单脉冲激光测距系统设计.docx

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单脉冲激光测距系统设计

基于单脉冲激光的测距研究

摘要

该设计采用单脉冲激光进行距离的测量。

在光电检测系统中，采用了可以控制的激光光源作为信号的发射装置，配以光电倍增管（PMT）作为接收装置和信号处理电路，通过获取激光发射到激光反射回接收装置的时间来计算出所测目标的距离。

该测距系统通过发送单个脉冲的激光进行测量，具有速度快、精度高的特点，通过电子门的精确控制计数器的开始和停止，极大减小了系统的误差。

关键词：

单脉冲激光；光电检测;光电倍增管（PMT）

Researchaboutrangefinderbasedonsinglepulselaser

Abstract

ThisdesignUSESsinglepulselasertodistancemeasurement.Inphotoelectricdetectionsystem,usingthecancontrollasersourcesasasignaltransmittingdevices,matchwithphotoelectricacceptancedevice（PMT）andsignalprocessingcircuit,throughtogetlaserpulselaserreflectedbacktoreceivingdevicesoftimetocalculatethedistanceofthetarget.Themeasurementsystembysendingasinglepulselasermeasurement,highspeed,highprecision,thecharacteristicsofelectronicdoorthroughtheprecisecontrolcounterthestartandstop,greatlyreducingtheerrorofthesystem.

Keywords:

singlepulselaser;Photoelectricdetection;PMT

目录

一、引言

光学测距在气象研究、大地测量和科学研究，军事，宇航探测等众多领域中有着广泛的应用，激光技术用于测距，具有速度快，精度高，不受地形限制的优点。

其缺点是易受气候影响，常常不能全天候使用，但是还是不失为一种好的测距方式。

脉冲激光测距以其峰值功率高、探测距离远、测距精度高、对光源相干性要求低等优点，在工业、航空航天、大地测量、建筑测量和机器人等领域获得广泛应用。

在军事上，测量范围从几百米到几十千米相应的精度从几十厘米到几百米。

（1）

常见的激光测距系统有单脉冲激光测距，重复脉冲激光测距，连续波相位测距等。

其中单脉冲激光测距的方式原理简单，装置也并不复杂，使用脉冲激光器向目标发射激光脉冲，然后通过测算被目标反射回来的光脉冲的往返时间，从而计算目标的距离。

二、激光测距系统的原理结构

单脉冲激光测距的基本原理

单脉冲激光测距的基本原理，是使脉冲激光器向目标发射激光脉冲，然后通过测算被目标反射回来的光脉冲的往返时间，从而计算出目标的距离。

设目标的距离为L，光脉冲往返路程的距离是2L，光在空气中的传播速度为C=3×108m/s,那么光脉冲往返所用时间t为：

t=

所以目标的距离是：

L=

只要通过精确计时电路计算出激光在2L路程里走过的时间就可以直观的计算出距离L，最后通过显示器显示出来。

总的原理方框图

单脉冲激光测距系统主要由三个基本部分组成：

激光发射系统、接收系统和控制计数系统。

图2.1单脉冲激光测距系统原理图

激光发射系统的任务是发射功率高、束射脚小得激光脉冲。

接收系统接收由目标反射回来的极弱的激光脉冲，然后由光电管将其转换为电脉冲信号并加以放大。

再通过计数电路对激光脉冲往返所经过的时间进行计数以得出所测距离。

为了计算距离，激光发射脉冲的一部分经过取样棱镜输入接收系统作为基础信号，基础光电脉冲通过们控出发打开电子门使其计数器开始计数，回波脉冲到达后再通过门控使得电子门关闭，计数结束，最后由显示器显示测量结果。

（2）

三、激光测距系统的实现

脉冲激光发射模块

半导体激光器要想获得一个大能量，窄脉宽的光脉冲，就需要一个能提供良好光脉冲的种子光源，其不仅要求输出的光脉冲有高的重复频率、快的上升沿、窄的脉冲宽度、一定幅值的脉冲电流，而且输出的光脉冲最好要平滑，激光输出的功率和中心波长稳定。

