激光雷达多通道接收测距电路研制

西安电子科技大学 硕士学位论文 激光雷达多通道接收测距电路研制 姓名：李群 申请学位级别：硕士 专业：光学 指导教师：韩香娥 20100101 摘要 摘要 激光雷达以激光为辐射源并作为载频，是激光技术和雷达技术相结合的产物。 本文所研究的单双基地激光雷达原理系统，其双基地接收机采用6*4探测单元排 列组成。本文的主要工作是研制多路接收测距电路板，完成对多路阵列探测单元 输出信号的处理，为双基地激光雷达目标定位系统提供距离信息。 本文研究了激光雷达相关理论及激光测距 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，基于脉冲激光测距法，给出 了一种结构简单，可同时处理多路回波信号的测距电路。完成了包含时刻判别电 路、时间间隔测量电路及串口通信电路三个模块的测距电路的软、硬件 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 。快 速判别模块选用高速比较器ADCMP600及二极管IN5819组成，电路简单，传输 延时小。时间间隔测量电路选用高精度时间数字转换器TDC．GPl完成了对时间间 隔的测量。串口通信电路采用收发分置的通信方式，最大化的利用了RS232和 RS422接口的优点，实现了电路与计算机的通信。最后对电路板进行了系统测试 和误差分析，测试结果表明研制的电路合理可行，满足激光雷达原理样机系统对 测距及信号处理的要求。 关键词：激光测距 多路处理 时间测量 串口通信 ABSTRACT ABSTRACT Withlaserastheradiationsourceandasacarderfrequency，lidarisaproductof combinationoflaserandradar．Thebistaticreceiverofsinglebaseorbistaticlaser radarsysteminthispaperiscomposedof6幸4arraydetectionunit．Themaintaskin thispaperaretodevelopmulti·channelrecipientrangingcircuitboardtocomplete processingtheoutputsignalformthemulti—channeldetectionarrayunit．Thenthis boardcallprovidedistanceinformationforbistaticlaserradartargetingsystem． ThisthesisisdevotedtotheresearchOllthecorrelationtheoryoflidarandthe methodsoflaserranging．Therangingcircuitinthispaperis、)~ritllsimplestructure， handlingmulti-channelechosignalsbasedonprincipleofpulselaserranging．The hardwareandsoftwaredesignofthreemodulescontainstime·identificationcircuit,time intervalmeasurementcircuitandserialcommunicationcircuit．Inthetime．identification module，thehigh-speedcomparerADCMP600andthediodeIN5819areemployed．The circuitissimpleandwithsmallpropagationdelay．Thetimeintervalmeasurement circuitiscompletedbyhigh—precisiontime-digitalconverterTDC-GP1． Inserial communicationcircuit，thebistaticmethodtorealizethecommunicationiSused betweenthecircuitboardandthehostcomputer．