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　　1、根据单脉冲激光的测距研讨摘 要该规划选用单脉冲激光进行距离的丈量。在光电检测体系中，选用了能够操控的激光光源作为信号的发射设备，配以光电倍增管（PMT）作为接纳设备和信号处理电路，经过获取激光发射到激光反射回接纳设备的时刻来核算出所测方针的距离。该测距体系经过发送单个脉冲的激光进行丈量，具有速度快、精度高的特色，经过电子门的准确操控计数器的开端和中止，极大减小了体系的差错。要害词：单脉冲激光；光电检测 ;光电倍增管（PMT）Research about range finder based on single pulse laser AbstractThis design USES singl

　　4、; Photoelectric detection;PMT目录一、 导言 光学测距在气候研讨、大地丈量和科学研讨，军事，宇航勘探等很多范畴中有着广泛的运用，激光技能用于测距，具有速度快，精度高，不受地势束缚的长处。其缺陷是易受气候影响，常常不能全天候运用，可是仍是不失为一种好的测距办法。脉冲激光测距以其峰值功率高、勘探距离远、测距精度高、对光源相干性要求低一级长处，在工业、航空航天、大地丈量、修建丈量和机器人等范畴取得广泛运用。在军事上，丈量规模从几百米到几十千米相应的精度从几十厘米到几百米。（1） 常见的激光测距体系有单脉冲激光测距，重复脉冲激光测距，接连波相位测距等。其间单脉冲激光测距的办法

　　5、原理简略，设备也并不杂乱，运用脉冲激光器向方针发射激光脉冲，然后经过测算被方针反射回来的光脉冲的往复时刻，然后核算方针的距离。二、 激光测距体系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，是使脉冲激光器向方针发射激光脉冲，然后经过测算被方针反射回来的光脉冲的往复时刻，然后核算出方针的距离。设方针的距离为L，光脉冲往复旅程的距离是2L，光在空气中的传达速度为C=3108m/s,那么光脉冲往复所用时刻t为：t=所以方针的距离是：L=只需经过准确计时电路核算出激光在2L旅程里走过的时刻就能够直观的核算出距离L，最终经过显现器显现出来。总的原理方框图单脉冲激光测距体系首要由三个基本部

　　6、分组成：激光发射体系、接纳体系和操控计数体系。驱动电源LD激光器脉冲扩大及整形PMT管TDC芯片单片机显现器PCI总线时标震动复位电路取样棱镜图2.1 单脉冲激光测距体系原理图 激光发射体系的使命是发射功率高、束射脚小得激光脉冲。接纳体系接纳由方针反射回来的极弱的激光脉冲，然后由光电管将其转化为电脉冲信号并加以扩大。再经过计数电路对激光脉冲往复所经过的时刻进行计数以得出所测距离。为了核算距离，激光发射脉冲的一部分经过取样棱镜输入接纳体系作为根底信号，根底光电脉冲经过们控动身翻开电子门使其计数器开端计数，回波脉冲抵达后再经过门控使得电子门封闭，计数完毕，最终由显现器显现丈量成果。（2）三、 激光

　　7、测距体系的完成脉冲激光发射模块 半导体激光器要想取得一个大能量，窄脉宽的光脉冲，就需求一个能供给杰出光脉冲的种子光源，其不只需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、必定幅值的脉冲电流，并且输出的光脉冲最好要滑润，激光输出的功率和中心波长安稳。国内现有的选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。选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自身的参数特性，不能随意调理。（3）选用如下图3.1所示的驱动电源，针对不同的激光器能够经过改动电路中电源电压、电

　　8、阻、电容参数取得不同的重复频率、前沿、脉冲宽度和脉冲峰值电流，且输出脉冲波形滑润。图3.1 驱动电路单元框图振荡器整形电路高速MOSTETMOSFET驱动LD偏置电流储能电容维护二极管 如驱动电路单元框图3.1所示，首先由振荡器发生一个频率可调的方波（050KHz）,经过整形电路得到必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驱动芯片转化为互补金属氧化物半导体（CMOS）电平脉冲信号，为高速MOSFET供给快速的上升沿和满足驱动电流的栅极驱动信号。储能电容为激光二极管（LD）供给安稳的电源电压，偏置电流供给可滑润输出的激光脉冲波形，防止LD被反向电压损坏

