（机械电子工程专业论文）基于fpga技术的激光测距系统研究.pdf

硕士论文基于f p g 技术的激光测距系统研究摘要本文的研究内容是在激光测距项目基础上进行的，分析了各种激光测距方法的利弊，最终选用脉冲激光测距的实现方式，并且对脉冲激光测距系统做了深入研究。本文设计了以f p g a 为核心的信号处理模块，实现了对激光信号的编码和译码、对激光发射控制时钟的分频、和内部p l l 倍频实现内部高频计时时钟等，提高了系统的精度和稳定性。使用并行脉冲计数法，提高了计时精度，分析了可能产生误差的原因，并且对结果做了相应的修正，减小了激光测距系统的误差。并且制定了四种工作模式，可以根据不同的实际环境选择相应的测距模式，以达到最好的测量效果。在接收方面突破以往普通的被动接收方式，提出了利用窗函数接收回波的主动接收方式，结合窄带滤光片的滤光效果，提高了系统的抗干扰性能。从课题要求出发，本激光测距系统实现了体积小、功耗低的特点，测量距离相对较近( o 5 5 0 米) ，属于近距测量系统。关键词l 激光，测距，f p g a ，p u ，单片机硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究a b s t r a c tt h ee s s a yi sb a s e do nt h ep r o j e c to fl r f ( e a s e l r a n g ef i n d e r ) i td e s c r i b e st h em e r i ta n dd e m e r i to fe v e r yc l a s so fe r e , e v e n t u a l l yic h o o s et h ew a yo fu s i n gt h el a s e r - p u l s et oh a v et h er a n g e - m e a s a r e m e n l1w o r kh a r d t h i sm e a s u r e m e n tc o m p r e h e n s i v e l y t h er e s u l to ft h i se s s a yi st od e s i g nt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rb a s e do nf p g a ，t oc o d ea n dd e c o d et h el a s e rs i g n a l ，t os c a l ed o w nt h ec l o c ko fl a u n c h i n gp a r to ft h el a s e rs y s t e ma n dt ou s et h ep l li nt h ef p g at om a k et h ef r e q u e n c ym u l f i p l i c a t i o na n ds oo n t h e s em a k et h es y s t e mm o r es t a b l ea n da c c u r a t e u s i n gt h ep a r a l l e lc o u n t e rt oc o u n tt h ep u l s eo ft h el a s e rc a ni n c r e a s et h ep r e c i s i o no ft h es y s t e m t h ee s s a yc o n s i d e r e dm a n yr e a s o n sw h i c hm a yc a u s et h ei n a c c u m c y a m e n d i n gt h e s em a k et h es y s t e mm o r ea c c u r a t e i th a sf o u rp a t t e r n sw h i c hw i l lb eu s e di nd i f f e r e n te n v i r o n m e n tt 0m a k et h eg a u g em o r er e l i a b l e i nt h er e c e i v i n gp a r to ft h es y s t e mw er e c e i v et h eb a c k w a r dw a v eo fl a s e ru s i n gt h ew i n d o wf u n c t i o ni na l la c t i v ew a y u s u a l l yt h ed e s i g n e rw i l lr e c e i v et h eb a c k w a r dw a v eo fl a s e rd i r e c t l yi nap a s s i v ew a y u s i n gt h es p e c t r a lf i l t e ri nt h i sp a r tc a ni n c r e a s et h en o i s ei m m u n i t yo fs y s t e m t h es y s t e mh a sc h a r a c t e r i s t i c so fs m a uv o l u m ea n