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第32卷第2期 红外与激光工程 2003年4月V ol.32N o.2 In frared and Laser Engineering Apr.2003脉冲激光测距时间间隔测量及误差分析杨成伟,陈千颂,林 彦,霍玉晶(清华大学电子工程系,北京 100084) 摘要:在脉冲激光测距时间间隔测量系统中,传统的数字时钟计数法受限于计数时钟的频率,测量精度不高。
由于模拟插入法具有测量范围大、线性好、测量精度高的优点,广泛应用于脉冲激光测距时间间隔测量系统中。
介绍了模拟插入法时间间隔测量的原理,设计了其测量系统及相应的测试电路。
利用该系统进行了实验研究,达到了100ps的时间间隔测量精度,对应于1.5cm的测距精度。
最后,进行了测量误差分析。
关 键 词: 脉冲激光测距; 时间间隔测量; 模拟插入法; 精度中图分类号:T N249 文献标识码:A 文章编号:100722276(2003)022*******Measurement on time2interval inpulsed laser ranging and error analysisY ANG Cheng2wei,CHE N Qian2s ong,LI N Y an,H UO Y u2jing(Department of E lectronic Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China)Abstract:The traditional digital counting method for time2interval measurement in pulsed laser ranging can’t achieve high precision,for it’s restricted by the frequency of counting clock.Analog interpolation time2 interval measurement has advantages of long measurement range,g ood linearity and high precision,s o it is widely applied for time2interval measurement in pulsed laser ranging.The principle of time2interval measure2 ment by analog interpolation in pulsed laser ranging is introduced.The corresponding time2interval measure2 ment system is designed and studied in experiments.The precision of time2interval measurement reaches up to 100ps,which corresponds to distance measurement precision at1.5cm.In the end,the error of analog inter2 polation time2interval measurement is analyzed theoretically.K ey w ords: Pulsed laser ranging; T ime interval measurement; Analog interpolation method; Precision 收稿日期:2002207225; 修订日期:2002210215作者简介:杨成伟(19772),男,山东莱阳人,博士生,主要从事全固态激光器及激光测距方面的研究工作。
脉冲雷达高精度测距方法研究与仿真脉冲雷达是一种通过发射和接收电磁脉冲来实现测距的技术。
它在军事、安防、工业等领域具有重要的应用价值。
本文将对脉冲雷达的高精度测距方法进行研究与仿真。
脉冲雷达的测距原理是利用电磁波在空间传播的时间差来计算目标物体与雷达的距离。
通常，雷达首先发射一个短时脉冲信号，然后接收目标物体反射回来的信号。
通过测量发射信号和接收信号之间的时间差，可以得到目标物体与雷达之间的距离。
为了提高脉冲雷达的测距精度，研究人员提出了一些方法。
首先是超高精度脉冲雷达技术。
该技术利用超高精度的本振信号，以及精确的时钟同步技术，可以将测距精度提高到亚米级甚至毫米级。
这种技术通常用于精确测量静止的目标物体的距离。
其次是多普勒效应在脉冲雷达中的应用。
多普勒效应是由于目标物体与雷达之间的相对运动而导致的频率偏移。
通过测量多普勒频移，可以计算出目标物体的速度。