　　9、。 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MOSFET Q的栅极。当MOSFET Q的栅极点为低电平时，MOSFET Q截止，V1经过电阻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MOSFET Q栅极点有正脉冲输入时，MOSFET Q导通，电容C上存储的电荷经过MOSFET Q、地、电阻R4、LD和电阻R3回路敏捷开释，在LD两头发生一个快速的电压跳变，在电荷开释的瞬间，LD受激输出脉冲激光。电源V2经过R5为LD供给所需的偏置电流Ib,以滑润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纳模块在本脉冲激

　　10、光测距体系中，激光经过LD发射出去，经方针物体反射回来时需求一个光电接纳器，由于选用的是单脉冲激光，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或许较为弱小，为了使得弱小信号能被有用的检测到，故选用较为常见并且十分有利于检测弱小信号的光电倍增管（PMT）作为接纳返回来的脉冲激光。光电倍增管（PMT）是光子技能器材中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快时刻呼应的光勘探器材。其首要特色是灵敏度高，噪声小，安稳性好和相应速度快，特别适宜于弱光和快速改动的信号检测。可广泛运用于光子计数、极弱小光勘探、化学发光、生物发光研讨、极低能量射线勘探、分光光度计、旋光

　　11、仪、色度计、照度计、尘土计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化剖析仪等仪器设备中。（4）光电倍增管（PMT）一般结构和作业原理如下：图3.3 PMT作业原理图光电倍增管是一种真空器材。它由光电发射阴极（光阴极）和聚集电极、电子倍增极及电子搜集极（阳极）等组成。典型的光电倍增管按入射光接纳办法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，经过二次电子发射效应得以倍增扩大。由光电阴极发射出来的光电子，在聚集电极和阳极电场的作用下，高速碰击倍增电极而构成二次电子发射，经过多级倍增进程后，最终被阳极搜集而构成输出光电

　　12、流。界说二级发射电子数为I2与一次注入电子数I1的比为倍增电极的二次发射系数=I2/I1,倍增电极便是由二次电子发射系数大的一些资料构成的。一般金属最大二次发射系数max为0.51.8之间，半导体在56之间，而专为加大二次电子发射而制成的杂乱面可达十几。如常用含碱杂乱面Ag-O-Cs可达11，MgO氧化资料max在1520之间。经过多级倍增电极的倍增效应，假设每级的倍增系数为，倍增级数为n，则可使光电倍增管倍增益G=n,一般G可到达106108。光电倍增管存在暗电流，发生暗电流的原因首要是：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）离子反应；4）光反应。暗电流一般在

　　13、10-8A量级。对本体系没有显着的影响。考虑到时刻在本体系的研讨中起着决议丈量精度至关重要的作用，剖析下光电倍增管得呼应时刻是十分有必要的。PMT的呼应时刻首要是指光脉冲照耀光电阴极时，光电倍增管输出波形从起伏的10%上升到起伏的90%时的均匀时刻，也叫做脉冲上升时刻，而光电倍增管得呼应时刻一般是10-9s左右，不会对测距体系照成很大的影响。操控计数模块时刻距离丈量的办法时刻距离的丈量在体系的规划进程中显得尤为重要，它是直接并且是最首要的决议丈量精度的要害点。而现在最为常见的时刻距离丈量办法首要有三种：模仿法、数字法和数字刺进法。其间数字刺进法是脉冲激光测距中精度最高的，首要有推迟线、拟刺进法和差频测相刺进法3种。由德国ACAM公司规划的一种高精度时刻数字转化芯片TDC-GP1选用的便是推迟线刺进法技能。运用TDC-GP1芯片，与上述激光丈量模块组成了一套根据PCI总线的时刻距离丈量体系。该模块具有丈量规模大、线性好、丈量精度高的长处。此模块的开发和运用将有利于进步脉冲激光测距的丈量精度。数字刺进法时刻距离丈量技能在现在几种首要的时刻距离丈量办法中，数字刺进法是经过选用数字法结合各种不同的刺进办法来完成准确丈量的，能够一起得到高单脉冲丈量精度和高线性，具有丈量规模大、线性好、丈量精度高的长处，因而其归纳功能是最佳的。数字刺进是根据数字丈量的办法，它承继了数字法的丈量规模大和