dl o wp o w e ra n dc a n u s ei nt h er a n g eo fo 5 5 0m e t e r s i tc a nb ed i v i d e di n t ot h ec a t e g o r yo ft h es h o r t - r a n g el a s e rr a n g ef m d e r k e yw o r d s ：l a s e r ，l a s e rr a n g ef i n d e r ，f p g a ，p l l ，s i n g l ec h i pc o m p u t e r声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：护- 7 年 月p 日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。1 、研究生签名：垄l 垒p 1 年- 7 月，。日硕士论文基于f p g 技术的激光测距系统研究1 绪论1 1 研究背景及意义激光是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光，激光的特点有：1 方向性好普通光源( 太阳、白炽灯或荧光灯) 向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。2 亮度高激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳光亮度大约是1 0 3 瓦( 厘米2 球面度) ，而一台大功率激光器的输出光亮度经太阳光高出7 1 4 个数量级。这样，尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。3 单色性好光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光及红外光、紫外光等不可见光。而某种激光的波长，只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为6 3 2 8 纳米，其波长变化范围不到万分之一纳米。由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。4 相干性好干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然相干性极好。上世纪九十年代初，欧美等几大公司相继生产出可供商用的半导体激光二极管，使激光的实际应用价值发生了革命性的进步。其他种类的激光器由于产生激光的机理过于复杂，使其体积，重量特别大，功耗高等原因，大大限制了激光的应用。而半导体激光器的出现使这些问题迎刃而解。随着半导体激光器的技术进一步成熟，价格逐步降低，其应用批量和应用领域不断扩大，就目前的发展速度来看，应用前景十分看好。半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全、其应用领域非常广泛。如光存储、激光打印、激光照排、激光测距、条码扫描、工业探测、测试测量仪器、激光显示、医疗仪器、军事、安防、野外探测、建筑类扫平及标线类仪器、实验室及教学演示、舞台灯光及激光表演、激光水平尺及各种标线定位等。半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于军事上的应用，如野外测距、枪硕士论文基于f p 6 a 技术的激光测距系统研究炮等的瞄准、射击模拟系统、致盲、对潜通信制导、引信、安防等。由于可用普通电泡驱动，使一些便携式武器设备配置成为可能。目前已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有3 7 0 n t o 、3 9 0 r 珊、4 0 5 r 珊、4 3 0 n t o 、4 8 0 h m 、6 3 5 r 皿、6 5 0 h m 、6 7 0 h m 、7 8 0 h m 、8 0 8 n m 、8 5 0 h m 、9 8 0 r m 、1 3 1 0 h m 、1 5 5 0 h m 等，其中1 3 1 0 h m 、1 5 5 0 h m 主要用于光纤通讯领域。4 0 5 n m 一6 7 0 n , 为可见光波段，7 8 0 n m一1 5 5 0 h m 为红外光波段，3 9 0 r m 一3 7 0 h m 为紫外光波段。激光器是强度很高的光源辐射器件，大功率的激光器可以用于切割焊接金属材料，所以激光对人体，特别是人眼有严重伤害，使用时需特别小心。国际上对激光有统一的分类和统一的安全警示标志，激光器分为四类( c l a s s l c l a s s 4 ) ，一类激光器对人是安全的，二类激光器对人有较轻的伤害，三类以上的激光器对人有严重伤害，使用时需特别注意，避免对人眼直射。激光测距是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点瞪】，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速( 3 0 万千米秒) 乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。现在广泛使用的手持式和便携式测距仪，作用距离为数百米至数十千米，测量精度为五米左右。