脉冲激光测距中高精度时间间隔的测量_宋建辉

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。

脉冲测距原理脉冲测距技术是一种常用的测距方法，它利用电磁波在空间中传播的特性，通过发送和接收脉冲信号来实现测距。

脉冲测距原理主要包括脉冲信号的发射、传播时间的测量和距离计算三个基本步骤。

首先，脉冲测距系统会发送一个短脉冲信号，这个信号会以光速在空间中传播。

当这个信号遇到目标物体时，部分信号会被目标物体反射回来，然后由接收器接收到。

接收到的信号会经过放大和处理，最终转化为电信号。

其次，测量传播时间是脉冲测距的关键步骤。

通过记录脉冲信号发射和接收的时间差，可以计算出信号在空间中传播的时间。

这个时间差乘以光速就可以得到信号的传播距离。

最后，根据传播距离可以计算出目标物体与脉冲测距系统的距离。

在实际应用中，通常会进行多次脉冲测距并取平均值，以提高测距的准确性和稳定性。

脉冲测距原理的关键在于精确测量信号的传播时间，因此需要高精度的时钟和快速的信号处理电路。

同时，对于不同的应用场景，脉冲测距系统的工作频率、脉冲宽度和脉冲重复频率等参数也需要进行调整和优化。

脉冲测距技术在激光测距、雷达测距、超声波测距等领域有着广泛的应用。

例如，激光测距仪利用脉冲激光进行测距，可以实现对目标物体的高精度测量；雷达系统利用脉冲雷达信号进行目标探测和距离测量；超声波测距系统则利用脉冲超声波进行测距，常用于车辆倒车雷达和无人机避障等场景。