　　15、线性好的长处，一起经过刺进法进步丈量精度。数字法的时刻距离丈量差错如图3.4所示，首要来历于时钟脉冲的上升沿与丈量开端和中止脉冲的上升沿之间的时刻差ta和tb，所导致的差错巨细为: T=nT-tm= tb - ta其间T为时钟脉冲周期,nT为测得时刻距离, tm为实践时刻距离。运用刺进法的意图便是经过在信号开端处与信号完毕处运用各种刺进法高精度丈量ta与 tb，然后求出T。对丈量成果进行批改：tm=nT-T=nT- tb + ta图3.4 数字法时刻距离丈量差错TDC-GP1芯片作业原理TDC-GP1是由德国ACAM公司规划的一种高精度时刻数字转化芯片。芯片内部一方面经过锁相环进步计数频率，即

　　16、减小图3.4所示ta和tb的值，然后进步计数精度；另一方面选用如图3.5所示的门延时技能，即芯片内部经过门推迟来准确丈量图3.4所示ta和tb的值，然后得到高精度的时刻距离丈量值，丈量精度依赖于单个门推迟的推迟时刻（可达百皮秒量级）。该芯片有操控寄存器、成果寄存器和状况寄存器，操控寄存器用于操控TDC-GP1的丈量方式，成果寄存器用来存储丈量成果，状况寄存器指示TDC-GP1的状况。其具有一个共用的Start通道和2个丈量通道（Stop1和Stop2），当两个通道一起运用时，双通道分辨率为250ps；当只运用一个通道时（即只运用Start 和Stop1）,单通道分辨率为125ps。TDC-GP

　　17、1具有两种丈量规模：丈量规模1是3ns7.6us;丈量规模2是60ns200ms（此刻只能运用单通道）。可经过改动写入芯片操控寄存器的值，挑选使芯片作业于丈量规模1或许是丈量规模2。图3.5 TDC-GP1芯片丈量单元硬件部分和程序规划图3.6为运用该芯片开发的时刻距离丈量模块的体系结构。模块以TDC芯片为中心，运用单片机进行操控和数据传输。单片机经过内置程序与TDC芯片的寄存器之间进行通讯。单片机程序经过设置TDC-GP1芯片相应的操控寄存器来确认TDC的作业方式。考虑到实践运用状况，模块选用了TDC-GP1的单通道丈量，芯片作业于丈量规模2，测时分辨率125ps，丈量规模60ns200ms

　　18、。ResetStopStart单片机TDC芯片OCXO振荡器FIFO1DSPFIFO29052PCI Bus图3.6 时刻丈量模块结构如图3.6所示，Start为起始信号，接参阅信号取样经光电接纳转化电路并整形后的输出信号；Stop为中止信号，接回波经光电接纳转化电路并扩大，整形后的输出信号；复位信号Reset用于每次丈量的复位，与脉冲激光触发是同步的。恒温操控晶体振荡器（OCXO）为整个模块供给时序。单片机从TDC中将丈量成果读出并写入FIFO1中缓存，DSP将FIFO1中的数据进行处理，并将处理后的成果写入FIFO2的数据读出并经过PCI总线传送给运用程序，以供显现、记载、剖析处理。程序设

