基于脉冲激光的测距系统设计.docx

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基于脉冲激光的测距系统设计

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本科毕业设计（论文）

基于脉冲激光的测距系统设计

燕山大学毕业设计（论文）任务书

摘要

激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等优点，所以，利用激光传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，激光测距是目前应用最普遍的一种，本课题介绍了激光传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT87C51单片机的性能和特点，并在分析了激光测距的原理基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT87C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示激光测距的硬件电路和软件设计方法，该系统设计合理，工作稳定，能量良好，检测速度快，计算简单，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业应用的要求。

并且应用TDC-GP21时间测量原理，设计了基于TDC-GP21的时间间隔测量单元。

关键词　激光；测距；单片机；TDC-GP2

Abstract

Laser possesses thedistancemeasurement,laserrangingisoneofthemostpopularapplications.Theprincipleandcharacteristicsoflasersensorareintroducedinthispaper,andtheperformanceandcharacteristicsofAT87C51singlechipmicrocomputer.Andonthebasisofanalyzingtheprincipleoflaserranging,theideaandtheproblemofthedesignofrangingsystemarepointedout.Themethodoflowcost,andmicrodigitaldisplayofthecoreofAT87C51microcontrolleraregiven,thesystemisreasonable,stable,andenergyisgood,thedetectionspeedisfast,andthecalculationissimple.Andthesystemiseasytodoreal-timecontrol,andthemeasurementaccuracycanmeettherequirementsofindustrialapplications.AndthetimeintervalmeasurementunitbasedonTDC-GP21isdesignedbyusingTDC-GP21timemeasurementprinciple.

Keywords:

　 laser; ranging; microcontroller;TDC-GP2

附录1程序代码

附录2开题报告

附录3中期报告

第1章绪论

1.1课题背景

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。

它的亮度为太阳光的100亿倍。

它的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。

激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。

当前激光技术的应用远远超出了军事领域，它己渗入到人类活动的各个方面。

在科学研究、军事技术、能源开发、工农业生产、信息产业及医疗卫生等方面，激光也正作为新的技术发挥着巨大的作用，融入到我们的日常生活中。

诸如文化、娱乐、商业贸易等等。

总之，当今激光及其相关技术已经成为一个与人类社会息息相关、不可缺少的庞大产业。

相信在新的世纪，激光技术将会给人类的生活带来全新的改变。

早在史前文明时期，便出现了关于距离测量的技术，不过，这些测量技术被称为接触测量，一直持续了几千年。

由于接触测量具有很大的局限性，非接触测量[1]技术便应运而生。

激光便被应用于距离测量中来，八十年代，远程、中程、近程的激光测距主要采用YAG激光器，但随着半导体激光二极管LD技术的出现和日臻完善，开始应用于中、短程测距和成像雷达之中，它具有体积小、重量轻、结构简单、使用方便、对人眼安全等一系列优点。

九十年代国内外开始大力发展LD激光测距雷达和成像雷达，在中、短程激光雷达应用方面逐渐取代YAG激光雷达的趋势。

近年来发展了一种便携式、对人眼安全、无合作目标、低价的适用于家庭的LED激光测距仪[2]。

在民用方面，例如：

在钢铁厂和轧钢厂用于过程监控、行车定位系统、装卸处理设备的定位系统、大型工件装配定位等等。

激光测距代替了人工测尺，解决了有人为因素带来的精度误差问题，而且测量速度更快，大大提高

了工作效率。

在军事方面，世界各国的军事竞赛促进了各项科技的飞速发展，激光从军方的青睐，目前，世界各国对激光测距的研究越来越多，各种不同型号的激光测距仪得到了广泛的应用。

例如：

机载脉冲激光测距仪，舰载脉冲激光测距仪以及导弹靶场脉冲激光测距仪等等。

脉冲激光测距是由单脉冲激光器向目标发射激光脉冲，然后通过测算被目标反射回来的光脉冲的往返时间，从而计算出目标的距离，这被称为飞行时间法。

如今，随着激光技术的深入发展，激光测距开始逐步代替传统的测距方法，将会对测距行业产生深远的影响。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外方面