总之，脉冲测距原理是一种基础而重要的测距方法，它通过脉冲信号的发射、传播时间的测量和距离计算来实现对目标物体的准确测距。

随着技术的不断进步，脉冲测距技术将在更多领域得到应用，并为各行各业带来更多便利和可能性。

激光脉冲间隔
激光脉冲间隔是指连续激光脉冲的时间间隔。

它取决于激光器的工作频率和脉冲宽度。

激光脉冲间隔的确定是根据具体应用需求和激光器性能来确定的。

对于某些应用，较短的脉冲间隔可能有利于提高激光器的工作效率和输出功率，同时可能增加激光器组件的热量产生和稳定性要求。

对于激光器的脉冲宽度和频率有一定的关系。

脉冲宽度是指激光脉冲的时间持续长度，而频率指的是单位时间内的脉冲数。

如果要增加激光脉冲的频率，通常需要减小脉冲宽度，以保持相同的平均功率。

激光脉冲间隔对于不同的应用有不同的要求。

举例来说，在一些激光雷达和通信系统应用中，较小的脉冲间隔可能有助于提高系统的分辨率和传输速率。

而在一些材料加工和医疗应用中，脉冲间隔需要用于控制加工速度或者允许足够的时间间隔以适应生物组织的恢复。

第42卷　第9期2021年9月激光杂志LASER JOURNALVol.42,No.9September,2021收稿日期:2021-01-24作者简介:李龙骧(1990-),男,工程师,硕士,研究方向:光电对抗㊂Email:edwardwanzi2009@基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计李龙骧,郭俊超,马世伟,韩耀锋,张　佳,吕　祥,穆让修西安应用光学研究所,西安　710065摘　要:为了满足高精度多目标激光测距的需求,设计了一种高精度激光脉冲测距电路㊂电路采用高分辨率的时间-数字转换芯片TDC-GP22测量脉冲时间间隔,同时采用STM32F051K8U6作为主控芯片,实现了对最多三个脉冲时间间距的高精度测量㊂根据TDC-GP22的特点,设计了激光测距的硬件电路以及其软件控制流程,在试验中发现问题,通过对这些问题进行的分析,对电路做出改进,使电路达到应用要求㊂实验结果表明,该电路测距稳定性高,测量精度可以到达1ns 以内,对应的距离小于0.15m ㊂关键词:脉冲激光测距;TDC-GP22;时间间距测量;高精度中图分类号:TN249 文献标识码:A doi :10.14016/ki.jgzz.2021.09.027Design of circuit for multi -target pulsed laser range finding based on TDC -GP 22LI Longxiang,GUO Junchao,MA Shiwei,HAN Yaofeng,ZHANG Jia,LV Xiang,MU RangxiuXi ’an Institute of Applied Optics ,Xi ’an 710065,ChinaAbstract :In order to meet the requirements of multi-target laser range finding with high precision,a high-preci⁃sion circuit is designed for pulsed laser range finding.The Time-to-Digital chip,TDC-GP22,is used for time interval measurement between pulses.Meanwhile,STM32F051K8U6is used as the main control chip and finally the high-pre⁃cision time interval measurement between pulses,which has three results at most,is achieved.According to the fea⁃tures of TDC-GP22,hardware and software of the circuit used for laser range finding are designed.Then problems ofthe circuit are found in experiments.Through the analysis of these problems,the circuit is improved to meet the re⁃quirements of application.Experimental results show that the circuit has high stability on range finding and the accura⁃cy of the measurement can reach below 1ns,which is corresponding to 0.15m.Key words :pulsed laser range finding;TDC-GP22;time interval measurement;high precision1　引言脉冲激光测距是通过时间测量模块来测量激光脉冲在发射点与被测目标点之间往返的时间间隔,以此来计算出发射点与目标点之间的距离[1]㊂相对于其他两种激光测距的方法 