【正文】 0%，即取脈沖上升沿中半高點(diǎn)到達(dá)的時(shí)刻為起止時(shí)刻，如不考慮波形畸變和噪聲等其它因數(shù)的影響，由幅度變化引起的誤差，由此可見，恒定比值鑒別法能有效消除由脈沖幅度變化帶來的誤差。正由于探測器的工作機(jī)理各不相同，其對光信號(hào)波形的還原能力也不同,因此,在考慮時(shí)刻鑒別誤差時(shí),必須結(jié)合使用的探測器和時(shí)刻鑒別類型，以及光信號(hào)波形類型分別對待。光電探測器輸出的電信號(hào)正比于探測器接收到的光功率，不要求光信號(hào)具有相干性，因此這種探測方法又稱為非相干探測。292) 外差探測外差探測的信噪比公式為： (235) 式中的分子為二次檢波后的信號(hào)與本振功率混頻后獲得的均方根電流；B為探測器后面前置放大器的帶寬。2)有高度穩(wěn)定的、單色的激光發(fā)射器和本機(jī)振蕩器。因此，為了獲得多普勒頻移信息，這一類運(yùn)動(dòng)目標(biāo)要求激光本地振蕩器能快速的調(diào)頻，改變激光器的頻率有幾種方法，但目前還沒有一種令人滿意。 當(dāng)給TRIGER高電平時(shí)，3導(dǎo)通，電容C1經(jīng)激光器放電，此時(shí)，激光器在一個(gè)很短時(shí)間內(nèi)可通過一個(gè)峰值電流大約為20mA左右的電流脈沖，使其發(fā)出相應(yīng)峰值功率大約為20w的激光脈沖。APD具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、抗強(qiáng)磁場干擾和動(dòng)念范圍大等優(yōu)點(diǎn)，尤其是它的響應(yīng)時(shí)間非常短，對微弱信號(hào)也有相當(dāng)高的靈敏度，所以既能保證激光測距系統(tǒng)的測距精度，又能擴(kuò)大測距的范圍，是以APD是脈沖激光測距系統(tǒng)激光接收器件的最佳選擇。 圖33 APD驅(qū)動(dòng)電路 37 高壓發(fā)生電路控制開關(guān)三極管D42C1的導(dǎo)通、截止。 反饋信號(hào)輸入至圖34中555振蕩器的第5管腳，通過控制該管腳，可以使555振蕩器輸出方波的頻率和占空比發(fā)生變化，從而控制輸出電壓，使高壓發(fā)生電路工作穩(wěn)定。類型：PNP 本章小結(jié)本章主要內(nèi)容是對激光測距的發(fā)射電路和激光脈沖接收電路的設(shè)計(jì)，對這兩部分內(nèi)容做了系統(tǒng)的介紹，同時(shí)根據(jù)相關(guān)電路的參數(shù)要求，對相關(guān)的元器件進(jìn)行選擇；并且重點(diǎn)研究了激光脈沖接收電路，比如APD驅(qū)動(dòng)電路，高壓發(fā)生電路以及相關(guān)的反饋和放大電路等。目前時(shí)刻鑒別的方法主要有三種：前沿鑒別、過零鑒別（又稱高通容阻鑒別）和恒定比值鑒別。包括三個(gè)誤差源：一是幾何漂移誤差（理想接收器同樣會(huì)產(chǎn)生），二是接收電路有限的帶寬、壓擺率和動(dòng)態(tài)范圍，三是比較器傳輸延遲時(shí)間。 預(yù)鑒別恒定比值時(shí)刻鑒別電路設(shè)計(jì)時(shí)間鑒別精度主要受幅度波動(dòng)及抖動(dòng)（噪聲）的影響。輸入到時(shí)刻鑒別單元的噪聲分為白噪聲和相干噪聲，它們對時(shí)間抖動(dòng)的作用是不同的[20]。圖42所示的恒定比值時(shí)刻鑒別電路中共使用了兩個(gè)高速比較器，其中A1作為恒定比值時(shí)刻鑒別比較器，A2作為預(yù)鑒別比較器。開始脈沖信號(hào)在進(jìn)入延時(shí)系統(tǒng)之后，沿延遲線傳播，當(dāng)截止脈沖來臨時(shí)，開始脈沖信號(hào)已經(jīng)過若干延時(shí)單元，并且到達(dá)相應(yīng)的抽頭處的起始脈沖信號(hào)被記錄入寄存器，讀取寄存器中的數(shù)值即可得出開始信號(hào)從進(jìn)入TDC系統(tǒng)開始到截止脈沖到達(dá)這段時(shí)間內(nèi)所經(jīng)過的延時(shí)單元個(gè)數(shù)（即門電路的個(gè)數(shù)）N，假設(shè)每個(gè)門電路的延時(shí)為，則可求出開始脈沖和截止脈沖之間的時(shí)間間隔。通過四線SPI與控制器相連，具有最高1MHz的連續(xù)數(shù)據(jù)輸出。2) TDCGP2硬件電路設(shè)計(jì)圖43所示的是TDCGP2外圍硬件電路原理圖，在TDCGP2的應(yīng)用中需要兩個(gè)石英晶振，和，分別如圖43中所示的方式接入電路中。