一種改進(jìn)的脈沖式激光測距儀的設(shè)計(jì)

1、成 績 評(píng) 定 表學(xué)生姓名陳猛班級(jí)學(xué)號(hào)專 業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目一種改進(jìn)的脈沖式激光測距儀評(píng)語組長簽字：成績?nèi)掌?20 年 月 日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué) 院理學(xué)院專 業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名陳猛班級(jí)學(xué)號(hào)課程設(shè)計(jì)題目 一種改進(jìn)的脈沖式激光測距儀實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù): 脈沖式激光測距儀原理簡單,集成化和小型化比較好,采用直接計(jì)數(shù)激光脈沖延遲時(shí)間方法測量距離,精度比較低。本課設(shè)采用高精度電容的大充放電時(shí)間常數(shù)比的方法,將待測的微小時(shí)間放大,采用較低的時(shí)鐘精確測量激光脈沖回波與主計(jì)數(shù)時(shí)鐘之間小于一個(gè)周期的時(shí)間間隔,提高了脈沖式激光測距儀的測量精度。工作計(jì)劃與進(jìn)度安排:時(shí)間：1718周，具體安排如下：

2、 一三天：翻閱相關(guān)書籍，查找相關(guān)電子資料了解脈沖式測距儀基本原理和方法 三八天：以脈沖式激光測距儀簡單易行的工作原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案 八十天：進(jìn)行測量、處理顯示階段，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成果 十十四天：簡單說明脈沖式測距儀的工作原理和過程 第十四天：統(tǒng)一答辯指導(dǎo)教師： 201 年 月 日專業(yè)負(fù)責(zé)人：201 年 月 日學(xué)院教學(xué)副院長：201 年 月 日目錄摘要:4引言：5一.傳統(tǒng)脈沖式激光測距儀的工作原理5二加入模擬處理模塊提高測距精度6三.系統(tǒng)的總體框架71.測量階段72. 處理顯示階段7四測量實(shí)驗(yàn)8五結(jié)論9參考文獻(xiàn)10 摘要: 脈沖式激光測距儀原理簡單,集成化和小型化比較好,采用直接計(jì)數(shù)激光脈沖延遲

3、時(shí)間方法測量距離,精度比較低。本課設(shè)采用高精度電容的大充放電時(shí)間常數(shù)比的方法,將待測的微小時(shí)間放大,采用較低的時(shí)鐘精確測量激光脈沖回波與主計(jì)數(shù)時(shí)鐘之間小于一個(gè)周期的時(shí)間間隔,提高了脈沖式激光測距儀的測量精度。本課設(shè)給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,此系統(tǒng)和普通脈沖式激光測距儀相比,距離分辨率提高了20 倍。關(guān)鍵詞: 激光測距; 激光脈沖; 距離分辨率; 引言： FPGA 計(jì)數(shù)隨著技術(shù)的進(jìn)步,激光測距機(jī)向著標(biāo)準(zhǔn)化、多功能、高可靠性和小型化的方向發(fā)展,追求更高的性價(jià)比,更廣的應(yīng)用范圍。按實(shí)現(xiàn)機(jī)理,激光測距儀可分為脈沖式和連續(xù)波相位式。脈沖式的優(yōu)勢在于測試距離遠(yuǎn),信號(hào)處理簡單,被測目標(biāo)可以是非合作的

4、,但其缺點(diǎn)是測量精度并不太高,作用距離一般為數(shù)百米至數(shù)十千米, 距離分辨率在米量級(jí)。以脈沖式激光測距儀簡單易行的工作原理為基礎(chǔ),本課設(shè)提出了一種改進(jìn)方案,提高了它的測量精度和系統(tǒng)的綜合性能。一.傳統(tǒng)脈沖式激光測距儀的工作原理 傳統(tǒng)脈沖式激光測距的原理 是:由激光器對(duì)被測目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光信號(hào),然后接收目標(biāo)反射回來的光信號(hào),通過測量光信號(hào)往返經(jīng)過的時(shí)間,計(jì)算出目標(biāo)的距離。測量公式為:L = ct/ 2 (1)式中: L 為待測目標(biāo)的距離, t 為光信號(hào)往返所花的時(shí)間, c為光傳播速度。傳統(tǒng)脈沖式激光測距儀由激光發(fā)射系統(tǒng),激光接受系統(tǒng),計(jì)數(shù)系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集及信息處理、顯示) 以及電源共4部分組成。其通常

