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激光测距系统

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用于相位法激光测距的电路系统设计

用于相位法激光测距的电路系统设计

用于相位法激光测距的电路系统设计激光测距是一种常用的非接触式测量技术，可以精确测量目标物体与测距仪的距离。

相位法激光测距是其中一种常见的方法，通过测量激光光波的相位差来计算距离。

下面将介绍一个基于相位法激光测距原理的电路系统设计。

1. 激光发射电路：设计一个激光二极管的驱动电路，可以通过电流控制二极管的发射光强。

使用一个恒流源以确保驱动电流的稳定性。

此外，还需要添加一个调节电路，可以根据需要调整激光发射的光功率。

2. 光电检测电路：将光电二极管作为光电检测元件接在测距仪上，用于接收激光反射光信号。

光电二极管产生的电流与光的强度成正比。

使用一个高增益的放大器将光电二极管产生的微弱电流信号放大。

3. 相位差测量电路：使用一个相位差测量电路来测量激光光波发射和接收之间的相位差。

该电路可以采用锁相放大器或频率调制技术。

在锁相放大器中，将激光发射的信号作为参考信号，将光电二极管接收到的信号作为待测信号输入。

锁相放大器可以精确测量相位差，并输出一个稳定的直流电压信号。

4. 距离计算电路：将锁相放大器输出的直流电压信号输入到距离计算电路中，根据相位差和激光波长的关系，计算出目标物体与测距仪之间的距离。

该电路可以通过编程芯片或者专门的测距芯片来实现距离计算。

以上是一个基于相位法激光测距原理的电路系统设计。

通过精心选择和设计各个电路模块，可以实现高精度和稳定的激光测距功能。

需要注意的是，在实际设计中还需考虑电路的抗干扰能力、功率稳定性和其他实际应用需要的因素。

在激光测距中，相位法是一种常用的方法，能够提供高精度和高稳定性的测距结果。

相位法激光测距的原理是通过测量激光发射和接收之间的光波相位差来计算目标物体与测距仪之间的距离。

在设计电路系统时，需要考虑到激光发射电路、光电检测电路、相位差测量电路和距离计算电路等各个环节。

首先，激光发射电路是相位法激光测距系统中的重要组成部分。

它负责驱动激光二极管发射具有稳定光强的激光光束。

激光雷达测距系统的设计与实现

激光雷达测距系统的设计与实现

激光雷达测距系统的设计与实现随着科技的不断发展和进步，激光雷达测距技术在物联网、自动驾驶、智能机器人等领域的应用越来越广泛。

本文将介绍一种基于激光雷达的测距系统的设计与实现。

一、需求分析设计一个基于激光雷达的测距系统，需要解决以下几个问题：1.测距精度：系统应具备较高的测距精度，以满足各种应用场景的实际需求。

2.扫描角度：激光雷达的扫描范围应能满足应用场景的需求。

同时，扫描角度越大，激光雷达所涉及到的场景就越广泛。

3.响应速度：系统应能够在较短的时间内响应并输出距离数据，以实现实时控制。

二、系统设计1.硬件设计激光雷达测距系统的硬件主要包括激光器、接收器、信号处理器等模块。

激光器：激光雷达使用的是红外激光器，其波长为905nm。

激光器的输出功率一般在几mW到几十mW之间，越高的功率通常意味着更远的测距距离和更高的探测灵敏度。

接收器：接收器主要是将激光雷达反射回来的光信号转换成电信号。

通常采用光电二极管作为接收器，其响应速度可以达到纳秒级。

信号处理器：信号处理器主要是对接收到的信号进行数字信号处理，提取出有用的距离信息并输出到终端设备。

现代激光雷达系统通常使用FPGA或DSP等高性能处理器来完成数字信号处理。

2.软件设计激光雷达测距系统的软件主要包括驱动程序、信号捕获程序、数据处理程序等。

驱动程序：激光雷达测距系统的驱动程序通常基于通用的串行或USB接口协议。

驱动程序主要负责将计算机通过串行或USB接口连接到激光雷达系统并控制其工作。

信号捕获程序：信号捕获程序主要用于捕获激光雷达反射回来的信号，并将其转换成数字信号。

此外，由于激光雷达的工作需要精准的时序控制，因此信号捕获程序还需要精确的时钟同步机制。

数据处理程序：数据处理程序主要用于对采集到的距离信息进行处理，并将处理后的数据输出到终端设备上。

