基于FPGA的激光测距系统研究.doc

1、本科生毕业论文设计题目 基于 FPGA 的激光测距系统研究 作者姓名多孟龙指导教师所在学院职业技术学院专业（系）通信工程班级（届） 2011完成日期 2011 年 5 月 16 日摘要本 文 的 研 究 内 容 是 在 激 光 测 距 项 目 基 础 上 进 行 的 ， 分 析 了 各 种 激 光 测 距 方 法 的利 弊 ， 最 终 选 用 脉 冲 激 光 测 距 的 实 现 方 式 。 本 文 设 计 了 以 FPGA 为 核 心 的 信 号 处 理模 块 ， 实 现 了 对 激 光 信 号 的 编 码 和 译 码 、 对 激 光 发 射 控 制 时 钟 的 分 频 、 和 内 部 PLL

2、倍 频 ， 实 现 内 部 高 频 计 时 时 钟 等 ， 提 高 了 系 统 的 精 度 和 稳 定 性 。 使 用 并 行 脉 冲 计 数法 ， 提 高 了 计 时 精 度 ， 分 析 了 可 能 产 生 误 差 的 原 因 。 并 且 制 定 了 两 种 工 作 模 式 ， 可以 根 据 不 同 的 实 际 环 境 选 择 相 应 的 测 距 模 式 ， 以 达 到 最 好 的 测 量 效 果 。关 键 词 激 光 测 距 ； FPGA； PLL AbstractThe essay is based on the project of LRF It describes the merit

3、 and demerit of every class of LRF.Eventually I choose the way of using the laser-pulse to have the range-measurement The result of this essay is to design the digital signal processor based on FPGA， to code and decode the laser signal， to scale down the clock of launching part of the laser system a

4、nd to use the PLL in the FPGA to make the frequency multiplication and so on These make the system more stable and accurate Using the parallel counter to count the pulse of the laser can increase the precision of the system The essay considered many reasons which may cause the inaccuracy It has two

5、patterns which will be used in different environment to make the gauge more reliableKey wordsLaser Range Finder； FPGA； PLL目 录摘 要 IAbstractII第 1 章 绪 论 11.1 研 究 背 景 及 意 义 11.2 国 内 外 研 究 概 况 及 发 展 趋 势 2第 2 章 激 光 测 距 系 统 原 理 52.1 系 统 工 作 方 式 52.2 激 光 测 距 实 现 的 方 式 62.2.1 连 续 波 体 制 简 介 62.2.2 脉 冲 波 体 制 简

6、 介 62.3 脉 冲 激 光 测 距 系 统 原 理 62.3.1 激 光 测 距 性 能 62.3.2 激 光 的 高 斯 光 束 特 性 72.3.3 脉 冲 激 光 测 距 系 统 72.3.4 光 学 系 统 82.3.5 发 射 接 收 系 统 要 求 82.4 半 导 体 激 光 器 的 特 性 8第 3 章 激 光 编 码 及 解 码 103.1 编 码 理 论 103.2 编 码 激 光 工 作 原 理 103.3 激 光 测 距 系 统 时 序 分 析 113.4 激 光 测 距 系 统 工 作 模 式 设 定 12第 4 章 激 光 测 距 系 统 软 件 设 计 134

7、.1 TOP 模 块 134.2 TRANSMIT 模 块 134.3 RECEIVE 模 块 144.4 COUNTER 模 块 154.5 LED 模 块 174.6 PLL 模 块 184.7 FD 模 块 18第 5 章 误 差 分 析 205.1 脉 冲 式 激 光 测 距 系 统 误 差 分 析 205.1.1 嗓 声 来 源 205.1.2 接 收 系 统 响 应 时 间 205.1.3 激 光 脉 冲 宽 度 和 幅 度 变 化 原 因 205.1.4 电 路 延 迟 误 差 205.1.5 时 间 测 量 误 差 21总 结 22附 录 23参 考 文 献 46第 1 章 绪

8、 论1.1 研 究 背 景 及 意 义激 光 是 一 种 自 然 界 原 本 不 存 在 的 ， 因 受 激 而 发 出 的 具 有 方 向 性 好 、 亮 度 高 、 单色 性 好 和 相 干 性 好 等 特 性 的 光 ， 激 光 的 特 点 有 ：1.方 向 性 好 普 通 光 源 (太 阳 、 白 炽 灯 或 荧 光 灯 )向 四 面 八 方 发 光 ， 而 激 光 的发 光 方 向 可 以 限 制 在 小 于 几 个 毫 弧 度 立 体 角 内 ， 这 就 使 得 在 照 射 方 向 上 的 照 度 提 高千 万 倍 。 激 光 准 直 、 导 向 和 测 距 就 是 利 用 方 向