　　19、计流程图如图3.7：YYNN开端TDC初始化开端丈量？读数与显现丈量完毕？完毕图3.7 计时部分流程图四、 丈量作用与差错剖析丈量作用剖析本单脉冲激光测距体系选用了高效的脉冲激光发射体系，得到了安稳性好，脉冲宽度窄的单脉冲激光源，给丈量体系供给了牢靠、便利的丈量信号。当丈量激光脉冲宣布的一起，经过一个取样三棱镜取出激光脉冲的一部分作为计时开端的信号，这部分激光被PMT管接纳后，变成发动计数器计时的脉冲信号，导致计时器开端计时。反射光回来之后再次触发计时器使其间止计时。整个体系具有十分高效的模块，接纳器PMT管大大进步了体系灵敏度和安稳性，然后进步丈量精度。而操控计时模块选用的是TDC-GP1芯

　　20、片，运用TDC芯片组成的数字刺进计时体系，极大的减小了计时的差错。并且体系能够经过复位进行屡次重复的丈量，能够经过计算屡次丈量的成果求出均匀丈量值，取得十分抱负的丈量作用。差错剖析 在本单脉冲激光测距体系中，差错的来历首要或许来自激光在空气中传达时的吸收和散射等，光电倍增管自身的噪声和操控计时模块的计时差错。而其间或许对丈量体系照成的差错影响最大的是计时差错。由于脉冲激光发射模块发射的激光仅仅供给一个牢靠安稳的脉冲激光源，丈量激光脉冲走过的旅程，所以激光自身对丈量的影响不是很大，只需脉冲激光的脉冲宽度满足窄，能够以为，激光脉冲自身对丈量精度没有影响。激光脉冲在传达的进程中吸收和散射，气候条件引

　　21、起的差错是随机的，能够经过挑选恰当机遇丈量而减小和消除这种影响，因而，这种来自气候条件的差错能够以为是一种束缚，对丈量精度影响也能够疏忽。来自光电倍增管的噪声影响首要有a.布景辐射引起的光电流Ib=GePb/h b.光电阴极的暗电流id。前面说到暗电流的发生办法和巨细，能够知道，暗电流的影响是十分小的，不足以到达计数器开端计数的电信号脉冲巨细。因而需求考虑的是布景辐射引起的差错。为了防止布景辐射引起的差错，能够选用将光电倍增管制造在暗箱内，或许选用对称布景光补偿电路抵消布景辐射的影响。然后防止了光电倍增管的差错影响。对本丈量体系照成的差错最或许来自计时模块的计时差错。体系选用的TDC-GP1芯

　　22、片的计时分辨率为T =125ps，那么丈量精度约为：L=T1520cm能够看到，关于较远距离的单脉冲激光丈量，现已到达比较抱负的精度，丈量差错是十分小的了。五、 完毕语 本文环绕单脉冲激光测距进行相关的研讨和规划，提出了一个高精度单脉冲激光测距的计划。经过规划一个能够操控的激光脉冲驱动电路来驱动半导体激光器，使其供给牢靠的丈量信号，一起选用高灵敏度的光电倍增管来搜集反射回来的脉冲激光信号，然后经过高精度的数字刺进法丈量时刻距离，大大减小的丈量的差错，得到了很好的丈量作用。参阅文献【1】吴刚，李春来.脉冲激光测距体系中高精度时刻距离丈量模块的研讨J，红外与毫米波学报.2007.6.【2】吴杰，光

　　23、电信号检测【M】,哈尔滨工业大学出版社.【3】杨燕，俞敦和.新式窄脉冲半导体激光器驱动电源的研发J,2011.2. 【4】武兴修，吴金宏.光电倍增管原理、特性与运用J . 【5】张季熊.光电子学教程M.华南理工大学出版社,2001.8(2005.1重印).【6】冯志辉，刘恩海.用于激光测距的高精度时刻数字转化电路J，光学 精细工程.2010.12.【7】李海，梁樾，赵润昌，李平.高功率激光整形脉冲波形操控技能J,强激光与粒子束，2011.9.【8】黄超，倪文俊.高速半导体激光器超短光脉冲发生及脉宽测验J，天津大学学报，1997.5.【9】崔鹏，史学舜，陈坤峰. 根据光电延时法的激光测距精度测验体系J，宇航计测技能，2011.2.【10】张琳,马家驹. 脉冲半导体激光器驱动电源的规划J，激光杂志，2009.

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