激光脉冲测距

组长：孙汉林(制作PPT)

组员：张莹（讲解）

吕富敏（制作报告）

                           目录

一  工作原理................................................................................................................ 2

（1）测距仪工作原理........................................................................................... 2

（2） 激光脉冲测距仪光学原理结构................................................................. 2

（3） 测距仪的大致结构组成............................................................................. 3

（4） 主要的工作过程......................................................................................... 3

（5） 激光脉冲发射、接收电路板组成及工作原理......................................... 4

二 激光脉冲测距的应用领域...................................................................................... 4

三 关键问题及解决方法.............................................................................................. 6

（1）优点............................................................................................................... 6

（2）问题及解决方案........................................................................................... 7

一  工作原理

（1）测距仪工作原理

 现在就脉测距仪冲激光测距简要叙述其工作原理。简单地讲，脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间 t，光速 c 和往返时间t 的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离 。一般一个典型的激光测距系统应具备以下四个模块：激光发射模块；激光接收模块；距离计算与显示模块；激光准直与聚焦模块，如图 2-1 所示。系统工作时，由发射单元发出一束激光，到达待测目标物后漫反射回来，经接收单元接收、放大、整形后到距离计算单元计算完毕后显示目标物距离。在测距点向被测目标发射一束强窄激光脉冲，光脉冲传输到目标上以后，其中一小部分激光反射回测距点被测距系统光功能接收器所接受。假定光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间间隔为 t，那么被测目标的距离 D 为：式中：c 为激光在大气中的传播速度；D 为待测距离；t

为激光在待测距离上的往返时间。

R=C*T/2               (公式1)

 

图一脉冲激光测距系统原理框图

（2） 激光脉冲测距仪光学原理结构

图二

（3） 测距仪的大致结构组成

脉冲激光测距仪主要由脉冲激光发射系统、光电接收系统、门控电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路组成

（4） 主要的工作过程

其工作过程大致如下：首先接通电源，复原电路给出复原信号，使整机复原，准备进行测量；同时触发脉冲激光发生器，产生激光脉冲。该激光脉冲有一小部分能量由参考信号取样器直接送到接收系统，作为计时的起始点。大部分光脉冲能量射向待测目标，由目标反射回测距仪的光脉冲能量被接收系统接收，这就是回波信号。参考信号和回波信号先后由光电探测器转换成为电脉冲，并加以放大和整形。整形后的参考信号能触发器翻转，控制计数器开始对晶格振荡器发出的时钟脉冲进行计数。整形后的回波信号使触发器的输出翻转无效，从而使计数器停止工作。这样，根据计数器的输出即可计算出待测目标的距离。三 实验装置实验装置包括“激光脉冲发射、接收电路”和“单片机开放板”。

（5） 激光脉冲发射、接收电路板组成及工作原理

激光脉冲发射/接收电路板原理框图如图2.3所示。图中EPM3032为CPLD；MAX3656为激光驱动器；MAX3747为限幅放大器；T22为单端信号到差分信号转换芯片；T23为差分信号到单端信号转换芯片；LD为半导体激光器；PD为光电探测器。板子上端的EPM3032被编程为脉冲发生器，输出重复频率为1KHz，脉冲宽度为48ns的电脉冲信号。此信号经MAX3656放大后驱动LD发光。板子下端的EPM3032被编程为计数器，对125MHz晶振进行计数。其计数的开门信号来自上端的TX信号，关门信号来自PD的输出。计数器的计数结果采用12位二进制数据输出，对应的时间范围为0~32.7?s。

二 激光脉冲测距的应用领域

激光测距仪一般采用两种方式来测量距离:脉冲法和相位法.脉冲法测距的过程是这样的:测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收.测距仪同时记录激光往返的时间.光速和往返时间的乘积的一半.就是测距仪和被测量物体之间的距离.脉冲法测量距离的精度是一般是在+/-1米左右.另外.此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。

激光测距仪已经被广泛应用于以下领域: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。

由于激光在亮度、方向性、单色性以及相干性等方面都有不俗的特点，它一出现就吸引了众多科学工作者的目光，并被迅速地被应用在工业生产方面、国防军工方面、房地产业、各级科研机构、工程、防盗安全等各个行业各个领域：激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打孔、钢板打孔、包装印刷打孔等）、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等。有关于激光的研究与生产制造也如火如荼地开展了起来。

激光与普通光源所发出的光相比，有显著的区别，形成差别的主要原因在于激光是利用受激辐射原理和激光腔滤波效应。而这些本质性的成因使激光具有一些独特的特点：

1.激光的亮度高。固体激光器的亮度更可高达1011W／cm2Sr这是因为激光虽然功率有限，但是由于光束极小，于是具有极高的功率密度，所以激光的亮度一般都大于我们所见所有光（包括可见光中的强者：太阳光），这也是激光可用于星际测量的根本原因所在；

2.激光的单色性好。这是因为激光的光谱频率组成单一。

3.激光的方向性好。激光具有非常小的光束发散角，经过长距离的飞行以后仍然能够保持直线传输；

4.激光的相干性好。我们通常所见到的可见光是非相干光，激光可以做到他们都做不到的事情，比如说切割钢材。

在测距领域，激光的作用更是不容忽视，可以这样说，激光测距是激光应用最早的领域（1960年产生，1962年即被应用于地球与月球间距离的测量）。测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积小同时重量轻的激光测距仪受到了大多数有测距需求的企业、机构或个人的青睐，其市场需求空间大，应用领域广行业需求多，并且起着日益重要的作用。

三 关键问题及解决方法

（1）优点

脉冲激光测距法相比相位激光测距法有以下几项优点：

第一，在相同的总平均光功率输出条件下，脉冲光波型激光测距仪可测量的距离远必连续光波型激光测距仪要长。

第二，测距速度较快。

第三，不需要合作目标，隐蔽性和安全性好。

考虑以上特点和实际系统设计要满足体积小，功耗低，高重频，测距速度快等特点，本实验中我们选择脉冲激光测距法作为整体系统的测距方式。

（2）问题及解决方案

在脉冲式激光测距仪的设计当中，时差测量成为了一个影响整个测量精度最关键的因素。在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。在很多领域，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/户外运动等都可以用到激光测距仪。激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法脉冲式激光测距仪是通过测量激光从发射到返回之间的时间来计算距离的。因此时间测量对于脉冲式激光测距仪来说是非常重要的一个环节。由于激光的速度特别快，所以发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔非常小。。例如要测量1 公里的距离，分辨率要求1cm，则时间间隔测量的分辨率则要求高达67ps。德国acam 公司的时间数字转换器TDC-GP2 单次测量分辨率为典型65ps，功耗超低，集成度高，测量灵活性高，是脉冲式激光测距仪时差（TOF）测量非常理想的选择。激光发射装置发射出光脉冲同时将发射脉冲输入到TDC-GP2 的start 端口，触发时差测量。 一旦从物体传回的反射脉冲达到了光电探测器（接收电路）则给TDC 产生一个Stop 信号，这个时候时差测量完成。那么从Start 到Stop 脉冲之间的时差被TDC-GP2精确记录下来，用于计算所测物体与发射端的距离。在这个原理中，单片机对于TDCGP2进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量结果传回给单片机通过算法进行距离的精确计算，同时如果有显示装置的话，将距离显示出来。在这个原理当中距离的测量除了与TDC-GP2 的时差测量精度有关外还与很多其他因素有关系：
- 激光峰值功率
- 激光束发散程度
- 光学元件部分
- 光传输的媒体 (空气，雨天，雾天等)
- 物体的光反射能力

-      光接收部分的灵敏程度等等

-      被测物体特性以及传输媒介的铁性一般是由应用的条件给出的，那么可以根据应用的条件来选择激光的发射器（波长，驱动条件，光束的特性等）和接收器（类型，灵敏度，带宽等）。测量的范围在激光峰值功率更高以及信噪比更高的情况下也会相应增加。那么时差测量的精度除了与TDC-GP2 芯片本身测量精度有关系外还与激光的脉冲特性有关，比如脉冲的形状（宽度，上升下降沿的时间），以及探测器带宽和信号处理电路。对于tdc-gp2 而言，脉冲信号的速度越快，带宽越宽，则测量精度相应得会越高。
那么上面所述的一些需要注意的问题在这里我们并不做讨论，我们假设其他方面都已经解决，那么这里我们着重介绍一下如何应用单片机和TDC-GP2 来控制时间测量。对于tdc-gp2 而言，这颗芯片本身有两个测量范围，测量范围1 和测量范围2。测量范围1 的时间测量从0ps-1.8us,相对于距离来讲大约为0-270m。测量范围2 的测量范围从2 倍的高速时钟周期到4ms.也就是说最高的距离测量可以到25 公里以外.

 

第二篇：基于TDCGP2的高精度脉冲激光测距系统研究

摘要

摘要

论文通过对高精度脉冲式激光测距系统的研究，并在参照课题技术指标的基础上，旨在提供一种高精度脉冲式激光测距系统的解决方案，并对脉冲式激光测距仪系统设计中所涉及的脉冲读取与放大电路、时刻鉴别、时间间隔测量等关键技术进行了深入的研究和探讨。

论文利用电流．电压转换法对脉冲信号进行读取，并使用了可控增益放大技术，使得放大后的脉冲信号能在限定幅值范围内变化，减小了时刻鉴别中由于脉冲幅值波动所引起的漂移误差；在时刻鉴别中，采用了预鉴别恒定比值鉴别法使漂移误差进一步减小。时间间隔测量是论文的核心部分，基于ＴＤＣ．ＧＰ２的时间间隔测量设计使系统的时差测量精度达到７枷，高精度的时差测量为系统测距精度提供了可靠保障。关键词：脉冲激光测距；可控增益放大；峰值检测；时刻鉴别；ＴＤＣ．ＧＰ２

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＡＫｇｈ－ｐｒｅＣｉｓｉｏｎｐｔｌｌＳｅｌａＳｅｒｆａｎｇｅｆ．ｍｄｅｒｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ证ｎｌｉｓｐａｐｅｒｔｈｒｏｕｇｈ也ｅｒｅＳｅａｒｃｈｏｆｌｌｉ曲一ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｕｌｓｅｄｌａＳｅｒ瑚ｇｅｆ．ｍｄｅｒｓｙＳｔｅｍ

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ＰｅａｋＤｅｔｅＣｔｉｏｎ；蜀ｍｉｎｇＤｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ；ＴＤＣ－ＧＰ２

第一章绪论

第一章绪论

１．１激光测距概述

随着激光的产生与激光技术的不断发展，人们对周围环境的认知也进入了一个新的时代。激光最先应用的领域之一就是利用激光进行测距和探测。最早出现的激光探测工具就是激光测距，它也是激光雷达的雏形。激光测距仪自２０世纪６０年代以来，经历漫长的发展过程，其种类不断增加，性能不断完善与发展，应用领域也越来越广泛。

目前出现的激光测距产品按照测距方式共分为三种：相位法激光测距，干涉法激光测距以及脉冲法激光测距。相位法测距主要应用于短距离测距应用，例如建筑行业，家装业，另外相位法激光测距也应用于激光三维立体成像领域。该方法的特点是测距精度高（一般在毫米微米量级）作用距离短，实现简单。干涉法主要用于薄膜测厚应用，精度可达到波长级别。而脉冲法则是应用最为广泛的一种测距方式。它主要用于中远距离激光测距，例如地球与月球、卫星之间距离测量，激光雷达等应用，其测量范围可从几百米到上千公里。

１９６０年，由美国Ｔ．Ｈ．Ｍ抽雒博士研制的世界上第一台红宝石激光器开始，激光优异的单色性、方向性和高亮度性就引起了人们的普遍关注。不久科学家和工程师们就提出了激光测距、激光雷达、激光制导研制的构想，并开展了大量研究工作【ｌ捌。作为激光雷达的雏形。激光测距机以其轻巧的外型，超高的性能迅速取代了传统光学测距仪器，成为光学测距产品的主导。其中以人造卫星测距机发展最为突出。１９６１年美国就成功研制出世界上最早的红宝石激光测距系统，１９６９年美国又首次将激光测距系统应用于坦克火控系统。同年科学家们又利用激光测距系统精确测量了地球测试点与月球反射器之间的距离【３ｌ。

脉冲半导体激光测距机的研究起始于２０世纪６０年代末，到８０年代中期陆续解决了激光器件、光学系统及信号处理电路中的关键技术，８０年代后期转入应用研究阶段，并研制出了各种不同用途的样机，９０年代中期各种成熟的产品便不断出现。

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系统的研究

【４】。主要有芬兰的奥鲁大学、美国的Ｓｃｈ唧乜Ｅｌｅｃ仃ｏ．Ｏｐｔｉｃｓ公司、Ｅ敞ＯＮ公司等。ＳｃｈⅥ班ｔｚＥ１ｅｃ缸－０．Ｏｐｔｉｃｓ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激光防撞告警装置。ＥＸｘ０Ｎ公司研制了脉冲半导体激光角度距离测量系统，用于

２基于１ＤＣ－ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

海上石油勘测。１９９２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仪，用于对车辆的测距和测速。１９９６年下半年，美国ＢｕｓｈＩｌｅｌｌ公司推出了４００ｍ的４００型ＬＤ激光测距机Ｙ甜ｄａｇａ４００，１９９７年被评为世界１００项重要科技成果之一，同年又推出了测距能力为８００所的８００型激光测距机。１９９８年美国１缸ｃｏ公司研制出了测距能力８００聊的摄像机型ＬａｓｅｒＳｉｔｅＬＤ激光测距机。美国Ｌｅｃｉａ公司也有小型ＬＤ测距仪，测量距离０．２～３０册。１９９５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８００～９００胛聊范围内、峰值功率为ｌＯ肌脉冲宽度为２０～５０瑚、测量距离１０所～１砌无合作目标的激光测距系统研究。

国内激光测距样机的研究开始于上世纪８０年代１４】，是在原固体、气体激光测距机基础上发展起来的。目前，基础技术已具备，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２００所，精度Ｏ．５脚，重复频率为１００月皇的激光测距机。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ｌｏｏ小，采用３００朋勉计数方式，测距精度Ｏ．５聊，重复频率Ⅸ勉。中国计量学院信息工程系光电子所也与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距机。常州莱赛公司研制了作用距离２００历半导体激光测距机。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９０５甩聊，重复频率为１００尼：，

１．２激光测距系统研究现状

激光测距技术已经成熟，目前激光测距技术研究的主要目标是增大作用距离，提高测距精度，并在解决二维光学扫描的基础上，实现对目标的三维测量。而由于相位法激光测距的原理性问题，使其无法达到远距离测距的要求，因此激光测距技术的重心就是脉冲式激光测距领域。经过近几十年发展，其中几项关键技术有了很大的进展ｐＪ。

（１）半导体激光器（Ｓｅ嘶ｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａＳｅｒ）技术。半导体激光器是在Ｈｅ．Ｎｅ激光器和红宝石激光器问世两年后于１９６２年出现的，其波长覆盖范围涵盖了红外，可见光与紫外波段。在激光测距机中，波长９０５胛ｍ的Ｇ啦ｓ激光器是半导体激光器中最成熟、应用领域最广的一类器件。