9、 性 好 这 一 特 性 。2.亮 度 高 激 光 是 当 代 最 亮 的 光 源 ， 只 有 氢 弹 爆 炸 瞬 间 强 烈 的 闪 光 才 能 与 它 相比 拟 。 尽 管 激 光 的 总 能 量 并 不 一 定 很 大 ， 但 由 于 能 量 高 度 集 中 ， 很 容 易 在 某 一 微 小点 处 产 生 高 压 和 几 万 摄 氏 度 甚 至 几 百 万 摄 氏 度 高 温 。 激 光 打 孔 、 切 割 、 焊 接 和 激 光外 科 手 术 就 是 利 用 了 这 一 特 性 。3.单 色 性 好 光 是 一 种 电 磁 波 。 光 的 颜 色 取 决 于 它 的 波 长 。 普

10、通 光 源 发 出 的光 通 常 包 含 着 各 种 波 长 ， 是 各 种 颜 色 光 的 混 合 。 而 某 种 激 光 的 波 长 ， 只 集 中 在 十 分窄 的 光 谱 波 段 或 频 率 范 围 内 。 如 氦 氖 激 光 的 波 长 为 632.8 纳 米 ， 其 波 长 变 化 范 围 不到 万 分 之 一 纳 米 。 由 于 激 光 的 单 色 性 好 ， 为 精 密 度 仪 器 测 量 和 激 励 某 些 化 学 反 应 等科 学 实 验 提 供 了 极 为 有 利 的 手 段 。4.相 干 性 好 干 涉 是 波 动 现 象 的 一 种 属 性 。 基 于 激 光 具 有

11、 高 方 向 性 和 高 单 色性 的 特 性 ， 它 必 然 相 干 性 极 好 。上 世 纪 九 十 年 代 初 ， 欧 美 等 几 大 公 司 相 继 生 产 出 可 供 商 用 的 半 导 体 激 光 二 极 管 ，使 激 光 的 实 际 应 用 价 值 发 生 了 革 命 性 的 进 步 。 其 他 种 类 的 激 光 器 由 于 产 生 激 光 的 机理 过 于 复 杂 ， 使 其 体 积 ， 重 量 特 别 大 ， 大 大 限 制 了 激 光 的 应 用 。 而 半 导 体 激 光 器 的出 现 使 这 些 问 题 迎 刃 而 解 。 随 着 半 导 体 激 光 器 的 技 术

12、进 一 步 成 熟 ， 价 格 逐 步 降 低 ，其 应 用 批 量 和 应 用 领 域 不 断 扩 大 ， 就 目 前 的 发 展 速 度 来 看 ， 应 用 前 景 十 分 看 好 。半 导 体 激 光 器 体 积 小 、 重 量 轻 、 可 靠 性 高 、 转 换 效 率 高 、 功 耗 低 、 驱 动 电 源 简单 、 能 直 接 调 制 、 结 构 简 单 、 价 格 低 廉 、 使 用 安 全 、 应 用 领 域 非 常 广 泛 。 如 光 存 储 、激 光 打 印 、 激 光 照 排 、 激 光 测 距 、 条 码 扫 描 、 工 业 探 测 、 测 试 测 量 仪 器 、 激

13、光 显 示 、医 疗 仪 器 、 军 事 、 安 防 、 野 外 探 测 、 激 光 水 平 尺 及 各 种 标 线 定 位 等 。半 导 体 激 光 器 的 一 些 独 特 优 点 使 之 非 常 适 合 于 军 事 上 的 应 用 ， 如 野 外 测 距 、 枪炮 等 的 瞄 准 、 射 击 模 拟 系 统 、 致 盲 、 对 潜 通 信 制 导 、 引 信 、 安 防 等 。 由 于 可 用 普 通电 灯 泡 驱 动 ， 使 一 些 便 携 式 武 器 设 备 配 置 成 为 可 能 。激 光 器 是 强 度 很 高 的 光 源 辐 射 器 件 ， 大 功 率 的 激 光 器 可 以 用

14、 于 切 割 焊 接 金 属 材料 。 国 际 上 对 激 光 有 统 一 的 分 类 和 统 一 的 安 全 警 示 标 志 ， 激 光 器 分 为 四 类 (Classl-Class4)， 一 类 激 光 器 对 人 是 安 全 的 ， 二 类 激 光 器 对 人 有 较 轻 的 伤 害 ， 三 类 以 上 的 激光 器 对 人 有 严 重 伤 害 ， 使 用 时 需 特 别 注 意 ， 避 免 对 人 眼 直 射 。激 光 测 距 是 利 用 激 光 的 单 色 性 和 相 干 性 好 、 方 向 性 强 等 特 点 ， 以 实 现 高 精 度 的计 量 和 检 测 ， 如 测 量 长