在脉冲雷达中，将多普勒频移转换为距离信息，可以实现目标物体的测距。
另外，脉冲压缩技术也是提高脉冲雷达测距精度的重要方法。
脉冲压缩技术利用信号处理算法，将发射信号的频带展宽，然后将接收信号与展宽后的发射信号进行相关处理，从而实现信号的压缩。
这种方法可以提高脉冲雷达的分辨率和测距精度。
为了验证上述方法的有效性，我们可以通过仿真来进行验证。
仿真可以复现雷达工作的环境和参数，通过控制变量的方法，研究不同方法对测距精度的影响。
例如，我们可以利用Matlab等工具进行脉冲雷达仿真。
通过设定不同的目标物体距离、速度等参数，分别采用不同的测距方法进行仿真实验。
通过比较仿真结果和真实值，评估不同方法的测距精度。
综上所述，脉冲雷达的高精度测距方法研究与仿真具有重要意义。
通过研究与仿真，我们可以深入理解脉冲雷达的测距原理和方法，进一步提高测距精度。
同时，仿真结果也可以为实际应用提供参考，指导雷达系统的优化和改进。
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)。
高精度激光测距关键技术研究摘要：脉冲激光测距精度受多种因素的影响，其主要原因是接收功率的偏差，而回波功率的大变动是造成这种误差的根本原因。
因此，实现高精度的定位是未来的发展方向。
本文重点讨论了激光测距仪的小型化、轻量化、高动态范围高精度激光测距技术的发展趋势。
关键词：高精度；激光测距前言：随着激光器、探测器件和集成电路技术的发展，激光测距仪逐渐走向了长距离、高精度、微型化的发展。
近几年，随着太空仪器的竞争日益加剧，我国利用卫星上的激光雷达进行遥感探测的优势已经被全世界的专家所认可，美国、欧空局、日本等国家的航天机构也在大力开发星基激光探测装置。
所以，开展高精度的激光探测技术，对于增强我国空间技术的竞争能力具有重要意义。
1激光测距方法概述1.1脉冲法脉冲激光测距技术是激光测距技术中最早的一种测距技术，它是利用激光脉冲的瞬时功率和瞬时功率，在无协同目标的条件下，由被测物体的漫反射波进行测距。
在地形测量、工程测量、云和飞机高度测量、战术前沿测距、导弹轨道跟踪、人造地球卫星测距、地月测距等方面都有广泛的应用。
激光测距的脉冲法是将一束激光脉冲或一串激光射向目标，再由计数仪测量激光到达和到达目的地所需要的时间，以此来确定与目标的距离。
它的工作原理和结构比较简单，测距远，功耗低，一次测量就能得到一段距离，但是它的绝对测距精度很低。
测量的时间宽度、测量光波速度、大气折射率、时钟频率误差、计时误差、仪器测量误差等都会对测量结果产生一定的影响。
另外，激光脉冲测距一般采用红宝石、YAG等固体激光器，输出功率大，测量距离宽，但体积较大。
1.2相位法相位法激光测距是通过测量被测物体发出的调制光与所接收的反射光的强度相差所包含的距离信息，从而达到测量被测物体的距离。
为确保测量的准确性，一般都会在被测物体上安装一个反射镜，也就是所谓的协作对象。
在不合作的情况下，它的影响范围通常在数米到数十米之间；在使用协作对象的情况下，其有效射程可以达到数万米，测量精度达到毫米，相对误差在百万分之一左右。
脉冲式激光测距系统设计本科毕业设计说明书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，APD共Ⅱ页本科毕业设计说明书Abstract：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 suchas 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 inhigh-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,TimingDiscrimination,TDC-GP2,Propagation delay,APD共Ⅱ页本科毕业设计说明书目录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)共Ⅱ页本科毕业设计说明书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.............................294.2.1 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)共Ⅱ页毕业设计说明书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。
对高精度激光脉冲测距技术的分析杨 帆（神华宁夏煤业集团有限责任公司 宁夏 银川 750000）摘 要： 高精度激光测距技术在现代社会生产中的应用非常的广泛，主要的介绍激光脉冲测距技术的原理，分析影响脉冲激光测距的主要原因，以及针对原因给出解决的措施，介绍提高测量精度的几个方法及其工作原理。
