【正文】 增管的放大倍數(shù)足夠大時(shí)，熱噪聲比暗電流噪聲小，可忽略；冷卻光電陰極可使暗電流降低12個(gè)數(shù)量級(jí)。按照探測(cè)方法來分，激光接收機(jī)可分為兩類：(1)非相干或直接探測(cè)接收機(jī)；(2)相干探測(cè)或光混頻接收機(jī)。激光回波脈沖是先經(jīng)接收通道的光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和前置放大后進(jìn)入時(shí)刻鑒別單元的，光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制以及接收通道引入的噪聲和帶寬限制都將影響回波脈沖波形的完整恢復(fù)。目前時(shí)刻鑒別的方法主要有三種：前沿鑒別、恒定比值鑒別和高通容阻鑒別。3) 數(shù)字插入法：是通過采用數(shù)字法結(jié)合各種不同的插入方法來實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的，可以同時(shí)得到高單脈沖測(cè)量精度和高線性，能夠適應(yīng)高速、大測(cè)量范圍和高精度的應(yīng)用領(lǐng)域。 1) 模擬法：即在待測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)一已知電容以大電流進(jìn)行充電， 然后對(duì)其以小電流放電()，則放電時(shí)間為，實(shí)際測(cè)得。簡單閾值探測(cè)電路中的探測(cè)誤差是由激光脈沖有限上升時(shí)間以及目標(biāo)對(duì)脈沖的展寬所引起的。它由和的測(cè)量誤差所決定。與此同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮接收視場(chǎng)和光束發(fā)散角的匹配。由上面兩式可得，激光測(cè)距儀接收系統(tǒng)輸出的信噪比為： (227) 式中，電流的倍增因子，探測(cè)器接收的信號(hào)功率，探測(cè)器的量子效率，普朗克常數(shù)，光波頻率，玻爾茲曼常數(shù)，絕對(duì)溫度，接收系統(tǒng)帶寬，等效負(fù)載電阻，管后面視頻放大器的噪聲系數(shù)，與倍增過程相關(guān)的噪聲系數(shù)，探測(cè)器接收到的目標(biāo)回波平均光功率，探測(cè)器接收到的背景光功率，管的體漏電流。其特點(diǎn)為：1)信號(hào)能量主要集中在一定的頻帶范圍內(nèi)；2)當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間減小時(shí)，頻譜中通過零點(diǎn)的頻率也隨之增高，頻譜寬度也增大。因此，要使傳遞的信息表現(xiàn)為光功率，利用光電探測(cè)器的這種直接的光電轉(zhuǎn)換便可實(shí)現(xiàn)信息的解調(diào)，這種探測(cè)器被稱為直接探測(cè)。式()中，為激光發(fā)射束的發(fā)散角，是激光測(cè)距系統(tǒng)的接收視場(chǎng)角。其原理如圖21所示，為了使激光接收系統(tǒng)能夠更多地接收激光發(fā)射系統(tǒng)的激光功率，并且能同時(shí)保證背景輻射盡可能少地進(jìn)入激光接收系統(tǒng)，就必須使得激光接收系統(tǒng)的接收視場(chǎng)角Ωr和激光發(fā)射角Ωt之間能夠有一個(gè)良好的匹配關(guān)系。這一時(shí)間間隔成為飛行時(shí)間t，它可由計(jì)數(shù)器從激光脈沖起止所經(jīng)過時(shí)鐘脈沖的周期個(gè)數(shù)來確定，設(shè)在這段時(shí)間內(nèi)，時(shí)鐘脈沖周期為T，進(jìn)入計(jì)數(shù)器脈沖個(gè)數(shù)為n，被測(cè)距離為s，則有： (21) 脈沖式激光測(cè)距儀具有測(cè)程遠(yuǎn)、測(cè)量速度快等特點(diǎn)。研制低成本，高精度，大量程，低功耗的激光測(cè)距機(jī)有很大的現(xiàn)實(shí)意義。總體而言，國內(nèi)對(duì)激光測(cè)距技術(shù)的研究尚處于發(fā)展階段，技術(shù)還不夠成熟，需要做的工作還有很多。 國內(nèi)方面國內(nèi)的樣機(jī)的研究是從20世紀(jì)70年代開始的，是在原來的固體和氣體激光測(cè)距機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[9]。