近几年来半导体激光器的研究工作主要是针对提高输出功率、降低阈值电流、扩展工作温度、提高光电效率来进行的。随着基础理论研究、晶体生长技术、半导体器件制备工艺技术的发展，半导体激光器从同质结、单异质结发展到双异质结、量子阱器件。２０世纪７０年代以来半导体激光器在多层结构的基础上出现条形结构，使室温阈值电流密度进一步下降，８０年代１００形量子阱脉冲激光器，其阈值电流已小于１彳。目前国内半导体脉冲激光器产品的脉冲峰值功率稳定在１５０形

第一章绪论３

一

左右，且已有上千瓦的器件。国外已有千瓦级的产品，管芯效率达７０％，温度特性由单异质结的７０％变化率提高到１０％左右，闽值电流由单异质结１蚴降低到ｌ彳（峰值功率为１００形半导体激光器），这种激光器可满足中、短距离激光测距的要求。

（２）激光发、收窄脉冲处理技术。脉冲激光测距的基本过程是通过测量接收激光脉冲相对发射脉冲之间的延时，计算在该时间内激光传播的距离。为准确地产生发射及接收激光脉冲基准，要求激光发射脉冲尽可能窄。受激光器及调制器件阻容参数的限制，目前激光脉冲宽度可做到ｌ毗Ｏ珊。激光发射和接收脉冲呈钟形，波形通过比较器形成基准信号，随着电脉冲幅度的变化，基准信号前沿位置会发生微小变化，尤其是当接收信号幅度变化较大时，基准信号变化更大，造成较大的测距误差。为提高测距精度，必须在电路上采取必要的鉴别措施，以减少幅度变化对时差的影响。目前主要有两种方法：（ａ）时刻鉴别法。它将原电信号延时脉冲宽度的一半，与原信号相加，之后送入比较器。（ｂ）幅度校正法。即利用同时采集到的脉冲幅度值对距离进行修正。采用这些方法，脉冲前沿处理精度可做到ｌ璐以下，测距精度精确至厘米量级。

（３）高精度时间间隔测量系统。高精度时间间隔测量是激光测距的主要组成部分，也是精密时间测量仪器的核心部件。国内外诸多著名的科研机构、公司、大学也开展了这方面的研究。并研发出很多实用解决方案，可广泛用于不同测量范围、不同精度、不同体积、质量和价格要求的军、民用激光测距产品。同时也可用于其他精密时间测量的应用。时间间隔测量的实现形式可分为三类：第一类是数字方式实现的，例如直接计数法，它采用晶振产生振荡时钟，由ＴＴＬ、ＣＰＬＤ电路组成的计数电路在测量时间范围内对时钟计数，实现时间测量，也可以采用级联精密延时电路实现。这类电路工作稳定，测量范围宽，但精度较差。第二类是模拟式测量电路，典型电路有两种：一种是将时间转化成电压，简称ＴＡＣ电路，然后通过模数转换实现时间测量。另一种是将时间线性放大Ｋ倍后，再经计数式测量电路实现时间测量，从而使用相同的晶振频率，测量精度提高Ｋ倍。这类电路测量精度高、稳定性较好，但线性范围小，测量范围窄。适用于近距离测距。第三类是模数混和测量电路。典型方法是模拟内插法。它首先采用计数电路对时间进行计数，完成粗测量，再将计数时间误差线性放大Ｋ倍后以同样频率计数，完成精测量。这种电路综合了数字测量电路测量范围宽和模拟测量电路测量精度高的特点，是比较理想的测量电路，但该类时间间隔测量电路结构复杂、实现难度较大。目前，精密时间测量电路的测量精度可达几百筇甚至几十筇。

４基于１ＤＣ—ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

１．３论文主要研究内容

本论文旨在通过对激光测距原理与测距方法的深入分析与探讨，设计出一种高精度脉冲式激光测距系统，使其具有更优良的性能，更强的实用性。

论文通过激光测距原理以及探测方法的深入讨论与分析，最终制定了符合项目实际的脉冲式激光测距系统设计方案。并对该方案各个模块的功能与实现方法进行详细的阐述与分析。同时也对脉冲激光测距中关键技术展开深入研究，如高速窄脉冲激光的检测及放大、可控增益放大器的设计、高精度时刻鉴别电路的实际、高精度时间间隔测量和高速峰值保持等关键技术等，方案的设计、各模块的实验结果完全符合系统的要求。

论文的主要内容为：

第一章为本论文绪论部分，主要讨论激光测距的种类和应用、激光测距系统的国内外研究现状以及本论文所涉及的主要研究内容。

第二章主要对目前常见的激光测距方法进行阐述并对其做了比较分析，并对系统设计方案进行了阐述与论证。

第三章主要讨论半导体激光器原理与窄脉冲激光的驱动原理与驱动方法。

第四章是论文的重点之一。主要讨论了光信号的接收原理，ＰＩＮ与ＡＰＤ光电二极管的驱动方法、信号放大原理以及脉冲信号的时刻鉴别原理。

第五章是论文的另一核心部分。主要讨论高精度时间间隔测量原理以及基于ＴＤＣ—ＧＰ２的高精度时差测量系统的设计，并对时差测量结果进行分析与讨论。

第六章是论文的结论部分，该部分对论文中的主要工作进行总结，并分析了系统的设计的主要特点，同时结合系统的要求，对进一步提高系统稳定性和测量精度提供改进意见。

第二章激光测距系统理论分析与设计５

一

第二章激光测距系统理论分析与设计

２．１激光测距原理

目前较为常见的激光测距方法主要包括两种，即相位法与脉冲法。相位法主要应用于短距离高精度的激光测距系统，而脉冲法则用于长距离的激光测距系统，其测量精度比相位法测距要低，但随着时差测量精度的提升，脉冲法测距也可应用于高精度的测距应用。

２．１．１激光相位法测距

通常相位法激光测距具有较高的测距精度。相位式激光测距是利用发射的调制光和被测目标反射的接收光之间光强的相位差包含的距离信息来实现对被测目标距离的测量１６Ｊ，由于采取调制和差频测相等技术，具有较高测量精度，广泛应用于有合作目标的精密测距场合。

相位测距的方法是通过对光的强度进行调制实现的，通过测量调制的激光信号，在待测距离￡上往返传播所形成的相移够，间接测出激光在测量点与目标间的往返时间，，根据光速，求出待测距离￡。

相位法激光测距实现原理如下：

ＡＢ

图２．１用“光尺”测量距离

设调制频率／为，调制波形如图２．１所示，波长为

扣手．，（２－１）

式中ｃ为光速。由图可知，光波从Ａ点传到Ｂ点的相移妒可表示为：

６基于ＴＩ）Ｃ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

９＝２朋历＋△妒＝（历＋△聊）２刀（２—２）

式中，搠是零或者整数，△ｍ是个小数，△掰＝譬。Ａ，Ｂ两点之间的距离￡为：

三＝甜＝ｃ齿＝允（册＋锄）２万厂、（２．３）７

式中，，代表光由Ａ点传到Ｂ所需的时间。给出式（２．３）时已利用式（２．１）和式（２．２）。由式（２．３）可知，如果测得光波相移Ｑ中２石的整数聊和小数△聊，就可由式（２．３）确定被测距离三，所以调制光波被认为是一把“光尺”，即波长入就是相位式激光测距仪量度距离的一把尺子。

激光测距中，一般测量的是测距仪到目标物体之间的往返一次所经过的距离，因此在相位法测距中，测量的是激光往返一次所引起的相位差。图２．２示意地表示光波在距离Ｌ上往返一次后的相位变化。

为分析方便，假使测距仪的接收系统置于彳’（实际中发射和接收系统都处在Ａ点），并且彳Ｂ＝烈’，朋’＝牡，如图２．３所示，则有

２三＝Ａ（所＋△肌）（２－４）

（２—５）三＝鲁（肌＋锄）＝岛（朋＋锄）

式中，所是整数，４朋是小数。这时厶作为量度距离的一把光尺，但需要指出的是相位测量技术只能测量出不足知的相位尾数△缈，即只能确定小数△聊＝△妒／２万，而不能确定出相位的整数倍朋，因此当距离三大于如时，仅用一把“光尺＂是无法测定距离的。但当三＜Ａ／２时，即聊＝Ｄ时，可确定距离三为

￡：尘鲤（２．６）图２．２光波经过距离龙后的相位变化

第二章激光测距系统理论分析与设计７

一

由此可知，如果被测距离较长，可降低调制频率，使得厶大于￡，即可确定距离三。但是由于相位测量系统存在测相误差，使得所选用的厶愈大是测距误差愈大。例如，如果测相系统的测相误差为１‰，则，当测尺长度￡ｓ＝１朋时，会引起１所肌的误差，而当￡ｓ＝１００珊时，所引起的误差就是１０伽。因此，相位法测距不适合远距离的测距要求。

理论上，影响相位法测距精度主要有：

１、由光的传输媒介折射率变化等原因引起光速误差；

２、调制频率．而的误差（调制频率稳定性）；

３、相位测量误差。

其中，由传输媒介引起的误差可以采用实时实地环境监测参数（如：大气能见度、温度、大气压力等）补偿来降低误差，其余两方面误差原因则取决于电路系统。因此，在电路系统设计中，调制频率发生电路和相位测量电路是关键，它直接影响系统测量误差的大小。

另外，还必须要考虑到信号在系统光路和电路上的传输所产生的附加相移。对于附加相移，一些固定的，不随外界环境的变化至于电路或者光路系统本身有关，这类附加相移再数据处理时，可通过加减固定偏移量来修正；另一类是随机性附加相移，它随着外界环境、元器件性能而变化，无法用修正来消除，会对测量结果产生很大的影响。

２．１．２脉冲式激光测距

脉冲式激光测距即激光飞行时间（Ｔｉｍｅ．ｏｆＦｌｉｇｈｔ简称ＴｏＦ）测距，它是利用激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中，瞬时功率很大的特点进行测距的，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测量距离，在进行几公里的近程测距时，如果精度要求不高，即使不使用合作目标，只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得回波信号，也可以进行测距。目前脉冲式激光测距方法已得到了广泛的应用，如地形测量，战术前沿测距，导弹运行轨道跟踪，激光雷达测距，以及人造卫星、地球到月亮距离的测量等

脉冲激光测距仪图２．３脉冲式激光测距原理示意图

８基于１ｒＩ）ｃ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

脉冲式激光测距的原理如图２．３所示。由激光发射系统发出一个持续时间极短的脉冲激光，经过待测距离￡之后，被目标物体反射，发射脉冲激光信号（回波信号）被激光接收系统中的光电探测器接收，计时电路通过计算脉冲激光发射和回波信号到达之间的时间间隔，即激光脉冲从激光器到目标物体之间的往返时间，，即可计算出目标物体与激光测距仪之间的距离三为：

三：三甜

２（２．７）

式中，ｃ为光速。

由式（２．７）可以看出，脉冲法激光测距的测量精度主要取决于对脉冲发射到脉冲接收之间的时间差测量的精度。当测量精度要求为ｌ朋时，设光速为３×１０８ｎ以根据公式（２．７）可以计算出其时差测量精度必须达到为Ｏ．６６７×１０～，约为７珊。如果用直接计数法进行时差测量，那么其计数脉冲的频率为１５０肱眈。

另外，光速ｃ的精度主要依赖于大气折射率刀的测定，由折射率测定误差而带来的误差约为１０而，因此对于短距离脉冲激光测距来说（几十公里以内）来说，测距精度主要取决于时间间隔ｆ的精度的大小，影响时间间隔精度的因素很多，比如脉冲的宽度，目标反射面和接收光学系统对激光脉冲的展宽，测量电路对脉冲信号的响应延迟等

空气折射率与气压、温度、适度及大气成分有关，并且不同波长的空气折射率不同。文献［７】中给出了空气折射率的计算公式为：

（刀一１），＝Ｉ８３４２．１３＋２４０６０３０（１３０一仃２）～＋１５９９７（３８．９一仃２）．１Ｉ×１０－８（２－８）

式中，硝真空中的波数，萨允Ｄ．７，知为真空中激光波长（单位为朋）。下标ｓ表示标准，即气压为一个大气压，温度为１５℃，Ｃ０２含量为０．０３％的干燥空气。折射率的准确度可达到±５×１０一。同时该文献【８】中还给出了折射率随温度和气压的关系，如式（２．９）所示：卜１）．：世×些坐坐型坚坐坚、７伊（２．９）７２０．７７５ｌ＋Ｏ．００３６６ｌＺ’

其中ｐ为气压，ｒ为温度。在温度为１５．３０℃，气压为７００￣８００肌脚汞柱范围内，上式可化简为（刀一ｔ）妒＝（刀一?），×芋燃（２－?ｏ）其误差不大于１×ｌＯ－８。

由于环境湿度变化对空气折射率的影响可表示为

飞旷一７％＝一／（５．７２２４一ｏ．０４５７仃２）×ｌｏ－８

式中／表示湿度。（２一１１）

第二章激光测距系统理论分析与设计９

一

于是，测量出气压ｐ，温度丁以及湿度厂后，利用式（２－８）、（２－９）、（２．１０）、（２．１１），即可直接计算出脉冲激光测距环境下的空气折射率疗。

２．１．３两种测距方式的测距性能分析及其对比

相位法与脉冲法是两种不同的测距方式，两种测距方法是针对各种不同的工作场合和不同的精度要求都有各自的优缺点。如表２．１所示：

表２．１两种测距方式对比

由表２．１中对相位法和脉冲法两种激光测距方式的对比以及上文的叙述可以看出：

（１）相位法激光测距常用于小距离测距（一般用于百米以内的测距产品），具有很高的测量精度（测量精度可达到毫米级别），并且设计相对简单。但对于相位调制影响激光测距精度的除大气温度、气压和湿度等外在因素外，还包括测距仪自身的光发射功率、测量平均次数和调制频率及其稳定性等因素的影响。另外，电子噪声特别是由大功率调制引入的电子相干噪声对探测精度影响很大。而且，如果光电信号与调制源具有相同的频率，就会限制测相精度。这是由于调制源存在与光电信号频率相同的泄漏场，它与光电信号发生相干作用，降低了信噪比特别是在回波信号很弱的时候。

（２）脉冲式激光测距仪主要用于远距离的激光测距应用中，其特点是抗干扰能力强，精度高，目前主流的脉冲式激光测距产品的测量精度可达到厘米级别。

脉冲激光测距测量系统的测量精确度主要依赖于接收通道的带宽、激光脉冲的上升沿、探测器的信噪比（峰值信号电流与噪声电流均方根值之比）和时间间隔测量精确度。以上主要是从激光飞行时间，出发来考虑距离的精度，其中关键是如何精确稳定地确定，的起止时刻和精确测量激光飞行时间ｆ，它们各自对应的是时刻鉴别单元和时间间隔测量单元；另一方面就是大气折射率也受环境温度、气