我国研制的对卫星测距的高精度测距仪，测量精度可达到几厘米。连续波相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射被测目标，从测量光束往返中造成的相位变化，可换算出被测目标的距离。为了确保测量精度，一般要在被测目标上安装激光反射器。它测量的相对误差为百万分之一。激光测距仪与微波雷达结合，还可以发挥激光波速窄的特长，弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足。激光测距与光学经纬仪、红外及电视跟踪系统相结合，组成光电跟踪测量系统，既可作为靶场试验的测量设备，又常用作武器的光电火力控制系统。这种激光测距仪已广泛用于地面火炮、坦克炮的火控系统，大大提高了命中率。激光测距是激光在军事上应用最早和最成熟的技术。自1 9 6 0 年第一台激光器一红宝石激光器发明以来，便有人开始进行激光测距的研究。和微波测距等其它方法相比，激光测距具有更好的方向性和更高的测距精度，测程远，抗干扰能力强，隐蔽性好，因而得到广泛的应用。激光测距的研究还对雷达技术的发展起了很大的促进作用，因而在国民经济和国防建设中具有重要意义。脉冲激光测距仪作为军用装备器材，发展于6 0 年代初。经过3 0 多年的开发、2硕士论文基于f p 6 技术的激光测距系统研究研制和装备，目前国外已完成了“手持式、脚架式、潜望式、坦克、装甲、水面舰载、潜艇潜望、高炮、机载、机场测云、导弹和火箭发射、人造卫星、航天器载”等约十三大类4 0 0 多个品种和型号，其中装备量最大的是以n d ：y a g 为器件的固体脉冲激光测距仪，其次是喇曼频移n d ：y a g 和e r ：玻璃以及c 0 2 脉冲激光测距仪：0 6 9i lm 的红宝石脉冲激光测距仪：是第一代军用激光测距仪，其结构简单，紧凑。因工作波长属近红外绿光，极易暴露目标，加上对人眼极不安全，目前除少数应用外已被淘汰。n d ：y a g 脉冲激光测距仪：主要优点是隐蔽性、电效率和脉冲重复工作频率大大优于红宝石激光测距仪，因而从6 0 年代后期开始广泛装备部队，主要缺点有：工作波长为1 0 6hm ，相对说来较短，在大气中的衰减较大，不完全适合自然雾和战场烟幕等环境条件；1 0 6i jm 波长被发射后经人眼聚焦进入视网膜，在很短的距离上若不加防护观察，可以使人眼永久致盲；1 0 6um 波长不与8 - 1 2um 热成像系统兼容。而n d ：y a g 脉冲激光测距仪目前仍具有无法取代的独特优点c 0 2 脉冲激光测距仪：是7 0 年代末和8 0 年代中期主要针对1 0 6 “m 的n d ：y a g激光测距仪的缺点发展起来的新一代人眼安全激光测距仪。其主要优点有：大气穿透能力优于n d ：y a g 激光波长，能在较低能见度和战场烟幕等大气条件下工作；能与8 - 1 2 “m 波段内的典型热成像系统兼容并可共用接收光学系统和探测器，能有效实现热成像仪能探测到的绝大多数目标；能实现对人眼安全。主要缺点是：1 0 6l am 的c 0 2 激光波长极易被水分子吸收衰减，在大气中含水蒸汽密度大的晴天和潮湿条件下，限制了它的最大测距能力，特别是雨天和目标被雪覆盖时，目标呈现多镜面对称反射，对c 0 2 激光波长测距不利。喇曼频移n d ：y a g 和e r ：玻璃脉冲激光测距仪也和c 0 2 一样发展于7 0 年代末和8 0 年代中期，主要特点是：大气穿透能力高于1 0 6 u 的n d ：y a g 激光波长而低于c 0 2 激光波长；对目标的反射系数和在睛天、高温度条件下测距时，其性能高于c 0 2 激光波长并与n d ：y a g 激光波长相当；对人眼的安全性高于c 0 2 激光波长。缺点是由于1 5 4pm 波长属中红外波段，不能与8 一1 2um 的热成像系统兼容，加上转换效率低、脉冲能量小和重复工作频率低( 喇曼频移n d ：y a g 除外) 等限制了它们的应用。国外有许多大学、研究机构和公司都开展了脉冲半导体激光测距机的研究【1 2 1 。3硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究主要有芬兰的奥鲁大学、美国的s c h w a r t ze l e c t r o o p t i c s 公司、e x x o n 公司等。s c h w a r t ze l e c t r o o p t i c s 公司为美国国家数据中心研制了激光海浪测量装置，用于无人看守的海浪测量站：为美国联邦政府高速公路管理局研制了激光自动传感系统，用于车辆速度和高度的测量，从而提高了交通效率：还为军方研制了直升机机激光防撞告警装置。e 】【) ( o n 公司研制了脉冲半导体激光角度距离测量系统，用于海上石油勘测。1 9 9 2 年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的手持式人眼安全激光二极管测距机，用于对车辆的测距和测速。1 9 9 6 年下半年，美国b u s h n e l l 公司推出了测距能力4 0 0 m 的4 0 0 型l d 激光测距机y a d d a g a 4 0 0 ，1 9 9 7 年被评为世界1 0 0 项重要科技成果之一，同年又推出了测距能力8 0 0 的8 0 0 型激光测距机。1 9 9 8 年美国t a s c o公司研制出测距能力8 0 0 m 的摄像机型l a s e rs i t el d 激光测距机。