这个因素忽略不计。
在第2章里阐述了提高时间测量精度的方法，不过在本课题中，只要求达到1us 的精度。而激光脉冲的脉宽为ns 量级，因此完全没有必要做时刻鉴别，直接采用阈值判定法就行了。
测量系统收到的回波脉冲可以认为近似于钟形脉冲。其数学表达式为：
2
()()t
e f t A
τ
-= （3.1）
式中A 为钟形脉冲的峰值，τ为钟行脉冲宽度，即半峰之点之间的宽度。()f t 的傅立叶变换频谱为：
2
()
4
())G A e
τωω= （3.2）
可见，其频谱也显钟形分布，对频谱成分的计算知道，信号能量的90%都集中在频带宽度△f = 0.27/τ的频率成分之内。所以，若按此关系来确定通频带，信号不应有大的损失和失真。若τ=30ns=3×10
-10
s ，由公式得
10
0.27
9310f MHZ -?==? （3.3）
则前置放大器的通频带至少为9MHz。
飞行时间测量是在时间t内计数器计取的基准时钟脉冲个数乘以每个脉冲的周期便是脉冲激光在待测距离上往返的飞行时间t 。采用对基准脉冲计数的方法得到激光脉冲的飞行时间，即在激光脉冲的飞行时间内计算基准脉冲的个数。如果已知基准脉冲的周期为T，计得脉冲的个数为N，则飞行时间t为
N
t = NT =
f
（3.4）时间分辨率P L，有
L t1
P= =
N f
(3.5)
上式表明，测时的精度取决于时钟脉冲的频率。假设计时器的精度误差△t=0.01us，则基准振荡的频率最小为100MHz, 显然测时的精度越高，振荡脉冲的频率也要越高。对±lns的测距精度要求，需要1000MHz的振荡脉冲和与之相对应的高速计数器，这就带来技术上的难度和电路上的复杂。
对于本课题，只要求1us的精度，分辨率P L=1us,有：
1
1
L
N
f MHz
t P
===，（3.6）可知需要的基准计数脉冲是1MHz。若单片机采用12M的晶振，则其机器周期为1us，故可以直接采用单片机对内部时钟进行计数即可。
第四章飞行时间测量电路硬件设计
本文设计的飞行时间测量电路包括以下5个单元：光电探测器电路，放大电路，门电路，LED显示电路，单片机主控制电路。采用的芯片为：D触发器74H74、集成放大器LM324、反向驱动芯片74LS240、单片机AT89C51。考虑到模拟和数字电路电磁兼容问题，为了避免干扰，在电路布线设计时，应将地线隔开。
4.1 光电探测器电路
目前经常采用的光电探测器包括光电倍增管(PMT)，PIN光电二极管和雪崩光电二
极管(APD)等。PMT是利用光电发射效应工作的，其增益M可达105
～10
7
；PIN是利
用p-n结的光生伏特效应制成的，但无内部增益；利用雪崩倍增效应制成的APD的增益M可达102～104，响应时间非常短(0.5ns)。是高精度微弱信号探测的首选探测器。
雪崩光电二极管APD具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、抗强磁场干扰和动态范围大等优点，特别是其响应时间短。它对微弱信号也有相当高的灵敏度，所以既能保证激光测距系统的测距精度，又能扩大测距范围，所以APD是脉冲激光测距系统激光接收器件的最佳选择。不考虑光传输过程中的损耗，探测器所接收到的回波功率一般是毫微瓦量级的激光回波。
当用雪崩光电二极管接收时，则背景噪声是主要噪声源，减小背景噪声的主要措施是采用窄带滤光片和尽量减小接收视场。雪崩光电二极管用的放大器增益较高，为了减少噪声干扰，放大器的带宽应有一定限制。放大器后面的成形单稳态的阈值，一般是一定的激光取样电脉冲的形状、幅值也是基本固定的。但是由于大气衰减，目标反射特性的影响，激光回波光脉冲的相位、幅度就会随距离、气候条件、目标反射特性的改变而改变，所以激光测距机的测距误差就会随激光回波脉冲的相位、幅度的变化而变化。不过对于本课题来说，精度要求不高，就可以不用考虑这些问题了。
(1) APD光电探测器特性
结合市场情况，选择了EG&G公司的C30724型APD作为接收电路的光电检测传感器，C30724为硅材料雪崩光电二极管，其主要特点如下：
直径: 0.5mm
量子效率高: 75%@C900nm
等效电容小:约lpf
工作电压低: 120～200V
快速时间响应:典型值为5ns
高带宽和低噪声:噪声等效电流为0.5
其光谱响应灵敏度和波长的关系如图4.1所示。
4.2 放大电路
(1) 常规的光电信号处理电路就是探测器直接与放大器相连，如图4.3，光电探测器在稳压电源下工作，由电容隔直方法获取光电信号，并直接送入放大器。
C
R1
R2
D
E
RL
Vo
Vi
4.4 门电路
门电路由D触发器构成，产生开门与关门信号，用来启动和停止计数器。本设计采用封装为DIP-14的74H74双D触发器芯片。
74H74是带有预置、清零输入，上跳沿触发的边沿触发器。其特点有：
①边沿D触发器具有接收并记忆信号的功能，又称为锁存器；
②边沿D触发器属于脉冲触发方式；
③边沿D触发器不存在约束条件和一次变化现象，抗干扰性能好，工作速度快。
由前几节的内容，要实现门电路的脉冲触发控制，可以使用D触发器与逻辑门的组合电路。如图4.8，采用2个D触发器，构成组合逻辑门电路。其中第一个D触发器S o
图4.7 D触发器产生的逻辑信号
表4.1 LED数码管显示字形码表
为了节省成本，故采用LED动态扫描显示，这种动态LED显示接口由于各个数码管共用一个段码输出口，分时轮流通电，从而简化了硬件电路，降低了成本。但当电路中数码管较多时，每个数码管实际导通时间减少，将显得亮度不足。此时可增加驱动能力以提高显示亮度使段驱动电流达20mA就可以了。如图4.10，采用74LS240作段码反向驱动，9012PNP三极管增加带载能力。