关键词： 高精度激光脉冲；测距；技术分析中图分类号：TN247 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2012）1110188－02脉冲式激光测距具有结构简单、无需目标合作、测量速度系统中传播所消耗的时间对测距的精确的影响，它与测距的距快和测量距离远等优点，这使其在航天和军事以及工业生产领离无关。
距离行走误差则是指由于回波信号的幅度变化所引起域都得到了广泛的利用。
提高激光脉冲测距技术的精度，是急的误差，测绘仪与目标之间距离和反射率上的变化往往会造成需解决的问题。
回路接收器接受到的回波的能量的变化，从而导致回波信号的幅度有所变化。
在鉴别阀值一定的情况下，回波信号幅度的变1 高精度激光脉冲测距技术的原理化会引起其通过阀值的时间发生改变，从而导致测距结果的误第一台脉冲式激光测距仪诞生于上世纪60年代，现在，激差。
系统误差可以通过地面标定的方式来进行调节，尽量的将光脉冲测距技术以得到迅速的发展并有了大量成熟的应用。
其系统误差调整为最小使其不影响激光脉冲测距的准确性。
发展的趋势包括小型化测距仪和人眼安全激光测距仪等。
脉冲3.2 随机误差激光测距技术是通过测量脉冲的飞行时间来测量其与目标之间激光脉冲测距仪的主要误差既是来自于随机误差，随机误的距离的。
具体的说，就是激光测距仪向着目标发射一个激光差包括脉冲时刻鉴别误差和时间间隔测量误差和阀值鉴别芯片脉冲，激光脉冲经目标反射后有测绘仪器的回波接收通道接的输出抖动误差，是影响激光脉冲测距精度的主要原因。
收，并计算出激光脉冲从发射到返回测距仪所消耗的时间。
这3.2.1 脉冲时刻鉴别精度样，测距仪与目标之间的距离D就可以通过所得的数据来计算求由脉冲激光测距技术的公式可知，计算式中只有T是一个得，即：变量，由时刻鉴别系统测定，所以，时刻鉴别系统是脉冲激光D=CT/2测距系统的极为重要的组成部分，因此其测量的精度直接决定其中，C是激光在介质中的传播速度，T被称作飞行时间。
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。
测量范围可调的高精度激光相位测距系统研究摘要:提出了距离范围可调的高精度激光相位测距系统的研究方法。
系统采用脉冲测距方法预测距离范围,定位目标后,运用多个辅助频率激光相位测距技术进行精确测距。
系统内外接收电路独立分开,并采用了自动数字测相技术,达到了高精度,测量范围可调的实际要求。
关键词:激光技术相位测距测量范围可调高精度1 引言激光测距技术分为脉冲激光测距技术和相位激光测距技术两大类。
脉冲激光测距是通过对发射信号和接收信号的时间间隔的测量来进行测距的,由于激光的传播速度极快,且高频的脉冲产生电路和计时电路的技术存在瓶颈,使得很小的时间延迟就会造成较大的距离误差,测距分辨率只能达到厘米级,适合于远距离测量。
相位激光测距采用连续波对激光进行调制,通过对调制波在被测目标传播时相位变化的计算间接测量时间间隔,测距精度可以达到毫米级,单频率工作模式下,测量范围有限,适合于近距离测量。
本文在详细分析两种测距技术的基础上,结合两种测距技术的特点,设计了测量范围可调的高精度激光相位测距系统,系统的原理图如图1所示。
通过图1可以看出:激光相位测距系统的测量精度所受到的影响因数很多[4]:激光器的稳定性;激光信号在传播的过程中所受到的噪声起伏不定;光电信号的转换速率;信号在器件中的传递延时;器件的反应延时等。
目前,对于激光测距技术的研究方向性明确,大多是基于特定的测距方法,从提高测量精度的角度出发,然而,上述两种测距技术都有其局限性,适用场合也不相同,综合分析了两种测距技术,设计了测量范围可调的的高精度激光相位测距系统。
2 系统分析2.1 系统的工作原理激光测量技术已经成为了中长远距离测量领域的主要技术之一,测量范围可调的高精度激光相位测距系统结合了脉冲测距和相位测距的特点,其工作原理为:单片机控制系统发出指令启动脉冲激光器驱动电路,脉冲激光器向着目标发射激光,一部分激光经分光装置进入内接收电路,经PIN光电转换后,作为脉冲测距电路的开始信号,另一部分激光经目标反射后进入外接收电路,经APD光电转换后,作为脉冲测距电路的停止信号,进而完成了系统预测距离工作;距离信息生成后传递至控制系统,控制系统瞬时转换内外接收电路开关至检相双稳态触发器,并关闭脉冲激光器,同时依据距离范围启动多频率选择模块(本系统为3频段选频),控制系统再发出指令启动连续激光器驱动电路,此时,系统进入高精度激光相位测距阶段,进而完成了目标距离的高精度测量。
第22卷第8期强激光与粒子束Vo l .22,No .8 2010年8月H IG H POWER LASE R AND PARTIC LE BEAMS Aug .,2010 文章编号: 1001-4322(2010)08-1751-04脉冲激光测距时间间隔测量技术＊王洪喆, 辛德胜, 张剑家, 张宏臣, 裴 雷(长春理工大学高功率半导体激光器国家重点实验室,长春130022) 摘 要: 在脉冲激光测距系统中,为提高时间间隔测量的精度,采用插值法进行时间间隔测量。