ｌＯ基于ＴＤＣ－ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

压及大气湍流的影响。

而且时刻鉴别中，由于激光脉冲在空中传输过程中的衰减和畸变，导致接收到的脉冲与发射脉冲在幅度和形状上都有很大不同，给正确确定起止时刻带来困难，由此引起的测量误差被称之为漂移误差（Ｗ批Ｅ舯ｒ）；另外，由输入噪声引起的时间抖动也给测量带来了误差。如何设计时刻鉴别单元以达到消除或减小漂移误差和时间抖动，是脉冲激光测距的重要研究课题之一。

２．２脉冲激光测距系统设计

２．２．１系统设计要求

根据实际的探测要求，确定系统的设计要求如下：

测距方式：脉冲式激光测距

测程：Ｏ．５脚—５００朋

重复频率：１．５胜

激光波长：中心波长为９０５刀所（对人眼安全）

脉冲宽度：３０船

发射功率：峰值功率不高于１２形

测量精度：小于２硎

２．２．２脉冲式激光测距系统组成

由以上对激光测程以及本系统设计的要求，本系统选用脉冲激光测距法，其系统组成框图如图２．４所示。系统主要包括窄脉冲激光发射系统、脉冲激光接收系统、高精度时间间隔测量系统、微控制器、液晶显示、串口以及光学系统组成。

第二章激光测距系统理论分析与设计

图２．４激光测距系统功能框图

系统的各部分功能如下：

电源管理：电源管理单元将外部供电按照系统要求，转换为系统各部分所需要的电压并对其进行供电。并且，微处理器可对电源部分进行必要的控制，对系统中各部分进行独立关断。

脉冲发射系统：半导体激光器（ＬａＳｅｒＤｉｏｄｅ简称ＬＤ）的发射单元主要由ＬＤ偏置电压发生器、脉冲发生器、ＬＤ驱动电路组成。ＬＤ偏置电压发生器为半导体激光器提供工作所需的偏置高压，并加载至ＬＤ驱动电路中，驱动半导体激光器发光，脉冲信号发生器则为ＬＤ驱动电路提供所需的高速窄脉冲信号。

激光脉冲接收系统：激光脉冲接收单元为本系统的核心部分之一，主要分为两个子块：Ｐ烈光电二极管（以下简称ＰＩＮ）接收电路和雪崩管（Ａｖａｌ锄ｃｈｅＤｉｏｄｅ简称ＡＰＤ）接收电路。Ｐｈｏｔ０

（１）ＰＩＮ接收电路：ＰＩＮ管接收电路主要由ＰＩＮ前置放大电路、主放大电路和时刻鉴别电路组成。ＰＩＮ管接收到有分光镜和反射镜反射的脉冲激光信号后，由Ｐ烈前放进行读取并送至放大电路进行必要的信号放大，得到系统所需的脉冲信号之后再送至时刻鉴别电路进行时刻的甄别，并将时刻鉴别的结果送至时间间隔测量单元，作为计时的起点（Ｓｔｏｐｌ信号）。

（２）ＡＰＤ接收电路：ＡＰＤ接收电路包括ＡＰＤ前放、ＡＰＤ偏置电压发生器及偏压控制电路、可控增益放大电路（由可控增益放大器、峰值检测电路、增益控制电路组成）、时刻鉴别电路组成。ＡＰＤ偏压发生器与偏压控制电路为ＡＰＤ提供精准的偏置电压（本系统设计中，半导体激光器与ＡＰＤ驱动电路共用～套偏置电

１２基于１ＤＣ。ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

压）加载至ＡＰＤ驱动电路（即为ＡＰＤ前放）中，当ＡＰＤ接收到由探测目标反射的脉冲回波时，ＡＰＤ前放进行读取，并送至可控增益放大电路（可控增益放大的功能与作用将在后续章节介绍）中进行放大，放大的结果送入峰值检测电路中进行时刻甄别，并将时刻鉴别的结果送入时间间隔测量单元中，作为计时终点（ｓｔｏｐ２信号）。

高精度时间间隔测量系统：高精度时间间隔测量系统主要由计时芯片（论文中选取通用型ＴＤＣ模块ＴＤＣ．ＧＰ２）以及其外围电路组成，是本系统的核心部分。该部分为系统提供精准的时差测量，保证了测量的精度。

微控制器及显示接口部分：该部分主要有微处理器（Ｍｉｃｒ０Ｃｏｎ仃ｏｌＵｎｊｔ简称ＭＣＵ），液晶显示，ＲＳ．２３２串口组成。ＭＣＵ主要为各分部的正常工作提供控制信号，并通过ＳＰＩ口配置ＴＤＣ．ＧＰ２芯片，并读去相应的测量结果进行计算与处理，处理完成的送至ＬＣＤ显示或者发送至串口送至上位机进行进一步处理。此处的串口除了传送测量数据之外，还可接收上位机的操作指令，用于控制系统工作。

光学系统：光学系统的主要功能是将半导体激光器产生的激光分成两束，一束经反射镜送入Ｐｍ管光敏面上，另一束则经过准直之后发射至目标物体；另一方面光学系统将其接收到的激光回波信号汇聚到ＡＰＤ的光敏面上，以提高光电接收器件的探测能力。因为光学系统并不在本论文的研究范围之内，因此论文中对该部分将不做叙述。

２．２．３系统工作流程

激光测距系统工作流程如图２．５所示。系统上电之后，控制器便进行系统初始化，初始化完成之后即可开启发射接收电路，并发射脉冲信号进行测量，等待测量结束之后停止发射激光，读取测量结果并对数据进行处理显示。

第二章激光测距系统理论分析与设计１３

图２．５激光测距系统工作流程图

第三章激光发射系统

第三章激光发射系统

３．１半导体激光器原理

半导体激光器（ＳｅＩＩｌｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬ嬲ｅｒ）又称激光二极管（Ｌ觞ｅｒＤｉｏｄｅ）是利用半导体材料导带中的电子和价带中的空穴的复合来产生受激辐射。半导体激光器是以半导体材料为工作物质，其中以半导体晶体（二元化合物、三元化合物元素）作为工作物质的半导体激光器，如砷化稼，稼铝砷等。输出激光波长可以从紫外波段一直扩展到远红外波段。输出激光可以是连续的（ＣＷ），准连续（ＱＣＷ）的和脉冲（Ｐｕｌｓｅ）的。窄脉冲大电流激光器驱动技术研究半导体激光器按泵浦方式不同，可以分为注入式激光器、光泵激光器和电子束泵浦激光器。

半导体激光器工作原理是通过一定的激励方式，当高能态的粒子数多于低能态的粒子数，并且工作电流达到阈值电流时，激光器输出相干的受激光束【９】。半导体激光器产生激光必须满足三个基本条件：

１．粒子数反转：高能级上的电子数目要超过低能级上的电子数目，半导体激光器除了有Ｐ区和Ｎ区之外，中间还有一个无参杂的有源区，当Ｐ－Ｎ结加正偏压时，降低了Ｐ区和Ｎ区之间的势垒，电子、空穴分别从Ｐ区和Ｎ区向有源区注入，形成粒子数反转（如图３．１）。

原子八

基态ｙＪ》，！●邕●◆．１瓮龟ｒ龄趸ｒ１１

图３．１粒子数反转

２．激励和阈值条件：当光的增益大于损耗时，就形成受激光的阈值条件，结型激光器提供增益的手段是加正向电流。当正向电流较小时，注入的载流子较少，增益未能克服腔内的损耗时也能发光，但这是自发辐射；当增益超过损耗时，腔内建立起振荡模式，发射谱线变尖锐，发射亮度剧增，这时开始发射激光，此时的注入电流密度称为阈值电流密度（如图３．２）。

１６

基于１ＤＣ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

３．谐振腔：在激光器垂直于ＰＮ结平面的两端通过解理产生两个相互平行的

光滑表面，形成谐振腔，在有源区内电子由导带向价带跃迁时，产生一定波长的光，这些光在两端面上来回反射通过结区，同时又引起新的电子跃迁，使光强不

断增强。

光

图３．２半导体激光器结构示意图

３．２半导体激光器驱动

３．２．１窄脉冲信号发生器设计

根据脉冲式半导体激光器（论文中选取了波长为９０５玎ｍ的半导体激光器

ＰＧＥＷｌＳ０９，将在３．２．２节内容中做详细叙述）的驱动要求，系统需要一个脉宽

２０珊￣５０瑚，重复频率为２．５胜亿的脉冲信号，作为半导体激光器驱动电路的开关信号。论文中选用ＣＰＬＤ作为窄脉冲信号发生器的核心部件。

表３．１

Ｔａｈｌｅ１．骶畎３８∞ＡＢ明｛ｃｅｆｅ砒ｕｆ鸭

Ｆｅａｔｕｒｅ

ＵｓａｂＩｅ

ＭＡＸ３０００Ａ内部资源列表

日’Ｍ３０３２Ａ

６００３２２３４

即Ｍ３０６诅

１．２５０６４

４

ＥＰＭ３１２８Ａ

２．５００１２８８９８

ＥＰＭ３２５６＾

５．０００２５６１６１６１

ＥＰＭ３５１２＾

１０．０００５１２３２２０８

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Ｍａ）ｃｉｍｕｍ嘲ｒ旧

ｐｉ惜

ｔＰＤ《ｎｓ）ｔｓｕ（ｎｓ）ｔｃ们（ｎｓ）

∞

４．５２．８３．１２２２．２

４．５２．９

３．０

５．Ｏ３．３３．４１９２．３

７．５５．２４．８１２６．６

７．５５．６４．７１１６．３

ｆｃ町（ＭＨｚ）

２２７．３

ＣＰＬＤ具有低成本、保密性好、掉电程序不丢失、延时可预测、等优点，论文选用的是舢ｔｅｍ公司的ＭＡＸ３０００Ａ系列中的ＥＰＭ３０３２ＡＬＣ４４．１０的ＣＰＬＤ。ＭＡＸ３０００Ａ是工业级器件，其商用及工业环境温度范围为．４０℃到８５℃，其价格据称比同类ＣＰＬＤ产品低２０％，从而降低了元件成本。ＭＡＸ３０００Ａ的密度范围为３２到

第三罩澈光发射系‰

５１２宏单元，可用门从６００到１０Ｋ，具有－１０速度等级。其资源如表３ｌ所示。

ｃＰＬＤ硬件描述采用的是ｖｅｄｌｏｇＩ｛ＤＬ硬件描述语言，采用ＱＬｍｍｂＩＩ

环境实现了周期为２

窄脉冲信号仿真结果如图３３所示：７２编译Ｔ……』…－…－｛ｔ＊

（ａ）５ｍ，脉冲宽度为２５卅的信号。ｃＰＬＤ采用４０＾ｚ№系统时钟．Ｅ”

一ｋ广面ｉ一出ｈ＾广—可五一妇＿ｒ—１五一趾厂———一ｔ。

（ｂ）

圈３３窄脉冲信号仿真时序

图３３中，ｋｌｋ为４０＾ｆ＆的系统时钟，ｎ删为系统复位信号，低电平有效，ｃｏ咖Ｌｐｕｌｓｅ为需要输出的脉冲信号，其中图３３（ａ）是图３３（ｂ）局部放大的时序图。

３．２．２半导体激光器的驱动电路设计

由于探测距离的要求，为了保证激光接收系统中接受信号强度的要求，需要发射求激光器输出的脉冲同时具有脉宽窄和功率大两个特点。

窄脉冲激光电源设计的技术难点在于：脉冲半导体激光器的激励阈值电流很大，ＰＧＥｗｌｓ０９要求的激励闽值电流为削。普通的电源不可能直接提供这么大的输出电流，必须利用能量压缩技术，即把瞬时功率较小的能量经过一定时间（相对较长）存储在储能元件中，在适当时刻瞬时（相对较短的时间内）放出。在脉冲激光电源中一般使用电容作为储能元件。另一个难点在于激光测距这一应用场合对激光脉冲的脉宽和上升沿要求非常高，通常在几纳秒到几十纳秒，然而，在实际产生窄脉冲大电流的电路中，脉宽和上升沿主要受开关器件速度和电路寄生参数（在

基于ＴＤＣ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

大电流情况下寄生电感的影响尤其严重）的限制。文献［１０】中给出了脉宽小于５０珊，上升沿小于６瑚，峰值电流大于２叫的脉冲式激光电源。

对半导体激光器驱动设计的基本要求是：它在低负载上能够产生快速电流脉冲。其本质上是一种大电流开关电路。目前主要有四种典型的驱动电路：（１）可控硅输出激励器；（２）雪崩管输出激励器；（３）晶体管输出激励器。（４）场效应管

以上所介绍的四种触发电路各自有自己的优点，但是这四种触发电路都不适合本课题的设计要求：

（１）可控硅输出激励器虽然可以产生比较大的电流脉冲，由于脉冲宽度是由可控硅的放电速度和储能电容决定的，要是脉冲宽度在５０ＩｌＳ以下还是很有难度的。而且其需要高压供电，给电路的小型化带来的困难。另外，可控硅出发电路的抗干扰能力是比较差的。

（２）雪崩管输出激励器，可以获得较好的波形，但是其不能够提供大的电流，如果需要大的电流必须要把多个雪崩管并联使用，这就需要解决各个雪崩管的同步出发和电流的等量分配的问题，否则很容易产生双峰或者反冲，脉冲的连续可调是比较困难的。而且雪崩管的驱动需要很大的电压驱动，这与脉冲的发生电路是弱信号电路不相匹配。

（３）晶体管输出激励器只适用于小电流脉冲的应用范围。在强电流脉冲发生器中，晶体管在开关速度方面达不到要求【１１】。

（４）场效应管适合于大电流场合工作，并且具有很高的导通时间（纳秒量级），因此是比较理想的大电流高速开关，适用于窄脉冲半导体激光器的驱动。

论文中选用对人眼安全的９０５，ｌｍ波段的半导体激光器ＰＧＥＷｌＳ０９作为激光发射源。９０５刀聊近红外波段，人眼对其不敏感。ＰＧＥＷｌＳ０９是ＰｅｒｋｊｎＥｌＩＩｌｅｒ公司生产的近红外波段半导体激光器，其特性参数如表３．２所示，其峰值中心波长为９０５纳米，最大输出功率为１５职峰值电流为２鲋。

表３．２ＰＧＥｗｌＳ０９型半导体激光器特性参数

峰值输出功率（ＰｅａＩ【Ｆｏ删Ｃｕ鹏ｎｔ）

Ｃｕ鹏ｎｔ）

驱动脉冲宽度（Ｐｕｌｓｅ晰ｄｔｌｌ）工作电流（ＦｏｎⅣａｒｄ中心波长（ＣｅｎｔｅｒＷ打ｅｌｅｎｇｔｌｌ）９０５，册１５形（最小１２形）８■．２５彳３０，翁

脉冲半导体激光器的驱动电路原理图如图３．４所示。其中Ｒ１为充电限流电阻，ｌ匕为脉冲电流限流电阻，Ｃ为储能电容，ＶＨ为输入高压偏置，Ｄ为钳位二极管，ＬＤ为半导体激光器，Ｋ为控制开关。其本质是个Ｉ也Ｃ电路１１２１。