主要由AT87C51單片機(jī)、外部振蕩電路、復(fù)位電路和+5V電源組成。 LED，四位顯示，分別為十位、個(gè)位和兩個(gè)小數(shù)位十分位、百分位，所以選用了四個(gè)LED數(shù)碼管。 距離計(jì)算部分前一部分已經(jīng)給出了三個(gè)時(shí)間變量，即為所測的時(shí)間間隔T（ns）TA(ns)TB(ns)，該計(jì)算部分主要由單片機(jī)完成，其功能主要是針對TDCGP2送來的三個(gè)時(shí)間值進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)計(jì)算，計(jì)算出相對應(yīng)的所測得的距離值。由環(huán)形振蕩器的位置和粗值計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以計(jì)算出Start信號(hào)和Stop信號(hào)之間時(shí)間間隔，測量范圍可達(dá)20位。TDCGP2主要由TDC測量模塊，16位算術(shù)邏輯模塊(AUL)，溫度測量模塊以及4線SPI串行數(shù)據(jù)接口組成。采用CMOS門延遲的數(shù)字化延時(shí)線技術(shù)TDC原理。第三路信號(hào)直接輸入到比較器A2的正相輸入端。而且，延時(shí)波動(dòng)可通過增加比較器帶寬減小。恒定比值時(shí)刻鑒別可以給出較高的定時(shí)性能，它的基本原理是將輸入信號(hào)分為三路：選擇第一路的衰減信號(hào)，和第二路的反向延時(shí)信號(hào)相加產(chǎn)生的過零點(diǎn)為時(shí)刻鑒別的定時(shí)點(diǎn)，第三路信號(hào)為前沿預(yù)鑒別，只有當(dāng)輸入信號(hào)的幅值大于前沿預(yù)鑒別值時(shí)，過零點(diǎn)定時(shí)才能輸出，根據(jù)反向信號(hào)延時(shí)量的不同，恒定比值定時(shí)又可分為兩種：當(dāng)延時(shí)量滿足時(shí)，其中P為第一路的信號(hào)衰減比，為定時(shí)點(diǎn)發(fā)生在衰減路信號(hào)的達(dá)到峰值的時(shí)刻，這時(shí)稱為真恒比定時(shí)，定時(shí)點(diǎn)在信號(hào)的吩＝以處似為輸入信號(hào)最大幅度）即處于信號(hào)幅度的恒定比例點(diǎn)，真恒比適合上升時(shí)間相同但幅度不同的輸入信號(hào)定時(shí)。由于前沿時(shí)刻鑒別法方法采用固定的閾值，由于目標(biāo)回波幅度的變化和脈沖前后沿的影響，對應(yīng)通過閾53第4章 計(jì)算機(jī)顯示部分設(shè)計(jì)值點(diǎn)的時(shí)刻變化很大，即到達(dá)時(shí)間隨脈沖寬度而變化，從而導(dǎo)致脈沖激光測距誤差的產(chǎn)生。主要由高速比較器及其附屬電路實(shí)現(xiàn)。Q3和Q4采用高頻三極管，典型工作參數(shù)： 通過產(chǎn)生方波控制開關(guān)三極管D42C1的導(dǎo)通、截止,電感的儲(chǔ)能作用、自感效應(yīng)，電容的儲(chǔ)能作用，從而在輸出端得到所需的高壓，具體如圖34所示。R1為限流電阻,保護(hù)APD，防止電流過大燒壞晶體管；C為濾波電容，靠近APD放置，濾除高壓引起的雜波。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，采用上圖電路可獲得大約上升時(shí)間為5ns、半脈寬為200ns的光脈沖。砷化銦鎵（InGaAs）21半導(dǎo)體激光器的輸出波長為905nm，位于大氣的紅外光第一穿透區(qū)邊緣，穿透率很高，是一種常用的高功率半導(dǎo)體激光器，： 圖32 脈沖激光發(fā)射電路 當(dāng)給TRIGER低電平時(shí)，Ql、Q3截止，高壓經(jīng)過RCDl和R1并聯(lián)電路向電容C2充電，使C2兩端的電壓達(dá)到150V左右。例如，目標(biāo)相對于lμm波長激光測距儀的徑向速度為5km在混頻器表面直徑為1cm、光波長為1μm時(shí)，視場角必須小rad。從輸出信噪比的角度看，由于本振信號(hào)強(qiáng)，該強(qiáng)信號(hào)與一弱信號(hào)混頻后可以消除探測器的內(nèi)部噪聲。當(dāng)用雪崩光電二極管接收時(shí)，則背景噪聲是主要噪聲源，減小背景噪聲的主要措施是采用窄帶濾光片和盡量減小接收視場。1) 直接探測光電倍增管是利用光電發(fā)射效應(yīng)工作的，其增益M可達(dá)；PIN是利用p由脈沖幅度與形狀變化引起的漂移誤差為，其大小還與閾值的大小有關(guān)，最大值可能接近脈沖上升時(shí)間。