在分析传统的数字计数法测量原理与误差的基础上,重点研究了插值法。
其测量对象针对传统数字计数法中待测脉冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔。
测量采用电容充放电技术,把时间间隔加入到一个时间扩展模块(通常为一只高精度的电容),实现时间上的放大,再对放大后的时间进行测量,可提高时间测量的精度。
利用该方法得到的时间间隔测量精度可达到100ps ,对应于1.5cm 的测距精度。
关键词: 激光测距; 时间间隔; 插值法; 测量精度 中图分类号: T P3 文献标志码: A doi :10.3788/HP LP B20102208.1751 在脉冲激光测距系统中,测距精度主要取决于激光发射/接收这段时间间隔测量的准确度,因此高精度时间间隔测量在脉冲激光测距系统中有重要意义。
时间间隔的测量有多种方法,传统的数字时钟计数法受限于计数时钟的频率,测量精度不高。
模拟法受环境温度、空气潮湿等环境因素影响大,精度也不高。
而数字法和模拟法相结合的插值法具有测量范围大、线性好等优点,可以提高测量的精度。
本文通过分析传统的数字计数法与模拟法的测量原理与误差,重点研究了插值法的测量原理,提出插值法测量时间间隔的电路,并分析其测量精度与误差。
1 脉冲激光测距时间间隔测量原理1.1 数字法 在测量精度要求不高的前提下,数字计数法是一种非常好的时间间隔测量方法[1-3]。
脉冲激光测距时间间隔测量技术王洪喆;辛德胜;张剑家;张宏臣;裴雷【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2010(22)8【摘要】在脉冲激光测距系统中,为提高时间间隔测量的精度,采用插值法进行时间间隔测量.在分析传统的数字计数法测量原理与误差的基础上,重点研究了插值法.其测量对象针对传统数字计数法中待测脉冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔.测量采用电容充放电技术,把时间间隔加入到一个时间扩展模块(通常为一只高精度的电容),实现时间上的放大,再对放大后的时间进行测量,可提高时间测量的精度.利用该方法得到的时间间隔测量精度可达到100 ps,对应于1.5 cm的测距精度.【总页数】4页(P1751-1754)【作者】王洪喆;辛德胜;张剑家;张宏臣;裴雷【作者单位】长春理工大学,高功率半导体激光器国家重点实验室,长春,130022;长春理工大学,高功率半导体激光器国家重点实验室,长春,130022;长春理工大学,高功率半导体激光器国家重点实验室,长春,130022;长春理工大学,高功率半导体激光器国家重点实验室,长春,130022;长春理工大学,高功率半导体激光器国家重点实验室,长春,130022【正文语种】中文【中图分类】TP3【相关文献】1.脉冲激光测距中高精度时间间隔的测量 [J], 宋建辉;袁峰;丁振良2.脉冲激光测距中时间间隔的新的测量方法 [J], 虞静;唐丹;江虹;毛久兵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.基于FPGA脉冲激光测距高精度时间间隔的测量 [J], 蔡红霞;刘继勇5.脉冲激光测距中高速精密时间间隔测量研究 [J], 岱钦;毛有明;吴凯旋;吴杰;李业秋因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
脉冲激光测距中高精度时间间隔系统设计田海军;杨婷;赵杨辉【摘要】In the time interval measurement system,the time digital converter chip TDC⁃GP22 is adopted to realize the high⁃precision pulsed laser range finding,the high⁃performance microcomputer STM32 is takenas the main controller,and the semi⁃conductor laser diode SPLLL90⁃3 and AD500⁃9 are served as the receiving photoelectric detectors. The measured results are transmitted to the microcontroller through SPI communication interface,and then the processed data is transmitted to the display LCD12864. The test results indicate that the precision of the measuring method can reach up to 65 ps,and the system has sim⁃ple structure and high feasibility.%时间间隔测量系统采用基于时间数字转换芯片TDC⁃GP22实现了高精度脉冲激光测距。