15、度 、 距 离 、 速 度 、 角 度 等 。 激 光 测 距 在 技 术 途 径 上 可 分 为 脉冲 式 激 光 测 距 和 连 续 波 相 位 式 激 光 测 距 。 脉 冲 式 激 光 测 距 原 理 与 雷 达 测 距 相 似 ， 测距 仪 向 目 标 发 射 激 光 信 号 ， 碰 到 目 标 就 要 被 反 射 回 来 ， 由 于 光 的 传 播 速 度 是 已 知 的 ，所 以 只 要 记 录 下 光 信 号 的 往 返 时 间 ， 用 光 速 (30 万 千 米 秒 )乘 以 往 返 时 间 的 二 分 之一 ， 就 是 所 要 测 量 的 距 离 。 现 在 广 泛 使 用

16、 的 手 持 式 和 便 携 式 测 距 仪 ， 作 用 距 离 为 数百 米 至 数 十 千 米 ， 测 量 精 度 为 五 米 左 右 。 我 国 研 制 的 对 卫 星 测 距 的 高 精 度 测 距 仪 ，测 量 精 度 可 达 到 几 厘 米 。 连 续 波 相 位 式 激 光 测 距 是 用 连 续 调 制 的 激 光 波 束 照 射 被 测目 标 ， 从 测 量 光 束 往 返 中 造 成 的 相 位 变 化 ， 可 换 算 出 被 测 目 标 的 距 离 。 为 了 确 保 测量 精 度 ， 一 般 要 在 被 测 目 标 上 安 装 激 光 反 射 器 。 它 测 量 的 相

17、 对 误 差 为 百 万 分 之 一 。激 光 测 距 仪 与 微 波 雷 达 结 合 ， 还 可 以 发 挥 激 光 波 速 窄 的 特 长 ， 弥 补 微 波 雷 达 低 仰 角工 作 时 受 地 面 干 扰 的 不 足 。 激 光 测 距 与 光 学 经 纬 仪 、 红 外 及 电 视 跟 踪 系 统 相 结 合 ，组 成 光 电 跟 踪 测 量 系 统 ， 既 可 作 为 靶 场 试 验 的 测 量 设 备 ， 又 常 用 作 武 器 的 光 电 火 力控 制 系 统 。 这 种 激 光 测 距 仪 已 广 泛 用 于 地 面 火 炮 、 坦 克 炮 的 火 控 系 统 ， 大 大 提

18、 高 了命 中 率 。1.2 国 内 外 研 究 概 况 及 发 展 趋 势激 光 测 距 是 激 光 在 军 事 上 应 用 最 早 和 最 成 熟 的 技 术 。 自 1960 年 第 一 台 激 光 器 -红 宝 石 激 光 器 发 明 以 来 ， 便 有 人 开 始 进 行 激 光 测 距 的 研 究 。 和 微 波 测 距 等 其 它 方 法相 比 ， 激 光 测 距 具 有 更 好 的 方 向 性 和 更 高 的 测 距 精 度 ， 测 程 远 ， 抗 干 扰 能 力 强 ， 隐蔽 性 好 ， 因 而 得 到 广 泛 的 应 用 。 激 光 测 距 的 研 究 还 对 雷 达 技

19、术 的 发 展 起 了 很 大 的 促进 作 用 ， 因 而 在 国 民 经 济 和 国 防 建 设 中 具 有 重 要 意 义 。 脉 冲 激 光 测 距 仪 作 为 军 用 装备 器 材 ， 发 展 于 60 年 代 初 。 经 过 30 多 年 的 开 发 、 研 制 和 装 备 ， 目 前 国 外 已 完 成 了“手 持 式 、 脚 架 式 、 潜 望 式 、 坦 克 、 装 甲 、 水 面 舰 载 潜 艇 潜 望 、 高 炮 、 机 载 、 机 场测 云 、 导 弹 和 火 箭 发 射 、 人 造 卫 星 、 航 天 器 载 ”等 约 十 三 大 类 400 多 个 品 种 和 型