光子计数法和三角测距法,脉冲激光测距具有测距精度高㊁探测距离远㊁峰值功率高㊁对光源相干性要求低等特点,而广泛应用于工业㊁民用㊁航天㊁医疗等领域[2]㊂很多脉冲激光测距机都是对单个目标进行测量,计算激光发射时光电二极管采到的信号与探测器接收到最早到来的激光回波信号之间的时间间隔㊂本文中提到的多目标脉冲测距与单目标测距的原理基本相同,不同点在于,测距时,发射出的激光在其传播路径上,由于疏散角的影响,遇到距离不同的障碍物,而发生多次反射,被探测器接收到,探测电路把这些信号经过处理向控制端发送,即接收到的信号可以是多个脉冲,计算这些脉冲信号与发射时采集到的起始信号之间的时间间隔,经过公式换算就可以得到相应的多个目标的距离值㊂这种测距模式可以应用在对某目标的连续测距中,若目标前突然有其他小的物体出现,则可以通过这种模式进行对正确距离值的筛选,从而提高测距的准确性㊂由于脉冲激光测距是测量发射与接收脉冲信号之间的时间间隔,因此时间测量的精度决定了测距精度[3]㊂常用的测量方法有模拟法㊁数字法和数字插入法,其中延迟线数字插入法以其精度高㊁测量范围大的优点被广泛应用,这种方法可以用FPGA的内部延时单元实现,但是该单元容易受温度和工作电压的影响[4],一旦温度或者工作电压出现波动,测量的结果就会出现较大变化㊂设计时采用TDC-GP22芯片作为时间间隔测量芯片,该芯片内部采用延迟线插入技术[5],通过独特的校准及精确化技术,与利用FPGA内部延迟单元的方法相比,很好地降低了测量误差㊂2　TDC-GP22芯片简介TDC-GP22芯片是德国ACAM公司推出的一款专用的高分辨率时间-数字转换(Time-to-Digital Converter)芯片,其内部主要由脉冲发生器㊁数据处理单元ALU㊁时间数字转换单元TDC㊁温度测量单元㊁时钟控制单元㊁配置与结果寄存器以及SPI串口组成[6],TDC测量时间间隔时采用逻辑门延时单元来获取两个或者多个脉冲之间的精确时间间隔[7-9]㊂该芯片以其集成度高㊁尺寸小㊁功耗低以及精度高等特点,被广泛应用于水流速测量和距离测量等领域[10-15]㊂TDC-GP22有三个脉冲输入端 START,STOP1, STOP2,同时拥有两个测量模式,默认分辨率为90ps,脉宽须大于2.5ns㊂测量模式1的测量范围可以达到0~2.4μs(START与STOP上脉冲之间的时间间隔范围为3.5ns~2.4μs,两个STOP通道间的脉冲时间间隔范围为0~2.4μs,STOP上相邻两个脉冲的最小时间间隔为20ns),而实际测量范围最大到2×Tref,其中Tref为芯片参考时钟周期,同时需要确保2×Tref<2.4μs㊂在该模式下,芯片可以测量START 与STOP之间的脉冲时间间隔,也可以测量两个STOP 之间的脉冲时间间隔,还可以测量STOP1或STOP2上两个脉冲的时间间隔㊂如图1所示,为测量模式1的测量时序图,RefClk是芯片参考时钟,Cal1和Cal2是校准单元的校准值,HIT1和HIT2是芯片内部数字延时单元测量的数值,校准后写入结果寄存器的值为R,这些值的关系如式(1),实际的时间间隔等于R乘以参考时钟的周期㊂在一次测量过程中(即START 引脚收到信号时,芯片认为测量开始,STOP引脚收到脉冲的数目与设定的数目相同时或测量值超出最大测量范围时,芯片认为一次测量完成),START引脚只能接收一个脉冲,两个STOP引脚最多可以接收4个脉冲,多出的脉冲被忽略,此模式下分辨率可以设置为45ps,此时只能测量START与STOP1上脉冲之间的时间间隔㊂相比于测量模式1,测量模式2的测量范围扩大了很多,在参考时钟频率(最高为8MHz)为4MHz时,其测量范围为500ns~4096μs,但是只能测量START与STOP1上脉冲之间的时间间隔,在一次测量过程中,START引脚同样只能接收一个脉冲, STOP1引脚最多可以接收3个脉冲,多出的脉冲被忽略,在此模式下,分辨率可以设置为45ps和22ps㊂其测量时序图如图2所示,与模式1的类似,RefClk 是芯片参考时钟,Cal1和Cal2是校准单元的校准值, FC1和FC2是芯片内部数字延时单元测量的数值,Cc 是粗计数值,校准后写入结果寄存器的值为R,这些值的关系如式(2),实际的时间间隔等于R乘以参考时钟的周期㊂图1　测量模式1的测量时序图图2　测量模式2的测量时序图R=HIT1-HIT2Cal2-Cal1(1)R=Cc+FC1-FC2Cal2-Cal1(2)当TDC-GP22对外部信号测量完成后,可以对结果进行校准,最后把测量结果写入对应的32位结果寄存器中(测量到的周期个数,高16位为整数位,低16位为小数位)㊂3　测距电路设计方案由于电路应用于远距离测距,要求能够测得的两82李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计个相邻目标的距离的最小值为50m,所以TDC-GP22选择测量模式2,同时选择8MHz的晶振作为TDC-GP22的参考时钟,测量范围变为250ns~2048μs, STOP1上相邻两个脉冲的时间间隔最小为2×Tref,Tref为参考时钟周期,即最小时间间隔为250ns㊂根据公式(3),其中S为距离值,c为光速,t为时间间隔,t可由公式(4)得出,其中n为从TDC-GP22读出的32位二进制结果,T为参考时钟周期,即125ns,最终可以算出测距范围为37.5m~307.2km,相邻两物体间的最小间距为37.5m,可以满足测距需求㊂S=12ct(3)t=n×T65536(4) 3.1　硬件设计方案硬件电路设计如图3所示,采用拥有尺寸小㊁片上资源丰富㊁易于开发等特点的STM32F051K8U6作为主控芯片,通过其4线SPI通信接口与TDC-GP22通信,从而完成配置TDC-GP22以及读取其测量结果和状态等信息的功能,其中SSN为SPI使能端,低电平有效,SCK为SPI的时钟输入端,最高可以到20 MHz,SO与SI端是数据输出和输入端,分别与主控芯片SPI(主机模式)的MISO和MOSI端相连接㊂TDC-GP22的START端与光电二极管采样电路的输出端连接,用于接收激光起始信号,STOP1端与探测电路输出端连接,用于接收探测到的激光回波信号㊂EN_ START,EN_STOP1与EN_STOP2端口是TDC-GP22的START,STOP1和STOP2端口的接收使能端,高电平有效,因为电路工作在测量模式2,所以EN_START 与EN_STOP1串联电阻接3.3V,EN_STOP2悬空或者接地即可㊂TDC-GP22的INTN端与主控芯片的IO 