采用高性能STM32单片机作为主控器，SPLLL90_3半导体激光二极管，AD500⁃9作为接收的光电探测器。
测量结果通过SPI通信接口传送给单片机，经单片机处理后的数据传给LCD12864显示器。
第26卷第3期2007年6月红外与毫米波学报J.I nfrared M illi m .W avesVol .26,No .3June,2007文章编号:1001-9014(2007)03-0213-04收稿日期:2006210228,修回日期:2007203205 Rece i ved da te:2006210228,rev ised da te:2007203205基金项目:中国科学院创新三期项目(11100404K221J W19)作者简介:吴刚(19812),男,湖北武汉人,中科院上海技术物理研究所硕士研究生,电路与系统专业,现主要从事卫星定位系统中的时钟同步研究.脉冲激光测距系统中高精度时间间隔测量模块的研究吴 刚, 李春来, 刘银年, 戴 宁, 王建宇(中科院上海技术物理研究所,上海 200083)摘要:时间间隔的测量精度对脉冲激光测距系统的测量精度起决定作用.为此研制了一高精度时间间隔测量模块,该模块基于专用时间数字转换芯片开发,采用延迟线插入法技术,最大测量时间可高达200m s,测时分辨率最高可达125p s,对应测距分辨率18.75mm,适用于远距离的测量.给出了硬件和软件设计方法以及模块的测试结果.关 键 词:脉冲激光测距;时间间隔测量;时间数字转换;延迟线插入法中图分类号:T N249 文献标识码:ASTU DY ON HI GH RES OLUTI ON TI M E I NTERVALM EASURE M ENT MODU LE I N PU LSE DLASER RANGI NG S YSTE MWU Gang, L I Chun 2Lai, L I U Yin 2N ian, DA IN ing, WANG J ian 2Yu(Shanghai I nstitute of Technical Physics,Chinese Acade my of Sciences,Shanghai 200083,China )Abstract:The p recisi on of the pulsed laser ranging system was decided by the p recisi on of the ti m e interval measure ment .Theref ore,a high res oluti on ti m e interval measurement module was devel oped .The module is based on the s pecial ti m e 2t o 2digital conversi on chi p which adop ts the delay line inter polati on method .The maxi m u m measuring ti m e of the module is 200m s,and the maxi m u m ti m e res oluti on is 125p s,of which the corres ponding distance res oluti on is 18.75mm.The mod 2ule is es pecially suit f or the large distance measure ment .The hard ware and the s oft w are of the module as well as the testing results are als o p resented .Key words:pulsed laser ranging;ti m e interval measure ment;ti m e 2t o 2digital conversi on;delay line inter polati on method引言脉冲激光测距以其峰值功率高、探测距离远、测距精度高、对光源相干性要求低等优点,在工业、航空航天、大地测量、建筑测量和机器人等领域获得了广泛应用.不同的应用对测量范围与精度有不同的要求,在军事上,测量范围从几百米到几十千米,相应的精度要求从几十厘米到几百米;而在航空航天方面,从航天器间的对接到飞船的着陆,精度则要求在毫米量级.