TheadvantagesofRS232andRS422 interfacesaremaximized．Theresultsverifythefeasibilityofthecircuit．Thecircuitcall meettherequirementsofrangingandsignalprocessingbylaserradarprototypesystem． Keywords：LadarrangingMulti-channelprocessingTimemeasurement Serialcommunication 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。(保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名：一盔群 导师躲獬 日期巫Z!：主：笙 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍了研制激光雷达多通道接收测距板的研究背景和意义，激光测 距的原理及应用。最后，给出了本文的研究内容及其结构安排。 1．1研究背景和意义 激光雷达fl—q以激光为辐射源并作为载频，是激光技术和雷达技术相结合的产 物。由于激光波长短，光束质量高，定向性强，使得激光雷达的测量精度、分辨 率和抗干扰性能比微波雷达好，且频率比微波雷达高3---5个数量级，体积小，可 进行测距、测角、角追踪、目标速度的测量以及目标活动的指示。当采用小口径 天线低仰角工作时还可以跟踪超低空飞行目标，并且隐蔽性能好。因此激光雷达 在军事和民用领域都得到了广泛的应用。 双基地激光雷达15，6J由分置在安全地区的发射／接收站和警戒阵地的被动接收 站组成。它一般是利用目标的侧向或侧前向反射回波来探测目标特征，可以获得 更大的雷达反射截面积(RCS)。测试结果表明：利用前向反射方法探测到的RCS 值要比利用后向反射测得的RCS值高出大约15dB。由于双基地雷达具有较强的 目标探测能力，在对目标探测及定位性能的研究方面受到了广泛的关注。 国外对双基地激光雷达系统研究的公开报道不多，发表的有关双基地相干激 光雷达理论研究【9，lo】，其研究的主要内容是用于风速的测量。国内，西安电子科技 大学较早地开展了对双基地激光雷达系统的研究。2007年，主要进行了对双基地 激光雷达系统的理论研究[61，原理系统的搭建[11,12]，接收回波信号处理电路【7】的设 计等，并进行了初步的系统验证实验[6,11,12】。2008年，开展了对双基地激光雷达同 步方法的研究【14】及对系统的扫描方式进行了确定fl卯，并且研制成功了激光雷达系 统单路测距电路板【8】。2009年，随着系统整体结构的确认，逐步完成了双基地激 光雷达扫描发射系统、多路阵列探测器接收系统等。基于项目需要，本文的主要 工作是研制多路接收测距电路板，完成对多路阵列探测器输出信号的处理，为双 基地激光雷达系统目标定位提供距离信息。 本文研究的激光雷达系统主要由激光发射系统(包括激光器和发射光学系 统)、信号接收系统(光学接收部分和光电转换部分)以及信号处理系统(多路信号实 时判别电路和计时电路)等组成。该系统的工作原理是：激光器发射激光束脉冲， 经过激光发射扫描系统快速扫描目标或目标区域，目标回波信号由传感器接收装 置接收，转换后的电信号进入多通道判别电路和计时电路，最后由上位机得到目 标的距离信息。本文的工作是在前期得到回波信息【7】和单路测距电路设计【8】的基础 2 激光雷达多通道接收测距电路研制 上研制出满足双基地激光雷达原理系统所需的多通道接收测距电路板。 多路接收测距电路板以单路测距电路为基础，但对单路测距电路有了很大的 改进与提高。首先，前者实现了多路信号的并行处理功能，这是单路测距电路所 不能完成的。其次，在串口通信方面，依据项目对传输速率的要求，多路接收测 距电路板改进了单路测距电路板传输速率较低的问题。最后，在对起始信号的处 理方式上，前者解决了单路测距电路板中起始信号只能为有线同步信号对接收系 统带来的局限性问题。 