第三章激光发射系统１９

ＶＨ

多ＬＤ

图３．４脉冲半导体激光器驱动电路原理

当开关Ｋ断开时，高压偏置ＶＨ通过Ｒ１向储能电容Ｃ充电，Ｃ两端的电压随即升高，充电完成后，储能电容两端的电压Ｕｃ即与高压偏置电压ＶＨ相等，当开关Ｋ闭合后储能电容Ｃ通过开关Ｋ、放电限流电阻ｌ也以及激光器所组成的回路瞬时放电，加在ＬＤ两端的电压为．ＶＨ。

图３．４所示的脉冲半导体激光器驱动电路中，通过改变偏置电压ＶＨ，Ｒ１、Ｃ、ｌ毪参数的大小，即可调节输出激光脉冲的峰值功率、脉冲宽度和重复频率。偏置电压ＶＨ越高，储能电容Ｃ越大、放电限流电阻Ｒ２电阻越小，则输出的激光峰值功率就越大；若储能电容Ｃ越小、Ｉ也的阻值越小，则激光脉冲的宽度就越窄：Ｒ１的阻值越小，则激光脉冲的重复频率就越高。

在图３．４所示的电路中，开关Ｋ为驱动电路的核心部件。它的导通时间和驱动能力制约输出脉冲激光的上升时间和峰值功率，系统要求其导通时间为璐量级，峰值电流为２叫以上。可产生纳秒量级脉冲的器件有雪崩晶体三极管、场效应管等。但是由于雪崩晶体三极管无法承受如此高的峰值电流，因此论文中选取场效应管为核心开关部件。采用ＤＥＩ公司的高速大功率ＭＯＳＦＥＴ管ＤＥｌ５０—２０１Ｎ０９Ａ作为开关，其工作电压最大可达２００以脉冲方式工作的峰值电流为９叫，导通时间为４珊，完全可以满足驱动电路要求。

为了实现高速大功率驱动，除了选用高速大功率的ＭＯＳＦＥＴ管，还必须采用相应的高速开关电路１１３。，它决定了整个脉冲激光驱动电路性能的关键因素。在开关电路中，影响开关性能的主要因素是开关电路的电阻、电感和电容。如图３．５所示，主要由脉冲信号源、ＭＯＳＦＥＴ管和连接部分组成。脉冲源产生上升沿很短的电压脉冲，该脉冲通过连接部分输入到ＭＯＳＦＥＴ管的栅极。图中，ＲＰ、ＣＰ、ＬＰ分别是脉冲源部分的等效输出电阻、电容、电感；ＲＣ、ＣＣ为连接部分的等效电阻、电容，它们是有实际电路中的连线产生的；＆、Ｃ笋、Ｃｇｄ、Ｌｇ、Ｌ。．Ｑ１构成ＭＯＳＦＥＴ管的等效电路。

２０基于ＴＤＣ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

图３．５高速开关电路等效电路图

有上图可知，门控回路的总电阻值为脉冲源输出电阻耶、连接部分电阻＆与ＭＯＳＦＥＴ管栅极输入电阻尬之和，按图所示的参数，可知总电阻值ｌｐｌ．２Ｑ。开关电路的总电容为脉冲源输出电容Ｃ一和分布电容Ｃｃ与ＭＯＳＦＥＴ管栅极输入电容％ｒ之和。由于ＭＯＳＦＥＴ管栅极和漏极间的电压时变化的，考虑到米勒效应，ＭＯＳＦＥＴ管栅极输入电容为：ｃ脚＝％＋％掣（３－１）

则总的等效电容Ｃ＝ｃＰ＋Ｃ．ｃ＋Ｃｋ７＇，按图３．５所示的参数（ＶＤｓ＝２００儿ＶＧｓ＝１５＂，可得Ｃ＝１．２胛。高速开关电路的总等效电感为脉冲源输出电感如与ＭＯＳＦＥＴ管ＤＥｌ５０电感￡肛７’之和。其中ＭＯＳＦＥＴ管电感分为两部分：漏极电感厶和栅极电感堙。因此开关电路中的总等效电感为：

工＝‘＋％＝４＋ｔ＋丘＝２．１刀日（３?２）

开关电路的上升时间与它的等效电阻Ｒ、等效电容Ｃ及等效电感Ｌ密切相关。分别考虑等效电阻和电容效应、电感与电容效应，开关电路的上升时间可以近似的表示为１１４】：、

严１１

ｒ，。ＩＴ＋（２肥）Ｉ１２ｒ，＿ｌ孚＋（２肥）２

带入Ｒ、Ｌ、Ｃ即可求出垆３．８瑚（３－３）∞－３）

由于脉冲激光器的整个工作过程持续只有几个纳秒，并且瞬时电流很大，所以在电路板布线时尽量将该部分的线路加宽，特别是储能电容与ＬＤ组成的放电回路，防止线路烧毁。‘通过使用Ｍｕｌｔｉｓｈ对图３．４所示的驱动电路进行仿真，其仿真结果如图３．５所

第三章激光发射系统２ｌ

示。可以看出，脉冲信号宽度，上升时间均达到论文要求，根据测量结果显示，脉冲信号峰值电流为ｌ叫，因此，激光驱动脉冲信号完全符合系统要求。图３．５脉冲激光驱动电路仿真结果

第四章脉冲激光接收系统

第四章脉冲激光接收系统

脉冲激光接收系统是脉冲式激光测距仪的重要组成部分，是决定脉冲式激光测距仪性能的关键因素之一，脉冲激光接收系统是的主要作用是，接收由目标物体反射回来的回波脉冲激光信号，并将其转换为电脉冲信号，进行滤波、放大、峰值保持、时刻鉴别、整形等处理，本章主要介绍主要研究脉冲激光接收系统的主要组成部分和各部分详细功能。

４．１光电探测原理

目前用于光电探测的器件主要分为以下三种：

（１）光电导器件。该类器件一般采用具有光电导效应的光电材料制成，受光照射后其内阻会发生改变。其光谱响应可扩展紫外、可见光、红外波段。典型响应时间为：上升沿约为４０膦，下降沿为１００舢左右。代表器件为的光敏电阻。

（２）光生伏特器件。该类器件是基于光生伏特效应的一种半导体器件，种类很多，应用也极为广泛，又多以ＰＮ结型为主。与其它光电器件相比有噪声低、灵敏度高、响应时间短和体积小等优点，其响应时间可小于ｌ瑚，其典型器件包括光电池、半导体光电二级管、雪崩光电二级管等。

（３）光生电流器件。该类器件利用外光电效应来工作，光电倍增管（ＰＭＴ）是这类器件的典型代表，特点是具有较高的增益和较低的噪声。其响应时间。

综上所述，本论文中选取ＰＩＮ光电二极管与雪崩光电二极管为主要的探测器件。

４．１．１光电二极管工作原理

光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。其基本原理是光照到ＰＮ结上时，吸收光能转变为电能。光电二极管的核心部分是ＰＮ结。

光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小，称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入ＰＮ结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子…空穴对，称为光生载流子。光生载流子在反向电场作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大。光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导’’。光电二极管在光照情况下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

２４基于１ＤＣ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

光电二极管有两种工作状态：

①当光电二极管上加有反向电压时，管子中的反向电流将随光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数情况都工作在这种状态。

②光电二极管上不加电压，利用ＰＮ结在受光照射时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。这种工作状态一般作光电检测器。

光电二极管有４种类型：即ＰＮ结型（也称ＰＤ）、Ｐ酣结型、雪崩型和肖特基结型。用得最多的是用硅材料制成的ＰＮ结型，它的价格也最便宜。其他几种响应速度高，主要用于光纤通信及计算机信息传输。这里仅介绍硅Ｐ．Ｎ结光电二极管。４．１．２雪崩光电二极管工作原理

雪崩光电二极管（ＡｖａＪａＩｌｃｈｅＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ简称ＡＰＤ）为具有内部增益的一种光电探测器件【”】。它利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，以获得光电流增益。在雪崩过程中，光生载流子在强电场的作用下进行高速定向运动，具有很高动能的光生电子或空穴与晶格原子碰撞，使晶格原子电离产生二次电子．空穴对；二次电子和空穴对在电场的作用下获得足够的动能，又使晶格原子电离产生新的电子．空穴对，此过程像“雪崩＂一样地继续下去。电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数目，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加。其电流倍增系数定义为：

肚％（４－１）

，ｌｑ

式中，，为倍增输出电流，而为倍增前输出电流。

雪崩管倍增系数Ｍ与碰撞电离率密切相关。碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离所产生的电子．空穴对的数目。实际上电子电离率锄和空穴电离率口口是不完全一样的，它们都与电场强度密切相关。由实验确定，电离率口与电场强度Ｅ有以下关系

ｊ蚪

口＝彳ＰＬＥＪ（４．２）

式中，彳，６，历都为与材料有关的系数。

假设口＝唧＝锄，可以得出膨：——Ｌｌ—ｒ。础（４．３）式中，．砀为耗尽层的宽度。上式表明，当

ｒ。础斗１（４４）时，肘一ｏｏ。因此称上式为发生雪崩击穿的条件。其表示，在强电场作用下，当

第三章脉冲激光接收系统

通过好进去的每个载流子平均能产生一对电子．空穴对，就发生雪崩击穿现象。当肘专∞时，ＰＮ结上所加的反向电偏压就是雪崩击穿电压‰。

实验发现，在反向偏压略低于击穿电压时，也会发生雪崩倍增现象，不过这是的Ｍ值较小，Ｍ随反向偏压Ｕ的变换关系可用经验公式近似表示：

Ｍ：———！一、一婶｜ＵＢ心

将发生击穿。因此适当的调节雪崩管的偏置电压，可得到较大的倍增系数。（４．５）式中，指数ｎ与ＰＮ结的结构有关。有上式可知，当Ｕ专Ｕ舳时，Ｍ专∞，ＰＮ结

Ｍ受着偏压和温度的影响：阻挡层为ｌＯ雎历的硅雪崩光电二极管Ｍ．■ＶＢ的关系曲线如图３．２所示【１６１。

图４．１Ｓｉ－ＡＰＤ的Ｍ－Ｔ－ＶＢ关系曲线

由图４．１可知，偏压一定时，温度越高，倍增因子越小，这是因为当ＡＰＤ的温度升高时，由热激发所产生的载流子数目也将增加，这部分载流子同样将获得雪崩增益，但这些载流子将消耗很大一部分场强，使得ＰＮ结上的场强显著降低，从而使得ＡＰＤ的增益降低。在固定温度下，随着偏压的升高，Ｍ的值也增大，这是因为电场强度增大，载流子获得的动能越大，撞击其它原子获得更多的自由电子，雪崩效应更加显著。

４．２光脉冲信号的接收与放大

本系统中，激光接收电路分为两个部分，Ｐ玳光电二极管接收电路与雪崩管接收电路。在本系统中，半导体激光器输出的激光有分光镜分为两路，强度较弱的一路光信号由反射镜送入ＰＩＮ光电二极管的光敏面，由ＰＩＮ驱动放大电路进行信号采集，并将其作为时差测量的起始时刻（即Ｓｔｏｐｌ信号），如图４．２（ａ）所示。

２６基于ＴＤＣ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

另一路光信号则通过光学系统准直之后发射出去，由目标物体反射的回波信号经过光学系统的接收，送至ＡＰＤ接收电路进行放大处理，将该路输出的信号作为时差测量的截止时刻（即Ｓｔｏｐ２信号），如图４．２（ｂ）所示。

（ａ）Ｐ烈接收电路框图

增益控制信号输入

（ｂ）ＡＰＤ接收电路框图

图４．２脉冲激光接收系统框图

４．２．１ＰＩＮ光电二极管读取电路及放大电路设计

由于Ｐ烈光电二极管中的光电流是由光电二极管的光生伏特效应产生的，因此，Ｐ玳管可以再没有偏置电压的情况下进行工作。但是外界的反向偏置电压可以大大的改善光电二极管的频率响应和信号的线性度。由于光电二极管中的光电流的流动主要有光伏效应所产生的电子．空穴对的数目，因此反向电压不会影响其电流信号也不会削弱光电转换的线性度。因此在反向偏置电压驱动下的光电二极管有助于在高速应用场合的使用。虽然反向偏置电压有助于改善频率响应，但是这种应用方式下，激光二极管中的暗电流和噪声会随着偏置电压的升高而增大。

目前常见的ＰＩＮ光电二极管信号读取电路有两种：零偏置读取电路和反向偏置读取电路。由于偏置电压为零，此时光电二极管的输出噪声和暗电流很小，该电路适合于小信号探测，并且其探测精度很高社和高精度小信号场合使用，但是其响应速度不高，因此限制器的使用，并且该电路对光信号强度的响应范围较小。而反向偏置读取电路则具有较高的频率响应，适合于高速应用场合，但是反向偏置电压的使用势必增加电路中的噪声和光电二极管中的暗电流。由于本系统采集的是高速脉冲信号，因此结合上文的分析，论文选取反向偏置方式作为Ｐ烈管的驱动电路。

第三章脉冲激光接收系统

该部分中选用ＰａｃｉｆｉｃＳｉｌｉｃｏｎＳｅｎＳｏｒ公司生产的ＰＳＯ．２５．５型光电二极管。该器件主要参数如表所示，图４．３显示的是ＰＳ０．２５．５光电二极管光谱响应曲线。有

以上图表可知，ＰＳＯ．２５．５型光电二极管具有很高的响应时间（最小Ｏ．４珊）。并且峰

值波长在９０５，ｌｍ附近（如图４．３所示），完全满足系统设计要求。

表４．１特性

反向偏置电压（Ｒｅｖｅｒｓｅ

ｏｐｅｒａｔｉｎｇｖｏｌｔａｇｅ）

ＰＳ０．２５．５光电二极管特性参数

参数最大５０矿

１０棚一

峰值电流（Ｐｅａｌ（Ｃｌｌ玎ｅＩｎｔ）

暗电流（ＤａｒｋＣ岍ｅｎｔ）

峰值波长（ＰｅａｋＷ．ａＶｅｌｅｎ舀ｈ）截止频率（Ｃｕｔ＿０ｆｒＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）

响应时间（砌ｓｅ１ｒｉｍｅ）光敏面积（ＡｃｔｉｖｅＡｒｅａ）

０．５，纠（最大４．０，ｄ）

８６０删

Ｏ．９（１月２

Ｏ．４瑚

Ｏ．５肌肌×Ｏ．５ｍ所

注：以上参数测试环境为：ＶＲ－２０乃＆尸５０臼，久Ｆ８６０册ｌ。

／－’、

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ａｔ，口口‘Ｘ，

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唧ｏＤ口

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ＷＡ￣，ＥＩＥＮＧＴ｝１《胍）

图４．３

ＰＳＯ．２５．５光电二极管光谱响应

ＰＩＮ光电二极管的驱动电路原理如图４．４所示，该光电检测电路采用了高速电

流负反馈运算放大器电路。图４．４中，２０ｙ为ＰＩＮ管反向偏置电压，Ｒｌ为偏压限

流电阻，ＩＵ为ＰＩＮ管的负载电阻。由于该电路是在负载电阻ｌ也对光电流进行电流．电压转换之后才进行信号放大的，因此在放大过程中，不会对信号引入额外相

移。

基于ＴＤＣ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

Ｒｌ

ＰＩＮ

图４．４ＰＩＮ光电二极管驱动原理

在本电路中，反馈电阻Ｒｆ可采用两个或者两个以上电阻串联，这样做的好处是可以减小并联寄生电容。另外在运放正负电源供电端和地之间，需要并联一个Ｏ．１ｕｆ的陶瓷电容，以减少电源中的纹波对放大电路的影响。