與第一代相比，在隱蔽性、體積、重量、耗電等方面都有著很大的改善，因此，第二代激光測(cè)距儀開始迅速發(fā)展。之后，激光測(cè)距技術(shù)迅速發(fā)展。近年來發(fā)展了一種便攜式、對(duì)人眼安全、無合作目標(biāo)、低價(jià)的適用于家庭的LED激光測(cè)距儀 [2]。在科學(xué)研究、軍事技術(shù)、能源開發(fā)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、信息產(chǎn)業(yè)及醫(yī)療衛(wèi)生等方面，激光也正作為新的技術(shù)發(fā)揮著巨大的作用，融入到我們的日常生活中。它的亮度為太陽光的100億倍。 TDCGP2IX目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 國外方面 2 國內(nèi)方面 3 研究意義 4 本論文研究的內(nèi)容 4第2章 脈沖激光測(cè)距的基礎(chǔ) 5 脈沖激光測(cè)距的原理 5 脈沖激光測(cè)距的性能方程 7 脈沖激光測(cè)距儀的信噪比方程 10 脈沖激光探測(cè)器的光探測(cè)原理 10 信噪比方程 10 脈沖激光測(cè)距儀的測(cè)距性能指標(biāo) 12 最大測(cè)程 13 探測(cè)靈敏度 13 距離誤差 14 15 時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù) 15 16 17 本章小結(jié) 19第3章脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 20 脈沖激光接收電路 22 雪崩光電二極管APDand關(guān)鍵詞　激光；測(cè)距；單片機(jī)；TDCGP2I 第1章 緒論 AbstractLaser基本要求1. 完成激光測(cè)距系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)；2. 完成關(guān)鍵部件的選型與設(shè)計(jì)；3. 通過仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬、調(diào)試；4. 按照燕山大學(xué)電氣學(xué)院本科生學(xué)位論文撰寫規(guī)范完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）的編寫。）；理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）。完成算法與硬件電路設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。brightness,laser。時(shí)刻鑒別電路設(shè)計(jì) 27 預(yù)鑒別恒定比值時(shí)刻鑒別電路設(shè)計(jì) 30 時(shí)間間隔測(cè)量原理 31 32 距離計(jì)算部分 33 34 計(jì)算部分子程序設(shè)計(jì) 36年已被著名的美國物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但直到相信在新的世紀(jì)，激光技術(shù)將會(huì)給人類的生活帶來全新的改變。 在軍事方面，世界各國的軍事競(jìng)賽促進(jìn)了各項(xiàng)科技的飛速發(fā)展，激光從軍方的青睞，目前，世界各國對(duì)激光測(cè)距的研究越來越多，各種不同型號(hào)的激光測(cè)距儀得到了廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，美國，俄羅斯等國家的知名公司開始合作研發(fā)，推出的產(chǎn)品涉及工業(yè)、海洋和航天等各個(gè)行業(yè)。例如美國的“斯米爾”人眼安全激光測(cè)距儀[7]。1996年，中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制出的半導(dǎo)體激光測(cè)距機(jī)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)LD1。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。