口连接,通过该端口的状态判断TDC-GP22是否完成测量计算或者是溢出,低电平有效㊂TDC-GP22的RSTN端为硬件复位端,也是低电平有效,该端口也与STM32芯片的IO口相连,方便对TDC-GP22进行硬件复位㊂CLK32OUT与CLK32IN端是32KHz晶振接口,该晶振用于校准高频陶瓷晶振,陶瓷晶振由于其温漂大,所以需要校准,而本设计高频时钟接口采用温漂小的石英晶振,故不需要接该晶振校准, CLK32IN端接地㊂信息传递方面,主控芯片采用422通迅串口与上位机通信,上传距离信息㊂图3　测距电路硬件原理图3.2　测距电路软件设计软件控制流程如图4所示,上电复位TDC-GP22,然后开始配置TDC-GP22,通过SPI串口(主机模式)发送写命令以及配置内容来设定其内部配置寄存器的内容㊂主要配置TDC-GP22工作在测量模式2,参考时钟为8MHz,配置STOP1接收脉冲个数为3,开启自动校准,开启自动计算功能(只有测量模式2有,即计算完成后自动将结果写入相应的结果寄存器中),使能计算完成中断,开启溢出时强制写入0xFFFFFFFF功能(此时也算计算完成),设置分辨率为4倍默认分辨率,即22ps㊂配置完成后,初始化TDC-GP22,开始时间间隔的测量㊂然后等待INTN 端口被拉低,即等待TDC-GP22计算完成㊂当INTN 端口变低,发送读取命令,读取所有的计算结果,乘以参考时钟周期就是脉冲时间间隔,带入公式1可以得到距离值㊂读取完结果,发送初始化TDC-GP22的命令,将INTN端口置高,内部状态寄存器相应的位清零,使其准备下一次测量㊂3.3　存在的问题设计完毕,将电路的STRAT端和STOP1端与信号发生器的两个输出端相连,用信号发生器的两个输出信号模拟光电二极管采样信号和接收到的探测信号㊂在TDC-GP22的测量范围内,并且信号也能满足前文提到的限制条件时(测试时计算时间向上发送),可以得到三个误差很小的结果㊂当STOP1端接收到的脉冲中,有一个或者两个脉冲由于超出测量范围,或者两个脉冲时间间隔太短,而被TDC-GP22芯片忽略,亦或是只有一个或者两个信号时,得到的三个数92李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计据都是0xFFFFFFFF对应的时间值,由此可知,测量模式2下TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数小于寄存器中配置的数时,TDC-GP22会溢出,此时开启的溢出强制写入0xFFFFFFFF功能,会将所有数据写成0xFFFFFFFF㊂实际应用中,遇到脉冲丢失的情况,希望得到未丢失信号的时间间隔,这种状态不希望出现㊂图4　TDC-GP22软件控制流程图当关闭溢出强制写入0xFFFFFFFF功能,使能溢出中断时,继续模拟上文提到的脉冲丢失的情况㊂当发生溢出时,读取状态寄存器会发现,指向结果寄存器的指针保持为0,若有数据写入结果寄存器,该指针应该大于0,由此可以发现在测量模式2下,TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数小于寄存器中配置的数时,TDC-GP22溢出,其ALU数据处理单元不工作㊂3.4　改进方案为了得到正确的测量数据,必须要使TDC-GP22不发生溢出,即要保证TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数大于等于寄存器中配置的数目,同时还要避免影响已接收到的脉冲信号㊂考虑到该应用中的激光测距范围不会超过75km,对应的时间间隔为500μs,而本设计里,TDC-GP22的测量范围可以到2048μs,所以考虑在接收到SATRT信号后500μs到2048μs之间,在STOP1端产生至少3个脉冲(相邻脉冲的间隔要大于250ns),作为探测信号的补偿信号,以保证TDC-GP22不发生溢出㊂硬件电路的改进如图5所示,光电二极管采样电路的输出端信号START分为两路,除了与TDC-GP22的START端相连外,另一路与STM32的一路IO相连,当STM32接收到START信号,则输出一组符合条件的多脉冲信号,该多脉冲信号输出端Pulse与逻辑或门芯片74LVC1G32的输入端A相连,同时逻辑或门的另外一个输入端B与探测电路的输出端STOP 连接,输出端Y与TDC-GP22的STOP1端连接,由于探测电路的输出信号与START信号之间的间隔小于500μs,而START信号与Pulse端的输出信号之间的间隔大于500μs,故在START信号到的500μs内, STM32的多脉冲信号输出端Pulse保持低电平,Y输出的就是探测电路的输出端的输出信号,在START 信号到来的500μs后,探测电路的输出端保持低电平,Y输出的就是Pulse端的输出信号,这样便可以保证TDC-GP22的STOP1端可以接收到足够的脉冲数,同时也不影响真正探测到的信号,从而得到正确的测量值㊂图5　测距电路硬件改进原理图软件上需配置STM32,设计时设置STM32的TIM1工作在OnePulse模式,同时配置TIM1的重复计数寄存器的内容为2,这样配置可以另STM32在使能TIM1之后,运行三个设定好的时钟周期自动失能停止㊂配置TIM1为触发模式,TIM1的Channel2为PWM输出,模式为PWM2模式,Channel1配置成输入触发源TI1FP1,即Channel1接收START信号作为触发使能TIM1㊂最后,设置TIM1的计数周期为510μs (510μs×3=1530μs,小于2048μs),由于在PWM2模式下,当计数器中的数值小于比较寄存器中的数值时,PWM输出端输出低电平,否则输出为高电平,所03李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计以设置比较寄存器的数值为509μs对应的值㊂此时,如图6所示,当TIM1的Channel1接收到START 