假设Ｐ烈管中的光电流大小为垃，驱动电路输出端输出电压％为：

．％＝ｋ吣（１＋鲁］（４．６）

图４．４中运放选取时，需要注意带宽以及运放的转换速率（即压摆率）。否则将直接影响驱动电路的响应速度。

由于Ｐ玳管读取电路输出的信号强度并不能达到预期的要求。因此需要在读出电路之后再加一级信号放大，在此论文中选取同相比例放大电路，由于同相比例运算放大电路结构较为简单，在论文中将不再做叙述，其电路原理可参照参考文献【１７】。

ＡＰＤ读取电路设计４．２．２

本文中选取了ＰｅｄｄｎＥｌＩＩｌｅｒ的硅雪崩光电二极管Ｃ３０７２４Ｅ，其主要性能参数如表４．２所示。由表可知，Ｃ３０７２４Ｅ峰值波长为９００衄，完全符合发射激光的探测要求，并且具有较小的暗电流。

由于Ｓｉ．ＡＰＤ为电流型信号输出，因此，在ＡＰＤ驱动电路设计中，使用了电流转电压的方式，对ＡＰＤ中输出电流进行读取，如图４．５所示。图中，ＶＨ为ＡＰＤ工作所需的偏置电压，ＶＨ＝１６０儿Ｒ为高压偏置的限流电阻，其值至少为１Ｍ．Ｑ。Ｃ是为防止高压偏置中的电源纹波对ＡＰＤ读取电路影响而设置的滤波电容，其值应该至少为Ｏ．１以并且在电路板的设计中，Ｃ应该尽量靠近ＡＰＤ。ＩＵ为由运放组成

第三章脉冲激光接收系统

的电流电压电路的反馈电阻，调节矽的大小，可使得该读取电路的增益发生改变。

表４．２Ｃ３０７２４Ｅ型Ｓｉ．ＡＰＤ特性参数

０．５ｍｍ×０．５ｍｍ光敏面积（ＡｃｔｉｖｅＡｒｅａ）

峰值波长（Ｐｅａｌ【Ｗ打ｅｌｅｎｇｔｌｌ）

噪声电流（Ｎｏｉ辩Ｃｕｆｒｅｎｔ）

暗电流（ＤａｒｋＣ蛐ｒｅｎｔ）

响应时间（Ｒｉ辩１ｒｉｍｅ）

反向偏置电压（ＲｅｖｅｒＳｅｏｐｅ扭ｔｉｎｇＶ０ｌｔａｇｅ）９００衄Ｑ弋唯｜厩２０ｎＡ５Ｉ坞ｌ２０Ｖ二２００Ｖ

５ｍＡ峰值输出电流（Ｐｅａｌ（Ｃｕ悯ｔ）

如图４．５所示，设ＡＰＤ中的光电流为ＩＳｃ，则计算出读取电路输出端的输出电压Ｕｏ为：

Ｕｏ＝ｌ℃ｘＲｆ（４．７）

图４．５雪崩光电二极管（ＡＰＤ）驱动电路

当图４．５所示的ＡＰＤ驱动电路中，反馈电阻Ｒｆ失效时，图中Ａ点的电压将升高接近反向偏置电压ＶＨ，这将直接导致运放反向输入端电压过高，将其烧毁，更严重的后果是会影响到后续放大电路的安全，因此，该电路中在Ａ点和正电源ＶＣＣ之间并联一个二极管作为保护，当Ａ点电压升高至一定值时，保护二极管Ｄ导通，可将Ａ点的高压拉低至电源电压，这样可对后续处理电路起到保护作用。

此处，为了保证ＡＰＤ接收电路的带宽和响应速度，应选用带宽较高，转换速率较快的高速运算放大器。

３０基于ＴＤＣ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

４．３可控增益放大电路设计

在激光测距系统中，由于激光的在大气中的衰减随着距离成指数增长；不同反射面反射率又有较大差异，因此接收平面上接收的激光回波信号强度变化范围很大，ＡＰＤ驱动电路读取回波信号之后的输出信号变化范围也很大（其变化范围在微伏至毫伏级不等）。在将ＡＰＤ读出的脉冲信号进行后续放大过程中，如果选取固定放大倍数的放大电路，势必对电路的动态范围是一个极大的考验。另外一个方式是选用自动增益（ＡＧＣ）放大电路，但是由于ＡＰＤ输出的信号为高速窄脉冲信号，实现自动增益控制时具有很大的难度。本论文中选取了比较折中的方式，即采用可控增益放大电路，这种设计方式在激光测距系统中应用有以下优点：

（１）降低系统设计难度

（２）可保证在输入信号在较大范围内波动时，保证放大电路输出信号在一个

较小的范围内波动。

（３）提高时差测量的精度。由于本文中使用的时刻鉴别方法对信号的幅值较

为敏感，虽然在系统中应用了恒定比值时刻鉴别方法（论文后续将做详细介绍），可以将信号幅值对时差测量的误差降到很小，但可控增益放大器与恒定比值鉴别法的使用可以为时差测量精确度提供双重保障。

可控增益放大电路如图４．２（ｂ）所示（ＡＰＤ接收电路原理框图），可控增益放大器共分三个部分：ｌ、放大电路；２、增益控制：３、峰值检测（峰值电压检测与采集将在论文后续部分做详细介绍）。

放大电路部分采用ＴＩ生产的ＴＨＳ７５３０高速可变增益放大器，其具有３００ＭＨｚ的带宽，

其转换速率（压摆率）为１２５０％一埔】。其电路原理图如图４．６所示

ＶＣＣ

图４．６１Ｈｓ７５３０可变增益放大器工作原理图图４．６中，Ｖ聃为信号输入端，‰、ＶＧ．为控制电压输入端，‰与ＶＧ之间控

第三章脉冲激光接收系统

制电压的大小为¨ｌ儿由于其输出信号为差分信号，因此需要将差分信号转换为单端输出信号，这里用到了差分比例运放电路‘１９１，如图４．７所示。直接将可变增益放大器的Ｖｏｍ、ＶｏＩ玎＝连至差分比例运放电路的‰、‰端，即可将差分信号转换为单端输入信号。设Ｒ１＝Ｉｋ，Ｒ３＝ｌｂ，则：

％＝（－＋嚣心吨）

Ｒｆｌ∽８，

图４．７差分比例运放电路

ＡＰＤ驱动电路的输出信号通过‰端进入可控增益放大器中，进行放大，通过差分比例运放电路转为单端信号，输出值峰值检测电路中通过ＡＤ转换，将采集的数据送入处理器进行计算，同时处理器根据采集信号的大小，设定合适的增益值，并将其转换为数字信号送至ＤＡＣ中，ＤＡＣ通过输出电压的不同而改变可变增益放大器的放大增益。

４．４峰值保持电路设计与峰值采集

由于有探测器接收到的光信号随着探测距离的大小变化很大，因此在光电接收系统中，为了保证放大电路输出的信号脉冲幅值在一定的范围之内波动，需要对放大器输出的脉冲峰值进行检测，通过输出脉冲峰值的大小调整放大器的增益，使得放大器的脉冲信号输出幅值满足设计的要求。

ＵＩＲ队舳州忡ｍ。

Ｖ＼／ＶＶＶ７

图４．８峰值保持电压检测电路原理图

峰值保持电压检测电路的工作原理如图４．８所示，由于二极管的单向导电性，当输入信号为正时，并且大于二极管Ｄ的开启电压时，二极管Ｄ导通，电容通过二极管、电压源组成的回路开始充电，在开关Ｋ的断开状态，电容两端的电压将

３２基于ｎ）Ｃ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

一直维持在输入交流电压的峰值附近。开关Ｋ闭合时，电容中将通过电阻Ｒ放电，使峰值清零。

利用二极管单向导电性对输入信号进行峰值保持。电容Ｃ为峰值电压保持器件，初始状态电容电压Ｕｃ等于零。Ｋ为复位开关，Ｋ闭合时可对电容上的电压进Ｃ充电，直至电容Ｃ上的电压‰，等于输入电压阮膦；只要输入电压Ｕｉ＜ＩＪｃ，行放电。理想情况下，当输入信号Ｕｉ上升时，二极管导通，通过二极管Ｄ对电容二极管Ｄ截止，电容电压保持为配一，达到输入信号峰值保持的目的。然而，实际二极管与理想二极管特性有较大的差距，其正向特性存在一死区电压，只有当输入信号的幅度大于二极管导通电压ＵＤ时，二极管Ｄ才可以导通，输入信号Ｕｉ才能通过二极管Ｄ对电容Ｃ进行积分，这就限制了电路处理小信号的灵敏度和线性。

由于接收到的光脉冲信号为小幅度、窄脉冲信号，因此一般的峰保持电路很难满足要求。根据系统的实际要求，文献【２０】中提供了一种新的高速窄脉冲的峰值保持电路的设计方案。如图４．９所示。

输入卜＼Ｋ，ｂ＼ｖＡ２１ｖｃ卜＼ｉ

陟／

Ｉ，

口Ｒ１陟吲勉白２丰一，．Ｉｆ：Ｋ‘７控制信

图４．９高速窄脉冲峰值保持电路原理图

图中，Ａｌ、Ａ３为放大器隔离缓冲；Ａ２、Ｄｌ、Ｄ２、Ｃ、Ｒ构成了积分电路实现峰值保持。本电路中，利用运放Ａ２和二极管Ｄｌ组成负反馈电路来获得理想二极管，克服了死区电压，提高了电路的灵敏度。如图４．９所示，运放Ａ２作为同相放大器工作，ＶＡ与Ⅵ同相，且ＩＶＡＩ＞ＩⅥｆ。当Ⅵ＞０时，ＶＡ为正值使ＤＩ导通；根据深度负反馈条件下运放输入端虚短概念，得到Ｖｃ≈Ⅵ，保证了峰值信号与输入信号之间的线性关系，同时也提高了电路处理小信号的灵敏度。考虑到当输入信号下降时ＶＡ下降，使得ＶＡ＜Ｖｃ，Ｄｌ截止，Ａ２负反馈电路断开，Ａ２处于开环状态。由于此时Ａ２的反向端电压大于同向端电压，使ＶＡ输出很大幅度的负信号，为此引入了二极管Ｄ２和电阻Ｒ２，对Ａ２的输出幅度进行了一定的限制，保证放大器及整个峰保持电路能够继续稳定工作。Ｋ为电子开关，可通过控制器输出电平对其进行控制。当需要清除脉冲峰值是，只需闭合Ｋ，对电容Ｃ进行放电。

由以上所述峰值保持电路输出的峰值电压需要采集到通过ＡＤ转换，将其变为数字信号送入处理器进行处理和判别，从而给可控增益放大器以合适的增益控

第三章脉冲激光接收系统

制，驱动可控增益放大器进行工作。

根据系统功能的实际要求，本系统中比较常用的ＡＤ转换器ＡＤ７９１０，为１０位精度高速、低功耗、逐次逼近型ＡＤＣ，采用２－３５ｙ至５．２５ｙ单电源供电，最高吞吐量达２５０然胳。其内部内置一个低噪声、宽带宽采样／保持放大器，可处理６ＭＨｚ以上的输入频率。转换过程和数据采集过程通过片选信号和串行时钟进行控制，从而为器件与微处理器或ＤＳＰ接口创造了条件。输入信号在片选信号的下降沿进行采样，而转换同时在此处启动。该器件无流水线延迟。该器件无流水线延迟。ＡＤ７９１０采用先进的设计技术，可在高吞吐量的情况下实现极低的功耗。基准电压从ＶＤＤ获得，从而为ＡＤＣ提供了最宽的动态输入范围，因此，其模拟输入范围为０至ＶＤＤ。转换速率则取决于ＳＣＬＫ。

４．５时刻鉴别电路设计

由于脉冲激光测距的探测对象多为非合作目标，其表面形状及其表面对激光的反射率对于激光测距系统来说是未知的，而且不同的目标其反射面的参数存在巨大的差异，另外激光脉冲在大气中传输过程时，由于大气的物质对光波的吸收和散射，使得接收到的脉冲信号存在着衰减和畸变，激光测距系统探测距离的大小也导致了接收信号的强弱，因此接收到的脉冲与发射脉冲在形状和幅值上有很大差异，因此很难准确的确定光脉冲回波信号的到达时刻，我们称由此引起的测量误差为漂移误差（ＷｉｌｌｋＥ玎ｏｒ）口１１。因此需要专门的时刻鉴别电路对接收信号的时刻进行判定。时刻鉴别电路的主要作用是对放大电路的输出信号进行实时监测，为系统产生起始信号和同步信号附属电路实现其性能直接影响着测时精度和系统的距离分辨率。主要由高速比较器及其附属电路实现。

激光脉冲飞行时间测距是通过准确测量激光脉冲发射和接收时刻来实现的，因此高精度时刻鉴别是实现高精度激光脉冲测距的基础【２２’２３１。目前时刻鉴别的方法主要有三种：前沿鉴别（ｋａｄｉｎｇＥｄｇｅ

Ｄｉｓｃ—ｍｉｎａｔｏｒ肥ＦＤ）。ＤｉｓｃｒｉＩＩｌｉｎａｔｏ儿ＥＤ）１２４１、过零鉴别（又称：Ｆｒａｃｔｉｏｎ高通容阻鉴别ＣＲ．Ｈｉｇｌｌｐ嬲ｓＤｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ）【２５Ｊ和恒定比值鉴别（ＣｏｎＳｔａｎｔ

４．５．１时刻鉴别原理

（１）前沿时刻鉴别

前沿时刻鉴别法也叫固定阈值时刻鉴别，是通过设置固定阀值的方式来确定脉冲信号起止时刻，即以脉冲前沿当中强度等于所设阀值点的到达时刻作为起止时刻。如图所示：当输入信号强度大于阈值‰时，则判定为测量的起止时刻；若

基于１＇ＤＣ—ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

输入信号的强度小于阈值‰时，系统则不做判定。

图４．１０前沿时刻鉴别

前沿时刻鉴别电路比较简单。它用快速电压比较器将输入电压和一个固定电平（鉴别阈值）相比较，当输入电平大于阈值时给出定时输出。阈值电压的设置必须为噪声不会触发虚警的最小极限。

由于前沿时刻鉴别法方法采用固定的阈值，由于目标回波幅度的变化和脉冲前后沿的影响，对应通过阈值点的时刻变化很大，即到达时间随脉冲宽度而变化（如图４．１０所示），从而导致脉冲激光测距误差的产生。影响前沿时刻鉴别法时刻鉴别精度的主要因素有：输入脉冲幅度大小与者脉冲形状变化、接收通道的带宽和动态范围、阈值电压大小、最大值可能接近脉冲上升时间。包括三个误差源：一是几何漂移误差（理想接收器同样会产生），二是接收电路有限的带宽、压摆率和动态范围，三是比较器传输延迟时间。