美国l e i c a 公司展出了实用的小型l d 测距机，测量距离0 2 - 3 0 米。1 9 9 5 年以来，国际上对人眼安全的半导体激光测距技术发展十分迅速，已开展了波长在8 0 0 - 9 0 0 n m 范围内、峰值功率为l 删、脉冲宽度2 0 - 5 0 n s 、重复频率1 - 1 0 k h z ，测量距离l o m - l k 珊无合作目标的激光测距机研究。国内样机的研究始予2 0 世纪8 0 年代，是在原固体、气体激光测距机基础上发展起来的。目前，基础技术己具备，主要是解决工程应用问题，开发各种应用产品。航天科工集团八三五八所研制出测程2 0 0 m ，精度0 5m ，数据率1 0 0h z 的激光测距机。中科院上海光机所研制出便携式激光测距机，对漫反射水泥墙的测距达1 0 0 m ，采用3 0 0 姗z 计数方式，测距精度0 5 m ，重复频率1 l 【 1 z 。中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距机，作用测距l k m ，精度小于l 皿，采用4 m 晶振，线性时间放大技术。常州莱赛公司研制了作用距离2 0 0 m ，测距精度0 5 的半导体激光测距机。西南技术物理研究所研制的半导体激光高度表，其工作波长为9 0 5 n m ，重复频率为1 0 0 h z ，测程2 - 8 0 0 米，测量精度1 米。激光测距仪的应用前景非常广阔，已经被应用于以下领域：电力、水利、通讯、环境、建筑、地质、警务、消防、爆破、航海、铁路、反恐军事、农业、林业、房地产、休闲户外运动等。1 3 本文主要研究内容及结构安捧本文主要研究脉冲激光测距系统，即通过对带编码的脉冲激光信号进行发射和接收，通过时间差和光速计算出探测器到目标物之间的距离。其中制约脉冲激光探测系统精度的一个关键点就是计时时钟的频率问题，频率越高，计时就越精确，其探测精度就越高，为此引入f p g a 芯片作为信号处理核心，提高的系统的测量精度。4硕士论文基于f p g 技术的激光测距系统研究本文的行文结构如下所述：第一章，介绍了目前国内外激光的发展趋势，分析了激光的优越性，和激光在测距方面的发展前景。第二章，阐述了激光测距系统的原理，分析了脉冲激光测距体制和连续激光测距体制，并对脉冲激光测距系统做了深入研究包括脉冲激光测距原理、半导体激光器的特性以及激光发射接收部分的电路分析等。第三章，分析了激光的编码和解码理论以及实现方法，并且做了激光测距时序分析，根据测距情况的不同，制定了四种工作模式。引入了窗函数抗干扰的方法，分析了其抗干扰性能。第四章，激光测距系统硬件设计部分，主要对激光发射模块、接收模块、信号处理模块、数据显示模块部分作了系统设计，包括主要器件的选型等。详细介绍了f p g a 芯片的功能以及在测距系统中的作用。第五章，激光测距系统软件设计部分，激光测距系统软件的设计主要有三个方面，对信号处理模块中的h ，g a 芯片和单片机的软件设计、l c d 显示模块的控制单片机的软件设计第六章，激光测距系统误差分析和实验部分，详细分析了产生误差的各种原因，并对各种工作模式做了具体实验，分析了实验数据。第七章，对全文进行总结，分析了脉冲激光测距系统的利弊，总结了脉冲激光测距系统亟待改进的地方。5硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究2 激光测距系统原理整个激光测距系统由激光发射单元、激光接收单元、控制与距离计算单元以及显示单元等模块组成，其相互关系如图2 1 。总体设计思想是捕捉激光从发出到遇到目标被反射回来所经过的时间，根据光速计算出探测器到被测目标之间的距离。日惮莞1 日厂_ 、仁圉位一图2 1 激光测距系统原理图其最基本公式是：l ：v x t( 2 1 )2因为激光来回经过的距离是探测器到被测目标之间距离的两倍，所以整个结果需要除2 ，其他参数含义为：一l ：探测器到探测目标之间的距离t ：激光往返经过的时间v ：光速公式2 1 只是理论公式，在实际测量中由于测量的延迟、误差等原因需要对计算公式进行多方面的修正。2 1 激光舅距实现的方式目前激光测距的方法主要有连续波体制和脉冲波体制两种实现方法。其中连续波体制利用回波幅度和相位进行测距，特点是测量精度很高( 一般测量精度都在毫米级别以下) ，但是激光调制装置复杂功率有限。相比之下脉冲激光体制有很大的瞬时功率，测量距离相对较远，而且测量速度要比连续波体制快的多，但是其测量精度不及连续波体制( 一般测量精度在米级别以下) 。68 圄硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究2 1 1 连续波体制简介咖激光发射端发射出频率为，0 的正弦波，碰到被测目标后被反射回来根据所测的相位差计算出探测器到被测目标之间的距离。假设正弦光波往返相位延迟角度为西，则激光经过的时间t 为：t = 谚f o2 1 l1从而可计算出探测器到被测目标之间的距离l ：l = v 妒2 f o2 1 1 2由于连续波体制激光测距系统不是本文主要研究内容，在此不做深入研究。2 1 2 脉冲波体制简介激光发射端发射出激光脉冲，遇到目标反射到激光接收端，由接收电路对回波信号进行放大、波形整形后形成回波脉冲，送入控制与计算单元。对激光信号在发射端进行编码，在接收端进行解码，通过控制与计算单元内部的高频记数时钟进行记时，测得激光脉冲经过的时间，从而可以根据公式2 1 计算出探测器到被测目标之间的距离。