具體來說，激光測(cè)距儀向著目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后，由測(cè)距儀的回波接收系統(tǒng)接收，并且測(cè)量光脈沖從發(fā)射到返回所經(jīng)過的時(shí)間。根據(jù)式 ()可得脈沖激光測(cè)距精度，如式(22)： (22)由式()可知，在光速一定的條件之下，激光測(cè)距精度主要取決于時(shí)間間隔的測(cè)量，其原理圖21所示。假設(shè)由發(fā)射系統(tǒng)所發(fā)射的激光的峰值功率為TtPt，激光束的立體角為Ωt，則有，激光光源照射在被測(cè)目標(biāo)上的輻射照度如式(27)： (27)其中，是激光的傳輸距離為R時(shí)的大氣透過率，進(jìn)一步，可得式(28)： (28)式中，是大氣消光系數(shù)，假設(shè)被測(cè)目標(biāo)是理想的漫反射體，那么以被測(cè)目標(biāo)作為二次輻射源向各個(gè)方向輻射的亮度可由式(29)得： (29)式中，是目標(biāo)輻射出的輻射度，它的值為，為目標(biāo)的漫反射度。此方程雖然只是一個(gè)簡化方程，但依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，它依然可以估算出激光測(cè)距儀的最大探測(cè)距離以及影響激光測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距性能的相關(guān)因素，這是激光測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，假設(shè)輸入光電探測(cè)器的信號(hào)光功率為，噪聲光功率為，光電探測(cè)器的輸出電功率為，輸出的噪聲電功率為。若激光脈沖的主要能量集中于帶寬以內(nèi),則放大器帶寬取為，就能 脈沖激光測(cè)距儀的測(cè)距性能指標(biāo) 脈沖激光測(cè)距儀就使用而言，其性能指標(biāo)基本上可歸納為測(cè)量范圍、測(cè)量精度及測(cè)量靈敏度等。 探測(cè)靈敏度激光測(cè)距儀的探測(cè)靈敏度即最小可探測(cè)功率定義為，滿足測(cè)距概率要求的最小信噪比所對(duì)應(yīng)的探測(cè)功率。即： (231)1)距離計(jì)數(shù)器中的量化誤差假定目標(biāo)回波脈沖具有線性的時(shí)間特性并具有均勻越過閾值的概率，則由探測(cè)誤差引起的距離誤差為： (233)式中，Rt為激光回波脈沖的上升時(shí)間S。2) 數(shù)字法:即用同步時(shí)鐘脈沖對(duì)時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)時(shí)。數(shù)字插入法是基于數(shù)字測(cè)量的方法，他繼承了數(shù)字法的測(cè)量范圍大和線性好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過插入法提高測(cè)量精度。因此，前沿鑒別法的測(cè)量誤差是很大的。n結(jié)的光生伏特效應(yīng)制成的，但無內(nèi)部增益；利用雪崩倍增效27應(yīng)制成的倍增管的增益可達(dá)，響應(yīng)時(shí)間非常短，是高精度微弱信號(hào)探測(cè)的首選探測(cè)器。這類探測(cè)方法由光電探測(cè)器接收從目標(biāo)返回的激光能量，并把它轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。即使在光電探測(cè)器噪聲和背景噪聲都不存在的理想情況下(例如己采取有關(guān)措施使它們降低到可以忽略不計(jì)的程度)，但由于信號(hào)輻射本身的量子性，仍然存在著量子噪聲。同時(shí)，因?yàn)橹蓄l放大器的帶寬比光學(xué)濾光片窄很多，光混頻則適宜減小背景噪聲的影響。/s，將產(chǎn)生10GHz的多普勒頻移。 35 脈沖激光接收電路 雪崩光電二極管APD由于APD把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，因此運(yùn)算放大器和電阻R2完成電流轉(zhuǎn)電壓功能，把APD輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，U=I=R2，提供給后續(xù)電路。