激光測距設計:大致流程：

 

1，基本原理和關鍵:

激光脈沖測距與雷達測距在原理上是完全相同的。在測距點激光發(fā)射機向被測目標發(fā)射激光脈沖，光脈沖穿過大氣到達目標，其中一小部分激光經(jīng)目標反射后返回測距點，并被測距機上的探測系統(tǒng)接收。測出從激光發(fā)射時刻到反射光被接收時刻之間的時間間隔t，根據(jù)已知光速，公式：S=Ct/2(S距離；C激光空氣中速度；t發(fā)射和接收回波的時間差。

 

激光測距方案和關鍵部件系統(tǒng)：

半導體激光器：目前商品化的半導體激光器波長范圍幾乎涵蓋了從紫外到遠紅外（0.325~34μm）的光譜區(qū)域，且具有體積小、重量輕、易于與其它器件集成等優(yōu)點。

光信號接收系統(tǒng)：激光測距儀的接收系統(tǒng)首先將光信號轉化為電信號，之后再進行放大、分析和計算。

高精度時間測量：采用脈沖方式進行激光測距，距離的獲得是通過測量激光由發(fā)射端到目標端來回往返所需的時間來實現(xiàn)的。

2.脈沖激光測距機硬件設計及選型：

硬件整體處理流程：

 

信號放大電路部分：

 

具體選型如下
（1）激光器及探測器

A、激光器

型號：905D1SJ03UA（德國LASER COMPONENTS）

峰值功率：25W

閾值電流：300mA

B、探測器

型號：AD500-9（SILICON SENSOR）

暗電流：5nA

噪聲電流：1pA/Hz

（2）控制MCU：MCU選擇ST公司的STM32F103C8T6芯片，該MCU主頻最高72MHz，集成有UART、CAN、SPI接口以及16bit定時器，硬件資源及運算速度完全滿足測距應用。

（3）脈沖獲取：

選擇TI的LM555CM定時器通過外接RC網(wǎng)絡獲得1Khz的方波信號，后通過RC積分電路以及或非門后獲得200ns的脈沖信號。

通過調節(jié)R1、R2、C1的值來調節(jié)555定時器的輸出方波的頻率，調節(jié)R3、C3的值來調節(jié)OUT端輸出的脈沖寬度。

 

（4）脈沖驅動電路

選擇RLC振蕩電路作為激光二極管的驅動電路，通過開關器件控制儲能釋放電能。

 

電路中R5、L1、C5、L2、R6、D2組成充電電路，C5作為儲能電容，C6作為補償電容。Q1、C5、L2、R6、LD組成放電的RLC振蕩電路。為使電路獲得那個較好的電流曲線，RLC振蕩電路工作在欠阻尼狀態(tài)，盡量保證能量集中在振蕩的第一個峰值區(qū)域。

選擇VISHAY公司的SI2302ADS,MOSTET-N作為開關以及驅動器件，其導通時間為55ns，導通速度快可作為高速開關以及驅動器。由于前級脈沖輸出的驅動能較小，選擇MIC4425作為MOS管的驅動器。

（5）APD前置放大電路

APD輸出為電流信號，為講電流信號轉換為電壓并放大，使用兩級放大電路，第一級跨阻放大，第二級同向比例放大電路。

 

通過調節(jié)R9的值調整跨阻放大的倍數(shù)，調整R10和R8的比值調整同相比例放大電路的輸出。

輸出信號的幅度考慮通過自動增益控制電路控制，或者通過電壓跟隨器作幅度進行限制。在輸出端考慮使用有源濾波器對信號進行濾波并再次放大，運放使用AD8007。

APD的偏置電壓暫選MAX5028。

選用TI的OPA657運放作信號放大，該運放帶寬1.6G，壓擺率700V/us。

（6）脈沖整形電路

將濾波放大后的回波脈沖信號，轉轉為TTL輸出。

 

選用美信公司的MAX913CSA芯片，構成遲滯比較器，增強抗噪聲能力。電路中改變R3、R4的值可改變比較閾值，改變R4、R5的值調節(jié)電路的正反饋也可直接使用LM555構成施密特觸發(fā)器作脈沖整形電路。

（7）時間測量電路

時間測量選擇ACAM公司的TDC-GP2。該芯片的時間測量包含兩個范圍，本設計中使用0~1.8us這個范圍，此測量范圍內(nèi)的典型分辨率可達50ps rms。芯片對外接口為SPI接口，便于MCU讀寫數(shù)據(jù)。

 

（8）電路板結構

激光器驅動電路與激光器一起構成發(fā)射板，前置放大電路與后級放大器及探測器一起做成接收板，脈沖生成、脈沖整形、時間計數(shù)、MCU一起構成主控板。各板之間通過連接器使用屏蔽線連接。

預計各板尺寸：

發(fā)射板：方形25*25mm(圓形 直徑25mm)

接收板：方形35*35mm(圓形 直徑40mm)

主控板：方形45*95mm

3.軟件設計及其流程圖：

（1）首先對芯片寄存器進行配置，初始化芯片后，等待測量，然后完成或者測量溢出后單片機都會向芯片讀取一組測量數(shù)據(jù)進行處理，最后等待下一次測量。測量流程圖如圖所示：

 

（2）校準選擇，由于測量的分辨率吧會隨著溫度和電壓的改變而改變，所以TDC-GP2的ALU需要內(nèi)部校準測量結果。通過設置寄存器的bit5為來選擇標準測量。為了進行校準，TDC測量1個或2個參考時鐘周期REFCLK,這兩個數(shù)據(jù)。

（3）時間測量的方法

A，TDC-GP2內(nèi)部結構：主要由脈沖發(fā)生器，時間數(shù)字轉換器，數(shù)據(jù)處理單元，溫度測量部分，是在控制單元，寄存器和SPI接口組成。TDC-GP2的IO扣電壓和核心電壓分別為1.8-5.5V和1.8-3.6V。內(nèi)部有兩個算數(shù)邏輯單元ALU1,ALU2。

B，時間測量的流程

由MCU對GP2進行上電復位，寫入相應數(shù)據(jù)進行相應配置。GP2在初始化成功后瞪大START和STOP1,STOP2的脈沖輸入，同時輸出中斷。MCU讀取狀態(tài)寄存器判斷計數(shù)器是否超溢出，若溢出，則對GP2再一次復位或者停止執(zhí)行程序，若無溢出，則寫入讀取數(shù)據(jù)指令并從數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)。若要寫入新的計算方法就設置中斷讀取數(shù)據(jù)。

 

（4）數(shù)據(jù)誤差軟件分析和修正

A，時間測量誤差

使用系統(tǒng)使用TDC-GP2的測量范圍1，根據(jù)論文在此范圍抽取一些參考點進行兩百次求平均，會發(fā)現(xiàn)誤差穩(wěn)定在-1ns左右，這是由于電源波紋和CPLD的IO壓擺頻率不足造成的，時間測量的標準始終保持在0.1ns以內(nèi)，使用如下公式進行數(shù)據(jù)修正，誤差控制在0.2ns左右

修正數(shù)據(jù)值=0.99983*測量平均值+0.88342

B，引起時間測量誤差的其它因素

溫度和電源波紋系數(shù)越高，測量誤差越大。因此在設計時候考慮工作溫度和電源去耦。

信號源抖動：TDC-GP2是以判別上升沿或下降沿來作為計時的開始或結束，所以信號源的壓擺率。

PCB走線和串擾效應。如果輸入信號與其他信號線過于靠近，信號線上會產(chǎn)生感應電流導致尖峰脈沖.