脉冲波体制激光测距系统是本文的主要研究内容。本节主要介绍激光测距性能方程、脉冲激光测距系统的相互工作顺序、光学系统各种参数的设计以及发射接收系统的机构设计。2 2 1 激光测距性能方程嘲最大探测距离是激光探测系统的一个重要的性能指标。对于激光测距系统，当被测目标越远时，所接收到的回波信号就越弱，当回波信号小到与干扰相当时，系统就无法探测出该距离，这个距离就称为最大探测距离。影响激光探测系统最大探测距离的因素主要有：1 激光信号的功率2 被测物体的反射率3 被测物体的面积4 大气太阳光的影响7硕士论文基于f p 6 技术的激光测距系统研究一t拉一5 接收系统光透过率f，e二薄f吲= 寿乏；善多一、x 、孓l图2 2 _ 1 1 为激光器和目标的相对空间关系：图2 2 1 1 中r 为探测器到被测目标之间的距离，激光脉冲在目标物体上形成的光斑面积为a ，。如果激光器发出的激光峰值功率为巴，发射系统的透过率为，大气衰减系数为盯，则到达目标物表面上的峰值功率b 为：b = r x e 一“2 2 1 1当激光照射于待测物体表面时会被反射，其中包括镜面反射和漫反射。目标物表面的反射度为：工：p x p , 2 - 2 1 2硝其中p 为目标物的反射率，厶为光斑面积。如果接收透镜8 9 透 z l ：率为矗，窄带滤光片的透过率为乃，那么测距系统接收单元所能收到的回波光功率为：斥= z a c o s ( , a + 万硷r t r t ，e 一“，2 2 1 3：堕三! 圣叁塑! 望至芝竺兰一= ：一倒n 2x e2 2 1 4其中如为接收单元的面积，即接收透镜的面积，o r 为大气衰减系数。一般情况下，距离r 远大于光轴距离a 这样夹角j 就非常小，可以认为c o s t ，= 1 且c + j ) ；c o s f l ，因此公式2 2 1 4 可以简化为：弓= p p r t r t i r a rc o s f l 灯“2 2 1 58硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究又由公式2 2 1 1 可以得到回波激光功率为：斥= p p l r _ 2 r r r l , a r c o s p 口，2 2 1 6上述公式是在目标物体表面积大于激光光斑面积，而且光斑所成的像全部落在接收视场之内。如果此条件不成立，则需要增加两个比例系数，这两个系数与光强度分布函数和目标函数与光点的相对位置有关，可以设为和y ，可以由下式确定：占：j 毒r小鼠肜2 2 1 7占= q l2”【1a m q l r 2f q ，y = q j【1q r k ) 时，脉冲调制会出现张弛振荡现象，将会使消光比( “1 ”码与“0 ”码的光功率之比) 减小，使接收机灵敏度降低。因而，实际应用中要避免出现j 。 l 现象。在激光测距系统中，半导体激光器是工作在，。 k 状态下，此时张弛振荡现象仅可能出现在脉冲的上升沿，后沿侧单调衰减。硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究2 3 3 温度特性激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性称为温度特性。温度过高激光器将停止激射，温度每升高1 0 c ，阙值就增大5 - 2 5 。由于各种温度影响因素非常复杂，不可能使用单一的方程将各种激光器在所有温度范围内的关系公式化。但是，也由以下经验公式来粗略表示电流，f 是随温度的变化嘞1 ：l 2 f o e t | _式( 2 3 3 1 ) 中，o 为t = 瓦时的阈值电流，瓦为特征温度，r 为工作温度。在同样条件下，阈值电流升高，输出功率就下降。为了保证激光测距系统在环境温度变化时激光器输出特性的稳定，在脉冲激光驱动电源中增加自动温度控制( a t c ) 电路 2 9 1 ，电路由半导体热电致冷器( t e c ) 、热敏检测元件( 熟敏电阻) 和相应的控制电路组成，工作原理为：装在激光器热沉上的热敏电阻，不仅作为温度传感器，同时它又是温度控制电路电桥中的一臂，通过电桥，把温度变化( 引起热敏电阻的阻值变化) 转变为电量的变化。通过晶体管放大器接到致冷器上，使致冷器电压变化，从而使激光器的温度维持恒定。温度控制电路的电路图如图2 3 3 r 所示。r 为热敏电阻；r l ，r 2 ，磁，r ，构成电桥；q 2 为晶体管放大器，提供致冷器所需的电流；a 为运算放大器，放大电桥送来的电压，其电压的变化，反映温度的变化。此电路可使激光器的结温控制在土0 5 的范围内，从而使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。图2 3 3 1 半导体保护电路和a t c 电路图1 6硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究2 4 激光发射接收电路分析2 毛1p i n 发光= 极管电路模型的建立和分析图2 4 1 1 给出了p i n 光电二极管基本电路形式及其高频交变光信号探测的等效电路哥矧。由于光电二极管工作于反偏压状态，所以等效为一个高内阻的电流源，其中，y 为光电二极管的反向偏置直流电压，凡为负载电阻，如为光电二极管的暗电阻，c l 为结电容，r s 为体电阻和电极接触电阻，r v 的值很大，r s 的值一般很小，下面模型建立时忽略不计。