由于該電路產(chǎn)生的電壓會(huì)受到電源電壓、溫度等因素的影響，因此為了使其產(chǎn)生的高壓穩(wěn)定，并且使該高壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)，在高壓發(fā)生電路中加入一個(gè)反饋回路，如圖35所示。工作頻率：F1=5GHz當(dāng)接收回波較強(qiáng)時(shí)，經(jīng)過放大電路以后輸出的波形不僅幅值增加，而且脈寬也展寬。激光脈沖飛行時(shí)間測(cè)距是通過準(zhǔn)確測(cè)量激光脈沖發(fā)射和接收時(shí)刻來實(shí)現(xiàn)的，因此高精度時(shí)刻鑒別是實(shí)現(xiàn)高精度激光脈沖測(cè)距的基礎(chǔ)。影響前沿時(shí)刻鑒別法時(shí)刻鑒別精度的主要因素有：輸入脈沖幅度大小與者脈沖形狀變化、接收通道的帶寬和動(dòng)態(tài)范圍、閾值電壓大小、最大值可能接近脈沖上升時(shí)間。對(duì)于幅度不同，上升時(shí)間也不同的情況，真恒比定時(shí)同樣會(huì)給出較大誤差，這時(shí)應(yīng)選擇滿足條件： (41) (42) 圖41 恒定比值時(shí)刻鑒別其中定時(shí)點(diǎn)，與信號(hào)幅值和上升時(shí)間無關(guān)，這是稱為幅值和上升時(shí)間補(bǔ)償定時(shí)，ACR定時(shí)點(diǎn)發(fā)生在信號(hào)的上升沿上，為了去除噪聲的誤定時(shí)，預(yù)鑒別器的時(shí)刻鑒別點(diǎn)應(yīng)該在ACR定時(shí)點(diǎn)之前，而且預(yù)鑒別閾值要盡量低，即便如此仍不能完全避免小信號(hào)和慢信號(hào)的錯(cuò)誤定時(shí)的情況，所以往往在ACR定時(shí)電路中加入慢信號(hào)拒絕電路或雙閾值鑒別電路，其中慢信號(hào)拒絕的原理是對(duì)于選定的和，那些ACR定時(shí)點(diǎn)超前于預(yù)鑒別點(diǎn)的信號(hào)被視為慢信號(hào)，電路會(huì)對(duì)這類事例加以拒絕，不給出定時(shí)輸出。除漂移誤差外，在時(shí)刻鑒別過程中還存在時(shí)間抖動(dòng)，它是由于輸入信號(hào)噪聲和來自接收通道的附加噪聲產(chǎn)生的，抖動(dòng)幅度還與信號(hào)脈沖上升沿寬度、信號(hào)強(qiáng)度、時(shí)刻鑒別單元的帶寬以及鑒別類型有關(guān)。RRR4分別為三路信號(hào)的阻抗匹配電阻。在延遲線中，每兩個(gè)基本的CMOS非門為一個(gè)基本延遲單元，并且每個(gè)非門具有相同的延時(shí)時(shí)間，并且改時(shí)間固定。具有兩個(gè)測(cè)量范圍，其精度均達(dá)到。其最小分辨率是，均方根噪音大約是。 TDC寄存器配置 測(cè)量模式 每個(gè)通道采樣次數(shù) 時(shí)鐘設(shè)置 校準(zhǔn)設(shè)置 初始化TDC TDC單元等待 開始脈沖信號(hào) 截止通道1脈沖信號(hào) 讀取數(shù)據(jù) 截止通道2脈沖信號(hào) 時(shí)間溢出 校準(zhǔn)測(cè)量 ALU數(shù)據(jù)計(jì)算 ALU根據(jù)HIT1和HIT2 向HIT1和HIT2 進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算 寫入新的數(shù)據(jù) 單次采樣 多次采樣 產(chǎn)生中斷 讀取數(shù)據(jù) 圖44 TDCGP2測(cè)量控制流程如圖單片機(jī)最小系統(tǒng)主要是為了保證單片機(jī)系統(tǒng)正常工作。計(jì)算機(jī)控制LED顯示部分本部分主要是通過單片機(jī)控制四個(gè)LED數(shù)碼管來顯示出所測(cè)得得距離，主要包括87C51單片機(jī)芯片，四個(gè)74HC573鎖存器，四個(gè)數(shù)碼管（分別顯示所測(cè)得的距離的十位、個(gè)位、十分位和百分位）、三個(gè)與門和四個(gè)三極管。 單片機(jī)控制的LED顯示部分電路設(shè)計(jì)本部分主要是單片機(jī)控制所測(cè)得的距離各個(gè)位的顯示，、個(gè)位、十分位、百分位顯示，對(duì)應(yīng)低電平有效，同時(shí)，其中，個(gè)位數(shù)的小數(shù)點(diǎn)持續(xù)顯示，接低電平，具體硬件電路圖如圖49：55XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD53