1、日期 20 年 月 日课程设计任务书学 院理学院 一种改进的脉冲式激光测距仪实践教学要求与任务: 脉冲式激光测距仪原理简单,集成化和小型化比较好,采用直接计数激光脉冲延迟时间方法测量距离,精度比较低。本课设采用高精度电容的大充放电时间常数比的方法,将待测的微小时间放大,采用较低的时钟精确测量激光脉冲回波与主计数时钟之间小于一个周期的时间间隔,提高了脉冲式激光测距仪的测量精度。工作计划与进度安排:时间：1718周，具体安排如下： 一三天：翻阅相关书籍，查找相关电子资料了解脉冲式测距仪基本原理和方法 三八天：以脉冲式激光测距仪简单易行的工作原理为基础，设计实验方案 八十天：进行测量、处理显示阶段，
2、检验设计成果 十十四天：简单说明脉冲式测距仪的工作原理和过程 第十四天：统一答辩指导教师： 201 年 月 日专业负责人：201 年 月 日学院教学副院长： 摘要:本课设给出了系统设计框图,实验数据表明,此系统和普通脉冲式激光测距仪相比,距离分辨率提高了20 倍。关键词: 激光测距; 激光脉冲; 距离分辨率;引言： FPGA 计数随着技术的进步,激光测距机向着标准化、多功能、高可靠性和小型化的方向发展,追求更高的性价比,更广的应用范围。按实现机理,激光测距仪可分为脉冲式和连续波相位式。脉冲式的优势在于测试距离远,信号处理简单,被测目标可以是非合作的,但其缺点是测量精度并不太高,作用距离一般为数
3、百米至数十千米, 距离分辨率在米量级。以脉冲式激光测距仪简单易行的工作原理为基础,本课设提出了一种改进方案,提高了它的测量精度和系统的综合性能。一.传统脉冲式激光测距仪的工作原理 传统脉冲式激光测距的原理 是:由激光器对被测目标发射一个光信号,然后接收目标反射回来的光信号,通过测量光信号往返经过的时间,计算出目标的距离。测量公式为:L = ct/ 2 （1）式中: L 为待测目标的距离, t 为光信号往返所花的时间, c为光传播速度。传统脉冲式激光测距仪由激光发射系统,激光接受系统,计数系统（数据采集及信息处理、显示） 以及电源共4部分组成。其通常的测量过程为:（1） 发射机发射激光脉冲,同时
4、启动计数器开始计数。（2） 激光脉冲遇到待测物体,产生回波,并由接收机接收,终止计数器计数。（3） 根据计数结果算出被测目标距离。这种方法简单易行,但是测量精度不高。其中主要误差是因为回波脉冲与计数时钟的相对关系是随机的,最大误差为一个计数时钟周期。如图1 所示。激光脉冲在测距仪和目标之间的往返传输时间为Tm 。计数器输出为N ,时钟信号周期为T ,测得延迟时间为N T 。在测量过程中, 结束时间Te 被多加进去了。有下列公式:Tm = N T - Te所以,要想提高脉冲式测距仪的测距精度,最直接的方法就是提高系统时钟频率 。比如系统时钟为3 GHz时,测量精度会达到5 cm 。但是,高频带来
5、的电路设计,印刷板的制作难度和成本的急剧提高,使得直接提高系统频率来提高测量精度的方法变得不可取。二加入模拟处理模块提高测距精度 由FPGA组成的数字系统的精度受系统时钟最高频率的制约,为了以较低的系统时钟频率达到较高的测量精度,我们在传统脉冲式激光测距仪的计数系统部分加入了模拟处理模块。电容器件充放电周期稳定,精度高。随着充放电电流大小的改变,达到阈值电平的时间便会相应的变短变长。利用这一特性,采用模数转换技术A/ D 电路方法来提高激光测距仪的精度。为了测得一个很短时间的值,采用这段短时间内大电流放电,然后以小电流慢慢充电的方法,会使得充电时间对应比例的延长,以较低频率的数字系统的计数器,
6、便可以轻松测得此放大过的时间值,再由对应比例关系求得短时间充电的时间,从而提高测距系统的精确度。如图2 所示,左半边是通过大电流放电时电容器上的电压曲线,右半图为小电流充电时的电压曲线。小电流由V x 充电到U 时所花费的时间远远大于大电流从U 放电到V x 所需的时间。设V 0为电容上的初始电压值;U 为给电容充电的外部电源电压;V t为t 时刻电容上的电压值。则电压计算公式为:V t = V 0 + （U - V 0 ） 1 - exp （ - t/ RC） （2）所需时间计算公式为:t = RC ln （U1 - V 0 ） / （U - V t ） （3）具体测量方法:将小电流的元件参