国内现有的采用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）作为驱动的脉冲激光驱动电源，其输出脉冲都大于15ns。

采用雪崩晶体管的激光驱动电源，其输出脉冲可达纳秒级，但其输出脉冲信号的前沿、脉宽、频率、峰值电流都受限于雪崩晶体管本身的参数特性，不能随意调节。

（3）采用如下图3.1所示的驱动电源，针对不同的激光器可以通过改变电路中电源电压、电阻、电容参数获得不同的重复频率、前沿、脉冲宽度和脉冲峰值电流，且输出脉冲波形平滑。

图3.1驱动电路单元框图

如驱动电路单元框图3.1所示，首先由振荡器产生一个频率可调的方波（0~50KHz）,通过整形电路得到一定脉宽的晶体管逻辑电路信号（TTL）脉冲信号。

此TTL脉冲信号经过高速MOSFET驱动芯片转换为互补金属氧化物半导体（CMOS）电平脉冲信号，为高速MOSFET提供快速的上升沿和足够驱动电流的栅极驱动信号。

储能电容为激光二极管（LD）提供稳定的电源电压，偏置电流提供可平滑输出的激光脉冲波形，防止LD被反向电压损坏。

驱动电路的主回路如图3.2所示。

高速COMS电平触发脉冲经电阻R1后输入到MOSFETQ的栅极。

当MOSFETQ的栅极端为低电平时，MOSFETQ截止，V1通过电阻R2，电容C，电阻R3，二极管D1和地回路为电容C充电，最大充电电平为+V1。

当MOSFETQ栅极端有正脉冲输入时，MOSFETQ导通，电容C上存储的电荷通过MOSFETQ、地、电阻R4、LD和电阻R3回路迅速释放，在LD两端产生一个快速的电压跳变，在电荷释放的瞬间，LD受激输出脉冲激光。

电源V2通过R5为LD提供所需的偏置电流Ib,以平滑激光器输出的光脉冲波形。

图3.2驱动电路的主回路

脉冲激光接收模块

在本脉冲激光测距系统中，激光通过LD发射出去，经目标物体反射回来时需要一个光电接收器，因为采用的是单脉冲激光，有限能量的单脉冲在经过空气中传输，被空气和被测物部分吸收、散射之后反射回来的信号可能较为微弱，为了使得微弱信号能被有效的检测到，故采用较为常见而且非常有利于检测微弱信号的光电倍增管（PMT）作为接收返回来的脉冲激光。

