脉冲式激光测距系统设计

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。

在很多领域，如电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，军事，农业，林业，房地产，休闲、户外运动等都可以用到激光测距仪。

当前激光测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统能耗小、体积小型化方向发展。

激光测距仪一般采用两种方法来测量距离：脉冲法和相位法。

而其中脉冲激光测距的应用领域也是越来越宽广，比如，地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪以及人造卫星、地球到月亮距离的测量等。

脉冲激光测距法是利用激光脉冲持续时间非常短，能量相对集中，瞬时功率很大（可达几兆瓦）的特点，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程；如果只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得的微弱反射信号，也是可以测距的。

因而脉冲激光测距法应用较多。

1.2 激光测距机的发展状况六十年代诞生后，首先被应用于测距定位。

经过长时间的不断发展，激光已产生了大量的测距产品。

激光测距按技术途径一般分为脉冲激光测距和相位激光测距。

脉冲测距主要应用于远距离目标定位，测距范围0-50km(常规军用测距机)，而相位测距主要应用于高精度近距离测距，其测距范围在0-lkm。

脉冲型测距方式目前往往采用接收直接探测方式，直接探测方式与闪值检测仅适宜于强光信号探测，而对远程目标回波和强噪声背景下的弱目标回波很难探测。

目前随着雷达技术和信号处理技术的进步，对回波进行信号积累、滤波、相关检测、特征匹配、目标跟踪等数字信号处理，可以在一定的虚警概率和检测概率情况下，显著降低可检测信噪比，提高激光测距能力。

由于远程精确打击和导弹防御在现代化战争中所占据的主体地位，国外，特别是以美国为代表的发达国家加速了对激光远程测距仪的研制，开始投入使用。

美国海军九十年代为TMU研制的机载光电跟踪传感器系统—“门警”Gatekeeper)系统，计划装于大型预警机和侦察机上，其重要环节LR/T激光雷达的核心即为远程激光测距技术。

激光测距系统采用OPO Nd: YAG激光器，激光波长1. 57nm，激光脉冲能量500mJ脉冲宽度(半宽)20ns，光束角30 a rad,接收口径200mm，并且采用工nGaAs 雪崩光电二极管探测器。

装在预警机上，对战区弹道导弹测量，预计能达到最大作用距离:在目标高度32km时，可测距300km;高度53km时，可测距450km，测距精度为lm，该测距机采用的是三个脉冲为一串的多脉冲型激光测距方式。

由于远程测距体制对于激光测距有着至关重要的地位。

目前我国也在研制相应的测距体制己增加常规测距机的作用距离。

多脉冲测距体制是众多方案中较为现实可行的方法。

1.3 本文研究的目的、内容本文详细研究了激光测距的原理，采用脉冲串(多脉冲)测距体制，它与普通单脉冲测距体制不同之处在于:由含有多个脉冲的脉冲串激光信号来获得被测目标距离；采用高功率脉冲串激光产生器和多脉冲激光信号相关处理器;脉冲串激光产生器的激光脉冲功率可做到与普通的脉冲激光测距机相同;信号处理方式是对脉冲串激光信号的时间和波形特征进行数字相关处理，与普通的激光测距相比，可将最小可探测功率降低数倍，从而使激光测距能力得到大幅度提高。

在对系统参数进行设计后，确定了系统设计的相关参数，然后对激光发射电路、接收电路、基于TDC-GP2的计时电路分别进行设计分析，并用仿真软件完成设计。

设计说明书的研究内容和各章节安排如下：第1章为本文绪论部分，主要讨论激光测距的种类和应用、激光测距系统的国内外研究现状以及本论文所涉及的主要研究内容。

第2章主要对目前常见的激光测距方法进行阐述并，并对系统设计方案进行了设计。

第3章是本文的重点，主要介绍脉冲激光的驱动原理与驱动方法；设计激光接收系统，PD与 APD 光电二极管的驱动方法、信号放大原理以及脉冲信号的时刻鉴别系统。

第4章是本文的另一核心部分。

主要讨论高精度时间间隔测量原理以及进行了基于TDC-GP2 的高精度时差测量系统的设计。

第5章是本文的结论部分，该部分对论文中的主要工作进行总结。

2 脉冲激光测距及测距方程2.1 脉冲激光测距基本原理脉冲激光测距系统的原理与微波脉冲雷达测距原理相似，在测距点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲，光脉冲发射到目标后一小部分激光反射到测距点被光功能接收器接收。

设目标距离为R ，激光脉冲往返经过的时间为t ，光在空气中传播的速度为c ，则测距公式如下：R=ct/2。

实际脉冲激光测距机是利用时钟晶体振荡器和脉冲技术起来测定时间间隔t 的。

时钟即晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲振荡（T=1/f ），脉冲计数器的作用是对晶振产生的电脉冲个数进行计数[2]。

如在测距机和目标之间光往返的时间t 内脉冲个数为N ，能带测距离N fc NT c R 22==。

相对测距精度为t c R 2=∆。

如图2.1所示:图2.1 计时波形图2.2 脉冲激光测距性能方程2.2.1 脉冲激光测距的测距方程一束激光以一定的辐射功率和发散角在大气中传播，在激光束传播的过程中，由于大气的存在，激光束的一部分光能被吸收，一部分光能被散射，最终到达目标的辐射能通量已减少了许多。

我们将目标看成二次光源，根据目标的漫反射性质，我们即可求出沿着探测器方向的激光辐射亮度，对目标的整个受照面积进行积分，同时考虑大气对回波信号的衰减作用，就可以得到进入探测器的回波光功率[6]。

图2.2 脉冲激光测距原理示意图脉冲激光测距原理图如图2.2所示,为了使激光发射系统发射的激光功率尽可能多的被激光接收系统所接收，同时又保证尽可能少的背景辐射进入接收系统，必须使激光接收系统的接收视场角Ωr ，同激光发散角Ωt 之间有良好的匹配关系。

在理论上，最简单的方法是使接收视场角等于光束发散角，即Ωr=Ωt ，在这种情况下发射光束直径总是等于接收视场直径。

假定激光测距仪的发射系统和接收系统是非同轴的，并假定激光光强是均匀分布的(实际是按高斯分布的)。

设激光发射系统发射的激光峰值功率为T t P t ，发射的激光束的立体角为假定激光测距仪的发射系统和接收系统是非同轴的，并假定激光光强是均匀分布的(实际是按高斯分布的)。