圈2 4 1 1 ( a ) 光电二极臂基本电路幽( b ) 光电二极雷两顿爻受光信号探测等效电路假设光电二极管接收的光功率p = p o + p , , s i n a r ，相应的光电流交变分量：s i n 耐，则由图2 4 1 1 ，有网= i c + = 一：( 钟j + 寺( 2 4 1 1 )式中负号是由于电流和电压的正方向相反。负载电阻r 。上的瞬时电匪一：一：蔓：一上生一( 2 4 1 2 )+ j 彬j1 + 7 排，电压有效值为。：后：厉：丝( 2 4 1 3 )l + ( 0 2 c j可见，“随频率的增加而下降。高频截止频率工2 互两1定义电路时间常数f c = 2 2 r l c i由式( 2 4 1 4 ) ，式( 2 4 1 5 ) 可得：o 3 5l2 百1 7硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究由上述分析可知，决定光电二极管频率响应速度的主要因素是电路时间常数矗。减小光电二极管结电容c j ，合理选择负载电阻也是减小0 的重要条件ap i n 光电二极管耗尽层的加宽明显减小了q ，一般可控制在p f 量级，本接收电路用q 为2 p f 适当加大直流反向偏压，q 还可减小。2 屯2 脉冲激光驱动电源的电路模型建立与分秽 脚嘲图2 4 2 1 给出了脉冲半导体激光器驱动电源的一般形式和相应的等效电路。其中乙为寄生电感( 由于电路中有放电电容、开关元件、激光器，所以放电回路内部有寄生电感) ；c 为储能电容；r 为电路的总电阻包括激光器等效电阻、开关元件电阻和路串联电阻。为了减小体积储能元件一般选为电容，放电开关元件考虑到放电的速度，一般可选用可控硅、晶体管、功率m o s f e t 管、雪崩晶体管等。图2 4 2 i 脉冲激光驱动电源的电路模型假设开始时电容充电达到电压v ，那么电路的放电回路可以看作零输入响应的串联r l c 电路，方程如下：l 罢+ 尉+ 三f 泐= 0(24c2 1 )出j对上式微分可以得到一个线形常系数二阶齐次微分方程，堕d t 2 + r 石d i + 石1f = o( 2 4 2 2 )出c在驱动电路放电的情况下是工作在欠阻尼状态，也就是：f 骂2 一上 ，址一接收机总的噪声电流。接收机总的噪声电流( a i ) 主要由以下几部分组成：a i = i m + i 虹+ i d( 2 4 4 2 )其中：如一热噪声电流；k 一背景噪声电流；一散弹噪声电流。式( 2 4 4 2 ) 中：t ：4 ( k t b n ) n f( 2 4 4 3 )一= 一、o ，屯其中：置一波尔兹曼常数，1 3 8 x 1 0 - 2 a j k ；丁一环境温度( k ) ：n f 一前放噪声系数；巩一有效噪声带宽；设接收的脉冲信号经前置放大器放大后的上升时间为t ，有效噪声带宽可由下式近似：口，：堕t 7r 。_ p i n 光电二极管的负载电阻，r 2可由下式得到14 b ( c 叫+ c h )其中：c 州p i n 光电二极管寄生并联电容；c 0 一前放输入等效电容。式( 2 4 4 2 ) 中：露22 一凡( 2 4 4 6 )其中：q 一电子电荷量，1 6 0 x 1 0 1 9 库；，。一散弹噪声电流；可由下式计算：，j ( r ) = l a o ( 2 。肌2 5 h( 2 4 4 7 )其中：l a o 一环境温度为2 5 。c 时的暗电流。式( 2 4 4 2 ) 中：f 乏= 2 q l 培b ，( 2 4 4 8 )其中：k 一背景电流，可由下式计算：j 打= h 工a q ( 刁，a ，)( 2 4 4 9 )其中：日 地物的最大光谱辐射量，单位w m 2 a n g ；2 0硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究五p i n 光电二极管的敏感光谱范围；q ( 玎，a ，) 一接收机视场( f o v ) ；a ，一接收机光学系统孔径面积。由式( 2 4 4 1 ) 到( 2 4 4 9 ) ，接收机信噪比可表示为：s n r =上式显示了s n r 与p i n 光电二极管的响应度r 、输入光功率圪、负载电阻骨”前放噪声系数n f 和有效噪声带宽b 。的关系。在高阻抗或互阻抗前放接收机中，热噪声电流比散弹噪声电流和背景噪声电流大一个数量级，热噪声决定了接收的性能。影响热噪声电流的主要因素包括环境温度t ，有效噪声带宽b 。，前放噪声系数n f 与负载电阻尺，。其中，环境温度是不可控制因素，有效噪声带宽的确定必须在接收机带宽和噪声带宽之间做出折衷，例如，为得到1 7 n s 的上升沿精度，必须保证接收机带宽为0 3 5 1 7 x 1 0 r 9 = 2 0 6 m h z ，有效噪声带宽为0 5 5 1 7 x l c r 9 = 3 2 m h z 。因此，可以通过减小前放噪声系数 伊和增加负载电阻r ，来减小热噪声电流，继而提高接收机的信噪比，这也是大多数光接收机采用高阻抗或互阻抗前放的原因。与高阻抗前放相比，互阻抗前放有如下优点( 1 ) 放大器电路时间常数小，减小了波形失真，通常很少需要、甚至不需要均衡；( 2 ) 动态范围大：( 3 ) 负反馈使放大器特性容易控制，稳定性显著提高；( 4 ) 灵敏度在宽带应用时仅比高阻抗放大器低2 - 3 d b 等。因此，激光测距电路设计中采用互阻抗前放形式。