测量系统的测量精度主要依赖于接收通道的带宽、激光脉冲的上升沿、信噪比和脉冲激光传输的时间间隔测量精度,其中时间间隔的测量精度对测距精度起决定作用[1～4].到目前为止,时间间隔的测量方法主要有3种:模拟法、数字法和数字插入法[5].其中数字插入法是脉冲激光测距中精度最高的,主要有延迟线插入法、模拟插入法和差频测相插入法3种.由德国ACAM 公司设计的一种高精度时间数字转换芯片T DC 2GP1采用的就是延迟线插入法技术.利用T DC 2GP1芯片,设计和开发了一套基于PC I 总线的时间间隔测量模块.实验结果证明,该模块具有测量范围大、线性好、测量精度高的优点.此模块的开发和利用将有利于提高脉冲激光测距的测量精度.1 脉冲激光测距系统结构图1为脉冲激光测距系统的方框图.其工作过程是:首先,使整机复原,准备进行测量;同时触发脉冲激光发生器,产生激光脉冲.该激光脉冲有一小部分能量透过分束片,直接送到接收系统,作为计时的红外与毫米波学报26卷图1 脉冲激光测距系统主要组成Fig.1 Main configurati on of a pulsed laser ranging syste m起始点;大部分光脉冲能量被分束片反射后经过折转棱镜射向待测目标.由目标反射回测距系统处的光脉冲能量,被接收系统接收,这就是回波信号.参考信号(主波信号)和回波信号先后由光电探测器转换为电脉冲,并加以放大和整形.整形后的参考信号开启时间间隔测量模块,使其开始计时;整形后的回波信号关闭时间间隔测量模块,使其停止计时.这样,根据时间间隔测量模块的输出t即可计算出待测目标的距离L为L=ct/2 ,(1)式中c为光速.图1中,干涉滤光片和小孔光阑的作用是减少背景光及杂闪光的影响,降低探测器输出信号中的背景噪声.根据式(1),关于脉冲测距精度ΔL,可以表示为:ΔL=cΔt/2 .(2)由式(2)可知,时间间隔测量模块的测时精度Δt直接决定了脉冲激光测距系统的测距精度ΔL.因此,要想得到高精度的测距值,研制高精度的时间间隔测量模块便成为了必要[6,7].2 高精度时间间隔测量模块的设计与实现2.1 高精度时间间隔测量技术在目前几种主要的时间间隔测量方法中,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,可以同时得到高单脉冲测量精度和高线性,具有测量范围大、线性好、测量精度高的优点,因此其综合性能是最佳的.数字插入是基于数字测量的方法,它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如图2所示,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ta 和tb,所导致的误差大小为ΔT=nT-tm=tb-ta.其中T为时钟脉冲周期,nT为测得时间间隔,tm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ta与tb,从而求出ΔT,对测量结果进行修正:tm=nT-ΔT=nT-t b+t a[5].图2 数字法时间间隔测量误差Fig.2 Ti m e interval measurement err or of digital method2.2 TDC2GP1芯片工作原理T DC2GP1是由德国ACAM公司设计的一种高精度时间数字转换芯片.芯片内部一方面通过锁相环提高计数频率,即减小图2所示ta和tb的值,从而提高计数精度;另一方面采用如图3所示的门延时技术,即芯片内部通过门延迟来精确测量图2所示ta和tb的值,从而得到高精度的时间间隔测量值,测量精度依赖于单个门延迟的延迟时间(可达百皮秒量级).该芯片有控制寄存器、结果寄存器和状态寄存器,控制寄存器用于控制T DC2GP1的测量模式,结果寄存器用来存储测量结果,状态寄存器指示T DC2GP1的状态.其具有一个共用的Start通道和2个测量通道(St op1和St op2),当两个通道同时使用时,双通道分辨率为250p s;当只使用一个通道时(即只使用Start和St op1),单通道分辨率为125p s.T DC2GP1具有两种测量范围:测量范围1是3ns～7.6μs;测量范围2是60ns～200m s(此时只能使用单通道).可通过改变写入芯片控制寄存器的值,选择使4123期吴 刚等:脉冲激光测距系统中高精度时间间隔测量模块的研究图3 T DC 2GP1芯片测量单元Fig .3 Measure ment unit of T DC 2GP1chi p芯片工作于测量范围1或者是测量范围2[8].2.3 模块硬件结构图4为利用该芯片开发的时间间隔测量模块的体系结构.模块以T DC 芯片为核心,利用单片机(MCU )进行控制和数据传输.MCU 通过内置程序与T DC 芯片的寄存器之间进行通信.MCU 程序通过设置T DC 2GP1中相应的控制寄存器来确定T DC 的工作模式.