20、号 ，其 中 装 备 量 最 大 的 是 以 ND： YAG 为 器 件 的 固 体 脉 冲 激 光 测 距 仪 ， 其 次 是 CO2 脉冲 激 光 测 距 仪 。0.69 u m 的 红 宝 石 脉 冲 激 光 测 距 仪 是 第 一 代 军 用 激 光 测 距 仪 ， 其 结 构 简 单 ， 紧 凑 。因 工 作 波 长 属 近 红 外 绿 光 ， 极 易 暴 露 目 标 ， 加 上 对 人 眼 极 不 安 全 ， 目 前 除 少 数 应 用外 已 被 淘 汰 。ND： YAG 脉 冲 激 光 测 距 仪 主 要 优 点 是 隐 蔽 性 、 电 效 率 和 脉 冲 重 复 工 作 频 率

21、 大大 优 于 红 宝 石 激 光 测 距 仪 ， 因 而 从 60 年 代 后 期 开 始 广 泛 装 备 部 队 ， 主 要 缺 点 有 ：1.工 作 波 长 为 1.06 u m， 相 对 说 来 较 短 ， 在 大 气 中 的 衰 减 较 大 ， 不 完 全 适 合 自 然雾 和 战 场 烟 幕 等 环 境 条 件 ；2.1.06u m 波 长 被 发 射 后 经 人 眼 聚 焦 进 入 视 网 膜 ， 在 很 短 的 距 离 上 若 不 加 防 护 观察 ， 可 以 使 人 眼 永 久 致 盲 ；3.1.06 u m 波 长 不 与 8-12 u m 热 成 像 系 统 兼 容 。

22、而 ND： YAG 脉 冲 激 光 测 距 仪目 前 仍 具 有 无 法 取 代 的 独 特 优 点CO2 脉 冲 激 光 测 距 仪 是 70 年 代 末 和 80 年 代 中 期 主 要 针 对 1.06um 的ND： YAG 激 光 测 距 仪 的 缺 点 发 展 起 来 的 新 一 代 人 眼 安 全 激 光 测 距 仪 。 其 主 要 优 点有 ：1.大 气 穿 透 能 力 优 于 ND： YAG 激 光 波 长 ， 能 在 较 低 能 见 度 和 战 场 烟 幕 等 大 气条 件 下 工 作 ；2.能 与 8-12um 波 段 内 的 典 型 热 成 像 系 统 兼 容 并 可 共

23、 用 接 收 光 学 系 统 和 探 测 器 ，能 有 效 实 现 热 成 像 仪 能 探 测 到 的 绝 大 多 数 目 标 ；3.能 实 现 对 人 眼 安 全 。 主 要 缺 点 是 ： 10.6u m 的 CO2 激 光 波 长 极 易 被 水 分 子 吸收 衰 减 ， 在 大 气 中 含 水 蒸 汽 密 度 大 的 晴 天 和 潮 湿 条 件 下 ， 限 制 了 它 的 最 大 测 距 能 力 ，特 别 是 雨 天 和 目 标 被 雪 覆 盖 时 ， 目 标 呈 现 多 镜 面 对 称 反 射 ， 对 CO2 激 光 波 长 测 距不 利 。 国 外 有 许 多 大 学 、 研 究

24、机 构 和 公 司 都 开 展 了 脉 冲 半 导 体 激 光 测 距 机 的 研 究 。主 要 有 芬 兰 的 奥 鲁 大 学 、 美 国 的 Schwartz ElectroOptics 公 司 、 EXXON 公 司 等 。Schwartz ElectroOptics 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 传 感 系 统 ，用 于 车 辆 速 度 和 高 度 的 测 量 ， 从 而 提 高 了 交 通

25、效 率 ； 还 为 军 方 研 制 了 直 升 机 激 光 防撞 告 警 装 置 。 EXXON 公 司 研 制 了 脉 冲 半 导 体 激 光 角 度 距 离 测 量 系 统 ， 用 于 海 上 石油 勘 测 。 1992 年 美 国 亚 特 兰 大 激 光 公 司 为 警 方 专 门 设 计 的 手 持 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 400m 的 400 型 LD 激 光 测 距 机 Yaddaga400， 1997 年 被 评

26、为 世 界 100 项重 要 科 技 成 果 之 一 ， 同 年 又 推 出 了 测 距 能 力 800m 的 800 型 激 光 测 距 机 。 1998 年 美国 Tasco 公 司 研 制 出 测 距 能 力 800m 的 摄 像 机 型 Laser Site LD 激 光 测 距 机 。 美 国Leica 公 司 展 出 了 实 用 的 小 型 LD 测 距 机 ， 测 量 距 离 0.2-30 米 。 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 、