5、的測量過程為:(1) 發(fā)射機(jī)發(fā)射激光脈沖,同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。(2) 激光脈沖遇到待測物體,產(chǎn)生回波,并由接收機(jī)接收,終止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。(3) 根據(jù)計(jì)數(shù)結(jié)果算出被測目標(biāo)距離。這種方法簡單易行,但是測量精度不高。其中主要誤差是因?yàn)榛夭}沖與計(jì)數(shù)時(shí)鐘的相對(duì)關(guān)系是隨機(jī)的,最大誤差為一個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期。如圖1 所示。激光脈沖在測距儀和目標(biāo)之間的往返傳輸時(shí)間為Tm 。計(jì)數(shù)器輸出為N ,時(shí)鐘信號(hào)周期為T ,測得延遲時(shí)間為N T 。在測量過程中, 結(jié)束時(shí)間Te 被多加進(jìn)去了。有下列公式:Tm = N T - Te所以,要想提高脈沖式測距儀的測距精度,最直接的方法就是提高系統(tǒng)時(shí)鐘頻率 。比如系統(tǒng)時(shí)鐘為3 GH

6、z時(shí),測量精度會(huì)達(dá)到5 cm 。但是,高頻帶來的電路設(shè)計(jì),印刷板的制作難度和成本的急劇提高,使得直接提高系統(tǒng)頻率來提高測量精度的方法變得不可取。二加入模擬處理模塊提高測距精度 由FPGA組成的數(shù)字系統(tǒng)的精度受系統(tǒng)時(shí)鐘最高頻率的制約,為了以較低的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率達(dá)到較高的測量精度,我們?cè)趥鹘y(tǒng)脈沖式激光測距儀的計(jì)數(shù)系統(tǒng)部分加入了模擬處理模塊。電容器件充放電周期穩(wěn)定,精度高。隨著充放電電流大小的改變,達(dá)到閾值電平的時(shí)間便會(huì)相應(yīng)的變短變長。利用這一特性,采用模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)A/ D 電路方法來提高激光測距儀的精度。為了測得一個(gè)很短時(shí)間的值,采用這段短時(shí)間內(nèi)大電流放電,然后以小電流慢慢充電的方法,會(huì)使得充電時(shí)間

7、對(duì)應(yīng)比例的延長,以較低頻率的數(shù)字系統(tǒng)的計(jì)數(shù)器,便可以輕松測得此放大過的時(shí)間值,再由對(duì)應(yīng)比例關(guān)系求得短時(shí)間充電的時(shí)間,從而提高測距系統(tǒng)的精確度。如圖2 所示,左半邊是通過大電流放電時(shí)電容器上的電壓曲線,右半圖為小電流充電時(shí)的電壓曲線。小電流由V x 充電到U 時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大電流從U 放電到V x 所需的時(shí)間。設(shè)V 0為電容上的初始電壓值;U 為給電容充電的外部電源電壓;V t為t 時(shí)刻電容上的電壓值。則電壓計(jì)算公式為:V t = V 0 + (U - V 0 ) 1 - exp ( - t/ RC) (2)所需時(shí)間計(jì)算公式為:t = RC ln (U1 - V 0 ) / (U - V

8、 t ) (3)具體測量方法:將小電流的元件參數(shù)Rb , Cb , T2 , 代入式(2) 可以測得電壓值V x 。將V x 和大電流的的元件參數(shù)Ra , Ca 代入式(3) 可以求得大電流放電的時(shí)間T1 。電路實(shí)現(xiàn)如圖3 所示。等待狀態(tài), K1 , K2 閉合,電路穩(wěn)定。放電周期:回波脈沖將高速開關(guān)K1 斷開,電路通過RC 回路放電,由于R( R1 / / R2 ) 較小,放電電流很大。放電時(shí)間很短。充電周期:系統(tǒng)檢測到計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖上升沿到來, 立刻將K2 打開, K1 合上。整個(gè)RC 電路R 值變大,充電電流變小,充電時(shí)間變長, 可以使用數(shù)字計(jì)數(shù)器對(duì)這段時(shí)間進(jìn)行測量。結(jié)束標(biāo)志:等到小電流充