考虑到实际应用情况,模块采用了T DC 2GP1的单通道测量,芯片工作于测量范围2,测时分辨率125p s,测量范围60ns ～200m s .如图4所示,Start 为起始信号,接参考信号取样经光电接收转换电路并整形后的输出信号;St op 为停止信号,接回波经光电接收转换电路并放大,整形后的输出信号;复位信号Reset 用于每次测量的复位,与脉冲激光触发是同步的.恒温控制晶体振荡器(OCXO )为整个模块提供时序.MCU 从T DC 中将测量结果读出并写入F I F O1中缓存,DSP 将F I F O1中的数据进行处理,并将处理后的结果写入F I F O2.P LX9052将F I F O2的数据读出并通过PC I 总线传送给应用程序,以供显示、记录、分析处理.图4 时间间隔测量模块的体系结构Fig .4 Configurati on of ti m e interval measure ment module2.4 模块的应用程序设计模块的工作模式,数据传输都是通过MCU 的内置程序进行控制的.图5为程序主要流程.系统通电复位后,MCU 依照内置指令完成对T DC 2GP1芯片的初始化,主要是对芯片的控制寄存器写控制字,确图5 时间间隔测量模块的程序流程Fig .5 Pr ogra mme fl ow chart of ti m e interval measure 2ment module定芯片的测量范围,数据校准方式等参数.当初始化完成后,系统处于待命状态,一旦有起始脉冲输入,则开始测量时间间隔并计算出结果,然后通过应用程序将结果显示在PC 上.一次测量后系统判断是否测量结束,若没有结束,则返回到待命状态,等待下一次的测量开始;若测量结束,则退出程序.操作平台采用PC /W indows XP 计算机平台,MCU 的内置程序是在Keil uV isi on2环境下用汇编语言编写的,应用程序采用V isual C ++6.0编写.3 测试结果及分析利用复杂可编程逻辑器件(CP LD )产生起始脉冲和停止脉冲对时间间隔测量模块进行测试.通过对CP LD 编程,产生预设的时间间隔作为标准时基信号输入.将起始计数脉冲送入时间间隔模块的Start 端口,将停止脉冲送入St op 端口.测试结果在512红外与毫米波学报26卷计算机上显示并对结果进行分析.实验中,在时间间隔测量模块的量程范围内,抽取了15个标准时基信号输入值并分别对每个输入值进行1000次测量,以下列出测试结果,并对其进行分析.表1 模块对15个标准时基信号输入的测试结果Table 1 Testi n g and st a tisti ca l results for 15st andard ti m ei n terva l i n putsStandard ti m e interval inputs T (ns )M ini m u mresultsT m in (ns )Maxi m umresults T max (ns )Average results T avg (ns )Standard err ors σ(ns )1000999.257999.561999.5250.018620001999.6521999.8021999.7180.017040003999.8283999.9353999.8800.014060005999.8795999.9615999.9170.011680007999.8717999.9777999.9330.0092100009999.9109999.9839999.9450.01085000050000.25150000.31350000.2860.0101100000100000.738100000.849100000.7950.0115500000500004.648500004.752500004.6990.018610000001000009.4601000009.6511000009.5680.032650000005000048.9335000050.4975000049.8570.45931000000010000089.59510000093.36010000091.8871.02015000000050000463.25250000473.98550000468.7873.0858100000000100001092.523100001113.058100001102.5815.6352200000000200001933.748200001981.238200001967.4719.3516由表1可知,在1m s 范围内,测量的标准误差基本都在40p s 以内,随着测量时间的增大,模块测量的标准误差也随着增大,测量时间200m s 对应的测量标准误差为9.3516ns .