27、 峰 值 功 率 为 10W、 脉 冲 宽 度 20-50ns、 重 复 频 率 1-10kHz， 测 量 距 离 l0m-lkm 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 原 固 体 、 气 体 激 光 测 距 机 基 础 上 发展 起 来 的 。 目 前 ， 基 础 技 术 己 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 测 程 200m， 精 度 0.5 m， 数 据 率 100 Hz 的 激 光

28、 测距 机 。 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 计 数 方 式 ， 测 距 精 度 0.5m， 重 复 频 率 1KHz。 中 国 计 量 学 院信 息 工 程 系 光 电 子 所 与 国 外 合 作 开 发 了 低 价 、 便 携 式 半 导 体 激 光 测 距 机 ， 作 用 测 距1km， 精 度 小 于 lm， 采 用 4M 晶 振 ， 线 性 时 间 放 大 技 术 。 常 州 莱 赛 公 司 研 制 了 作 用距 离 200m， 测 距 精 度 0.5m 的

29、半 导 体 激 光 测 距 机 。 西 南 技 术 物 理 研 究 所 研 制 的 半 导体 激 光 高 度 表 ， 其 工 作 波 长 为 905nm， 重 复 频 率 为 100Hz， 测 程 2-800 米 ， 测 量 精度 1 米 。激 光 测 距 仪 的 应 用 前 景 非 常 广 阔 ， 已 经 被 应 用 于 以 下 领 域 ： 电 力 、 水 利 、 通 讯 、环 境 、 建 筑 、 地 质 、 警 务 、 消 防 、 爆 破 、 航 海 、 铁 路 、 反 恐 军 事 、 农 业 、 林 业 、房 地 产 、 休 闲 户 外 运 动 等 。第 2 章 激 光 测 距 系 统

30、原 理整 个 激 光 测 距 系 统 由 激 光 发 射 单 元 、 激 光 接 收 单 元 、 控 制 与 距 离 计 算 单 元 以 及显 示 单 元 等 模 块 组 成 ， 其 相 互 关 系 如 图 2-1。 总 体 设 计 思 想 是 捕 捉 激 光 从 发 出 到 遇到 目 标 被 反 射 回 来 所 经 过 的 时 间 ， 根 据 光 速 计 算 出 探 测 器 到 被 测 目 标 之 间 的 距 离 。距离计算单元激光发射单元激光接收单元显示单元目标图 2-1 激 光 测 距 系 统 原 理 图其 最 基 本 的 公 式 是 ：（ 2-1）()Lvt因 为 激 光 来 回 经

31、过 的 距 离 是 探 测 器 到 被 测 目 标 之 间 距 离 的 两 倍 ， 所 以 整 个 结 果需 要 除 2， 其 他 参 数 含 义 为 ：L： 探 测 器 到 探 测 目 标 之 间 的 距 离t： 激 光 往 返 经 过 的 时 间v： 光 速公 式 （ 2-1） 只 是 理 论 公 式 ， 在 实 际 测 量 中 由 于 测 量 的 延 迟 、 误 差 等 原 因 需 要 对计 算 公 式 进 行 多 方 面 的 修 正 。2.1 系 统 工 作 方 式系 统 的 工 作 原 理 是 ： 上 电 配 置 FPGA， 启 动 脉 冲 激 光 测 距 系 统 ， 晶 振 给 F

32、PGA提 供 全 局 时 钟 ， PLL 将 晶 振 送 过 来 的 时 钟 CLK 倍 频 到 200MHz， CLK1 作 为 内 部 计数 器 的 计 数 频 率 ， 同 时 也 是 内 部 系 统 运 行 的 频 率 。 由 于 全 局 时 钟 高 达200MHz， FPGA 内 部 的 布 线 延 迟 也 限 定 在 一 个 时 间 周 期 以 内 ， 即 5ns。 在 使 能 信 号的 有 效 作 用 下 ， 由 CLKl 产 生 一 段 激 光 发 射 芯 片 所 需 要 的 脉 冲 ， 驱 动 激 光 发 射 芯 片发 射 激 光 ， 激 光 接 收 芯 片 做 好 接 收 的

33、 准 备 ， 准 备 接 收 回 波 信 号 ， 在 芯 片 内 部 ， 在 使能 信 号 的 有 效 作 用 下 ， 产 生 激 光 发 射 驱 动 脉 冲 的 同 时 ， 启 动 内 部 高 速 计 数 器 ， 在 激光 脉 冲 接 收 电 路 采 集 到 回 波 信 号 的 同 时 ， 停 止 计 数 ， 计 算 目 标 距 离 ， 将 距 离 显 示 在LED 上 。 为 了 提 高 测 量 精 度 ， 我 们 可 以 使 用 求 平 均 值 来 提 高 测 量 精 度 。2.2 激 光 测 距 实 现 的 方 式目 前 激 光 测 距 的 方 法 主 要 有 连 续 波 体 制 和