1．2激光测距原理及应用 按激光测距的基本原理，激光测距技术可以分为激光飞行时间测距和非飞行 时间测距两类。非飞行时间激光测距技术是指在测距时通过光子计数或者数学统 计的方法得到目标的距离。飞行时间激光测距技术是通过直接或间接获得激光飞 行时间得到目标的距离，由所发射激光的状态不同，分为脉冲激光测距和连续波 激光测距，后者根据起止时刻标识的不同分为相位激光测距和调频激光测距【l6。。 脉冲激光测距是利用脉冲激光器对目标发射一个或一列很窄的光脉冲，测量 光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的时间，计算出目标的距离【17J。其输出激 光峰值功率高、测距速度快、测量距离远、系统体积小、不需要合作目标、隐蔽 和安全性能好MJ。 相位测距法也称光束调制遥测’法【8A8A9]。它利用发射的调制光和被目标反射的 接收光之间光强的相位差包含的距离信息来实现对被测距离的测量，即用相位延 迟测量的间接方法代替直接测量激光往返所需的时间变化量。相位法适用于中远 距离测距【8,16,18,191(一般在300m．1Kin)，如大地、工程和体育测量中，测量精度高， 通常在毫米量级。文献[211基于相位式激光测距方法，使用单片机、复杂可编程逻 辑器件CPLD进行数据处理与逻辑控制，实验测量速率能够达到5Hz，测距精度 小于65．7mm。文献[221采用相位式激光测距法，将高精度时间测量模块TDC．GPl 应用到相位式激光测距之中，使测相系统的分辨率达到0．125x10。3m，大大提高了 测相系统的分辨率。文献[23】实现了一种针对合作目标的正弦调幅激光相位测距方 法，使用CPLD和单片机，利用脉冲填充法提高了测距精度。相位测距法测距精 度受激光的相位测试精度和相位的调制频率的限制，同时光电接收器信号的起伏 和噪声也严重影响测距精度。要达到距离的高精度测量，必须提高系统的激光调 制频率和相位测量精度，增加了系统对设备的性能要求和系统的成本造价，且相 位测距系统的峰值功率远低于脉冲激光测距系统，故测距能力远不如脉冲激光测 距系统。 调频连续波激光测距【16,20,29]主要是通过发射一频率连续可调的激光，测量接收 第一章绪论 3 到的激光频率推算出距离。所发射的激光调制频率为时间的函数，通过测量回波 激光调制频率和当前发射激光调制频率即可得到激光飞行时间，从而得到目标的 距离。据报道1241：运用此激光测距方式，已获得了18．5km的测距范围和20mm的测 距精度。半导体激光自混合干涉测距技术是调频激光测距一个新的研究热点，它 是利用被测物体形成的反馈光对线性调频LD光源输出光功率的调制特性，实现绝 对距离测量。文献【25】报道了一台运用此方法设计的测距系统，同时获得了55cm 的测距长度和0．5mm的测距精度。由于调频连续波激光测距法要加大测距范围，就 需减小频率啁啾率，同时也要增加电子测量系统的带宽和提高频率测量精度，因 此，在实际测量中通常要寻求带宽和频率测量精度的平衡以及测距范围和测距精 度的平衡。 本系统使用1．064pm的窄脉冲高重频的脉冲激光器【49】为激光雷达的辐射源， 因此本系统的测距方法为脉冲激光测距法。 1．3本文的研究内容与结构安排 本文研究了激光雷达相关理论及激光测距方法，基于脉冲激光测距法，设计 了多路回波信号处理测距电路板。研究了多路信号的时刻判别电路，时间间隔测 量电路及串口通信的传输，完成了测距电路板的调试及测试。最后对测试结果进 行了误差分析，为双基地激光雷达系统目标定位提供了距离信息。本文的结构安 排如下： 第一章：绪论。本章介绍了论文的研究背景与意义，激光测距的原理及应用， 最后给出了本文的整体结构安排。 第二章：激光雷达相关技术概述。本章介绍了单双基地激光雷达原理系统、 脉冲激光测距方法及激光雷达的探测概率与虚警率。 第三章：多通道接收测距电路硬件设计。本章分三大模块介绍了电路的设计 思想，器件的特性，完成了电路板的整体设计与调试，并对调试结果进行了分析。 第四章：多通道接收测距电路软件设计。本章通过对时间间隔测量芯片及串 口通信的设置完成了处理电路的软件设计，实现了测距电路板与上位机的通信连 接。 