但由于電容充放電過程中，充放電時(shí)間之間的關(guān)系不是絕對線性的，存在非線性現(xiàn)象，其大小大致為測量范圍的萬分之一，這就限制了測量范圍，或者說隨著測量范圍的增加，精度會(huì)降低；另外，電容的充放電性能受溫度的影響非常大(達(dá)1030ps/c),對測量系統(tǒng)的溫度特性要求就非?？量獭Ｒ虼?，由此造成的距離誤差是(或回波信號(hào)幅度)、閾值及激光脈沖波形的函數(shù)。因此，測距誤差主要由的測量誤差造成，主要有以下三個(gè)誤差源：1)距離計(jì)數(shù)器中的量化誤差；2)激光脈沖寬度引起的探測誤差；3)距離計(jì)數(shù)器時(shí)鐘的頻率誤差。因此，對激光測距儀測程的擬定與測試，必須要在一定外部約束條件下進(jìn)行。為： (228)由以上各式可知，影響脈沖激光測距儀性能的主要因素有激光測距儀的本身性能、激光的大氣傳輸特性、背景輻射特性、被測目標(biāo)特性等。因此，在探測較窄的脈沖信號(hào)時(shí)，應(yīng)采用較寬的放大器。因?yàn)橹苯犹綔y具有實(shí)現(xiàn)簡單和可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，脈沖激光測距機(jī)等諸多光電設(shè)備一般都采用這種方法。激光測距方程直觀地描述出了到達(dá)激光測距儀接收器的光電探測器的回波功率和測距機(jī)的發(fā)射功率、激光束發(fā)散角、光學(xué)系統(tǒng)的透過率以及其接13收視場等性能參數(shù)；傳輸介質(zhì)的衰減，目標(biāo)有效反射界面與反射率等目標(biāo)特性之間的關(guān)系。假設(shè)激光測距儀的發(fā)射和接收系統(tǒng)是非同軸的，并且激光光強(qiáng)是均勻分布的(事實(shí)上是按照高斯分布的[13])。一般應(yīng)用于遠(yuǎn)距離探測的航天、軍事等項(xiàng)目中。9第2章 脈沖激光測距的基礎(chǔ) 第2章 脈沖激光測距的基礎(chǔ) 脈沖激光測距的原理 激光測距基本原理是通過測量光脈沖的飛行時(shí)間來測量其與目標(biāo)之間的距離的。 研究意義隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，激光將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。國內(nèi)研究激光測距儀的具體單位有：北京光儀廠、常州第二電子儀器廠、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所等[10]。經(jīng)過近些年的發(fā)展，激光測距技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，激光測距儀已經(jīng)發(fā)展至第三代[6]，稱為人眼安全激光測距。美國Leica公司也在同一年，研制出了實(shí)用的小型激光測距機(jī)，[5]。激光測距代替了人工測尺，解決了有人為因素帶來的精度誤差問題，而且測量速度更快，大大提高5了工作效率?？傊?dāng)今激光及其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)與人類社會(huì)息息相關(guān)、不可缺少的龐大產(chǎn)業(yè)。1916計(jì)時(shí)部分 27coherence and so forth,therefore, bining the laser sensor technology and automatic control technology in the distance measurement,laser ranging is one of the most popular applications. The principle and characteristics of laser sensor are introduced in this paper, and the performance and characteristics of AT87C51 single chip on the basis of analyzing the principle of laser ranging, the idea and the problem of the design of ranging system are pointed hardware circuit and software design