1960年，世界第一台红宝石激光器出现[3]，随即，美国的休斯飞机制造公司研制出了世界上第一台激光测距仪，被称为柯利达I型[4]。

之后，激光测距技术迅速发展。

美国Bushnell公司于1996年推出测距距离为400m的400型LD激光测距仪YD-400，同年，又研制出了测量距离为800m的800型激光测距仪。

美国Leica公司也在同一年，研制出了实用的小型激光测距机，测距距离为0.2-30m[5]。

20世纪70年代，美国，俄罗斯等国家的知名公司开始合作研发，推出的产品涉及工业、海洋和航天等各个行业。

至今，激光测距仪已经发展至第三代。

第一代激光测距仪是采用0.69μm的红宝石激光器及光电倍增管探测器，这也是最早的激光测距仪。

20世纪70年代初，少量的激光测距仪开始装备到了军队里，例如美国的ANGVS-3、日本的70型，但是，由于第一代的激光测距机效率较低、隐蔽性较差、体积大、重量大、耗电多等一系列的原因，很快被第二代激光测距机所取代。

第二代激光测距仪采用了1.06μm的Nd:

YAG激光器和硅光电二极管或雪崩二极管作为探测器。

与第一代相比，在隐蔽性、体积、重量、耗电等方面都有着很大的改善，因此，第二代激光测距仪开始迅速发展。

美国于1977年研制出了ANGVS-5型的第一台手持式Nd:

YAG激光测距机，该测距机的外形采用了普通手持式双筒望远镜的外形特征，而且大小与普通望远镜相当，重量仅为2kg。

经过近些年的发展，激光测距技术的发展已经日趋成熟，激光测距仪已经发展至第三代[6]，称为人眼安全激光测距。

其采用波长为1.54μm的饵玻璃激光器和波长为10.6μm的CO2激光器。

例如美国的“斯米尔”人眼安全激光测距仪[7]。

这类激光器具有在烟雾中的传输性好，兼容性好，对方探测困难等优点，但也存在一些问题，比如激光易被湿气吸收、目标反射率低、需要制冷等。

目前，世界上在激光测距方面技术最发达的是瑞士的徕卡测量系统和德国的博世测距。

当然，这时基于民用方面的手持式激光测距机而言的。

就激光测距仪在军工方面的研究和应用来说，美国是处于领先地位的[8]。

1.2.2国内方面

国内的样机的研究是从20世纪70年代开始的，是在原来的固体和气体激光测距机的基础上发展起来的[9]。

目前已经具备了基础技术，主要是解决工程应用方面的问题。

国内研究激光测距仪的具体单位有：

北京光仪厂、常州第二电子仪器厂、中国科学院上海光学精密机械研究所等[10]。

1996年，中科院上海光学精密机械研究所研制出的半导体激光测距机的实验样机LD1，其测量精度达到了0.5m。

该样机的基本参数为：

激光发射脉冲的频率为1kHz、使用的激光器中国计量学院研制出了便携式激光测距仪，成果较为成功。

此测距仪的具体测量参数为：

激光发射频率为100Hz，波长905nm，峰值功率10W，激光内研究的激光测距机是小型化和低功耗等方面的产品，因此无法满足复杂环境下的军事上的特殊用途[12]，故而，国内的研究一般只是针对民用方面而言的。

总体而言，国内对激光测距技术的研究尚处于发展阶段，技术还不够成熟，需要做的工作还有很多。

由于起步较晚，所以更应该加快激光测距方面的研究步伐。

1.3研究意义

随着科学技术的快速发展，激光将在测距仪中的应用越来越广。

但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。

展望未来，激光波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，无庸置疑，未来的激光波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合,形成多测距仪。

随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。

在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。

1.4本论文研究的内容

如今，虽然激光测距有着广泛的应用，但国内的激光测距机与国外相比，依然有着很大的差距。

研制低成本，高精度，大量程，低功耗的激光测距机有很大的现实意义。

本课题通过对传统测距仪的电路的研究及改进，力图设计出一款精度较高的激光测距仪，具体内容如下：

（1）研究脉冲激光测距系统影响精度的因素，主要包括影响时刻鉴别和时间间隔测量两个方面的原因；

（2）研究脉冲激光测距系统的原理，并设计出脉冲激光发射电路和激光脉冲接收电路；

（3）设计脉冲激光测距系统的具体算法；

（4）以单片机为核心，建立软件平台，编写程序，并做好LED显示部分的工作。

第2章脉冲激光测距的基础

2.1脉冲激光测距的原理

激光测距基本原理是通过测量光脉冲的飞行时间来测量其与目标之间的距离的。

具体来说，激光测距仪向着目标发射一个光脉冲，经目标反射后，由测距仪的回波接收系统接收，并且测量光脉冲从发射到返回所经过的时间。

如此，测距仪与被测目标之间的距离就是光速和往返时间乘积的一半。

脉冲法测距的精度一般维持在±1m左右。

脉冲激光测距的原理正是依据与此，用激光器向被测目标发射单个或一串的宽脉冲宽度的激光脉冲，激光脉冲到达被测目标之后反射回来，只需测量脉冲从发射到被接收所用的时间间隔，便可算出测距仪与目标间的距离。