信号被使能后,STM32的PWM输出端Pulse在延时509μs后,输出脉宽为1μs的3个脉冲,相邻的两个脉冲的间隔为509μs㊂这样便可自动完成对TDC-GP22的STOP1端的输入脉冲补充㊂图6　START与Pulse信号时序图保持对TDC-GP22的配置不变,完成上述的改进,接入信号发生器再次模拟前文提到的脉冲丢失的情况㊂当出现脉冲丢失的情况时,TDC-GP22没有发生溢出,读出的数值与理论值接近㊂最后,在软件上加入判断,判断测量值是否大于500μs,如果有数值大于500μs,则说明有脉冲丢失,向上位机发送0,代表有目标超过量程,或是两个目标太近,亦或是未接收到回波㊂4　实验结果将电路的脉冲输入端START和STOP接入信号发生器的两个信号输出端,与START连接的信号每次触发输出一个脉宽500ns的脉冲,与STOP连接的信号每次触发输出三个脉冲,相邻两脉冲间的间隔均为1μs,脉宽500ns,相对于START的触发延时可调㊂测得不同延时下的数据(计算的时间值),如表1所示㊂表1　不同延时条件下测量的时间间隔延时/μs10次平均测量值/ns间隔1间隔2间隔35 10 20 30 40 50 60 70 80 905004.3710004.6420005.2430005.7740006.3150006.8760007.4670008.0480008.6190009.176004.4411004.6821005.3031005.8441006.3751006.9361007.5571008.1081008.6791009.217004.4812004.7622005.3932005.8942006.4352006.9962007.5672008.1782008.7292009.29测量的误差主要来源于电路的传输延时以及TDC-GP22的测量误差㊂从表1的数据可知,TDC-GP22的测量误差随着测量间隔的增大而变大,可以绘制出实际值与误差值的关系图,其变化近似线性,对其进行直线拟合,如图7所示,横轴为实际值r,纵轴为误差值e,单位都为ns,最终可以得到e=0.000056×r+4.085㊂由于测量值t等于误差值加实际值,即t=e+r,因此可以得到测量值与实际值的关系为t=1.000056×r+4.085,从而可以对测量值校准,得到比较准确的结果㊂图7　实际值与误差值关系图电路的测量精度可通过对固定时间间隔的两个脉冲重复测量来得到,如图8,实验重复测量时间间隔为5μs的两个脉冲,绘出测量的波动图㊂由于误差在某点是相对稳定的,从图8可以发现测量值的波动在1ns以内,对应的距离值小于0.15m,故说明该电路稳定性好,精度高㊂为验证实际应用中,收到的激光回波信号数目不等于3的情况下,测距电路测得的数据是否正常,用信号发生器仿真该情况㊂STOP连接的信号每次触发输出数目可变的脉冲,STOP相对于START的触发延时设定为10μs,可以得到如表2的数据,其中,间隔1-4分别代表STOP上第一个到第四个回波脉冲与START上起始脉冲的时间间隔㊂从表2的数据可知,当出现脉冲丢失的情况,即接收到的回波脉冲数小于3时,测距电路得到的数据正常,当回波数目大于等于3时,也可以得到相应的结果,但是不会超过3个,多余的回波被忽略㊂图8　时间间隔为5000ns的测量结果分布图13李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计表2　不同回波脉冲数条件下测量的结果回波脉冲个数信号发生器设定的间隔/μs测量结果/ns间隔1间隔2间隔3间隔41230----000 110---10004.7200 21020--10004.6720005.270 3102030-10004.6520005.3030005.70 41020304010004.7020005.3330005.725　结论为了满足远距离㊁高精度㊁多目标测距的应用需求,设计了一种高精度测距电路,该电路基于分辨率小于100ps的专用时间间隔测量芯片TDC-GP22,可以实现最多三个高精度的脉冲时间间隔测量㊂相对于传统的测距电路,该设计缩小了电路的尺寸,并且软件设计也得到了简化,降低了设计的复杂程度,同时还具有测量范围大㊁精度高㊁分辨率高等优点㊂参考文献[1]　陈超,叶桦,陈晓涛.TDC-GP21在激光测距中的应用[J].工业控制计算机,2017,30(6):127-128. 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脉冲式激光测距系统设计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，APDPulse laser rangefinder system designAbstract：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 such as 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 in high-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,Timing Discrimination,TDC-GP2,Propagation delay,APD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)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 (29)4.2.1 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)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。

