便携式脉冲激光测距系统研究

长春理工大学毕业论文

摘 要

本文针对脉冲式激光测距技术展开研究，重点研究短时间间隔的高精度测量这一关键技术。本文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-GP2的便携式脉冲半导体激光测距仪系统方案。

我们研究了TDC-GP2时间测量原理，设计了基于TDC-GP2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，本文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-GP2 测距精度

Abstract

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-GP2,

through a deep research of the principle of the pulsed laser rangefinder.

We have studied the time measuring principle of the TDC-GP2, designed the

time interval measurement unit that based on the TDC -GP2, 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-GP2; Ranging precision

measurement

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I 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 ................................................................................................ 6

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 .................................................................... 7

第三章 激光飞行时间测量技术 ....................................................................... 9

3.1起止时刻鉴别技术 ..................................................................................... 9

3.2高精度时间间隔测量技术 ....................................................................... 10

第四章 便携式激光测距仪设计 ....................................................................... 13

4.1 激光测距仪总体设计 .............................................................................. 13

4.2 APD接收的光能量估算 .......................................................................... 14

4.3 激光器的选择与驱动 .............................................................................. 15

4.4 光电转换器件的选择与驱动 .................................................................. 18

4.5 高精度时间测量芯片TDC-GP2的应用 ................................................ 20

总结 ..................................................................................................................... 25

参考文献 ............................................................................................................. 26

致 谢 ............................................................................................................. 27 长春理工大学毕业论文

1 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

激光测距技术与其它测距技术相比，具有测量距离远、抗干扰能力强、非接触目标、测量速度快、测距精度高等特点。目前，脉冲激光测距已获得了广泛的应用，如地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪、以及人造卫星、地球到月球距离的测量等。随着激光技术、数字电子技术、计算技术和集成电路的发展，激光脉冲测距正朝着低成本、模块化、小型化方向发展。

脉冲半导体激光测距技术的研究起始于20世纪60年代末，到80年代中期陆续解决了激光器件、光学系统以及信号处理电路中的关键技术，80年代后期转入应用研究阶段并研制出了各种不同样机，90年代中期各种成熟的产品不断出现，近期半导体激光测距发展迅速，在中、近激光测距方面有取代YAG激光的趋势。

2008年，中国计量学院余向东、张在宣、王剑锋等人研制了一种能有效地减少因接收信号幅度变化而引起的漂移误差和晶振时钟计时误差的小型高精度脉冲式半导体激光测距仪，当接收脉冲信号幅度在11倍范围变化时，该测距仪可获