基于TDC-GP21的激光测距设计

I基于TDC-PG21的激光测距【摘要】激光测距仪正朝着小型、低功耗和高精度方向发展，尝试研制一种高精度的便携式脉冲激光测距仪。针对脉冲式激光测距技术展开，重点研究短时间间隔的高精度测量这一关键技术。在对普通脉冲激光测距机的时间间隔测量方法分析后，提出了基于高精度时间间隔测量芯片TDC-GP21的便携式脉冲半导体激光测距仪系统方案。分析了TDC-GP21时间测量原理，设计了基于TDC-GP21的时间间隔测量单元，脉冲半导体激光器的驱动电源、光电探测器的驱动电路。针对有限距离的计数分辨率引起的误差，结合传统提高时间分辨率的方法，并对这一技术进行研究、发展和创新，使得测距系统的时间测量精度得到了很好的保证及提高，降低了硬件成本，简化了控制电路。【关键词】激光测距，时间间隔测量，TDC—GP21，测距精度IILaserRangingBasedonTDC-GP21[Abstract]Thelaserrangefinderisdevelopinginsmall,low-powerandhigh-precisiondirection.Aportablelaserrangefinderwithhighprecisionwasresearcherinthispaper.Wehavestudiedthepulsedlaserrangingtechnology,andthepriorityisthecriticaltechnologyofthehigh-precisionmeasurementinshortintervals.Inthispaper,wehaveproposedthesolutionsoftheportablediodelaserrangefindersystembasedonthehigh-precisiontimeintervalmeasurementchipTDC-GP21,throughadeepresearchoftheprincipleofthepulsedlaserrangefinder.studiedthetimemeasuringprincipleoftheTDC-GP21,designedthetimeintervalmeasurementunitthatbasedontheTDC-GP21,designedthedrivenpowerofthepulse-semiconductorlasersandthedrivencircuitofthephotoelectricdetector.Tosolvetheerrorcausedbythecountresolutioninalimiteddistance,wehavecombinedtraditionalmethodstoimprovethetimeresolution,andwiththeresearch,developmentandinnovationofthetechnology,wehaveensuredanddevelopedthetimemeasurementaccuracyoftherangingsystem,reducedthecostofthehardwareandsimplifiedthecontrolcircuit.[KeyWords]Laserranging,Timeintervals,TDC-GP21,RangingprecisionmeasurementIII目录第一章引言...............................................................11.1激光测距技术......................................................11.2激光测距的发展状况.................................................11.3课题研究的目的及意义..............................................21.4论文的主要工作....................................................3第二章脉冲激光测距原理...................................................42.1脉冲法测距........................................................42.2相位法测距........................................................62.3脉冲法测距与相位法测距比较........................................72.4脉冲激光测距机结构和原理...........................................82.5激光飞行时间测量技术...............................................92.5.1起止时刻鉴别技术.............................................92.5.2高精度时间间隔测量技术......................................10第三章便携式激光测距仪设计..............................................143.1激光测距仪总体设计...............................................143.2APD接收的光能量估算..............................................153.3激光器的选择与驱动...............................................173.3.1激光器的选择...............................................173.3.2激光脉冲的产生..............................................183.4光电转换器件的选择与驱动.........................................193.4.1光电转换器件的选择..........................................193.4.2APD的供电电路..............................................203.5高精度时间测量芯片TDC-GP21的应用................................223.5.1TDC-GP21具有的一些特点...................................233.5.2TDC-GP21的驱动电路.........................................233.5.3TDC-GP21电源设计..........................................24第四章测量结果和误差分析...............................................264.1测量结果.........................................................264.2误差分析.........................................................274.3改进方法.........................................................27总结.....................................................................28致谢.................................................................29参考文献.................................................................301第一章引言1.1激光测距技术激光测距是指根据激光往返待测距离的时间来测定距离的方法，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。自1960年美国T.H.Maiman博士制成世界上第一台红宝石激光器开始，激光优异的单色性、方向性和高亮度性就引起了人们的普遍关注。激光的这些特性，决定着它成为理想的测距光源。国内外均大力开展了激光测距系统的研制工作。1961年美国就成功的研制了世界上最早的红宝石激光测距系统，1969年美国又首次将激光测距系统应用于坦克火控系统。从此，激光测距技术发展迅猛，广泛的应用于战场上。激光测距方法从原理上分主要有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，测程短。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，具有测程长的优点，因此发展潜力很大。1.2激光测距的发展状况国外许多大学,研究机构和公司都开展了这方面的研究工作。芬兰奥鲁大学电器工程系和芬兰技术研究是最早的研究中心,从20世纪70年代初至今持续了30多年,研究内容从各分系统到整机及其应用,并且与美国、俄罗斯几家著名公司联合开展了应用研究,其产品涉及工业、航天、海洋及机器人视觉等许多方面。美国有许多家著名公司开展了这方面的研究,SchwartzElectro-Optics公司为美国国家数据中心研制了激光海浪测量装置,用于无人看守的海浪测量站为美国联邦政府高速公路管理局研制了激光自动探测系统,用于车辆速度和高度的测量,提高了交通效率还为军方研制了直升机防撞告警装置。近期又有几家美国公司开展这方面研究的报道,1992年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的便携式人眼安全激光二极管测距机,用于对车辆的测距和测速。1996年下半年美国Bushnell公司推出了测距能力为400码的400型的激光测距仪Yardage400(800)；1997年Bushnell公司在Internet网上又推出测距能力为800码的2800型激光测距仪；1998年美国Tasco公司推出测距能力为800码的摄像机型LasersiteLD激光测距仪。最近几年美国LaserTech、Leica等公司也相继推出测距能力1000米,精度1米的手持式望远镜测距仪。1995年以来,国际上对人眼安全的半导体激光测距技术发展十分迅速,已开展了波长在800-900nm范围内,峰值功率为脉冲宽度20-50ns、重复频率1-10kHz、测量距离10m-1km无合作目标的激光测距机研究。国内样机的研究始于20世纪80年代,是在固体气体激光测距机的基础上发展起来的。目前,基础技术已具备,主要是解决工程应用问题,开发各种应用产品,航天科工集团八三五八所研制出200m测程的测距仪,精度0.5m,重复频率100k；中科院上海光机所研制出便携式激光测距机,对漫反射水泥墙的测距达100m,采用300MHz技术方式,测距精度0.5m,重复率1kHz;中国计量学院信发展,半导体激光器从同质结、单异质结发展到双异质结、量子阱器件,再到目前的隧道再生耦合大光腔结构的脉冲半导体激光器,通过多有源区结构实现了峰值功率基本稳定到了有上千瓦的器件。这种半导体激光器可以满足近、中距离脉息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携半导体激光测距机,作用距离1km,精度士1m,采用4M晶振,线性时间放大技术。目前市面上的便携式激光测距仪主要都是德国的喜利得公司的PD系列产品,BOSCH