结果证明,模块在量程范围内的测量稳定性以及利用测量值来预测实际值的可靠性都非常高.在检验时间间隔测量模块在量程范围内的线性度时,考虑到由于测量范围跨度很大,故在0～1m s范围内,每间隔50μs 选取一个观测点;在1～200m s 范围内,每间隔10m s 选取一个观测点.以这总共40个取样点值作为标准时基输入,并分别对每个输入值进行1000次测量,计算其平均值T avg 与对应标准时基输入T 的差值ΔT ,即ΔT =T avg -T .测量及分析结果如图6所示.图中横坐标代表标准时基信号输入T ,纵坐标代表测量平均值与其对应标准时基信号输入T 的差值ΔT .由图6可以看出,模块在整个量程范围内都保持很好的线性度,相关系数达到0.9976.拟合曲线方程为y =919×10-6x -115455,其中曲线斜率为919×10-6,即在整个量程内,对于1000次测量结果的平均值,测量相对误差达到10-5量级.在实际测图6 量程内的测量误差拟合曲线Fig .6 Curve fitting of measurement err or within range量中,可依据此方程来对测量值进行修正.另外,由表1可知,在测量时间间隔小于4μs 时,测量相对误差达不到10-5量级.在0～4μs 这一相对整个量程来说非常小的局部范围内,测量相对误差应该修正为10-4量级.4 结论研制的时间间隔测量模块利用的是T DC 2GP1的测量范围2,虽然减少了一个可用通道,但使最大测量时间由7.6μs 提高到200m s,大大增加了脉冲激光测距系统的测距范围,非常适合不需要多路回波的远距离测量系统.实验证明,采用T DC 2GP1专用芯片研制的时间间隔测量模块,不仅测量范围大、精度高,控制和使用起来也非常方便,利用计算机PC I 总线,便于集成,并已经成功应用于脉冲激光测距系统中.该模块也可应用于其他需要高精度时间间隔测量的系统中.REFERENCES[1]HU Yi 2Hua,F ANG Kang 2M ei,S HU Rong,et al .Soundingeffect of laser scanning i m aging in earth observati on[J ].J.Infrared M illi m .W aves 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s 相关系数互信息标准差熵U I B M 算法1 1.0946 1.928724.7657 4.2579 1.3801算法2 1.3158 1.926638.0195 4.7765 1.4351本文算法 1.3726 1.957741.7557 4.9252 1.45964 结论在研究Cont ourlet变换和I PCNN的基础上,提出了一种基于Cont ourlet变换和I PCNN的融合方法.该方法利用Cont ourlet变换来进行多尺度分解,获取图像中的深度特征信息,同时充分利用I PCNN 同步激发特性,来进行融合策略设计,以提高图像融合质量.经过对可见光与红外线多传感器图像的融合,仿真结果表明本文优于其他融合算法,具有很好的融合效果.REFERENCES[1]DE NG Lei,CHE N Yun2Hao,L I J ing.Contr ollable re motesensing i m age fusi on method based on wavelet transf or m [J].J.Infrared M illi m.W aves(邓磊,陈云浩,李京.一种基于小波变换的可调节遥感影像融合方法.红外与毫米波学报).2005,24(01):34—38.[2]B r oussard R P,Rogers S K,OxleyM E,et al.Physi ol ogi2cally motivated i m age fusi on f or object detecti on using apulse coup led neural net w ork[J].IEEE N eural N et w orks, 1999,10(3):554—563.[3]XU Bao2chang,CHE N Zhe.A multisens or i m age fusi on al2gorith m based on PC NN[C],I n Pr oc.of the Fifth World Congress on I ntelligent Contr ol and Aut omati on,Hangzhou, China,2004:3679—3682.[4]L I W ei,ZHU Xue2feng.A ne w i m age fusi on algorith 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