第34卷第10期2007年10月中国激光CHIN ESE JOU RNA L OF LA SERSV ol. 34, No. 10O cto ber , 200705 文章编号:0258 7025(2007 10 1422星载激光测距仪的高精度时间间隔测量单元雷琳君11, 2, 杨燕, 陈卫标11(中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海201800; 2中国科学院研究生院, 北京100039摘要高精度时间间隔测量单元(T IU 是星载激光测距仪的关键部件。

基于现场可编程门阵列(F PGA 研制出了满足星载要求的高精度、高集成度时间间隔测量单元。

该单元采用数字计数法结合数字延迟线插入法的技术, 在0. 5~10km 的测量距离范围内, 时间分辨率为500ps 。

通过地面检测, 在全程范围内保持了良好的线性度, 标准偏差小于270ps 。

该单元同时具备测量脉冲回波宽度的能力, 可以获取目标的脉冲展宽信息。

由于单元选用的元器件都具有航天产品性能, 因此其设计和技术指标可满足星载激光测距仪的应用。

关键词测量; 时间间隔测量单元; 星载激光测距仪; 数字延迟线插入; 现场可编程门阵列中图分类号 P 225. 2; T M 935. 15 文献标识码 AHigh Accuracy Time Interval Unit for Spaceborne Laser Range FinderLEI Lin jun121, 2, YANG Yan , CH EN Wei biao11Shanghai I nstitute of Op tics and Fine M echanics , T he Chinese A cad emy of S ciences , S hang hai 201800, ChinaGr aduate Univer sity of Chinese A cademy of Sciences , Beij ing 100039, ChinaAbstract H ig h accuracy time interv al unit (T IU is an impo rtant component in a spacebo rne laser range finder. Ahighly integ rated T IU w ith hig h accuracy is developed based on field pr og rammable g at e a rra y (FP GA for spacebo rne application by co mbining digital co unting and dig ital delay line interpolation techniques. T he t ime resolution is abo ut 500ps w hen the measurement range is fr om 0. 5km to 10km. Detect ion on the g ro und verifies that a linea r relationship is kept all t he rang e, and the standa rd er ro r is less than 270ps. T he unit also can measur e the w idth of the r et ur ned laser pulses and obtain the pulse br oadening character istics due to different ta rgets. Because every co mpo nent in the unit has candidate pr oduct of aerospace, and t he desig n and technicalpar amet er s can be used in hig h accuracy r ang e measur ement fo r laser range finder. Key words measurement; time interv al unit; spacebor ne laser rang e finder ; digital delay line inter po latio n; field pr og rammable g ate arr ay1 引言星载激光测距仪一般通过测量卫星到照射表面的激光脉冲的飞行时间来得到距离信息。

脉冲激光测距的基本原理
脉冲激光测距是利用激光脉冲信号测量目标距离的一种主要方法。

其基本原理是通过测量激光从发射到反射返回的时间差来计算目标的距离。

通俗地讲，就是利用激光从仪器中发射出去，经过一定时间后被目标体反射回来，再经过激光器从目标体中回收，最后通过计算器处理，即可测量距离。

具体实现过程中，脉冲激光发射器首先对目标进行照射，并记录信号的发射时间，接着光脉冲从目标表面反射回来到接收器，接收器开始计时，同时记录下接收到信号的时间。

由于光速是固定不变的，可以根据信号从发射器到接收器所需的时间来计算出目标的距离。

在实际应用中，由于目标本身具有特定的物质结构，会对激光光脉冲的反射产生不同的影响，通过对这些影响的分析，可以推算出目标具体的物理特性和空间形态，从而实现对目标的精准测量和定位。

除了上述基本原理外，脉冲激光测距还需要以下因素来保证测量的准确性：首先是激光器的发射功率和波长，发射功率越高，测距范围也相应地增加；其次是探测器的灵敏度和响应速度，对于响应速度比较慢的探测器，测量误差也会增大；还有环境因素的干扰，如大气密度、湿度等，这些因素都会对激光的传播产生影响。

总之，脉冲激光测距的基本原理是通过测量发射激光信号到目标反射返回所需的
时间差计算目标距离，在实际应用中，需要考虑到各种干扰因素，并采取相应的措施来保证测量的准确性和稳定性。