漂移误差可以通过输入脉冲上升沿的一个简单的分段线性模型２６】得到说明。如图４．１ｌ所示，输入信号进入限幅电路和带宽限制电路后输出。由图４．１１可以看出，在限幅电路输出端，从上升沿开始处到定时点的延时为岛为：

。＝≯㈨９）

脉冲的上升沿时间。延时变化代表了理想接收通道的漂移误差‰，如果脉冲的其中，％是比较器的阈值电压，％输入脉冲的峰值幅度，，，是限幅电路之前上升时间为６ｎｓ，阈值电压为５０ｍＶ，幅值变化从１００ｍＶ到２Ｖ的信号，将会产生从０．８ｎｓ到４０ｐｓ测试时间点的变化，产生的漂移误差就为７６０ｐｓ。这种误差可以通过测量未饱和信号的峰值，根据峰值大小对数据进行修正来减小，由于补偿对于小信号幅度变化很敏感，因此需要一个高精度的峰值探测器。

由于前沿时刻鉴别法是用脉冲前沿当中强度等于所设闽值的点到达的时刻作为起止时刻，而脉冲幅度与形状变化引起的漂移误差，其大小还与阈值的大小有关，其漂移误差的最大值可能接近脉冲上升时间厶。因此，前沿时刻鉴别法的测量

第三章脉冲激光接收系统

误差是很大的。

放大

电路带宽限制电路ｋ＋“‘ｔｐ’△ｉ‘△ｔ２

图４．１ｌ前沿时刻鉴别分段线性模型

（２）过零时刻鉴别

过零时刻鉴别又称高通容阻时刻鉴别法，如图４．１２所示。它是把接收通道输出的回波信号脉冲通过一高通容阻滤波器，使待测信号的极值点转变为零点，双极性输出信号的过零点即为时刻鉴别的起止时刻点，然后通过过零比较电路来判别出激光脉冲信号的起止时刻点，这种方法对输入信号的幅度变化不敏感，只要求接收通道工作在严格的线性方式，信号不失真。它的误差主要受信号脉冲在极值附近斜率的影响，脉冲的宽窄也会直接影响检测的精确度，因此，这种方法适用于检测持续时间很短的尖锋脉冲。

Ｉ

一卜圣

图４．１２过零时刻鉴别

其中过零时刻鉴别方法不仅可以解决脉冲幅值变化带来的时间游动误差，还可有效地克服波形畸变和噪声带来的误差，但是该方法在实际应用时还存在不少问题，如在理论方面的脉冲成形问题，脉冲波形对定时精度的影响，电路的实现方法等，

（３）恒定比值时刻鉴别

如图４．１３所示为恒定比值鉴别法的原理图解，恒定比值Ｆ在此处取５０％，即取脉冲上升沿中半高点到达的时刻为起止时刻，如果不考虑波形畸变和噪声等其它因数的影响，可以判定由幅度变化引起的误差△ｆ＝Ｄ。由此可见，恒定比值鉴别法能有效消除由脉冲幅值变化带来的误差。

３６基于ＴＤＣ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

图４．１３：恒定比值时刻鉴别

恒定比值时刻鉴别可以给出较高的定时性能，它的基本原理是将输入信号分为三路：选择第一路的衰减信号，和第二路的反向延时信号相加产生的过零点为时刻鉴别的定时点，第三路信号为前沿预鉴别，只有当输入信号的幅值大于前沿预鉴别值时，过零点定时才能输出，根据反向信号延时量的不同，恒定比值定时又可分为两种：当延时量幻满足乞＝（１一尸）乙时，其中Ｐ为第一路的信号衰减比，‰为定时点发生在衰减路信号的达到峰值的时刻，这时称为真恒比定时，定时点在信号的吩＝以处似为输入信号最大幅度）即处于信号幅度的恒定比例点，真恒比适合上升时间相同但幅度不同的输入信号定时。对于幅度不同，上升时间也不同的情况，真恒比定时同样会给出较大误差，这时应选择满足条件【２７１

乙＜１１一尸），。

。（４－１０）（４—１１）（尸／，卅）‘＝（Ｐ／乙）ｌｂ／（１一尸）Ｉ

其中定时点ｆ。＝乙／（１一Ｐ），与信号幅值和上升时间无关，这是称为幅值和上升时间补偿定（—ｄⅡ配）时，剐ＲＣ定时点发生在信号的上升沿上，为了去除噪声的误定时，预鉴别器的时刻鉴别点应该在剐陋定时点之前，而且预鉴别阈值要尽量低，即便如此仍不能完全避免小信号和慢信号的错误定时的情况，所以往往在削Ｗ定时电路中加入慢信号拒绝电路或双阈值鉴别电路，其中慢信号拒绝的原理是对于选定的幻和尸，那些刖妃定时点超前于预鉴别点的信号被视为慢信号，电路会对这类事例加以拒绝，不给出定时输出。

４．５．２预鉴别恒定比值时刻鉴别电路设计

时间鉴别精度主要受幅度波动及抖动（噪声）的影响。在如快速扫描雷达的应用中，不可能使用增益控制，于是输入脉冲幅度变化较大。即使使用增益控制，不同激光脉冲之间也有幅度波动，因此时间鉴别必须对脉冲幅度不敏感，或者对脉

第三章脉冲激光接收系统３７

冲幅度测量并使用校正表。即使时间鉴别对幅度不敏感，时间比较器延时也会随幅度变化。当输入信号的斜率、：过，欠驱动较小时、延时变化率较大。因此产生足够快的边沿，信号需要足够大的逝欠驱动。而且，延时波动可通过增加比较器带宽减小。除漂移误差外，在时刻鉴别过程中还存在时间抖动，它是由于输入信号噪声和来自接收通道的附加噪声产生的，抖动幅度还与信号脉冲上升沿宽度、信号强度、时刻鉴别单元的带宽以及鉴别类型有关。输入到时刻鉴别单元的噪声分为白噪声和相干噪声，它们对时间抖动的作用是不同的ｆ２剐，

Ｉ．１Ｉ．２

图４．１４预鉴别恒定比值时刻鉴别电路原理图

根据本系统实际要求，本文中选取了恒定比值时刻鉴别法。其主要有高速比较器、Ｄ触发器和输入电路组成，如图４．１４所示。输入信号分为三路，第一路信号经过由Ｌ１、Ｌ２、Ｃ１、Ｃ２组成的延时器后输入到高速比较器Ａ１的正相输入端；第二路信号经过由Ｒ２、Ｃ３组成的低通滤波器进行衰减之后，输入到高速比较器Ａ１的反相输入端。当Ａ１两输入端信号的相对大小发生改变时，比较器Ａｌ输出状态将发生，而且状态转换的时刻点不会受到原始输入信号幅值的改变的影响，始终保持于原始信号达到其某一固定高度比例时发生。这样就可以保证时刻鉴别的准确度。第三路信号直接输入到比较器Ａ２的正相输入端。Ｒｌ、Ｒ３、Ｒ４分别为三路信号的阻抗匹配电阻。图４．１４所示的恒定比值时刻鉴别电路中共使用了两个高速比较器，其中Ａ１作为恒定比值时刻鉴别比较器，Ａ２作为预鉴别比较器。调节ＶＲ即可改变预鉴别比较器的预鉴别阈值。

在时刻鉴别电路中，由于比较器的响应时间也会引起漂移误差，因此在为了保证时刻鉴别的精度，在器件选择上，必须选取尽可能快的比较器，以此来减小有比较器的响应时间所带来的鉴别误差。本文中选取Ｍａｘｉｍ公司生产的高速比较器㈣９６０１，该器件为低功耗、超高速、超摆幅、滞回比较器。该比较器响应时

３８基于１ｒＩ）ｃ－ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究间为５０Ｑ筇，最高工作带宽为４Ｇ爿２．，并且ＴＴＬ／ＣＭＯＳ电平兼容输出。

第五章高精度时间间隔测量

第五章高精度时间间隔测量

在激光测距系统中，除了需要对输入系统中的开始截止脉冲进行精确的时刻鉴别外，还需要准确的计算出开始脉冲与截止脉冲之间的时间差。由于光的速度约为３×１０８，觚，当距离的精度要求在厘米级别的时候，时间间隔就必须精确到ＪＤ伽以内。所以使用脉冲激光进行距离测量时，就必须要求系统比较精确地计算出从光信号发射到接收到其回波之间的时间差，才能保证其测距的精度。

５．１时间间隔测量原理

目前，时间的隔测量最常用的测量方法【２９，３０，３４１有：１、直接计数法（Ｄ慨ｔＣｏｕＩ】ＩｔｅｒＭｅｔｈｏｄ）；２、模拟内插法；３、时间．幅值转换法；４、时间数字转换法

ＣｏｎＶｅｒｃｅｒ简称ＴＤＣ，也称之为延时线法）（Ｔｉｍｅ－ｔｏ．Ｄｉｇｉｔａｌ

５．１．１直接计数法

直接计数法，又称为电子计数法，其原理是通过计数电路记录两个间隔脉冲之间所经历的时钟周期数，即可计算出两脉冲信号的时间差，测量的分辨率为最小的脉冲周期。如图５．１所示：

待测脉冲

量化时钟几几几．．．………………………………：几；几几．

Ｍ：Ｔｌ：

图５．１直接计数法测量原理示意图ＮＴ；

量化时钟频率为石，对应的周期瓦＝１／二，在待测脉冲上升沿计数器输出计数脉冲个数Ｍ，Ⅳ，乃，乃为待测脉冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔，则待测脉冲时间间隔正为

瓦＝（Ⅳ一Ｍ）?瓦＋五一乏（５一１）

然而，电子计数法得到的是计数脉冲个数Ｍ、Ⅳ，因此其测量的脉冲时间间隔为

正’＝（Ⅳ一Ｍ）?瓦（５—２）

基于ＴＤＣ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

比较表达式（５．１）、（５．２）可得直接计数法的测量误差为△＝乃．乃，其最大值为一个量化时周期乃，产生的原因是待测脉冲上升沿与量化时钟上升沿的不一致，该误差称为直接计数法的原理误差。

除了原理误差之外，直接计数法还存在时标误差，分析表达式（５．２）得到：

△瓦‘＝△（Ⅳ一Ｍ）?兀＋（Ⅳ一Ｍ）?△兀

由式（５．３），（５．２）可得：（５—３）鲜：必＋盟疋（５－４）

（Ⅳ一Ｍ）瓦

根据直接计数法原理，△（Ⅳ一Ｍ）＝±１，Ⅳ一Ｍ＝瓦’／矗，因此：

△瓦＝±瓦＋￡。?△瓦／瓦（５－５）

正’?△瓦／瓦为时标误差，其产生原因是量化时钟的稳定度△瓦／瓦，可以看出，待测脉冲间隔￡越大，量化时钟的稳定度导致的时标误差越大。

根据以上分析得出直接计数法具有以下特点：

（１）测量范围广，容易实现，且能够作到实时处理。

（２）存在时标误差与原理误差，限制了其测量精度。

直接计数法是一种成熟和简单的时间间隔测量方法，可以用于对时间间隔测量精度要求不高的场合。但是时间精度要求很高的时候，比如精度要求为ｌＯ咖时，那么其用于计时的时钟频率至少为１０硎乞高频时钟的应用给电路的设计和应用增加了很大的困难。因此这种方法不适合用于对测量精度要求很高的场合。５．１．２模拟内插法

直接计数法在测量精度要求不高的条件下无疑是一种非常好的时间测量方法，其原理误差为一个最小计时周期，如果能够克服其原理误差，那么其时间测量精度将会得到很大的提高，基于这一方面，近年来，国内外研究了许多新的测量方法，模拟内插法（该方法也称作时间间隔扩展法）是其中的一种。该方法是在模拟法与直接计数法的基础上发展而来的，其测量对象针对直接计数法中的Ｔｌ和Ｔ２，即完成Ｔｌ和Ｔ２的二次测量。

在介绍模拟内插法之前，需要首先了解模拟法的测量原理。该方法的原理就像一个时间放大器，依靠电容的充放电来工作。如图所示，通过控制高速开关，用较大的恒流源Ｉｌ在短时间Ｔ内充电，然后再用小恒流源１２放电，由于Ｉｌ远远大于１２，这样放电时间Ｔｌ也就远远大于充电时间Ｔ２，起到“时间间隔放大的作用＂。图５．２表示的是模拟法测量时间间隔的原理图。

第五章高精度时间间隔测量４ｌ

ｕｃｌ

：ＡＩ

Ｌ●Ｊ丫．Ｉ．ＶＲｗ＾Ｌ——一

。：Ｊ童ｎ７：”～

一』

Ｉ，芦谜电流源／一：、＼歹纛…ｌ

图５．２＼７Ｌ＿Ｔ■２高速开关：＝一ｌＪ—模拟法测量时间间隔电路原理图

在待测脉冲间隔瓦期间对电容进行充电，充电电流大小为Ｉｌ；然后以一个小电流１２＝１１瓜进行放电【３¨。此方法的优点是测量精度理论上非常高，可达ｐ秒量级；但由于电容充放电过程中，充放电时间之间的关系不是绝对线性的，存在非线性现象，其大小大致为测量范围的万分之一，这就限制了测量范围，或者说随着测量范围的增加，精度会降低；另外，电容充放电性能受温度的影响非常大，对测量系统的温度特性要求非常苛刻；非常稳定的恒流源也是一个技术难题。

为了克服模拟法在大测量范围条件下测量精度低的问题，引入了模拟内插法，其测量原理如图５．３所示。

待测脉冲信号ｒ］．－——＿Ｔｘ?———一厂］

ＩＩＩＩｌ量化时钟矗ＩＩＩｌＩＩＩ｜ｌＩ；ｌ：卜——————啼Ｉ．．卜———————刊

电容充放电波形

待扩展时间间隔

扩展后的时问间隔

图５．３模拟内插法测量时间间隔原理示意图

模拟内插法要对三段时间进行测量，即ＴＳ、Ｔｌ和Ｔ２，其中Ｔ。＿ＮＴｏ，采用电子计数法得到，Ｔｌ和Ｔ２的测量是关键。模拟内插法的思路是对小于量化单位的时间零头Ｔｌ和Ｔ２进行扩展，然后对扩展后的时间进行再次时钟计数。

Ｔｌ和Ｔ２的测量采用电容充放电技术，在Ｔ１期间，采用恒流源乃对电容Ｃ充电，Ｔｌ结束以后采用恒流源易爿戤对电容放电，直到起始电平位置，然后保持此

４２基于下ＤＣ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

电平。由充放电电荷相等的原理可得：

盟：盟

ＣＣ（５．６）

进一步化简得到互‘＝媚，即电容放电时间为充电时间的ｋ倍，然后采用量化时钟对放电时间进行及时，得到及时脉冲的个数为Ｎｌ，

舸以得到石＝半，同理得到五＝竽，结厶ＴＳ的大小得到：

￡：瞩＋五一互＝ｆⅣ＋掣１１磊＼厅（５－７）／

该方法虽然在计算Ｔｌ和Ｔ２时仍存在量化误差，但是其相对大小可以缩小ｋ倍，假设ｋ＝１０００，那么计数器的分辨率提高了三个数量级。例如，量化时钟的频率为１０ＭＨｚ，ｋ＝１０００，则电子计数器的分辨率不会超过１００璐，采用模拟内插技术之后，