光电倍增管（PMT）是光子技术器件中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。

其主要特点是灵敏度高，噪声小，稳定性好和相应速度快，特别适宜于弱光和快速变化的信号检测。

可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。

（4）

光电倍增管（PMT）一般结构和工作原理如下：

图3.3PMT工作原理图

光电倍增管是一种真空器件。

它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。

典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。

图3.3所示为端窗型光电倍增管的剖面结构图。

倍增电极的作用是使前级发射的电子数，通过二次电子发射效应得以倍增放大。

由光电阴极发射出来的光电子，在聚焦电极和阳极电场的作用下，高速撞击倍增电极而形成二次电子发射，经过多级倍增过程后，最后被阳极收集而形成输出光电流。

定义二级发射电子数为I2与一次注入电子数I1的比为倍增电极的二次发射系数δ=I2/I1,倍增电极就是由二次电子发射系数δ大的一些材料构成的。

一般金属最大二次发射系数δmax为0.5~1.8之间，半导体在5~6之间，而专为加大二次电子发射而制成的复杂面可达十几。

如常用含碱复杂面Ag-O-Cs可达11，MgO氧化材料δmax在15~20之间。

经过多级倍增电极的倍增效应，假如每级的倍增系数为δ，倍增级数为n，则可使光电倍增管倍增益G=δn,通常G可达到106~108。

光电倍增管存在暗电流，产生暗电流的原因主要是：

1）阳极和各级间的漏电流；2）光电阴极和倍增电极引起的热电子发射；3）离子反馈；4）光反馈。

暗电流一般在10-8A量级。

对本系统没有明显的影响。

考虑到时间在本系统的研究中起着决定测量精度至关重要的作用，分析下光电倍增管得响应时间是十分有必要的。

PMT的响应时间主要是指光脉冲照射光电阴极时，光电倍增管输出波形从幅度的10%上升到幅度的90%时的平均时间，也叫做脉冲上升时间，而光电倍增管得响应时间一般是10-9s左右，不会对测距系统照成很大的影响。

控制计数模块

时间间隔测量的方法

时间间隔的测量在系统的设计过程中显得尤为重要，它是直接而且是最主要的决定测量精度的关键点。

而目前最为常见的时间间隔测量方法主要有三种：

模拟法、数字法和数字插入法。

其中数字插入法是脉冲激光测距中精度最高的，主要有延迟线插入法、模拟插入法和差频测相插入法3种。

由德国ACAM公司设计的一种高精度时间数字转换芯片TDC-GP1采用的就是延迟线插入法技术。

利用TDC-GP1芯片，与上述激光测量模块组成了一套基于PCI总线的时间间隔测量系统。

该模块具有测量范围大、线性好、测量精度高的优点。

此模块的开发和利用将有利于提高脉冲激光测距的测量精度。

数字插入法时间间隔测量技术

在目前几种主要的时间间隔测量方法中，数字插入法是通过采用数字法结合各种不同的插入方法来实现精确测量的，可以同时得到高单脉冲测量精度和高线性，具有测量范围大、线性好、测量精度高的优点，因此其综合性能是最佳的。

数字插入是基于数字测量的方法，它继承了数字法的测量范围大和线性好的优点，同时通过插入法提高测量精度。

数字法的时间间隔测量误差如图3.4所示，主要来源于时钟脉冲的上升沿与测量开始和终止脉冲的上升沿之间的时间差ta和tb，所导致的误差大小为:

△T=nT-tm=tb-ta

其中T为时钟脉冲周期,nT为测得时间间隔,tm为实际时间间隔。

运用插入法的目的就是通过在信号开始处与信号结束处使用各种插入法高精度测量ta与tb，从而求出△T。

对测量结果进行修正：

tm=nT-△T=nT-tb+ta

图3.4数字法时间间隔测量误差

TDC-GP1芯片工作原理

TDC-GP1是由德国ACAM公司设计的一种高精度时间数字转换芯片。

芯片内部一方面通过锁相环提高计数频率，即减小图3.4所示ta和tb的值，从而提高计数精度；另一方面采用如图3.5所示的门延时技术，即芯片内部通过门延迟来精确测量图3.4所示ta和tb的值，从而得到高精度的时间间隔测量值，测量精度依赖于单个门延迟的延迟时间（可达百皮秒量级）。

该芯片有控制寄存器、结果寄存器和状态寄存器，控制寄存器用于控制TDC-GP1的测量模式，结果寄存器用来存储测量结果，状态寄存器指示TDC-GP1的状态。

其具有一个共用的Start通道和2个测量通道（Stop1和Stop2），当两个通道同时使用时，双通道分辨率为250ps；当只使用一个通道时（即只使用Start和Stop1）,单通道分辨率为125ps。

TDC-GP1具有两种测量范围：

测量范围1是3ns~7.6us;测量范围2是60ns~200ms（此时只能使用单通道）。

可通过改变写入芯片控制寄存器的值，选择使芯片工作于测量范围1或者是测量范围2。

图3.5TDC-GP1芯片测量单元

硬件部分和程序设计

图3.6为利用该芯片开发的时间间隔测量模块的体系结构。

模块以TDC芯片为核心，利用单片机进行控制和数据传输。

单片机通过内置程序与TDC芯片的寄存器之间进行通信。

单片机程序通过设置TDC-GP1芯片相应的控制寄存器来确定TDC的工作模式。

考虑到实际应用情况，模块采用了TDC-GP1的单通道测量，芯片工作于测量范围2，测时分辨率125ps，测量范围60ns~200ms。

图3.6时间测量模块结构

如图3.6所示，Start为起始信号，接参考信号取样经光电接收转换电路并整形后的输出信号；Stop为停止信号，接回波经光电接收转换电路并放大，整形后的输出信号；复位信号Reset用于每次测量的复位，与脉冲激光触发是同步的。