第五章：系统实验与结果分析。主要包括探测器噪声，系统固定延时及测距 电路板精度的测试，分析了整个测距系统的误差来源及影响。 第六章：总结与展望。对论文工作的总结，以及后期工作的展望。 第二章激光雷达相关技术概述 5 第二章激光雷达相关技术概述 本章介绍了激光雷达的相关技术，包括单双基地激光雷达原理及雷达方程， 单双基地激光雷达原理系统及脉冲激光测距方法等。简要分析了激光雷达的探测 概率与虚警率。 2．1单双基地激光雷达原理及雷达方程 2．1．1单双基地激光雷达基本原理 随着现代战争对雷达探测的需求以及雷达自身战场生存能力的迫切需要，同 时又随着数字电路技术的迅猛发展，双基地雷达技术在战术雷达中的应用研究， 已受到越来越广泛的关注。双基地激光雷达是基于一般激光雷达发展起来的一类 激光雷达，其特点在于利用增加的接收基地接收激光作用于目标时所产生的除后 向散射外的其它方向的散射光，从而起到增大探测概率的目的16】。 单基地雷达【6】一般都是利用发射的电磁波经目标后向反射后得到的回波来进 行目标特征的探测。双基地雷达【6加】由分置在安全地区的发射／接收站和警戒阵地 的被动接收站组成。它是发射机(含天线)和接收机(含天线和信息处理设备)分离很 远的雷达系统，其收、发间的基线距离与等效作用距离同量级(所谓双基地雷达的 等效作用距离是指具有相同发射机和接收机参数的单基地雷达的作用距离)。 图2．1双基地雷达几何配置图 图2．1为双基地激光雷达几何示意刚13J，其中，正为发射系统基地，R，为接 收系统基地，长度三为基线距离，辟和尺。分别为发射系统基地和接收系统基地到 目标之间的距离，啡和以分别为双基地平面上以发射系统和接收系统为本地坐标 原点的方位角，也称为双基地平面上的目标视角，△易和△以分别为发射基地和接 收基地系统单程方向半功率波束宽度，卢=靠一Or为双基地角。 6 激光雷达多通道接收测距电路研制 它的特点可以概括为三个方面f6,13】：(1)收、发分置；(2)接收目标的非后向散 射回波；(3)--角测量定位。双基地激光雷达为了完成对目标的定位，除了具有一 般单基地激光雷达的收、发和信号处理功能之外，还必须解决收、发之间的空间、 时间和相位的“两大同步”问题【6J。由于双基地激光雷达的发射机和接收机是分开配 置的，所以其发射机和接收机必须有各自的天线，而且两天线必须同时照射到同 一空间目标，才能接收到回波信号，这就要求收和发在空间上同步。为了测量目 标距离，并使各部分协调工作，双基地雷达的发射机和接收机要有统一的时间标 准，这就是时间同步。 2．1．2单双基地激光雷达方程 激光雷达的最大可测距离R。是其重要性能之一。设激光器发射功率为￡，目 标距离为R，接收机接收功率为E，目标反射率为P，光束入射角为包，接收物 镜入瞳面积为疋，单程大气透过率为0，发射接收光学系统的效率分别为77f、仉， 系统的最小可探测功率为‰。则单基地雷达方程【13】为 P R P=丁at t Pcos2qs寿rt2r／,r／， (2·1) 如果激光束完全射在目标上(扩展目标)，其相应的最大可探测距离尺。为： Rm=IP,pcosO,Ser,277，仉／(7r‰)r (2-2) 如果激光束有一部分射到目标之外，其相应的最大可探测距离尺。为： Rift"2[％麓挚]’ p3， 可见，当测距激光束全部投射到目标表面时，单站最大可测距离取决于激光 器发射的功率、目标的反射率、光束入射角、接收物镜入瞳面积、大气透过率和 发射接收光学系统的效率及系统的最小可探测功率。而当激光束并非完全投射到 目标表面时，系统的最大可测距离除了与上述因素有关之外，还与目标被光束照 射的面积S、激光器输出的光束发散角p有关16,131。 双基地激光雷达【6L。般是利用目标的侧向或前向反射回波来探测目标特征，可 以得到更大的雷达反射截面积(RCS)。双基地雷达工作的一般示意图【l3】如图2．2所 示。发射基地到目标的距离为群，接收基地到目标的距离为心，基线距离为L， 目标到达接收基地的大气透过率为f，，口。为目标与双站接收机连线方向与目标表 面的夹角。 第二章激光雷达相关技术概述 7 心 ～T 卜- r＼以 巧L120 L12 ＆ 图2．