34、脉 冲 波 体 制 两 种 实 现 方 法 。 其 中 连 续波 体 制 利 用 回 波 幅 度 和 相 位 进 行 测 距 ， 特 点 是 测 量 精 度 很 高 (一 般 测 量 精 度 都 在 毫米 级 别 以 下 )， 但 是 激 光 调 制 装 置 复 杂 功 率 有 限 。 相 比 之 下 脉 冲 激 光 体 制 有 很 大 的 瞬时 功 率 ， 测 量 距 离 相 对 较 远 ， 而 且 测 量 速 度 要 比 连 续 波 体 制 快 的 多 ， 但 是 其 测 量 精度 不 及 连 续 波 体 制 (一 般 测 量 精 度 在 米 级 别 以 下 )。2.2.1 连 续 波 体

35、 制 简 介激 光 发 射 端 发 射 出 频 率 为 的 正 弦 波 ， 碰 到 被 测 目 标 后 被 反 射 回 来 ， 根 据 所 测0f的 相 位 差 计 算 出 探 测 器 到 被 测 目 标 之 间 的 距 离 。 假 设 正 弦 光 波 往 返 相 位 延 迟 角 度 为 ，则 激 光 经 过 的 时 间 t 为 ：（ 2-2）0tf从 而 可 计 算 出 探 测 器 到 被 测 目 标 之 间 的 距 离 L：（ 2-3）0vLf由 于 连 续 波 体 制 激 光 测 距 系 统 不 是 本 文 主 要 研 究 内 容 ， 在 此 不 做 深 入 研 究 。2.2.2 脉 冲

36、 波 体 制 简 介激 光 发 射 端 发 射 出 激 光 脉 冲 ， 遇 到 目 标 反 射 到 激 光 接 收 端 ， 由 接 收 电 路 对 回 波信 号 进 行 接 收 ， 送 入 计 算 单 元 。 对 激 光 信 号 在 发 射 端 进 行 编 码 ， 在 接 收 端 进 行 解 码 ，通 过 控 制 与 计 算 单 元 内 部 的 高 频 计 数 时 钟 进 行 记 数 ， 测 得 激 光 脉 冲 经 过 的 时 间 ， 从而 可 以 根 据 公 式 （ 2-1） 计 算 出 探 测 器 到 被 测 目 标 之 间 的 距 离 。2.3 脉 冲 激 光 测 距 系 统 原 理本

37、节 主 要 介 绍 激 光 测 距 性 能 、 脉 冲 激 光 测 距 系 统 的 相 互 工 作 顺 序 、 光 学 系 统 以及 发 射 接 收 系 统 的 要 求 。2.3.1 激 光 测 距 性 能最 大 探 测 距 离 是 激 光 探 测 系 统 的 一 个 重 要 的 性 能 指 标 。 对 于 激 光 测 距 系 统 ， 当被 测 目 标 越 远 时 ， 所 接 收 到 的 回 波 信 号 就 越 弱 ， 当 回 波 信 号 小 到 与 干 扰 相 当 时 ， 系统 就 无 法 探 测 出 该 距 离 ， 这 个 距 离 就 称 为 最 大 探 测 距 离 。 影 响 激 光 探

38、 测 系 统 最 大 探测 距 离 的 因 素 主 要 有 ：1.激 光 信 号 的 功 率 ；2.被 测 物 体 的 反 射 率 ；3.被 测 物 体 的 面 积 ；4.大 气 太 阳 光 的 影 响 ；5.接 收 系 统 光 透 过 率 。激 光 测 距 系 统 的 最 大 探 测 距 离 不 仅 取 决 于 测 距 系 统 自 身 性 能 ， 同 时 与 外 部 条 件有 密 切 的 关 系 。 如 果 想 获 得 最 大 探 测 距 离 ， 需 要 同 时 考 虑 内 部 和 外 部 因 素 ： 在 激 光测 距 系 统 中 ， 可 以 提 高 发 射 单 元 的 发 射 功 率 ，

