基于脉冲激光测距的工业安全监控系统的研究

论文摘要

本文的研究内容是激光扫描测控系统的一部分。主要是研究提高激光测距机单脉冲测量精度（以提高测量速度）的方法,并加入紧凑的电机及光学系统,为实现扫描测量奠定基础。本文以飞行时间（TOF）脉冲激光测距为基础,提出了工业安全监控系统的整体方案,设计了系统的电路及光学部分,并通过大量实验验证了系统的可行性。TOF式脉冲激光测距仪一般包含发射器,一到两个接收器以及时点鉴别和计时部分。为了提高单脉冲测量精度,需要增大上升沿的摆率,也就是更小的激光脉宽和更高的峰值功率,相应的,接收器要有较高的带宽,但又不显著增加噪声水平。发射部分采用脉冲激光二极管作为光源,设计的驱动电路使最小脉宽达到15ns。接收部分采用APD/PIN光电二极管,设计了相应的放大电路,其中针对PIN特性,设计了由高带宽运算放大器组成的前置跨阻放大电路。为降低由于回波信号幅值不同而造成的漂移误差,设计了实用的时点鉴别电路,实验证明,时点鉴别使系统在2m以上保持了较好的线性。计时部分使用DSP及专用计时芯片TDC-GP2。经实验验证,系统距离分辨率在五米的范围内可达到±2cm,整个测量范围内精度优于10cm,足以满足区域监测,防护的要求。国内对于激光扫描系统的研究大多处于实验室阶段,研制的样机较为笨重。本文针对脉冲激光二极管的光束特性,以及APD/PIN的视场设计了一套紧凑的光学系统。使得仪器的小型化、便携化成为可能。最后提出了一种简单可靠的电机扫描方式,保证了至少180°的扫描范围。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源与意义
• 1.2 国内外激光测距技术进展
• 1.3 本文研究主要内容
• 第二章 激光测距系统概述
• 2.1 非光波测距方式
• 2.2 光学测量方式
• 2.2.1 主要测量类型及其分类
• 2.2.2 飞行时间（TOF）
• 2.3 脉冲激光测距仪的应用
• 第三章 激光测距系统的结构
• 3.1 原理概述
• 3.2 激光脉冲发生电路
• 3.2.1 半导体激光二极管
• 3.2.2 激光脉冲发生电路设计
• 3.2.3 电路参数的选择
• 3.3 接收电路
• 3.3.1 回波功率
• 3.3.2 光电接收器件
• 3.3.3 PIN 光电二极管
• 3.3.4 雪崩光电二极管APD
• 3.3.5 APD 接收电路
• 3.3.6 PIN 接收电路
• 3.4 发射和接收光学系统
• 3.4.1 激光测距背景光分析
• 3.4.2 光学系统主体方案选择
• 3.4.3 光学系统的设计
• 3.5 时点鉴别
• 3.5.1 误差分析
• 3.5.2 延时线定比例时点鉴别
• 3.5.3 其他时点鉴别方法
• 3.6 计时电路
• 3.7 电机控制
• 3.8 软件设计
• 3.8.1 DSP 端软件设计
• 3.8.2 PC 端数据处理与实时化图形显示
• 第四章 实验结果及测量误差
• 4.1 实验系统结构
• 4.2 数据分析
• 4.2.1 测距稳定度
• 4.2.2 测距线性度
• 4.2.3 提高精度的措施
• 4.3 结论
• 第五章 总结与改进
• 附录
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