这一时间间隔成为飞行时间t，它可由计数器从激光脉冲起止所经过时钟脉冲的周期个数来确定，设在这段时间内，时钟脉冲周期为T，进入计数器脉冲个数为n，被测距离为s，

则有：

（2-1）

脉冲式激光测距仪具有测程远、测量速度快等特点。

但是，由于脉冲激光测距的宽度及电路响应速度等方面的问题，造成误差较大。

一般应用于远距离探测的航天、军事等项目中。

根据式（2.1）可得脉冲激光测距精度，如式（2-2）：

（2-2）

由式（2.2）可知，在光速一定的条件之下，激光测距精度主要取决于时间间隔的测量，其原理图2-1所示。

如果计时电路在起止脉冲之间所记录的时标脉冲个数为n，则有式（2-3）：

（2-3）

CLK

START

t

END

图2-1.脉冲法测量飞行时间原理

其中，f为计时脉冲的频率，将式（2-3）带入式（2-1）可得：

（2-4）

其中，代表每个时钟所对应的距离值，即当=100MHz时，由上式可以得到式（2-5）：

（2-5）

由此式可得，时间间隔测量单元的频率对脉冲法测量距离的精度有着莫大的影响，如式（2-6）：

（2-6）

如果要提高脉冲法测距精度，就需提高时间间隔测量单元的频率，也称为晶振频率。

如果时间间隔单元的频率提高，则相关的元器件的性能亦需要提高，就会增加系统设计的成本，因此也不可无限制地提高。

2.2脉冲激光测距的性能方程

一束激光在大气中传播时，会有一定的辐射功率和发散角，在其传播过程中，由于大气的作用，有一部分光能被吸收，另有一部分被散射，如此一来，最终能够到达目标的辐射能量会减少许多。

如果将目标看成二次光源，根据目标的漫反射的性质，可以求出在探测器方向上的激光辐射亮度，对目标的受照面积进行积分并考虑到回波信号在大气中的衰减作用，即可得到进入探测器中的回波光功率。

其原理如图2-1所示，为了使激光接收系统能够更多地接收激光发射系统的激光功率，并且能同时保证背景辐射尽可能少地进入激光接收系统，就必须使得激光接收系统的接收视场角Ωr和激光发射角Ωt之间能够有一个良好的匹配关系。

理论上来说，最为简单的方法是使接收视场角和激光发射角相等，亦即Ωr=Ωt，在此情况下，发射光束的直径与接收视场的直径总是相等的。

假设激光测距仪的发射和接收系统是非同轴的，并且激光光强是均匀分布的（事实上是按照高斯分布的[13]）。

假设由发射系统所发射的激光的峰值功率为TtPt，激光束的立体角为Ωt，则有，激光光源照射在被测目标上的辐射照度如式（2-7）：

（2-7）

其中，是激光的传输距离为R时的大气透过率，进一步，可得式（2-8）：

（2-8）

式中，是大气消光系数，假设被测目标是理想的漫反射体，那么以被测目标作为二次辐射源向各个方向辐射的亮度可由式（2-9）得：

（2-9）

式中，是目标辐射出的辐射度，它的值为，为目标的漫反射度。

由此可得出目标的辐射亮度为：

（2-10）

假设激光测距仪接收系统的接收面积为，激光所发射的光束与距其远处目标相交的截面积为，任一面元与激光测距仪光轴夹角为，根据亮度的定义，则可得出以被测目标作为二次光源沿着激光测距仪的光轴方向辐射到其接收立体角内的辐射功率如式（2-11）所示：

（2-11）

假设激光测距系统的接收视场，激光接收系统的透过率，依据大气透过率，则可得出探测器所接收的光功率为：

（2-12）

设被测目标的有效反射截面积为：

（2-13）

如此，激光测距系统对于较小的目标来说，其测距方程可改写为：

（2-14）

为了使式（2.14）能够适用于激光测距系统对大目标测距的情况，需要引入一个比例因子。

由于激光测距系统的信噪比是衡量其性能的重要指标，因此为减小进入脉冲激光测距系统探测器中的外部噪声，在对小目标进行测量时，常常使其接收视场略小于激光束发散角[14]，只有在接收视场内的目标后向反射光功率才可被光电探测器接收，被光电探测器接收的功率与目标后向反射功率的比为。

在此，令=，并将其与比例因子一起带入式（2.14）中，则脉冲激光测距方程可写为：

（2-15）

式中：

——激光测距系统的发射峰值功率

——激光测距系统的接收峰值功率

——发射光学系统的透过率

——接收光学系统的透过率

——接收光学系统的面积

——目标漫反射系数

——介质的单程透过率

——目标距离

，——分别定义如下：

式（2.16）中，是目标的有效面积。

它是由目标表面任一面元和激光束之间的夹角；以及被测目标被激光束所照射的有效面积来确定，即如式（2.13）所示。

式（2.17）中，为激光发射束的发散角，是激光测距系统的接收视场角。

（2-16）

（2-17）

1）目标必须是理想的漫反射体；

2）目标距离与激光测距仪的横向尺寸相比足够大；

3）接收视场；

4）忽略大气湍流对回波光功率的影响；

5）忽略目标及大气对激光回波光束时域特性的影响；

6）仅考虑目标后向反射的回波激光功率。

激光测距方程直观地描述出了到达激光测距仪接收器的光电探测器的回波功率和测距机的发射功率、激光束发散角、光学系统的透过率以及其接

收视场等性能参数；传输介质的衰减，目标有效反射界面与反射率等目标特性之间的关系。

此方程虽然只是一个简化方程，但依据实验结果，它依然可以估算出激光测距仪的最大探测距离以及影响激光测距系统的测距性能的相关因素，这是激光测距系统设计的理论基础。

2.3脉冲激光测距仪的信噪比方程

如今，在光电子技术的实际应用中，一定会涉及到将光信号转换为可观测信号的问题，本设计也不例外。

一般来说，凡是把光辐射量转换为电量（电流或电压）的光探测器，均称为光电探测器。

因此，光电探测技术在激光测距中有着重要的作用。

2.3.1脉冲激光探测器的光探测原理

光电探测器的基本功能是将入射到探测器上的光功率转换成相应的光电流，即：

（2-18）

式（2.18）中，为电子电荷，为探测器的量子效率，它是由探测器的物理性质所决定的：

-普朗克常数，-入射光频率。

因此，要使传递的信息表现为光功率，利用光电探测器的这种直接的光电转换便可实现信息的解调，这种探测器被称为直接探测。

由于光电流是相应于光功率的包络变化，因此直接探测也成为包络探测。

因为直接探测具有实现简单和可靠性好的优点，脉冲激光测距机等诸多光电设备一般都采用这种方法。

现在，假设输入光电探测器的信号光功率为，噪声光功率为，光电探测器的输出电功率为，输出的噪声电功率为。

2.3.2信噪比方程

一般来说，直接探测光电探测系统大多是从信号频谱和噪声频谱上的差别来抑制各种噪声，因此主动光电探测系统的发射信号必须是经过模拟或脉冲调制以后的调制信号，它的重要特性是它的频谱。

设脉冲激光测距仪发射的周期矩形脉冲的光功率如图2-2所示,可表示为：

（2-19）

式（2.2）中，是激光脉冲的平均功率，是功率调制系数，其定义为：

（2-20）

忽略大气及被测目标影响激光脉冲调制特性的一些因素，则激光测距仪接收到的由其发射并经目标反射回来的脉冲回波光波功率为：

（2-21）

式（2.21）中，为接收到的平均光功率，为接收到的信号光功率。

经光电探测器转换以后，变成直流电流，被交流放大器过滤掉,而变成了电信号。

对于脉冲激光测距仪则有，对进行傅氏积分可得：

（2-22）

是的频谱函数，或称为频谱密度。

其特点为：

1）信号能量主要集中在一定的频带范围内；2）当脉冲持续时间减小时，频谱中通过零点的频率也随之增高，频谱宽度也增大。

对于其他形状的非周期性脉冲也有同样的性质。

因此，在探测较窄的脉冲信号时，应采用较宽的放大器。

若激光脉冲的主要能量集中于带宽以内,则放大器带宽取为，就能 使信号能量得到放大输出、噪声得到抑制。

 若以雪崩光电二极管（APD）接收来考虑，则回波信号功率转换成的电信号电流为：

（2-23）

目标回波光功率和背景光功率引入的散粒噪声电流分别为：

（2-24）

（2-25）

管子暗电流也将引入散粒噪声，考虑到探测器负载电阻和放大器引入的折合到光电探测器输出端的热噪声，接收系统输出的噪声电流的有效值为：

（2-26）

探测器负载电阻和放大器热噪声之和可以等效于温度升高后用一项来表示。

由上面两式可得，激光测距仪接收系统输出的信噪比为：

（2-27）

式中，-电流的倍增因子，-探测器接收的信号功率，-探测器的量子效率，-普朗克常数，-光波频率，-玻尔兹曼常数，-绝对温度，-接收系统带宽，-等效负载电阻，-管后面视频放大器的噪声系数，与倍增过程相关的噪声系数，-探测器接收到的目标回波平均光功率，-探测器接收到的背景光功率，-管的体漏电流。

对于管在白天工作时，典型的情况是背景噪声为主要项，则式可简化 为：

（2-28）

由以上各式可知，影响脉冲激光测距仪性能的主要因素有激光测距仪的本身性能、激光的大气传输特性、背景辐射特性、被测目标特性等。

2.4脉冲激光测距仪的测距性能指标

脉冲激光测距仪就使用而言，其性能指标基本上可归纳为测量范围、测量精度及测量灵敏度等。

2.4.1最大测程

由测距方程式可知，随着目标距离的增大，激光测距仪接收到的目标回波功率迅速减小。

当时，测距仪接收到的回波功率达到其最小可探测功率。

如果在测距方程中用最小可探测功率代替接收功率，则由测距方程可得到最大探测距离：

（2-29）

（1）获得大的最大测程，在激光测距仪的系统设计中，必须提高激光测距仪的发射功率，增大接收孔径面积，增大发射光学系统和接收光学系统的透射率和，减小发射光束的发散角，提高接收灵敏度即减小接收机的最小可探测功率的数值。

与此同时，系统设计还应考虑接收视场和光束发散角的匹配。

（2）激光测距仪的最大测程还与外部测距条件密切相关，大气透过率越高、被测目标的有效反射截面及漫反射率越大，激光测距仪的最大测程会大大增加。

因此，对激光测距仪测程的拟定与测试，必须要在一定外部约束条件下进行。

2.4.2探测灵敏度

激光测距仪的探测灵敏度即最小可探测功率定义为，满足测距概率要求的最小信噪比所对应的探测功率。

将代入激光测距仪接收系统输出的信噪比方程得探测灵敏度为：

 （2-30）

由式（2.30）可以看出，激光测距仪的探测灵敏度与一定的探测概率相对应，系统所要求的探测概率越高，获得高探测灵敏度的设计难度越大。

要获得高的探测灵敏度，必须对接收机进行优化设计。

2.4.3距离误差

（2-31）

1）距离计数器中的量化误差 

量化误差因激光发射脉冲、目标回波脉冲与时钟脉冲不同步，在数字电路中出现随机概率变化的时间误差。

在理想情况下，计数器的计数误差，则可计算出相应的距离量化误差为：

（2-32）

式中，为距离计数器的时钟振荡频率。

2）激光脉冲宽度引起的探测误差 

简单阈值探测电路中的探测误差是由激光脉冲有限上升时间以及目标对脉冲的展宽所引起的。

有限上升时间使低幅度脉冲比高幅度脉冲迟后越过阈值，由此显示的目标距离较长。

因此，由此造成的距离误差是（或回波信号幅度）、阈值及激光脉冲波形的函数。

假定目标回波脉冲具有线性的时间特性并具有均匀越过阈值的概率，则由探测误差引起的距离误差为：

（2-33）

式中，Rt为激光回波脉冲的上升时间S。

3）距离计数器时钟的频率误差 

时钟频率误差由数字时钟振荡电路的频率漂移产生。

因为时钟频率误差导致的计时误差随时间线性增加，因此距离误差是目标距离的线性函数，它

由下式给出：

（2-34）

式中，-测距仪最大测程，-时钟频率误差（几分之一个时钟频率）。

2.5激光脉冲飞行时间法的关键技术

2.5.1时间间隔测量技术

到目前为止，时间间隔的测量主要有三种方法：

模拟法、数字法和数字插入法[15]。

1）模拟法：

即在待测时间间隔内对一已知电容以大电流进行充电，然后对其以小电流放电（），则放电时间为，实际测得。

此方法的优点是测量精度非常高，可达皮秒量级;但由于电容充放电过程中，充放电时间之间的关系不是绝对线性的，存在非线性现象，其大小大致为测量范围的万分之一，这就限制了测量范围，或者说随着测量范围的增加，精度会降低；另外，电容的充放电性能受温度的影响非常大（达10--30psc）,对测量系统的温度特性要求就非常苛刻。

2）数字法:

即用同步时钟脉冲对时间间隔进行计时。

其优点是线性好，并与测量范围无关。

由于其测量精度主要受时钟频率所限，即它的测量精度为正负一个时钟周期。

通常使用几百兆赫