39、增 大 接 收 单 元 的 面 积 ， 增 大 发 射 光 学系 统 和 接 收 光 学 系 统 的 透 过 率 。 提 高 接 收 灵 敏 度 （ 即 减 小 接 收 机 的 最 小 可 探 测 功 率 ）来 提 高 最 大 探 测 距 离 。 同 时 系 统 设 计 时 还 应 考 虑 到 外 部 相 关 条 件 ： 大 气 透 过 率 越 高 ，被 测 目 标 的 有 效 发 射 截 面 积 和 漫 反 射 越 大 激 光 测 距 系 统 的 最 大 测 程 也 会 随 之 增 加 。2.3.2 激 光 的 高 斯 光 束 特 性在 激 光 测 距 系 统 设 计 中 ， 对 激 光 源

40、 经 准 直 后 发 射 并 通 过 大 气 信 道 传 输 的 光 束 按高 斯 光 束 对 待 。 当 然 ， 实 际 的 光 束 可 能 会 由 于 许 多 原 因 (如 大 气 信 道 的 湍 流 效 应 、衰 减 效 应 等 影 响 )产 生 变 化 ， 在 信 道 条 件 极 度 恶 劣 的 情 况 下 ， 甚 至 接 收 到 的 不 是 高 斯分 布 的 光 束 ， 但 是 一 般 情 况 下 ， 经 大 气 信 道 传 输 的 光 束 可 按 高 斯 光 束 对 待 。2.3.3 脉 冲 激 光 测 距 系 统整 个 激 光 测 距 系 统 的 发 射 、 接 收 以 及 计

41、时 系 统 的 工 作 顺 序 如 图 2-2 所 示 (显 示以 及 数 据 接 口 等 部 分 未 标 出 )：激光器计时开始光敏管目标体计时器 记录时间电路延时电路延时电路延时时间轴图 2-2 激 光 发 射 接 收 工 作 顺 序同 步 脉 冲 上 升 沿 控 制 激 光 发 射 模 块 工 作 的 同 时 计 时 器 开 始 计 时 ， 信 号 依 次 经 过发 射 、 反 射 、 接 收 过 程 ， 当 接 收 到 反 射 信 号 时 计 时 器 纪 录 时 间 ， 计 时 器 记 录 的 时 间为 激 光 信 号 往 返 探 测 器 和 目 标 物 之 间 的 时 间 。当 进

42、行 距 离 测 量 时 ， 需 要 不 停 的 发 射 和 接 收 激 光 信 号 ， 同 时 对 激 光 信 号 进 行 编码 和 解 码 ， 分 别 对 编 码 的 信 号 记 录 时 间 。 另 一 方 面 ， 计 数 器 很 大 程 度 上 影 响 测 量 精度 ， 计 时 器 计 数 频 率 越 高 整 个 系 统 的 探 测 精 度 就 越 高 。 鉴 于 这 两 个 方 面 ， 选 用FPGA 芯 片 作 为 处 理 核 心 ， 可 以 完 成 激 光 信 号 编 码 和 译 码 的 工 作 ， 而 且 其 内 部 有PLL(锁 相 环 )可 以 进 行 片 内 倍 频 ， 作

43、为 高 频 的 计 数 脉 冲 。2.3.4 光 学 系 统在 激 光 测 距 系 统 工 作 时 ， 阳 光 以 及 其 他 的 外 界 干 扰 对 激 光 接 收 系 统 形 成 很 大 的干 扰 ， 选 用 的 激 光 器 发 射 的 激 光 波 长 为 936+l0nm， 工 作 在 红 外 光 段 ， 因 此 在 激 光接 收 端 增 放 了 红 外 窄 带 滤 光 片 ， 用 以 提 高 光 的 透 过 率 。2.3.5 发 射 接 收 系 统 要 求激 光 测 距 系 统 对 精 度 的 要 求 比 较 高 ， 发 射 端 的 理 想 状 态 是 激 光 器 发 出 的 激 光

44、信号 经 准 直 透 镜 后 以 平 行 光 射 出 ， 而 在 接 收 端 的 理 想 状 态 是 能 准 直 透 镜 能 将 接 收 到 的平 行 光 束 聚 焦 到 接 收 光 敏 管 上 。2.4 半 导 体 激 光 器 的 特 性首 先 研 究 半 导 体 激 光 器 的 主 要 特 性 ， 它 直 接 影 响 着 发 射 的 激 光 脉 冲 质 量 。 半 导体 激 光 器 属 于 半 导 体 二 极 管 的 范 畴 ， 除 具 有 二 极 管 的 一 般 特 性 以 外 (如 伏 安 特 性 )，还 具 有 特 殊 的 光 频 特 性 。1.阈值特性对 于 半 导 体 激 光 器

