基于MSP430的相位式激光测距仪的研究

分类号密级UDC学位论文基于MSP430的相位式激光测距仪的研究（题名和副题名）张涛（作者姓名）指导教师姓名严高师副教授电子科技大学成都（职务、职称、学位、单位名称及地址）申请学位级别硕士专业名称光学工程论文提交日期2006.1论文答辩日期2006.3学位授予单位和日期电子科技大学答辩委员会主席评阅人2006年1月日注1注明《国际十进分类法UDC》的类号独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：年月日摘要I摘要激光测距是随着激光技术的出现发展而发展起来的一种精密测量技术，因其较高的精确度特性而广泛应用在军事和民用领域。本文首先介绍了激光测距原理，然后从激光雷达测距理论出发，以激光雷达作用距离方程、激光的大气传输特性对测距的影响、激光雷达的信噪比作为理论基础，进行了方案设计。传统的相位激光测距大部分都采用差频数字测相，差频测相的优点在于由于频率的降低，这样必然意味着测距精度的提高，但其缺点是测距速率低。根据本课题测距精度和测距速率的指标要求，针对现有激光测距方法的局限性，提出了双频测相相位式激光测距方法。该方法通过MSP430单片机和先进的CPLD技术实现双频测相：粗测通过采用对鉴相脉冲填充高频脉冲的办法来实现；精测则利用时间－电压转换法对鉴相脉冲进行转换，然后由模数转换器ADC对转换电压进行采样，通过单片机对ADC的输出值进行计算处理获得精测值。该方法可以弥补现有一般相位激光测距机无法克服的缺陷，既可以保证一定的测距精度，又可以提高测距速率，从而可以对动态目标进行实时测量。论文完成了基本的硬件电路设计。硬件设计以MSP430单片机作为整个系统的控制核心；通过单片机控制CPLD和ADC来获得粗测和精测值；模拟电路部分包括激光调制驱动电路和接收电路以及APD高压偏置电路；进行串行通信电路和电源电路的设计。系统样机进行了调试，并对试验结果进行了分析，初步满足预期的指标要求。样机系统实验表明测距精度达到9.9mm，测距速率达到每秒4次，得到了比较理想的结果，研究工作取得了重要进展。最后本文对系统以后的改进部分进行了一些探讨，并对研究工作做了总结和展望。关键词：激光测距，相位测量，MSP430单片机，ADCAbstractIIABSTRACTThelaserrangingisatechnologyforprecisionmeasurementanditisdevelopingalongwiththedevelopmentofthelasertechnology.Thelaserrangingisextensivelyusedinthemilitaryfieldandthecivilfieldbecauseofitshighaccuracy．Thetheoryoflaserrangefinderisfirstlyintroducedinthispaper.Thenbasedonthelaserradarrangingtheory,thelaserradarrangingequation,theeffectofthetravelcharactersofthelaserintheaironthemeasurementandthelaserrangingSNRequationarediscussed.Theschemeisdesignedbasedontheseresearches.Fortraditionallaserrangfinders,mostofthemuseheterodynemethodasthephaseshiftmeasurement.Theadvantageofheterodynemethodisthehighmeasurementaccuracy,butitsdisadvantageisthelowmeasurementvelocity.Accordingtotherequirementofmeasurementaccuracyandvelocity,anoveltwofoldfrequencylaserrangingmethodbasedonphaserangingtechnologyisproposed.ByusingMSP430microcontrollerunitandCPLDtechnology,thismethodrealizedtwofoldfrequencyphaseranging:Theroughmeasurementofthedistanceisrealizedbycounteringhighfrequencypulseswhicharefilledindiscriminatingphasepulses;Theaccuratediscriminatingphasepulsesareconvertedbyusingthemethodoftimetovoltageconversion,andthentheADCdevicesamplestheconvertedvoltage,sotheaccuratemeasurementofthedistanceisobtainedbyprocessingtheADCsamplesthroughmicrocontrollerunit.Varioustechnicalmeasuresareadoptedtomakesuretheaccuracyofthelaserrangingandtherequirementofthehighvelocityofthelaserrangingissatisfied.Sothereal-timemeasurementofthedynamictargetissatisfiedbyusingthismethod.Accordingtothephaselaserrangfinderdesignscheme,thefundamentalhardwarecircuitsaredesigned.ThehardwaredesignationusestheMSP430microcontrollerunitasthecontrolcenter.TheroughandaccuratevaluesofthemeasurementareobtainedbyusingCPLDandADCdevices.Theanalogcircuitsmainlyincludedthemodulatinganddrivingcircuitofthelaser,receivingcircuitandAPDhigh-voltagebiasedcircuit.Serialcommunicationcircuitandpowercircuitaredesigned.ThesystemABSTRACTIIIisdebuggedandbyanalyzingtheresultsoftheexperiment,thesystemmeetstherequirementoftheperformance.Accordingtotheexperimentdata,themeasurementaccuracyis9.9mmandthevelocityofthemeasurementis4timespersecond.Theresultisgoodandachievesanimportantprogress.Atlast,theimprovementforthesystemwasbroughtforward,andresearchwassummarizedandexpectedinthispaper.Keywords:laserrangefinder,phaseranging,MSP430microcontrollerunit,ADC目录IV目录第一章绪论.........................................................11.1激光测距仪的发展概况...........................................11.2激光测距及分类.................................................11.3激光雷达概述...................................................21.4本文任务与工作.................................................3第二章激光测距原理.................................................42.1脉冲法激光测距.................................................42.1.1时间间隔的测量方法.........................................62.2相位法激光测距.................................................72.2.1相位式激光测距的原理.......................................72.2.2测尺组合频率的选择方法.....................................92.2.3差频测相..................................................10第三章激光雷达测距理论基础........................................123.1激光雷达作用距离方程..........................................123.1.1激光雷达作用距离方程的标准形式............................123.1.2激光雷达作用距离方程的特殊形式............................133.2激光光束的性质................................................143.2.1光束形状和光束截面函数....................................143.2.2激光光束的束散角..........................................143.3激光的大气传输特性............................................153.3.1大气衰减系数..............................................163.3.2大气吸收和散射对激光的衰减................................163.4激光雷达信噪比................................................193.4.1背景噪声..................................................19目录V3.4.2信噪比表达式........................................