数据处理程序一般分为实时处理和离线处理两种方式。

三、实现过程1.硬件实现我们选用TI公司出品的16位单片机TMS320F28377S来实现激光雷达测距系统硬件设计。

《脉冲式半导体激光测距系统的设计》范文

《脉冲式半导体激光测距系统的设计》范文

《脉冲式半导体激光测距系统的设计》篇一一、引言随着科技的进步，激光测距技术已经广泛应用于各个领域，如工业自动化、机器人导航、地形测绘等。

其中，脉冲式半导体激光测距系统以其高精度、快速响应等优点，逐渐成为主流的测距方式。

本文将详细介绍脉冲式半导体激光测距系统的设计，以期为相关研究和应用提供参考。

二、系统概述脉冲式半导体激光测距系统主要由激光发射器、接收器、信号处理与控制系统等部分组成。

其中，激光发射器负责发射激光脉冲，接收器负责接收反射回来的激光脉冲，信号处理与控制系统则负责对接收到的信号进行处理，并输出测距结果。

三、系统设计1. 激光发射器设计激光发射器是脉冲式半导体激光测距系统的核心部件之一，其性能直接影响测距精度和速度。

设计时需考虑激光器的类型、功率、波长等因素。

为提高测距精度和速度，通常选用高功率、高稳定性的半导体激光器作为发射器。

此外，为确保激光脉冲的准确性和一致性，还需设计相应的驱动电路和调制电路。

2. 接收器设计接收器负责接收反射回来的激光脉冲，并将其转换为电信号。

设计时需考虑接收器的灵敏度、噪声抑制能力等因素。

通常采用高灵敏度的光电二极管作为接收器的主要部件，同时需设计相应的放大电路和滤波电路以提高信噪比。

3. 信号处理与控制系统设计信号处理与控制系统负责对接收到的电信号进行处理，并输出测距结果。

设计时需考虑信号处理的算法、控制系统的稳定性等因素。

通常采用数字信号处理技术对接收到的信号进行处理，以提高测距精度和速度。

此外，为确保系统的稳定性和可靠性，还需设计相应的控制系统，对系统的各个部分进行控制和监测。

四、系统实现在系统实现过程中，需根据设计要求进行硬件选型和制作、软件编程和调试等工作。

具体而言，需完成以下步骤：1. 根据设计要求选择合适的硬件器件，如激光器、光电二极管、放大器等；2. 设计并制作电路板，包括驱动电路、调制电路、放大电路、滤波电路等；3. 编写控制系统软件，实现系统的控制、监测和数据处理等功能；4. 对系统进行调试和测试，确保其性能达到设计要求。

激光测距(非常详细)

激光测距(非常详细)
脉冲测距和相位测距。
一、激光测距方程
1、从测距仪发射的激光到达目标上的激光功率 1）对于点目标，目标面积小于激光照亮面积：
Pt Pt Kt At T / As 1
Pt——激光发射功率（W）
Tα ——大气单程透过率 Kt——发射光学系统透过率 At——目标面积（m2） As——光在目标处照射的面积（m2）
d ct 2
测距方法分类
脉冲测距法：测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光 脉冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时 间间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间t。脉冲法 测距精度大多为米的量级； 相位测距法：它是通过测量连续调制的光波在待测距离上 往返传播所发生的相位变化，间接测量时间t。这种方法测
我国卫星测距站
卫星激光测距应用
卫星激光测距（Satellite Laser Ranging：SLR）是
随着现代激光、光电子学、 计算机和空间科学发展而建立
起来的一门崭新观测技术。由于它具有独特的测距方式和 较高的测量精度,已在地学领域广泛应用。目前,其观测资 料已可用于地球物理学、地球动力学、大地测量学、天文 学和地震预报等多种学科。
2、小的激光发散角： 措施：增大扩束准直系统的角放大率。 3、高透过率光学系统；
4、大的接收孔径角；
5、大目标对测距有利； 6、高灵敏度探测器。
二、光电读数
1 1 N 1 因为 s ct c f ( fT 为晶振频率;T ) T 2 2 fT 测距仪的最小脉冲正量δ为：
令N=1
SPAD
接收望远镜
箱
测距精度与激光脉宽
测距精度是由于激光脉冲前后沿时间差造成的； 因此激光脉冲宽度影响测距精度： L C t