2 l硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究3 激光编码及解码由于激光测距系统在实际应用过程中会受到很多干扰，包括自然界的干扰和人为的干扰等，采用窄带滤光片、窗函数检码等手段虽然可以起到抗干扰的作用，但是并不能完全消除干扰因素的影响。为次，采用了在激光的发射和接收时对激光脉冲信号进行编码和译码的方式来降低干扰因素的影响。而且可以使用多种编码方式，产生多种激光测距工作模式，根据不同的测距环境选择相应的测距模式，达到最理想的测距效果。3 1 编码理论编码理论导源于现代通信技术与电子计算机技术中差错控制研究的实际需要。美国数学家仙农( c e s h a n n o n ) 在1 9 4 8 年发表的著名论文“通信的数学理论”，开创了一门在现代科学技术中具有重大意思的崭新的学科，即信息论。编码理论是信息论的一个专门分支1 3 0 。一个通信系统可以概括为图3 - 1 所示的模型：图3 1 通信系统来自信源的消息经过信源编码器变换成能够表达这些消息的符号( 为了提高有效性，在对小心进行编码时应当尽量减小多余度) 。再经过信道编码器对信源编码器的输出符号进行变换，使变换后的符号具有抗击信道中噪声干扰的能力。最后，经过调制器将信道编码器的输出调制成在带宽、功率及波段等适合于信道传输要求的信号。在接收端，经过解调器、信道译码器及信源译码器来恢复发端所发送的消息。硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究本设计中对激光脉冲信号进行的编码和译码与通信系统的原理相同，即将编码的二进制数串通过激光发射端以激光的形式发射出去，其中二进制“1 ”表示发射一个激光脉冲，“o ”表示不发射激光脉冲。当所发射的脉冲串遇到目标物并反射回来被激光接收模块接收到时，经过光电信号的转换以及信号的放大可以读出接收到的激光信号代表的二进制编码。对接收到的二进制编码进行判断，辨别是否是发射端发射出的编码信号，如果是，则记录时间计算距离，如果不是则认为是干扰信号。然而并非发送的编码信号最终被译码以后就是原来的编码二进制数串，数字信号在转换和传输的过程中不可避免的存在出现差错的可能性。对于不同用途的用户对可靠性的要求是不同的 3 1 】，比如对于普通的电报差错概率在l o 。时是可以接受的，而对于导弹运行轨道数据的传输，过高的差错率将使导弹偏离预定的轨道，这显然是不允许的。为此在信号编码时需要对信号附加纠错码，纠错码是建立在近代数学基础上的，它又是信息论的一个重要分支，从五十年代开始至今发展很快，许多内容已经建立起完整的、严密的理论体系。随着数字技术的迅速发展，大规模、超大规模集成电路的不断出现，为纠错码技术的应用开辟了无限广阔的前景。3 2 编码激光工作原理对激光进行编码即用激光信号表示出一组二进制数串，在激光测距系统中，与二进制编码“l ”、“o ”相应的激光信号为有激光脉冲和无激光脉冲。如图3 2 1 所示：图3 2 1 ( a ) 未编码的连续脉冲信号( b ) 编码输出的脉冲信号例如二进制编码数串为1 ，l ，0 ，0 ，1 ，0 即在激光发射端当遇到“1 ”时就发射个激光脉冲信号，当遇到“0 ”时，就不发射激光脉冲信号。这样一组激光串就能代表一组二进制编码信号。如图3 2 2 所示：硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究l 。广广二_广 三图3 2 2 脉冲编码信号序列示意图在激光接收端以一定的频率进行探测，当检测到一个激光脉冲信号时，则为“1 ”，当检测不到激光脉冲信号时则为“o ”把接收到的激光信号转换成二进制数串，与发射的二进制数串进行比较，相同则可以进行距离计算，不同则视为干扰信号。这样可以很有效的避免自然或者认为的干扰，提高激光测距系统的性能。3 3 激光测距系统时序分析由于光速是3 x 1 0 8 米，秒，理论上说在激光测距系统中激光脉冲信号的发射频率越高越好，但由于实际硬件以及电源能量等方面的因素的制约，激光脉冲的发射频率不可能太高，定为1 0 0 0 0 赫兹，在相临两个激光脉冲的时问间隔内，激光经过的距离为3 0 0 0 0 米，因此在发射第二个激光信号之前，第一个激光信号已经被激光接收端接收到了，这样就减小了很多在激光编码中的麻烦。即在激光接收端只判断接收到的激光信号编码是否为刚发射的激光编码即可。因此在测距时，控制系统将编码好的二进制数串送予发射模块的同时也将该二进制数串送予激光接收模块，作为激光接收端的参考。在激光发射模块、接收模块、信号处理模块等模块中都会有不同的电路延时，因此需要对测量的结果进行修正，由于整个电路的延时时间很难从理论上计算得到，因此采用实际距离测量的方法计算系统的电路延时，然后再对测量结果进行修正。在测量过程中，应当对于不同的环境使用不同的测量方法，比如在静态测量时，对测量的实时性要求不高，可以采用比较复杂些的编码方式，这样可以提高测量系统的抗干扰性能，在误差处理方面可以采用多次测量求平均值的方法以提高测量系统的精度。另一方面如果在对实时性要求比较高的情况下只能使用教简短的编码方式，甚至不进行编码直接以单个脉冲的方式来进行测距，比如对高速飞行的导弹或者炮弹进行定距起爆，如果采用复杂的编码方式，在计算出离目标物的距离后可能弹体已经飞硕士论文基于f p g 技术的激光测距系统研究出很远的距离甚至已经碰到目标物，这样就失去了定距起爆的目的，因此只能以牺牲测距系统的性能来达到实时的效果。