7、数Rb , Cb , T2 , 代入式（2） 可以测得电压值V x 。将V x 和大电流的的元件参数Ra , Ca 代入式（3） 可以求得大电流放电的时间T1 。电路实现如图3 所示。等待状态, K1 , K2 闭合,电路稳定。放电周期:回波脉冲将高速开关K1 断开,电路通过RC 回路放电,由于R（ R1 / / R2 ） 较小,放电电流很大。放电时间很短。充电周期:系统检测到计数时钟脉冲上升沿到来, 立刻将K2 打开, K1 合上。整个RC 电路R 值变大,充电电流变小,充电时间变长, 可以使用数字计数器对这段时间进行测量。结束标志:等到小电流充电达到一个预设的电平值,比较器送出截止脉冲,计
8、数器停止计数。开关K1 , K2 的转化速度将影响测量精度,为了提高精确度,选用了高速的CMOS 开关MAX4616 。三.系统的总体框架 根据以上改进思想,新的系统由激光收发电路部分,模拟电容充放电部分, FPGA 控制部分,后续处理显示部分组成。在控制器的控制下,整个系统经过测量和处理显示2个阶段 。1.测量阶段 FPGA 给发射电路送出一个开始脉冲,同时,启动一个计数器（此计数器为1 号计数器） 开始计数。接收电路以模拟方式接收到反射回来的回波信号后,将打开模拟开关K1 ,系统以大电流放电。等到计数时钟的上升沿来到,1 号计数器停止计数,K1 合上, K2 打开,系统将以小电流充电。这时
9、, FPGA 启动另一个计数器（此计数器为2 号计数器） ,进行计数,直到电容充电达到阈值电压,比较器送出截至脉冲,2 号计数器停止计数。通过2 号计数器的计数值以及计数脉冲每周期时间值,可以得出用小电流充电的时间。2. 处理显示阶段 在得到小电流充电的时间后,可以由上面给出的电容充放电式（2） ,式（3） ,经过运算处理,得出用大电流放电的时间,即接收到回波脉冲后到下个计数时钟脉冲上升沿的时间。但是,实时运算需要消耗大量的系统资源,会提高硬件成本,还会产生延迟 。在实际实验的基础上发现,电容充放电的时间极短,在纳秒级别,这么短的时间内,RC 回路放电曲线近似于一条直线,该直线斜率与RC 值呈
10、正比例的关系。基于此正比例关系,后续处理电路得到了简化。实际选取小电流的RC 值为大电流的10 倍。1 号计数器计算的时间为T1 , 2 号计数器得出的小电流放电时间为T2 ,则采用该系统测得的时间为T = T1 - T 2 / 10 。采用5 p F 的高精度钽电容作为充放电电容,大电流时R 为10 k ,小电流时R 为100 k。经过实验验证,在2050 m 的区间范围内,精度达到分米量级,与原系统相比,距离分辨率提高了约20 倍。系统框图如图4 所示,整个系统的测量精度由电容充放电的精度来决定。选择精度更高的电容可以使得测量精度得到提高。四测量实验测量范围为20600 m ,对此区间取下
11、列几个点进行测量。实验表明,传统型激光测距仪的误差在5 m ,且不随测量距离的增减而有显著变化。加入了模数转换的改进型,测距精度有了显著提高,测量误差在0. 5 m 左右。但是,在临近系统测量极限时,由于反射回来的激光较弱,以及多径效应的影响,数模转换模块性能下降,误差加大。在测量量程中值附近,有着最好的精确度。五结论 加入一个简单的高精度电容电路,以较低的成本,提高了测量精度,与传统的脉冲式激光测距仪相比,精度提高了几十倍。性价比很高,具有广泛的市场应用前景,适合应用于便携式和低成本的测距领域。参考文献1 克希耐尔. 固体激光工程M . 北京:北京科学出版社,2002.2 霍玉晶,陈千颂,潘
12、志文. 脉冲激光雷达的时间间隔测量综述J . 激光与红外,2001 ,31 3 赵大龙,秦来贵. 脉冲激光测距接收技术的研究J .光电技术应用,2005 ,20 .4 戴炳明,张雏. 脉冲激光测距机的测距误差分析J . 激光技术,1999 ,23 5 Cyclone Device Handbook （All sections ） DB/OL . （2006） . http :/ / www. altera. com.6 冯国旭,常保成. 高精度激光测距技术研究J . 激光与红外,2007 ,37 7 董明磊,赵春宇,陈大跃. 数字式微电容测量系统及其应用 J . 电子测量技术, 2007 , 30 8 余华涛,陶玉茂,黄启俊. 激光测距仪远程控制系统设计 J . 国外电子测量技术, 2006 , 25 9 马业伟,赵尚弘,蒙文,等. 激光测距信号内插法研究J . 现代电子技术,2007 ,30