45、 ， 当 外 加 正 向 达 到 某 一 值 时 ， 输 出 光 功 率 将 急 剧 增 加 ， 这 时将 产 生 激 光 振 荡 ， 这 个 电 流 称 为 阈 值 电 流 ， 常 用 表 示 。 当 半 导 体 激 光 器 的 注 入 电thI流 时 ， 激 光 器 只 存 在 自 发 辐 射 现 象 ， 发 出 微 弱 的 荧 光 ， 此 时 具 有 很 宽 的 光 谱 范thI围 和 很 宽 的 横 向 光 束 宽 度 ； 而 当 注 入 电 流 时 ， 激 光 器 则 发 射 激 光 ， 光 功 率 随th驱 动 电 流 的 增 加 而 增 大 ， 光 谱 范 围 与 光 束 宽 度

46、 都 会 随 着 驱 动 电 流 的 增 加 而 减 小 ， 最小 的 谱 宽 度 可 达 1nm。2.调制特性数 字 信 息 (以 “0”或 “1”编 码 )直 接 调 制 的 半 导 体 激 光 器 ， 电 流 突 然 上 升 到 高电 平 (相 应 于 “1”码 )， 则 在 电 流 脉 冲 前 沿 与 被 其 激 励 的 光 之 间 会 有 一 个 时 延 ，dt同 时 所 产 生 的 光 需 经 一 个 张 弛 过 程 才 能 达 到 稳 态 ， 即 在 高 速 调 制 下 ， 将 产 生 调 制dt畸 变 ， 这 是 由 电 子 与 光 子 相 互 作 用 的 动 力 学 过 程

47、所 引 起 的 ， 可 通 过 求 解 它 们 的 速 率方 程 得 出 ：dt（ 2-4）dththIn为 信 号 脉 冲 的 延 时 ； 为 在 阙 值 处 的 载 流 子 寿 命 (一 般 为 2 5ns)； I 是 脉dt th冲 电 流 ； 是 阈 值 电 流 。thI减 少 最 简 单 的 方 法 是 在 激 光 器 上 再 加 上 一 个 接 近 阈 值 电 流 的 偏 置 电 流 。d thIb这 时 式 (2-4)变 为 ：（ 2-5）()dththbIn由 式 (2-5)可 知 ， 当 时 ， 有 =0； 同 时 在 上 述 过 渡 过 程 开 始 的 突 变 幅 度 也b

48、thIdt减 小 。 但 是 ， 当 直 流 偏 置 在 阈 值 以 上 (即 )时 ， 脉 冲 调 制 会 出 现 张 弛 振 荡 现 象 ，bth将 会 使 消 光 比 (“1”码 与 “0”码 的 光 功 率 之 比 )减 小 ， 使 接 收 机 灵 敏 度 降 低 。 因 而 ，实 际 应 用 中 要 避 免 出 现 现 象 。 在 激 光 测 距 系 统 中 ， 半 导 体 激 光 器 是 工 作 在bth状 态 下 ， 此 时 张 弛 振 荡 现 象 仅 可 能 出 现 在 脉 冲 的 上 升 沿 ， 后 沿 侧 单 调 衰 减 。bth3.温度特性激 光 器 的 阈 值 电 流

49、和 光 输 出 功 率 随 温 度 变 化 的 特 性 称 为 温 度 特 性 。 温 度 过 高 激光 器 将 停 止 激 射 ， 温 度 每 升 高 10“C， 阙 值 就 增 大 5 -25 。 由 于 各 种 温 度 影 响 因素 非 常 复 杂 ， 不 可 能 使 用 单 一 的 方 程 将 各 种 激 光 器 在 所 有 温 度 范 围 内 的 关 系 公 式 化 。但 是 ， 也 由 以 下 经 验 公 式 来 粗 略 表 示 电 流 是 随 温 度 的 变 化 ：th（ 2-6）0Tthe式 (2-6)中 ， 为 时 的 阈 值 电 流 ， 为 特 征 温 度 ， T 为 工 作 温 度 。 在 同 样0I0T0T条 件 下 ， 阈 值 电 流 升 高 ， 输 出 功 率 就 下 降 。第 3 章 激 光 编 码 及 解 码由 于 激 光 测 距 系 统 在 实 际 应 用 过 程 中 会 受 到 很 多 干 扰 ， 包 括 自 然 界 的 干 扰 和 人为 的 干 扰 等 ， 采 用 窄 带 滤 光 片 手 段 虽 然 可 以 起 到 抗 干 扰 的 作 用 ， 但 是 并 不 能 完 全 消除 干 扰 因 素 的 影 响 。 为 此 ，