小型脉冲式激光测距系统研究

论文摘要

激光测距技术是随着激光技术的出现而发展起来的一种精密测量技术,因其良好的测距性能而广泛应用在军事和民用领域。激光测距方法从原理上主要采用相位测距法和脉冲测距法两种。由于相位测量技术较为成熟,因此测距精度较高,目前的测距技术大多采用此法,但相位测距电路较为复杂,技术难度较大。脉冲式测距方法结构简单,信号易于处理,并且易于实现实时测量,因此发展潜力很大,但由于受到时间间隔测量技术的限制,使其在短距离、高精度的测量方面难度较大。本文针对脉冲式激光测距技术展开研究,重点解决短时间间隔的高精度测量这一关键技术问题,提出了采用高集成度的先进的时间间隔测量芯片（TDC）实现测量的测距系统方案;设计了脉冲半导体激光器的驱动电源,并在深入了解雪崩光电二极管（APD）特性的基础上,设计了能有效抑制纹波且具有温度补偿功能的APD反向偏压电路;研究并设计了基于单片机的时间间隔测量单元。经实验仿真验证,时间测量单元能使系统理论上的测距范围达到0.5-270m。课题的研究内容主要分为以下几个方面:（1）在充分调研对比现有激光测距技术的基础上,研究短时间间隔测量技术,提出了基于TDC的脉冲测距系统方案。（2）选择激光探测波长及激光器,分析半导体激光器的特性,设计了脉冲式半导体激光器驱动电源,保证激光器发出kHz以下并且脉宽较窄的激光脉冲,以满足测距系统的需要。（3）选择了高速光电二极管以及雪崩光电二极管,研究了APD的原理及特性,设计的反向偏压电路能有效抑制纹波,并设计温度测量与补偿环节,使所加的APD反向偏压能随温度而变,以保证APD的增益不变。（4）研究了时间间隔测量方法,选用德国ACAM公司的高精度时间测量芯片TDC-GP2,设计了基于单片机ADμC812的时间间隔测量单元,有效解决了短时间间隔测量问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 激光测距技术综述
• 1.2.1 脉冲式激光测距原理
• 1.2.2 相位法激光测距原理
• 1.2.3 其它激光测距技术
• 1.3 脉冲激光测距与相位激光测距比较
• 1.4 脉冲半导体激光测距的发展
• 1.5 课题研究的目的及主要内容
• 2 脉冲激光测距系统方案
• 2.1 激光测距系统结构
• 2.2 半导体激光器驱动电源设计
• 2.3 脉冲激光接收单元设计
• 2.4 高精度时间测量单元设计
• 2.5 本章小结
• 3 半导体激光器驱动电源设计
• 3.1 LD驱动电源的要求
• 3.2 恒流源电路设计
• 3.3 脉冲激光发射电路设计
• 3.4 本章小结
• 4 脉冲激光接收单元设计
• 4.1 光电检测传感器的选择
• 4.2 PD接收放大电路设计
• 4.3 雪崩光电二极管特性
• 4.4 APD反向偏压电路设计
• 4.4.1 电路工作原理及元件的选择
• 4.4.2 电压控制反馈电路
• 4.4.3 偏压温度补偿电路
• 4.5 本章小结
• 5 高精度时间测量单元设计
• 5.1 高精度时间间隔测量技术
• 5.1.1 时间间隔扩展法
• 5.1.2 时间振幅转换法
• 5.1.3 传递延时法
• 5.2 时间测量单元设计
• 5.2.1 高精度时间间隔测量芯片TDC-GP2
• 5.2.2 TDC-GP2的测量原理
• 5.2.3 电源供给设计
• 5.2.4 微处理器与液晶显示电路
• 5.3 本章小结
• 6 实验仿真与数据分析
• 6.1 实验系统构成
• 6.2 标准信号发生电路
• 6.3 仿真结果及分析
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 研究生期间发表的论文