method of low cost, high precision and micro digital display of the core of AT87C51 microcontroller are given,the system is reasonable, stable, and energy is good, the detection speed is fast, and the calculation is simple. And the system is easy to do realtime control, and the measurement accuracy can meet the requirements of industrial the time interval measurement unit based on TDCGP21 is designed by using TDCGP21 time measurement principle.Keywords:　high關(guān)鍵部件的選型、設(shè)計(jì)、分析和計(jì)算。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于脈沖激光的測距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書學(xué)院：電氣工程學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：儀器科學(xué)與工程系學(xué)號(hào)1101 學(xué)生姓名 專 業(yè)班 級(jí)精儀112題目題目名稱基于脈沖激光的測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目性質(zhì)：工程設(shè)計(jì) （）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（214。參考資料1. 劉鋒，脈沖半導(dǎo)體激光測距機(jī)的研制及應(yīng)用[J]，紅外與激光工程，20032. 周炳琨，激光原理[M]，國防工業(yè)出版社，20013. 朱林泉，現(xiàn)代激光工程應(yīng)用技術(shù)[M]，國防工業(yè)出版社，2008周 次1—4周5—8周9—12周13—16周17周應(yīng)完成的內(nèi)容熟悉任務(wù)，查閱相關(guān)資料，完成設(shè)計(jì)方案和技術(shù)分析。possesseshigh 22 APD驅(qū)動(dòng)電路 22 高壓發(fā)生電路 23 24 24 本章小結(jié) 26第4章 計(jì)時(shí)及顯示部分設(shè)計(jì) 27它的原理早在諸如文化、娛樂、商業(yè)貿(mào)易等等。在民用方面，例如：在鋼鐵廠和軋鋼廠用于過程監(jiān)控、行車定位系統(tǒng)、裝卸處理設(shè)備的定位系統(tǒng)、大型工件裝配定位等等。美國Bushnell公司于1996年推出測距距離為400m的400型LD激光測距儀YD400，同年，又研制出了測量距離為800m的800型激光測距儀。美國于1977年研制出了AN/GVS5型的第一臺(tái)手持式Nd:YAG激光測距機(jī)，該測距機(jī)的外形采用了普通手持式雙筒望遠(yuǎn)鏡的外形特征，而且大小與普通望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)，重量僅為2kg。目前已經(jīng)具備了基礎(chǔ)技術(shù)，主要是解決工程應(yīng)用方面的問題。由于起步較晚，所以更應(yīng)該加快激光測距方面的研究步伐。本課題通過對傳統(tǒng)測距儀的電路的研究及改進(jìn)，力圖設(shè)計(jì)出一款精度較高的激光測距儀，具體內(nèi)容如下：(1) 研究脈沖激光測距系統(tǒng)影響精度的因素，主要包括影響時(shí)刻鑒別和時(shí)間間隔測量兩個(gè)方面的原因；(2) 研究脈沖激光測距系統(tǒng)的原理，并設(shè)計(jì)出脈沖激光發(fā)射電路和激光脈沖接收電路；(3) 設(shè)計(jì)脈沖激光測距系統(tǒng)的具體算法； (4)以單片機(jī)為核心，建立軟件平臺(tái)，編寫程序，并做好LED顯示部分的工作。但是，由于脈沖激光測距的寬度及電路響應(yīng)速度等方面的問題，造成誤差較大。理論上來說，最為簡單的方法是使接收視場角和激光發(fā)射角相等，亦即Ωr=Ωt，在此情況下，發(fā)射光束的直徑與接收視場的直徑總是相等的。 (216)