所以，需要对激光测距系统定义多种工作模式，在不同的应用环境选择不同的工作模式，每种工作模式对应不同的激光编码和数据处理方式。3 4 激光嗣距系统工作模式设定根据激光测距系统的应用对象和工作环境的不同，本系统设计了4 种工作模式，在测量过程中，可以视具体情况而选择。3 毛1 工作模式0 设计该模式适用于对测距系统反应速度要求很高的情况，可以应用于高速飞行的物体测距等方面，在工作模式0 状态下，在激光发射端不对激光进行任何编码，只用单个激光脉冲进行测量，因此它的反应速度是非常快的。由于光速非常快，在发射第二个脉冲之前，第一个脉冲已经反射回来。因此在该模式下，激光发射部分和计时电路通过同一驱动信号开始工作，当接收到反馈激光信号时，就可以认为是刚发射的激光脉冲，从而可以根据记录的时间计算出测距仪到目标物之间的距离。工作模式0 的优点在于系统的实时性强，能够以最快的速度反应出测距仪到目标物之间的距离。缺点在于没有对激光信号进行编码，也没有多次测量求平均值，系统的精度和抗干扰能力相对比较低。3 毛2 工作模式1 设计怼该模式适用于对测距系统反暖速度要求比较高的情况，可以应用于飞行速度比较快的物体的测距方面，在工作模式l 状态下，对激光的发射段进行2 位的编码，即以连续的2 个激光发射周期为一个测量周期。编码为l 相应的发射一个脉冲，编码为0 相应的不发射激光脉冲，由于光速非常快，在接收端只需要将接收到的激光信号和发射的激光信号进行比较就可以，如果相同则计算距离，如果不同，则本测量周期作废。因此从很大程度上简化了编码和译码过程。工作模式1 虽然没有工作模式0 的实时性强，但也能够快速的进行测量，而且对两位激光信号进行编码从很大程度上避免了人为和自然的干扰因素，但是其测量精度相对不高。硕士论文基于p p g a 技术的激光测距系统研究3 毛3 - r 作模式2 设计该模式适用于对测距系统反映速度要求不高的情况，在工作模式2 状态下，对激光发射端进行4 位的编码，并且测量l o 次取平均值作为测量结果。相对于前两种工作模式，工作模式2 的抗干扰性和测量精度都高很多。3 4 4 工作模式3 设计该模式适用于对测距系统没有实时性要求的情况，在工作模式3 状态下，对激光发射端进行8 位的编码，并且测量5 0 次取平均值作为测量结果。测距系统工作在模式3 状态下，其测量精度和抗干扰性能高很多。，3 5 宙函数抗干扰原理由于测距仪在工作过程中不可避免的会遇到各种人为和自然的干扰，为了提高系统的抗干扰性，提出了利用窗函数对接收端进行处理的方法。由于光速非常快，激光脉冲从发射到接收的时间非常短，而激光脉冲的发射频率为1 0 0 0 0 赫兹，因此激光经过的时间相对于激光的发射周期短的多，因此可以在接收端加一个时间窗，即在激光发射的同时激光接收端开始工作，经过一段延时后激光接收端停止工作，把原来被动的接收激光信号变为主动的探测激光信号，从很大程度上提高了系统的抗干扰性能。对于不同的工作模式，和不同的探测距离可以时间窗的大小使系统达到最优化。如图3 5 1 所示：发射激光脉冲r 激光接收时间图5 5 i 窗函数抗干扰比如探测距离小于5 0 米时，激光往返的距离不超过1 0 0 米，激光的接收时间为 = 未等秒，而两次脉冲的时间间隔为f ：= 而秒，跫光接收时间与两侧脉冲时硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究间间隔的比值为吾= 1 3 0 0 可以看出采用窗函数的探测方法可以把激光接收端接收到干扰信号的可能性降低为原来的三百分之一。硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究4 激光测距硬件设计激光发射模块由激光发射电路、电源电路、升压电路和抗干扰电路等部分组成。整个部分受控于来自f p g a 芯片的信号控制，当接收到来自f p g a 芯片的脉冲信号时，电路工作发射一次激光脉冲。由于光能损失较大，在设计发射端光学窗口前首先对半导体激光束的光能耦合效率进行研究。毛1 1 光能耦合效率分析半导体激光束为像散椭圆高斯光束，其远场光强分布呈椭圆分布，如图4 3 2所示，其光强分布为捌1 2 1 1 ：，：1 0o x p - 2 二+ 二) j缉叮式中，o 为光阑面上光束中心点强度，q ，以分别为弧矢和子午方向上光束半径。x 为弧矢方向，y 为子午方向。jlj1爪阑一j3 | | 1图4 3 2 半导体激光束截面光强分布图半导体激光束半强度处的全宽度角b ，：与远场发散角岛的关系e o = b ，2 x 2 1 n2 ；0 8 5 0 , ，2 ，在高斯光束传播过程，远场区t o = z a o( 4 1 1 2 )则子午和弧矢方向上光束半径之比t o , c o , 可由子午和弧矢方向上半强度处全宽度角之比b m ，只，2 j 来描述七= c o , o j , = 只m b ，2 j ，称k 为发散角比例因子。在极坐标系下，工= r c o s e ，y = r s i n 9 ，r 0 , 0 s e 2 n ( 口为极角) ，则式( 4 1 1 1 )化简为：硕士论文基于f p g a 技术的激光测距系统研究，= ，。e x p - 2 r 2 ( k c o s 2 一+ 昙咖2 e ) l式中，r o 为等效光束半径，r o = q q ；r 为圆形孔径光阑半径，与等效光束半径之比，r = r l r o 。半导体激光器发出的总光功率p 。可表