9、電達(dá)到一個(gè)預(yù)設(shè)的電平值,比較器送出截止脈沖,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。開關(guān)K1 , K2 的轉(zhuǎn)化速度將影響測量精度,為了提高精確度,選用了高速的CMOS 開關(guān)MAX4616 。三.系統(tǒng)的總體框架 根據(jù)以上改進(jìn)思想,新的系統(tǒng)由激光收發(fā)電路部分,模擬電容充放電部分, FPGA 控制部分,后續(xù)處理顯示部分組成。在控制器的控制下,整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過測量和處理顯示2個(gè)階段 。1.測量階段 FPGA 給發(fā)射電路送出一個(gè)開始脈沖,同時(shí),啟動(dòng)一個(gè)計(jì)數(shù)器(此計(jì)數(shù)器為1 號(hào)計(jì)數(shù)器) 開始計(jì)數(shù)。接收電路以模擬方式接收到反射回來的回波信號(hào)后,將打開模擬開關(guān)K1 ,系統(tǒng)以大電流放電。等到計(jì)數(shù)時(shí)鐘的上升沿來到,1 號(hào)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù),K1

10、 合上, K2 打開,系統(tǒng)將以小電流充電。這時(shí), FPGA 啟動(dòng)另一個(gè)計(jì)數(shù)器(此計(jì)數(shù)器為2 號(hào)計(jì)數(shù)器) ,進(jìn)行計(jì)數(shù),直到電容充電達(dá)到閾值電壓,比較器送出截至脈沖,2 號(hào)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。通過2 號(hào)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值以及計(jì)數(shù)脈沖每周期時(shí)間值,可以得出用小電流充電的時(shí)間。2. 處理顯示階段 在得到小電流充電的時(shí)間后,可以由上面給出的電容充放電式(2) ,式(3) ,經(jīng)過運(yùn)算處理,得出用大電流放電的時(shí)間,即接收到回波脈沖后到下個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖上升沿的時(shí)間。但是,實(shí)時(shí)運(yùn)算需要消耗大量的系統(tǒng)資源,會(huì)提高硬件成本,還會(huì)產(chǎn)生延遲 。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn),電容充放電的時(shí)間極短,在納秒級(jí)別,這么短的時(shí)間內(nèi),RC 回路

11、放電曲線近似于一條直線,該直線斜率與RC 值呈正比例的關(guān)系。基于此正比例關(guān)系,后續(xù)處理電路得到了簡化。實(shí)際選取小電流的RC 值為大電流的10 倍。1 號(hào)計(jì)數(shù)器計(jì)算的時(shí)間為T1 , 2 號(hào)計(jì)數(shù)器得出的小電流放電時(shí)間為T2 ,則采用該系統(tǒng)測得的時(shí)間為T = T1 - T 2 / 10 。采用5 p F 的高精度鉭電容作為充放電電容,大電流時(shí)R 為10 k ,小電流時(shí)R 為100 k。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在2050 m 的區(qū)間范圍內(nèi),精度達(dá)到分米量級(jí),與原系統(tǒng)相比,距離分辨率提高了約20 倍。系統(tǒng)框圖如圖4 所示,整個(gè)系統(tǒng)的測量精度由電容充放電的精度來決定。選擇精度更高的電容可以使得測量精度得到提高。四測

12、量實(shí)驗(yàn)測量范圍為20600 m ,對(duì)此區(qū)間取下列幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)表明,傳統(tǒng)型激光測距儀的誤差在5 m ,且不隨測量距離的增減而有顯著變化。加入了模數(shù)轉(zhuǎn)換的改進(jìn)型,測距精度有了顯著提高,測量誤差在0. 5 m 左右。但是,在臨近系統(tǒng)測量極限時(shí),由于反射回來的激光較弱,以及多徑效應(yīng)的影響,數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊性能下降,誤差加大。在測量量程中值附近,有著最好的精確度。五結(jié)論 加入一個(gè)簡單的高精度電容電路,以較低的成本,提高了測量精度,與傳統(tǒng)的脈沖式激光測距儀相比,精度提高了幾十倍。性價(jià)比很高,具有廣泛的市場應(yīng)用前景,適合應(yīng)用于便攜式和低成本的測距領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)1 克希耐爾. 固體激光工程M . 北京:北京科學(xué)出版社,2002.2 霍玉晶,陳千頌,潘志文. 脈沖激光雷達(dá)的時(shí)間間隔測量綜述J . 激光與紅外,2001 ,31 3 趙大龍,秦來貴. 脈沖激光測距接收技術(shù)的研究J .光電技術(shù)應(yīng)用,2005 ,20 .4 戴炳明,張雛. 脈沖激光測距機(jī)的測距誤差分析J . 激光技術(shù),1999 ,23 5 Cyclone Device Handbook (All sections ) DB/OL . (2006) . http :/ / www. alt