恒温控制晶体振荡器（OCXO）为整个模块提供时序。

单片机从TDC中将测量结果读出并写入FIFO1中缓存，DSP将FIFO1中的数据进行处理，并将处理后的结果写入FIFO2的数据读出并通过PCI总线传送给应用程序，以供显示、记录、分析处理。

程序设计流程图如图3.7：

图3.7计时部分流程图

四、测量效果与误差分析

测量效果分析

本单脉冲激光测距系统采用了高效的脉冲激光发射系统，得到了稳定性好，脉冲宽度窄的单脉冲激光源，给测量系统提供了可靠、方便的测量信号。

当测量激光脉冲发出的同时，通过一个取样三棱镜取出激光脉冲的一部分作为计时开始的信号，这部分激光被PMT管接收后，变成启动计数器计时的脉冲信号，导致计时器开始计时。

反射光回来之后再次触发计时器使其停止计时。

整个系统具有十分高效的模块，接收器PMT管大大提高了系统灵敏度和稳定性，从而提高测量精度。

而控制计时模块采用的是TDC-GP1芯片，利用TDC芯片组成的数字插入计时系统，极大的减小了计时的误差。

而且系统可以通过复位进行多次重复的测量，可以通过统计多次测量的结果求出平均测量值，获得非常理想的测量效果。

误差分析

在本单脉冲激光测距系统中，误差的来源主要可能来自激光在空气中传播时的吸收和散射等，光电倍增管自身的噪声和控制计时模块的计时误差。

而其中可能对测量系统照成的误差影响最大的是计时误差。

因为脉冲激光发射模块发射的激光只是提供一个可靠稳定的脉冲激光源，测量激光脉冲走过的路程，所以激光本身对测量的影响不是很大，只要脉冲激光的脉冲宽度足够窄，可以认为，激光脉冲本身对测量精度没有影响。

激光脉冲在传播的过程中吸收和散射，气候条件引起的误差是随机的，可以通过选择适当时机测量而减小和消除这种影响，因此，这种来自气候条件的误差可以认为是一种约束，对测量精度影响也可以忽略。

来自光电倍增管的噪声影响主要有a.背景辐射引起的光电流Ib=GeηPb/hνb.光电阴极的暗电流id。

前面提到暗电流的产生方式和大小，可以知道，暗电流的影响是非常小的，不足以达到计数器开始计数的电信号脉冲大小。

因此需要考虑的是背景辐射引起的误差。

为了避免背景辐射引起的误差，可以采用将光电倍增管制作在暗箱内，或者采用对称背景光补偿电路抵消背景辐射的影响。

从而避免了光电倍增管的误差影响。

对本测量系统照成的误差最可能来自计时模块的计时误差。

系统采用的TDC-GP1芯片的计时分辨率为△T=125ps，那么测量精度约为：

△L=

△T≈15∽20cm

可以看到，对于较远距离的单脉冲激光测量，已经达到比较理想的精度，测量误差是非常小的了。

五、结束语

本文围绕单脉冲激光测距进行相关的研究和设计，提出了一个高精度单脉冲激光测距的方案。

通过设计一个可以控制的激光脉冲驱动电路来驱动半导体激光器，使其提供可靠的测量信号，同时采用高灵敏度的光电倍增管来收集反射回来的脉冲激光信号，然后通过高精度的数字插入法测量时间间隔，大大减小的测量的误差，得到了很好的测量效果。

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