手持式激光测距仪系统方案

手持式激光测距仪系统方案

手持式激光测距仪系统方案一．系统主要功能（1）通过“脉冲测距法”来完成激光测距仪对距离的测量。

（2）完成面积测量，体积测量，连续测量，存储测量数据等功能。

（3）还可完成对测量距离的加、减运算。

二．主要技术资料1.电源：3伏直流电2.测量范围：5cm至200m，从前端起5cm,最大识别距离750m,不含目标板传统测量范围：白色砌石墙面，70m；水泥，50m；砖墙，50m。

最大测量距离由以下条件而定：（1）目标物表面的反射性（2）周围环境光照条件。

3.精确度：一般情况下，测量一次或多次的精确度为±1.5mm。

4.最小显示单位：1mm5.光束直径：在10m处小于6mm，在50m处小于30mm，在100m处小于60mm。

6.基本操作模式：单一测量，连续测量，计算/功能7.显示：液晶显示器，显示操作情况及电池情况。

8.激光：可见光，620-690nm,激光等级2级，输出功率<1mw。

三．系统测量原理激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。

本系统采用脉冲法，需要对时间进行精确测量，采用了高精度时间测量芯片TDC-GP2。

在脉冲激光测距中，使用激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收目标反射回来的光脉冲，通过用TDC-GP2测量光脉冲往返所经历2S的时间t，就可以算出目标的距离，即：S=v*t/2，式中v为光速，v=3×108m/s。

1.TDC-GP2的时间测量原理1.1内部结构TDC-GP2内部主要有脉冲产生器、数据处理单元、时间数字转换器、温度测量单元、时钟控制单元、配置寄存器以及与单片机相接的SPI接口组成。

TDC-GP2的工作电压：输入输出为1.8~5.5V，核电压为1.8~3.6V，所以可以采用电池供电。

同时和单片机由4线的SPI相连，可以把TDC-GP2作为单片机的一个外围设备来操作。

通过单片机的控制由TDC-GP2采样脉冲激光的发射和接收，通过内部ALU单元计算出时间间隔，并将结果送入结果寄存器保存起来。

激光测距原理

激光测距原理

激光测距原理激光测距是一种利用激光束来测量目标距离的技术。

它主要应用于工业、建筑、地理测绘、军事等领域，具有测量精度高、速度快、非接触式测量等优点。

激光测距原理是基于光的传播速度和时间的关系，通过测量激光束从发射到接收的时间来计算目标距离。

下面我们来详细了解一下激光测距的原理。

1. 发射激光。

激光测距的第一步是发射激光。

激光器产生的激光束具有单色性、方向性和相干性，能够保持较小的束散。

这样就能够保证激光束在传播过程中能够保持一定的直线传播，从而保证测量的准确性。

2. 激光束传播。

激光束从激光器发射出来后，会沿着一定的方向传播。

在传播过程中，激光束会受到大气、地形等因素的影响，但由于激光束的单色性和方向性，这些影响相对较小，不会对测量结果产生显著影响。

3. 激光束照射目标。

激光束照射到目标后，会被目标表面反射或散射。

这时，激光束的能量会部分损失，但仍然能够保持一定的能量，以便接收器能够接收到足够的信号进行测量。

4. 接收激光。

接收器接收到目标反射或散射的激光束后，会将其转化为电信号。

这个过程需要非常快速和精确，以保证测量的准确性。

5. 计算距离。

接收到激光信号后，系统会通过计算激光从发射到接收的时间来确定目标距离。

由于光在真空中的传播速度是一个已知的常数，因此通过测量激光的时间，就可以准确地计算出目标距离。

总结。

激光测距原理是利用激光束的传播速度和时间的关系来实现对目标距离的测量。

通过发射激光、激光束传播、照射目标、接收激光和计算距离等步骤，可以实现对目标距离的快速、准确测量。

激光测距技术在工业、建筑、地理测绘、军事等领域有着广泛的应用前景，随着技术的不断发展和完善，相信激光测距技术会在未来发挥更加重要的作用。

激光测距非常详细ppt课件


8.2 脉冲激光测距
激光测距的基本公式为：
d 1 ct 2
c——大气中的光速
t——为光波往返所需时间
由于光速极快，对于一个不太大的D来说，t是一个很小的量，
例：设D=15km，c=3×105km/sec
则t=5×10-5sec
由测距公式可知，如何精确测量出时间t的值是测距的关键。由 于测量时间t的方法不同，产生了两种测距方法：
卫星激光测距－激光器 ：
总的来讲在其它条件相同时，发射激光的脉冲能量 越高，脉宽越窄，重复率越高，峰值功率越大，则 系统的测距能力越高。
千赫兹皮秒激光器为第四代卫星激光测距之激光器。 下一代卫星测距用激光器为双波长激光器。
测距误差分析
（1） 测距系统仪器误差 – 激光脉冲宽度误差 – 时间间隔测量误差 – 主波计时探测误差 – 回波计时探测误差 – 时钟同步误差 – 时钟频率标准误差
卫星激光测距技术集光机电于一身,涉及计算机软、硬件技术, 光学、激光学、大地测量学、机械学、电子学、天文学、自动控制 学、电子通讯等多种学科。因此SLR测距仪系统十分复杂,消耗较大, 故障率较高,同时受天气因素制约,维护起来也比较困难,需要花费 较大的人力物力,但它又是目前精度最高的绝对观测技术手段。
即Ii=IN·Cosi 则该漫反射体称作“余弦幅射体”或“郎伯幅射体”。 设激光发射光轴与目标漫反射面法线重合，且主要反射 能量集中在1rad以内（约57°） 则Ω=πu2=π
则Pe Pt T / Pt T 1 2
式中：ρ——目标漫反射系数 Tα——大气单程透过率
3、测距仪光接受系统能接受到的激光功率Pr
SPAD
接收望远镜
转台
测距精度与激光脉宽
测距精度是由于激光脉冲前后沿时间差造成的；

高频相位激光测距系统的高精度鉴相

第 31 卷第 15 期2023 年 8 月Vol.31 No.15Aug. 2023光学精密工程Optics and Precision Engineering高频相位激光测距系统的高精度鉴相孟语璇1，2，董登峰1，2*，周维虎1，2，纪荣祎1，2，朱志忠1，2（1.中国科学院微电子研究所，北京 100029；2.中国科学院大学，北京 101408）摘要：相位测距是一种非常重要的绝对测距手段，是大尺寸精密测量的重要保障。

提高激光调制频率并采用高性能器件实现高频采样分析是提升相位激光测距精度最有效的方式之一。

针对高性能器件的最大采样频率总是受限，难以满足高调制频率采样的难题，分析验证了欠采样方法用于相位测距的可行性，同时仿真分析了全相位傅里叶频谱分析法（all-phase Fast Fourier Transform，apFFT）提高鉴相精度的优势。

在此基础上，提出“欠采样+ apFFT”的方法，并构建了激光相位测距的鉴相系统。

当调制频率为201 MHz，欠采样频率为100 MHz时，系统鉴相精度高于±0.04°，对应的测距精度为±0.08 mm。

实验结果表明，基于“欠采样+apFFT”的相位测距方法具有高精度、抗干扰能力强等优势，在科学研究与工程应用中具有重要价值。

关键词：相位测距；欠采样；全相位频谱分析法；高精度；鉴相系统中图分类号：TN249；TH711 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233115.2193High-precision phase discrimination for high-frequency phaselaser ranging systemMENG Yuxuan1，2，DONG Dengfeng1，2*，ZHOU Weihu1，2，JI Rongyi1，2，ZHU Zhizhong1，2（1.Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029， China；2.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 101408， China）* Corresponding author， E-mail： dongdengfeng@Abstract：Phase laser ranging is an important means of absolute ranging and an important guarantee for large-scale precision measurement. One of the most effective ways to improve the precision of phase laser ranging is to increase the laser modulation frequency and use high-performance devices to achieve high-fre⁃quency sampling analysis. However， the maximum sampling frequency of high-performance devices is lim⁃ited. To solve the problem that existing devices have difficulty in the sampling of high modulation frequen⁃cies， the feasibility of an undersampling method for phase ranging was analyzed and verified. The advan⁃tages of all-phase fast Fourier transform （apFFT） analysis was examined to improve the precision of phase laser detection. Based on this idea， the method of undersampling and apFFT was developed， and a phase detection system for laser phase ranging was constructed. When the modulation frequency is 201 MHz and the undersampling frequency is 100 MHz，the system phase discrimination accuracy is higher than 文章编号1004-924X（2023）15-2193-10收稿日期：2023-02-13；修订日期：2023-03-13.基金项目：国家重点研发计划资助项目（No.2020YFB1710500，No.2019YFB2006100）；国家高质量发展专项（No.TC220H05T）第 31 卷光学精密工程±0.04°， and the corresponding ranging accuracy is approximately ±0.08 mm. The experimental results show that the phase ranging method based on undersampling and apFFT has the comprehensive advantag⁃es of high accuracy and strong anti-interference ability， making it valuable for scientific research and engi⁃neering applications.Key words： phase ranging；under-sampling；all-phase fast fourier transform；high precision；phase dis⁃crimination system1 引言相位式激光测距技术具有响应快、量程大、抗干扰能力强、精度高等优点，被广泛应用于航空、航天、船舶和机器人等大型装备制造领域［1-6］。

脉冲激光测距系统的原理

脉冲激光测距系统的原理脉冲激光测距系统是一种利用激光脉冲测量目标物体距离的技术。

该系统通过发射一个短暂而高能量的脉冲激光束，并测量从发射到接收激光返回的时间来计算目标物体距离。

下面将详细介绍脉冲激光测距系统的原理。

脉冲激光测距系统由脉冲激光发射器、接收器、时钟计时装置和信号处理系统等组成。

首先，脉冲激光发射器发出一个高能量的短脉冲激光束，传输至目标物体表面。

随后，激光束与目标物体表面发生相互作用，部分激光能量被反射回来。

接收器接收到反射的激光，并将其转换为电信号。

接收器中的光电探测器负责将反射的激光转化为电信号。

光电探测器通常使用光电二极管或光电倍增管等设备，能够将光能有效地转化为电能。

收到的电信号的强度与激光的入射能量和目标物体的反射特性有关。

时钟计时装置用于记录从激光发射到接收激光返回的时间。

它通常使用高精度的计时器或时钟来测量发射和返回激光之间的时间间隔。

通过计算时间间隔，可以确定激光从发射到返回的时间，从而计算出目标物体与测距系统之间的距离。

信号处理系统负责处理接收到的电信号，并计算目标物体的距离。

该系统通常包括放大器、滤波器和模数转换器等设备，用于放大、滤除噪声和数字化电信号。

信号处理系统还可以对接收到的信号进行分析和处理，例如提取出激光返回的特征信号，通过波形分析等方法计算出目标物体的距离。

脉冲激光测距系统的原理基于光信号的传播速度恒定不变，光在真空中的传播速度约为每秒299,792,458米。

因此，通过测量激光发射和反射之间的时间间隔，可以计算出目标物体与测距系统之间的距离。

根据光的速度，时间间隔可以通过以下公式计算：距离= （光速×时间间隔）/ 2其中，时间间隔是激光从发射到返回的时间。

由于激光在往返过程中需要通过大气中的空气等介质，因此通常需要考虑激光在介质中传播速度的影响。

综上所述，脉冲激光测距系统通过发射和接收激光束，并测量激光返回的时间间隔，可以计算出目标物体与测距系统之间的距离。

激光相位测距原理

激光相位测距原理
激光相位测距是一种利用激光波束测量物体距离的技术。

其原理基于光的干涉现象，通过测量光波在物体表面反射后的相位变化来确定距离大小。

在激光相位测距系统中，激光器发射一束脉冲激光，该激光束照射到目标物体上并被反射回来。

接收器接收到反射光波后，光电二极管将光信号转换为电信号。

由于光波在往返过程中会受到干涉效应的影响，导致接收到的光信号具有不同的相位。

通过测量光信号的相位差，即可计算出光波的传播距离。

为了实现相位测量，激光相位测距系统通常采用两种方法：串行分析和并行分析。

串行分析方法中，激光脉冲经过光电二极管后，信号会被通过逐点扫描的方式进行采样。

然后，所有采样点的相位将被计算出来，并通过插值算法实现子波测量。

而在并行分析方法中，激光脉冲会经过一个多通道的光电二极管阵列，每个光电二极管将接收到的信号进行采样和处理。

通过对比不同通道之间的相位差异，可以实现更快速的相位测量。

总的来说，激光相位测距利用激光波束的干涉现象来测量物体的距离。

通过准确测量光信号的相位差，可以实现高精度的测距，并在许多领域中得到广泛应用。

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➢激光脉冲接收系统：激光脉冲接收单元为本系统的 核心部分之一，主要分为两个子块：PIN 光电二极管 （以下简称 PIN）接收电路和雪崩管（Avalanche PhotoDiode 简称 APD）接收电路。
➢高精度时间间隔测量系统：高精度时间间隔测量系统 主要由计时芯片（本文中选取通用型 TDC 模块 TDC-GP2） 以及其外围电路组成。该部分为系统提供精准的时差测 量，保证了测量的精度。
半导体激光器的驱动电路设计
➢脉冲半导体激光器的驱动电路原理图如图 所示。其中 R1 为充电限流电阻，R2 为脉冲电流限流电阻，C 为储能 电容，VH为输入高压偏置，D 为钳位二极管，LD 为半导 体激光器，K 为控制开关。其本质是个 RLC 电路。
➢当开关 K 断开时，高压偏置 VH通过 R1 向储能电容 C 充电，C 两端的电压随即升高，充电完成后，储能电容 两端的电压 UC即与高压偏置电压 VH相等，当开关 K 闭 合后储能电容 C 通过开关 K、放电限流电阻 R2 以及激光 器所组成的回路瞬时放电，加在 LD 两端的电压为-VH。 ➢图 所示的脉冲半导体激光器驱动电路中，通过改变偏
APD 中的光电流为 I，则计算出读取电路输出端的输出电压 U0为：
U0=IxRf
➢当图 所示的 APD 驱动电路中，反馈电阻 Rf 失效时，图中 A 点的电压将升高接近反向偏置电压 VH，这将直接导致运 放反向输入端电压过高，将其烧毁，更严重的后果是会影响 到后续放大电路的安全，因此，该电路中在 A 点和正电源 VCC 之间并联一个二极管作为保护，当 A 点电压升高至一定
值时，保护二极管 D导通，可将 A 点的高压拉低至电源电 压，这样可对后续处理电路起到保护作用。
APD驱动电路
高精度时间间隔测量模块
➢本系统选取了TDC-GP2为系统提供高精度时间间隔测量。 ➢TDC 是以信号通过内部门电路的传输延时来进行高精度 时间间隔测量的。下图 显示的是这种测量绝对时间 TDC 的主要架构。测量过程中，只需计算出开始信号和结束 信号之间所经过的逻辑门的个数，就可以精确的计算出 Start 信号与 Stop 信号之间的时间间隔。芯片上的智能电 路结构、担保电路和特殊的布线方式保证芯片可以精确 地记下信号通过门电路的个数。
激光发射系统
➢半导体激光器工作原理是通过一定的激励方式，当 高能态的粒子数多于低能态的粒子数，并且工作电 流达到阈值电流时，激光器输出相干的受激光束。
窄脉冲信号发生器设计
➢根据脉冲式半导体激光器的驱动要求，系统需要一 个脉宽20ns~50ns，重复频率为 2.5kHZ 的脉冲信号， 作为半导体激光器驱动电路的开关信号。本文中选 用 CPLD 作为窄脉冲信号发生器的核心部件。 ➢CPLD 硬件描述采用的是 Verilog HDL 硬件描述语言， 采用 Quartus II 7.2 编译环境实现了周期为 2.5KHz， 脉冲宽度为 25ns 的信号。
➢微控制器及显示接口部分：该部分主要有微处理器， 液晶显示，RS-232 串口组成。MCU 主要为各分部的正常 工作提供控制信号，并通过 SPI 口配置 TDC-GP2 芯片， 并读去相应的测量结果进行计算与处理，处理完成的送 至 LCD 显示或者发送至串口送至上位机进行进一步处理。 此处的串口除了传送测量数据之外，还可接收上位机的 操作指令，用于控制系统工作。
脉冲激光测距系统设计
脉冲激光测距原理：
➢脉冲式激光测距是利用激光脉冲持续时间极短，能量在 时间上相对集中，瞬时功率很大的特点进行测距的，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 光的漫反射所取得回波信号，也可以进行测距。 ➢脉冲式激光测距的原理如下图 所示。由激光发射系 统发出一个持续时间极短的脉冲激光，经过待测距离 L 之后，被目标物体反射，发射脉冲激光信号（回波 信号）被激光接收系统中的光电探测器接收，计时电 路通过计算脉冲激光发射和回波信号到达之间的时间 间隔，即激光脉冲从激光器到目标物体之间的往返时 间t，即可计算出目标物体与激光测距仪之间的距离 L 为：
L=(1/2)ct 式中，c 为光速。
脉冲式激光测距系统组成
➢系统主要包括窄脉冲激光发射系统、脉冲激光接收系 统、高精度时间间隔测量系统、微控制器、液晶显示、 串口以及光学系统组成。
➢脉冲发射系统：半导体激光器的发射单元主要由 LD 偏置电压发生器、脉冲发生器、LD 驱动电路组成。LD 偏置电压发生器为半导体激光器提供工作所需的偏置 高压，并加载至 LD 驱动电路中，驱动半导体激光器 发光，脉冲信号发生器则为 LD 驱动电路提供所需的 高速窄脉冲信号。
置电压 VH，R1、C、R2 参数的大小，即可调节输出激 光脉冲的峰值功率、脉冲宽度和重复频率。偏置电压
VH越高，储能电容 C 越大、放电限流电阻 R2 电阻越小， 则输出的激光峰值功率就越大；若储能电容 C 越小、R2 的阻值越小，则激光脉冲的宽度就越窄；R1的阻值越小， 则激光脉冲的重复频率就越高。
a、PIN接收电路框图 b、APD接收电路框图
➢PIN 光电二极管的驱动电路原理如图 4.4 所示，该光电 检测电路采用了高速电流负反馈运算放大器电路。图 中， 20V 为 PIN 管反向偏置电压，R1 为偏压限流电阻，RL 为 PIN 管的负载电阻，对光电流进行电流-电压转换。运放 用来对信号进行放大，以达到预期的要求。
➢光学系统：光学系统的主要功能是将半导体激光器产 生的激光分成两束，一束经反射镜送入 PIN 管光敏面上， 另一束则经过准直之后发射至目标物体；另一方面光学 系统将其接收到的激光回波信号汇聚到 APD 的光敏面上， 以提高光电接收器件的探测能力。
系统工作流程
• 激光测距系统工作流 程如图 所示。系统上 电之后，控制器便进 行系统初始化，初始 化完成之后即可开启 发射接收电路，并发 射脉冲信号进行测量， 等待测量结束之后停 止发射激光，读取测 量结果并对数据进行 处理显示。
➢TDC 测量由 Start 信号触发而开始，接收到 Stop 信号停 止。由环形振荡器的位置和粗值计数器的计数值可以计 算出 Start 信号和 Stop 信号之间时间间隔，测量范围可达 20 位。通过大量实验验证，其时差测量精度可达到 72ps， 若不考虑其余部分对测距精度的影响，系统的距离测量 精度可达到 1cm。
PIN 光电二极用了电流转电压的方式，对 APD 中输出电流进行读取，如图 4.5 所示。图中，VH为 APD工作所需的偏置电压，VH=160V。R 为高压偏置的限流 电阻，其值至少为 1MΩ。C是为防止高压偏置中的电源纹 波对 APD 读取电路影响而设置的滤波电容，其值应该至少 为 0.1uf，并且在电路板的设计中，C 应该尽量靠近 APD。 Rf 为由运放组成的电流电压电路的反馈电阻，调节 Rf 的大 小，可使得该读取电路的增益发生改变。如图 所示，设
脉冲激光接收系统
➢脉冲激光接收系统是的主要作用是，接收由目标物体反 射回来的回波脉冲激光信号，并将其转换为电脉冲信号， 进行滤波、放大、峰值保持、时刻鉴别、整形等处理。 ➢本系统中，激光接收电路分为两个部分，PIN 光电二极 管接收电路与雪崩管接收电路。在本系统中，半导体激 光器输出的激光有分光镜分为两路，强度较弱的一路光 信号由反射镜送入 PIN 光电二极管的光敏面，由 PIN 驱动 放大电路进行信号采集，并将其作为时差测量的起始时 刻（即 Stop1 信号），如图 （a）所示。另一路光信号则 通过光学系统准直之后发射出去，由目标物体反射的回 波信号经过光学系统的接收，送至 APD 接收电路进行放 大处理，将该路输出的信号作为时差测量的截止时刻 （即 Stop2 信号），如图 （b）所示。