模拟内插法的优点是理论测量精度高，但是这一技术实现的基础是对ＴＩ和Ｔ２其分辨率提高到ｌＯＯｎＳ，相当于１０硎２量化时钟的分辨率。的扩展，在较Ｔｌ和Ｔ２长ｋ倍的时间内，电容的充放电会带来较大的非线性，所以ｋ值实际上也不可能太大，而且实际所实现的扩展倍数ｋ的准确值也难以得到，所以模拟内插技术要将测时精度提高很多的话，实现起来有很多的局限性。模拟内插技术虽然对时钟频率要求不高，但是由于采用模拟电路，当待测信号的频率较高的情况下非常容易受到噪声的干扰，当要求连续测量时，电路反应速度也是一个大问题。

模拟内插法的误差来源如下：

（１）原理误差。在将模拟量ｋＴｌ转换成数字量ＮｌＴ０的过程中产生的，其大小为Ｔｏ／ｌ【，该误差是测量原理误差，无法克服。

（２）时间扩展的非线性为模拟内插法的主要误差来源。由于时间扩展采用的都是模拟器件，因此本身存在不可预测的误差，可以通过采用高精度电容减小非线性误差。

（３）随机误差，如触发误差。

（４）时钟的稳定度带来的误差。

５．１．３时间．幅值转换法

时间幅度转换法（ｎｍｅ．ｔ０．ＡｍｐｌｉｎｌｄｅＣｏＩｌ、，ｅｒＳｉｏｎ），简称时幅转换法（１’ＡＣ）【３２１，它是由模拟内插法改进而来的，时间．幅值转换法克服了模拟内插法转换时间过长、非线性难以控制等问题。时幅转换的基本思想是利用电容恒流充放电时电压与时间的线性关系来把待测时间转换为电压幅度输出，再利用～Ｄ转换器测量电压值，

第五章高精度时间间隔测量４３

完成时间细分，最后根据转换比例算出待测时间。以电容恒流放电为例，整个转换过程包括充电，恒流放电，Ａ／Ｄ转换三个部分。图５．４是时间．幅值转换法的原理示意图，从图５．４中可以看出，与模拟内插法不同，时间一幅值转换法法放电电流源（见图５．２）改成了高速加转换器和一个复位电路。

ＡＤ

‘

转换时间

输出数据

图５．４时间幅值转换法测量时间间隔原理图

与图５．２相比，图５．４中Ａ／Ｄ转换过程，代替了电容放电过程，极大地减少了转换时间。应为Ａ／Ｄ转换过程所用的时间与充电时间Ｔ本来就是一个数量级上，而不像放电时间Ｔ远远大于实际输入的时间间隔Ｔ。这样可以使得电路少一个放电过程，能够减少它的非线性。

模拟时幅转换插入电路部分性能是决定时间测量分辨率和测距精度的关键。由前面时幅转换过程可知，时幅转换电路需要完成充电和恒流放电状态的切换，可以用开关器件来实现。由于待测时间脉宽很短一般在几十个纳秒范围，故要求开关器件速度要快，关断和导通时间要短。同时所用的恒流源也必须要有在高频条件下稳定工作的能力。

时间．幅值转换法，模拟内插法，都属于模拟处理过程，与直接计数法一样，都属于传统测量方法。

５．１．４时间数字转换法

基于时间．数字转换技术（啊ｍｅ．ｔ０．ＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒＳｉｏｎ简称１ｒＩ）Ｃ）例的精密时间测量技术在核电子学和激光测距领域中具有广泛的应用。如图５．５所示采用ＣＭＯＳ门延迟的数字化延时线技术（Ｄｅｌａｙ－ｌｉｎｅ）ＴＤＣ原理。在延迟线中，每两个基本的ＣＭＯＳ非门为一个基本延迟单元，并且每个非门

基于ＴＤＣ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

具有相同的延时时间，并且改时间固定。开始脉冲信号在进入延时系统之后，沿延迟线传播，当截止脉冲来临时，开始脉冲信号已经过若干延时单元，并且到达相应的抽头处的起始脉冲信号被记录入寄存器，读取寄存器中的数值即可得出开始信号从进入ＴＤＣ系统开始到截止脉冲到达这段时间内所经过的延时单元个数（即门电路的个数）Ⅳ，假设每个门电路的延时为幻，则可求出开始脉冲和截止脉冲之间的时间间隔户Ⅳ×幻。－－－—?—－?｛：：：：，ｃ，－—?－Ｉ：：：：，ｃ，－－【渺…??【：：：，ｃ：－——－—?－

图５．５延时线原理

单纯的数字延迟线方法存在很大缺陷，以为门电路延迟时间相对于外界环境（温度和外加电压）的变化非常敏感，从而影响ＴＤＣ的测量精度。因此通常的ＴＤＣ测量中，为了保证测量精度，必须在测量中随时用高精度时间基准对其进行时刻校正，用于解决由于温度，电源电压的波动所引起的测量误差，保证其测量的精度。这种方法原理简单，芯片设计与制作的成本低，适于批量生产。目前ＣＭＯＳ门电路的延时已达到小于５吵的水平，该分辨率足以满足许多高分辨率时间测量的需要。

表５．１各种测量方法主要特点比较

通过对以上集中时间间隔测量方法的阐述与分析，可以各种方法的测量的特点做以下总结：

（１）在电子计数法的基础上，对量化误差Ｔ１和亿进行的再次测量。

（２）除电子计数法之外，适合于两个脉冲时间间隔的测量，即单次测量，对于连续测量难度很大。（３）除时间．幅度转换方法之外，其他方法还存在一定的原理误差。

第五章高精度时间问隔测量４５

（４）部分测量方法还不适合较大时间间隔的测量

通过以上各种测量方法的讨论与分析，并结合本系统的设计特点，选用时间数字转换法法作为本系统高精度时间间隔测量的首选方法。

５．２基于ＴＤＣ．ＧＰ２高精度时间间隔测量模块设计

ＴＤＣ工作原理及功能描述

鉴于本系统对于高精度时间间隔测量的要求，论文选取了德国ＡＣＡＭ公司通用型ＴＤＣ系列的新一代产品ＴＤＣ．ＧＰ２为系统提供高精度时间间隔测量。ＴＤＣ．ＧＰ２５．２．１主要由ＴＤＣ测量模块，１６位算术逻辑模块（ＡＬＵ），温度测量模块以及４线ＳＰＩ串行数据接口组成。具有两个测量范围，其精度均达到６５筇。ＴＤＣ．ＧＰ２采用尺寸较小的ＱＦＮ３２封装。通过四线ＳＰＩ与控制器相连，具有最高１ＭＨｚ的连续数据输出。并且可通过配置内部寄存器，设置ＴＤＣ．ＧＰ２的测量范围、信号触发方式等，使得用户能够对该芯片进行灵活应用。

ＴＤＣ是以信号通过内部门电路的传输延时来进行高精度时间间隔测量的

【３４，３５，３６１。图５．６显示的是这种测量绝对时间ＴＤＣ的主要架构。测量过程中，只需计算出开始信号和结束信号之间所经过的逻辑门的个数，就可以精确的计算出Ｓｔａｒｔ信号与Ｓｔｏｐ信号之间的时间间隔。芯片上的智能电路结构、担保电路和特殊的布线方式保证芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数。

Ｈｉｇ’Ｉｓ∞ｃｄｍｉｔ

图５．６１Ｉ）Ｃ绝对时间测量系统框架

ＴＤＣ测量由Ｓｔａｎ信号触发而开始，接收到ｓｔｏｐ信号停止。由环形振荡器的位置和粗值计数器的计数值可以计算出Ｓｔ砸信号和Ｓｔｏｐ信号之间时间间隔，测量范围可达２０位。在３．３Ｖ和２５℃时，其最小分辨率是６５筇，均方根（册ｓ）噪音大约是５呖。

ＴＤＣ．ＧＰ２具有两种测量范围。在测量范围ｌ中，Ｓｔｏｐｌ、Ｓｔｏｐ２公用一个Ｓｔａｒｔ通道，每个通道的典型分辨率可达到６５筇，测量范围为肚１．８芦，对间隔脉冲具有最小１５瑚的分辨率，每个通道可进行四次采样，并且可通过寄存器配置选择计算

基于ＴＤＣ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

任意两个采样之间的时间间隔。在测量范围２中，只允许一个Ｓｔｏｐ对应到ｓｔａｎ通道上，并具有６珈的分辨率，测量范围为５００附。聊ｓ，对间隔脉冲的分辨率为两个校准时钟周期，每个通道可进行三次采样。

５．２．２ＴＤＣ．ＧＰ２硬件电路设计

图５．７ＴＤＣ－ＧＰ２外围电路图

图５．７所示的是ＴＤＣ．ＧＰ２外围硬件电路原理图，在ＴＤＣ．ＧＰ２的应用中需要两个石英晶振，４朋：眈和３２．７６８Ｋ舷，分别如图５．７中所示的方式接入电路中。由于门电路的延时受到温度和电压的影响，因此，４＾纰晶振是为了校准而设置的一个基准。当使用陶瓷晶振的时候，由于其频率的误差非常大，所以需要在测量的时候用３２．７６８圈眨的晶振对高速晶振进行校准。若选用温度稳定性非常高的石英晶振，在测量时就不用对高速晶振进行校准，因为这种晶振能够完全满足系统测量要求。该系统使用ＭＳＰ４３０单片机作为系统控制器。其中ＥＮ

ＥＮＳＴｏＰｌ、ＥＮＳＴＡＲＴ、ＳＴｏＰ２分别为ＴＤＣ．ＧＰ２的ＳｔａＩｔ、Ｓｔｏｐｌ、ｓｔｏｐ２的使能控制端，连接至ＭＳＰ４３０的Ｉ／Ｏ口。ＩＮＴＮ为ＴＤＣ．ＧＰ２的中断信号输出，ＲＳＴＮ为ＴＤＣ．ＧＰ２复位信号输入。ＴＤＣ—ＧＰ２的ＳＰＩ口（图５．７中ＳＳＮ、ＳＣＫ、ＭＯＳＩ、ＭＩＳＯ端）与ＭＳＰ４３０的ＳＰＩ口直接相连，进行数据通信。在本系统中，Ｓｔａｎ信号是由单片机Ｉ／ｏ口产生，并用于来触发ＴＤＣ启动测量。

５．２．３系统硬件程序设计

ＴＤＣ测量单元中，所有工作模式的选择、数据传输、以及最终数据的分析与计算都是由单片机来完成的。ＴＤＣ．ＧＰ２提供的ＳＰＩ接口、数据位为８位，方便与

第五章高精度时问间隔测量４７

单片机通信，由单片机对其进行寄存器的配置，工作状态的设定和数据传输。

ＴＤＣ．ＧＰ２采用的是四线ＳＰＩ，加入ＳＰＩ通讯接口简介，其读写时序图如图５．８所示：

ＳＳＮ

ＳＣＫ

ＳＩ

（１）ＴＩ）Ｃ乇Ｐ２读时序

（２）ＴＤＣ毛Ｐ２写时序

图５．８Ⅱ）Ｃ．ＧＰ２四线ＳＰＩ通信接口读写时序

图５．８ＳＰＩ口读写时序中，ＳＳＮ为从机使能控制端，ＳＣＫ为从机时钟信号输入端口，ＳＩ为数据输入端，ＳＯ为数据输出端，Ｔ￡》Ｃ．ＧＰ２所支持ＳＰＩ工作模式为ＣｌｏｃｋＰｈａＳｅＢｉｔ＝ｌ；ＣｌｏｃｋＰｏｌ撕够Ｂｉ卸。在读写时序图中显示了时间限制，ＳＳＮ需要强

表５．２Ⅱ）Ｃ－ＧＰ２操作指令表制置高电平。每次读／写序列之间ＳＳＮ保持高电平至少５０埘。

ＴＤＣ．ＧＰ２操作指令如表５．２所示，ＳＰＩ口通信时，从最高位（ＭＳＢ）开始传输，以最低位（ＬＳＢ）结束。传输完最后一位，ＴＤＣ．ＧＰ２把数据传输到指定的寄存器

基于ＴＩ）Ｃ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

或者执行命令。不能连续进行写操作。每个寄存器必须单独寻址。从芯片中读数据时也要先发送操作码。在发送操作码之后的第一个时钟上升沿，ＴＤＣ—ＧＰ２发送指定地址寄存器的最高位到ＳＯ输出。每一个上升沿传输接着的次低位到输出端口。

表５．３测量范围ｌ时ＴＤＣ－ＧＰ２状态寄存器配置表

ＴＤＣ．ＧＰ２测量控制流程如图５．９所示。本系统中使用的是ＴＤＣ．ＧＰ２的测量范围ｌ与测量范围的配合使用，当测距范围小于ｌＯＯ肌时，使用ＴＤＣ．ＧＰ２的测量范围１，当测距范围大于１００聊时，系统可自动将ＴＤＣ．ＧＰ２切换至测量范围２。在寄存器配置中（配置见表５．３。注：论文中详细叙述了测量范围ｌ的工作过程，测量范围２并为做叙述，但与范围ｌ相似），设置Ｓｔｏｐ２一Ｓｔｏｐｌ进行数值计算，这样做可以将测量的最小值理论上缩小到０船，并且可以有效地消除由ＴＤＣ．ＧＰ２内部电路引起的系统误差。在寄存器配置完成之后，即可开启Ｓｔａｎ、Ｓｔｏｐｌ、Ｓｔｏｐ２使能，并通过微处理器向ＴＤＣ发送开始信号，触发测量，同时ＴＤＣ开始等待接收Ｓｔｏｐｌ、Ｓｔｏｐ２脉冲信号。完成测量之后，ＴＤＣ根据预先设定的校准模式进行数据的校准，如果设置为数据自动校准，那么ＡＬＵ单元便可自动进行校准测量，然后写入数据输出寄存器中，如果设置手动校准，则需要通过ＳＰＩ口发送Ｓｔ硼ＣａｌＴＤＣ指令来进行数据并读取校准系数。等待中断信号ＩＮＴＮ为Ｏ后，即可发送Ｒｅａｄｄａｔａ命令，从结果寄存器中测量数据。单片机再根据预先设定的测量模式以及时钟周期，计算出精确的时差数据。

第五章高精度时间间隔测量

１ｒＩ）ｃ寄存器配置

塌量模式

－每个通道的采样次数

一时钟设置

—受准设置

ｎ）ｃ单元等待…

一开始脉冲信号

４止通道ｌ脉冲信号

—截止通道２脉冲信号工读取教据

读取数据删数据计算校准测量ＡｌⅣ根据ＨｒｒＩ＆｝ⅡＴ２进行数据计算产生中断卜—叫

图５．９ＴＩ）Ｃ．ＧＰ２单元测量控制流程图

５．２．４ＴＤＣ测量结果计算与数据校准

ＴＤＣ．ＧＰ２的测量结果可分为两种，校准值和非校准值。校准值是指Ⅱ）Ｃ在测量时对由于温度等外界因素所引起的误差进行校准之后所产生的测量结果；非校准则直接读取测量结果，不对其进行校准。

非校准测量中，可在ＴＤＣ配置寄存器ＲｅｇＯ设置ＢＩＴ５＝０，关闭校准，测量完成后，在结果寄存器中直接读取１６位数据，将该数据乘以６５声得到的计算结果，即为非校准测量的时间间隔数值。

由于ＴＤＣ测量中，门电路的延时时间受到电源电压、环境温度等因素变化的影响，并且其影响具有不确定性和不重复性，因此在其影响下，ＴＤＣ的测量结果也具有不确定性和不重复性，这将严重影响测量电路的精度和稳定性。因此，为了能够得到精确测量结果，需要在测量中对温度和电压的影响进行补偿。为了解决这一问题，在ＴＤＣ．ＧＰ２的内部设置了针对电压和温度的校准测量单元，并且可通过设置ＴＤＣ配置寄存器ＲｅｇＯ的ＢＩＴ５位，开启或关闭校准。在校准测量中，也通过配置进行自动或手动校准。

ＴＤＣ．ＧＰ２校准是在测量外部脉冲间隔时，另外测量一个已知的时间间隔，测量完成后根据高稳定时间值的测量结果，对外部测量结果与已知时间间隔的测量

基于ｎ）Ｃ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

值进行比较，消除由于环境温度和供电电压的变化带来的系统测量误差。ＴＤＣ．ＧＰ２的校准测量要求芯片有一个外部相对稳定的时钟信号（本系统为４Ｍ石英晶振），校准测量时，ＴＤＣ．ＧＰ２在完成对外部信号的测量之后，继续测量一倍和两倍内部基准时钟周期，分别记作Ｃａｌｌ和Ｃａｌ２，如图５．１０所示。图中Ｃａｌｌ、Ｃａｌ２分别为一倍、两倍参考时钟周期的测量值，ＲｅｆＣｌｋ为参考时钟信号。

蜘

鲫几几［二＝］！：ｉｉ：］

图５．１０校准原始数据（Ｃａｌｌ＆ｃａｌ２）测量方法

由图５．１０方法测量得到的Ｃ羽１、Ｃａｌ２值后，通过计算，可得出校准之后的精确时间差，计算模型如图５．１１所示。其中Ｉ强ｓ＿＿Ｘ为ＴＤＣ时间间隔测量的计数值，为内部，ｎｍｅ为校准后的时间间隔，１×Ｔｒｃｆ、２×Ｔｒｅｆ分别为一倍、两倍的参考时钟周期。

测量时间

Ｃｍ１

２×ＱＩｌ２．ｃａｌｌ卒

叼厅姒土

ｌ×ｍｆＴｉｍｃ２×ｍｆ真实时同

图５．１ｌ１Ｉ）Ｃ乇Ｐ２数据校准数学模型

由图５．１０的计算模型可知：

７溉

ＲＥｓｘ２×７ｋ厂一ｌ×ｍ厂Ｃｎｌ２一Ｃｎｌｌ

因此，由式（１）可以得知校准之后，时间间隔Ｔｉｍｅ的计算公式如（２）：

砌Ｐ：型×膦ｘ

ＣｈＺ２一Ｃ白ｎ一（２）５．２．５测量结果及数据分析

在测试中，设置ＴＤＣ－ＧＰ２工作在测量模式ｌ，设置Ｓｔｏｐ２一Ｓｔｏｐｌ、下降沿触发

第五章高精度时间问隔测量

测量。首先控制器对ＴＤＣ进行配置，寄存器配置完成之后，开启Ｓｔａｎ、Ｓｔｏｐ使能，并向ＴＤＣ发出虚拟Ｓｔａｎ信号触发测量，等待两个ｓｔｏｐ信号到达之后，即可完成测量读取数据，进行计算。

本系统测试中采用Ｔｅｋ昀ｌｌｉｘ公司的ＡＦＧ３１０２型任意波发生器作为信号源，该信号源拥有１ＧＪ眈的采样率，１００肋勉带宽，脉冲波上升、下降时间最小为５瑚可调，并且拥有双通道输出。试验中测试信号参数如下：

信号类型：脉冲信号

频率：１００Ｋ舷

占空比：５０％

上升时间：５脚

下降时间：５珊

信号强度：３．３‰

测量中设置ＴＤＣ．ＧＰ２为校准测量模式，并选取一定时间间隔（本文共选取间隔为卜５００雕共３０组数据）的多组脉冲信号进行测量，每组各测量１０００次，得到部分测量数据如表１所示。由表５．４可见，经过校准之后的单次测量值与实际值之间的误差极小。

表５．４时间间隔部分测量数据

为了准确分析系统特性，本文对各组测量数据进行具体分析。图５．１２所示为时间间隔为２０搬的两个脉冲信号测量值分布图。

５２基于１ＤＣ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

。趔番ｖ一器

图５．１２延时为２０淞脉冲信号测量数据分布

■■疽ｃ簟位ｔ哪

（ａ）４５凇（ｂ）１５０珊一■位弹位；哪■■位一位?憾）（ｃ）２２０，嚣（ｄ）３３０，嚣

洲

舅■值弹位，－哪◆１■■值弹位ｔｒ１）：：（ｅ）４５０淞（ｆ）５００懈

图５．１３不同时间间隔测量值概率分布

第五章高精度时间间隔测量５３

根据均值计算公式ｉ：！亨ｚ，将各组测量数据代入，得到均值为如表ｌ所示。刀智。

可以看出其均值与实际时间间隔十分接近。

图５．１３为不同时间间隔时系统测量数据的概率分布曲线，图５．１３中（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）的时间间隔分别为４５珊、１５０淞、２２０船、３３０邶、４５０凇、和５００瑚，图中带‘?’号的是由原始测量数据所绘制概率分布曲线，另一条则是通过曲线拟合【３７，３８’３明的方法得到的分布曲线的效果。曲线拟合结果显示，该测量数据服从高斯分布。选取其中一组进行分析，例如按照高斯误差分布理论，取ＴＤＣ．ＧＰ２的误差典型值６５芦为一个标准误差ｏ，可以计算出测量数据落在误差为±３ｏ之间的概率为９８．５９％，约为９９％，因此本系统的设计完全符合测量要求，并且极大地发挥了ＴＤＣ．ＧＰ２的性能。

为了准确的评估系统测量误差，根据标准差计算公式

．ｓ：屉：

图５．１４时间间隔测量误差

可计算出各组数据的测量标准差如图５．１４所示，从而可求出系统测量的标准差的均值可为７１．６筇。这个结果与ＴＤＣ—ＧＰ２标称的测量误差的６５芦相差７加。分析其原因是由于信号源本身就存在着不稳定的因素，这样使得输出脉冲信号存在一定的相移，这种相移表现在时间间隔测量上，就会出现较大的测量误差；另外信号源的噪声、周围电磁波环境对被测信号的影响，传输线的阻抗、信号连接时用的接插件的质量、系统布线等一些外部因素都很有可能造成系统测量误差的增加，除非使用非常严格的实验环境，否则这种误差是再所难免的，即使在及其严格的实验环境之下，出现很小的偏差，也是在正常范围之内的。

基于ＴＩ）Ｃ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

５．３时间间隔测量结果分析

通过以上数据分析，可以看出系统能够精确地测量两个脉冲信号的时差，其精度为７１．啦，约为７枷。这样，如果不考虑测量系统中其他部分的情况，由脉冲式激光测距的计算公式（式２．７）可得，由此得到的测量精度为１．０７册。因此可以看出，基于ＴＤＣ．ＧＰ２的高精度时差测量模块的设计，完全满足系统的对于高精度时差测量的要求。

而在传统计数法测量中，当时钟频率为１４．２硎２时才能达到此测量精度，由此可看出用延时法测量时间间隔可有效降低系统设计难度，并且可以有效的提高激光测距系统中的时间间隔测量精度。该部分的有上节数据分析可以看出高精度时间间隔测量模块的设计完全发挥了ＴＤＣ．ＧＰ２应有的性能。并且符合激光测距系统的测距要求。

通过对上述实验结果的分析与研究，可以看出时间间隔的测量精度受到众多因素的影响，因此，在进行系统设计及应用、特别是时差测量的设计时需要特别注意。

论文通过对系统及其试验结果的综合分析，总结出引起时差测量系统误差的原因有以下几个方面：

１、电源电压。因为ＴＤＣ．ＧＰ２的高速测量单元的测量偏差与电源电压密切相关，在芯片额定电压范围内，电压越高，偏差越小，并且不同电压情况下引入不同的漂移量，因此需要保证在测量过程中电源电压保持稳定。

２、环境温度（可通过设置校准测量模式有效地减小这一误差）。

３、信号源噪声。本系统中，信号源噪声主要由Ｐ玳和ＡＰＤ接收与放大，以及后续的时刻鉴别电路产生。

４、脉冲信号上升／下降时间。脉冲信号上升／下降时间在单通道测量时对精度的影响极大，上升厂Ｆ降时间越小，其测量精度越高。由于系统采用的是脉冲信号上升沿触发，因此在系统设计中必须保证触发信号的上升时间。

５、系统布线。系统布线时必须保证触发脉冲在ＰＣＢ上的延时一致性，并且尽量减少传输线之间的寄生电容。在无法保证延时一致性时，可在校准时，对时间参数增加固定偏移量来解决。

总结与展望

第六章总结与展望

激光技术从上世纪六十年代初诞生以来，已经广泛应用于测距、大气监测，通讯和控制领域，与此同时，人们也发现激光技术在军事方面应用前景。经过一段时间的研究和发展，军用激光技术在侦测、目标识别、导航、军事训练和光电对抗等领域得到了广泛的运用，大大的提高了军事打击和防御能力，成为现代军队科技水平和战斗实力的标志。特别是激光测距技术具有方向性好、相干性强，测距精度高，特别是对抗电磁干扰能力强等优点。激光测距技术目前已经被包括美国、俄罗斯、日本等主要军事强国广泛应用于武器系统。

目前主要运用的测距方法有：脉冲式激光测距、相位式激光测距等技术。但由于众多因素，各国在实际应用水平还存在很大的差距，特别脉冲激光测距技术的应用，某些技术强国测距精度已达到毫米量级，并将它应用于导弹的制导系统。而国内在该方面的发展还相对落后，主要问题存在于器件性能和生产加工工艺，理论模型上还不够完善。鉴于此，本文主要通过对脉冲激光测距的基本原理的分析与讨论，同时借鉴了国内外在脉冲激光测距上的优秀成果，并结合当前先进半导体激光器件、数字和模拟器件，旨在提供一套适用于高精度距离测量领域的脉冲式激光测距系统解决方案。

论文的主要工作和结论：

１、脉冲激光发射：采用ＣＰＬＤ产生频率为２抛、脉宽为２５瑚的脉冲信

号，并以此作为开关信号，驱动半导体激光器驱动电路，使其在产生

峰值电流为跗，频率为２砒、脉宽为２５瑚的驱动电流用于驱动半导

体激光器ＰＧＥＷｌＳ０９，使其产生波长为９０５，２朋的脉冲光信号，并将其

作为脉冲激光测距的探测信号。

２、脉冲信号的接收：论文中脉冲信号的接收分为两个部分，即Ｐ烈接收

与ＡＰＤ接收。ＰＩＮ管采用峰值响应波长为８６０力小、响应时间为Ｏ．５瑚

反向偏置为２０ｙ的ＰＳＯ．２５．５型ＰＩＮ光电二极管，用电流．电压转换法

对其采集信号迸行读取，经过后续放大，输出信号即可送入预鉴别恒

定比值时刻鉴别电路中进行时刻鉴别，并将其的输出信号作为时差测

量的起始。ＡＰＤ接收中采用了Ｃ３０７２４Ｅ型雪崩光电二极管，其峰值

响应波长为９００咒脚，响应时间为５凇，偏置电压为１５０儿该部分同样

采用电流一电压转换方式对ＡＰＤ接收的光信号进行读取。在ＡＰＤ信号

放大中，论文脉冲信号放大采用了由压控运放、峰值检测、控制器组

成的可控增益放大器，使得放大电路输出的脉冲信号幅值能在固定的区间内变化，可控增益放大器的使用可有效的降低由于脉冲信号强度

基于ｎ）Ｃ．ＧＰ２的高精度脉冲激光测距系统研究

的变化而带来的时刻鉴别误差，同时预鉴别恒定比值时刻鉴别电路进

一步减小了系统的时刻鉴别误差，二者为有效降低脉冲幅值变化所引

起的漂移误差提供了双重保证。

３、时间间隔测量：论文中采用了德国ＡＣ—ｗ公司通用型ＴＤＣ系列的新

一代产品ＴＤＣ．ＧＰ２为系统提供高精度时间间隔测量。通过大量实验

验证，其时差测量精度可达到７２筇，若不考虑其余部分对测距精度的

影响，系统的距离测量精度可达到ｌ俐。

本论文所提出的脉冲式激光测距系统的主要特点有：１、在脉冲信号接收中采用了两套接收系统，即文中所提出的ＰＮ接收与ＡＰＤ接收。这样可以将由电路传输中所引起的脉冲信号的延时对时差测量的影响减小的最低。２、ＡＰＤ接收中采用了可控增益放大电路与预鉴别恒定比值时刻鉴别电路，为时刻鉴别精度提供双重保证。３、时差测量中，采用了基于延时线的时差测量模块，使得系统的时差测量精度显著提高，并且降低了时差测量的设计难度。

论文的研究取得了令人满意的结果，但是系统中还存在不足。例如时差测量的精度并没有达到或很接近器件标称精度，测量数据中也会偶尔出现偏差较大的数值等。在日后的工作中，还需要对以下方面进行改进：

１、论文中并未对半导体激光器驱动电路、ＰＩＮ驱动电路与ＡＰＤ驱动电路

中的偏置高压电路进行讨论，系统中使用的是第三方的模块。因此在

后续工作中，需要解决高压偏置电路的设计，使其满足系统的要求。

偏置电压稳定性直接关系到ＡＰＤ接收电路的信噪比和半导体激光器的

发射功率。为了保证偏置电压的精度，基于温度控制的偏置高压设计

也是很有必要的。

２、对论文中所使用的可控增益放大器进行改进，使其能够自动增益控制，

让系统根据接收脉冲的强度自动进行调节，以减少控制器的工作负担，

同时也可增加该部分使用的灵活性。

３、由于时间间隔的测量对系统的测量精度起着关键性作用，因此有必要

进一步提高时差测量的精度。文献［４０】中提供的基于６５聆所技术ＦＰＧＡ

的延时线法时差测量系统的设计可将时差测量的精度提高到１７加。另

外文献【４ｌ】【４２】也对基于ＦＰＧＡ的延时法时差测量精度的提高提供了多种很好的解决方法。

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