2双基地雷达工作的一般示意图 激光雷达的双站雷达方程为： e=德舞器⋯， p4， 式中各参量物理意义同单站情况。双站情况与单站情况相比，由于发射与接 收实现了分离，故激光雷达的双站方程与单站方程相比较也有了一些不同【13】。近 几年的研究试验证明双基地雷达具有较好的电子战能力，有着较强的抗反辐射导 弹、抗电子干扰、抗低空入侵和抗隐形的四抗潜力‘27捌。 2．2脉冲激光测距方法简介 脉冲激光测距法【18】是利用脉冲激光连续时间极短、能量在时间上相对集中、 瞬时功率很大(一般可达兆瓦级)的特点进行测量的。在有合作目标的情况下，脉冲 激光测量可达极远的量程。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的反射信号， 也可以进行测距。 脉冲激光测距是通过对激光传播往返时间差的测量来完成的。激光经准直瞄 准后照射被测目标，遇到目标后，激光脉冲的部分能量从目标返回到接收器上。 当光速为c，发射信号和回波信号的时间间隔为t时，目标距离三为： ￡=互1刃(2-5) 如图2．3所示，一个典型的脉冲激光测距系统通常由五个部分组成【32】：激光 发射单元、接收通道、时刻鉴别单元、时间间隔测量单元和处理控制单元。激光 发射单元在‘时刻发射一束激光脉冲，其中--d,部分功率直接进入接收通道1，经 时刻鉴别单元产生起始(Start)信号，开始时间间隔测量；其余功率从发射天线射向 目标，经距离R到达目标后被反射，接收通道2的光电探测器接收返回脉冲，经 放大到达时刻鉴别单元，产生终IL(Stop)信号，终止时间间隔测量；时间间隔测量 单元把所测得的结果，输出到处理控制单元，最后得到距离R。 8 激光雷达多通道接收测距电路研制 图2．3脉冲激光测距原理图 “脉冲激光测距法”118，20]其测量距离受激光发射功率和光电接收器灵敏度的限 制，同时，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)、时间测量的准确性和测量环境都将影响测距精度。其 中的关键是如何精确稳定地确定f的起止时刻和精确测量，，它们各自对应的是时 刻判别单元和时间间隔测量单元。 对采用脉冲激光测距方法接收处理的电路板，由于所采用的时间处理方法及 选用的器件不同，其测量精度也有差异。下面给出了几种事例简单说明。 文献[331选用恒比定时鉴别方法，采用相对简单的时一幅转换时间测量方法 完成时间间隔测量，达到了lm的单点测距精度。文献1171采用模数转换法，以 FPGA为处理模块，进行单机实验，测距精度可以达到O．1m。文献[341提出了一种 采用FPGA实现延迟线插入法进行高精度时间间隔测量的新方法，测量精度小于 0．3ns，作用距离范围为4．24m时，测距精度为9．2cm左右。文献[161基于传递延时 插入法和CPLD的工作原理，研制了一种能实现收到回波脉冲后80ns内完成测距， 测距精度士O．2m。文献[201利用CPLD芯片外的高速计数电路结合CPLD高精度计 数的方法，使实际计数误差在500MHz时钟周期之内达2ns，使用这种方法可以使 300m测程范围内的测距精度达N+o．3m。文献【35]提出以时间测量芯片TDC为计 数单元，以MCU为控制系统，在0～lms范围内，每间隔501xs选取一个观测点， 在l"--200ms范围内，每间隔10ms选取一个观测点，以这总共40个取样点值作 为标准时基输入，并分别对每个输入值进行1000次测量，取其平均值，测量相对 误差达到lO。5量级。文献【8】以时间测量芯片TDC．GPl为计数单元，以STC89C51 为系统的控制单元，测距精度3m左右。它们之间的差别主要与所选用的时刻鉴 别方法和时间间隔测量方法及所应用的器件有关，关于时刻鉴别单元方法的选取 和时间间隔测量方法的选取将在第三章作详细的讨论。 2．3激光回波信号的统计特性 激光雷达发射机发出激光信号，经过大气传输到达目标，再返回到激光雷达 第二章激光雷达相关技术概述 9 接收机，光电探测器将接收到的激光信号转换成电信号，放大电路对该电信号进 行放大处理，信号处理电路进行有无激光回波信号的判别。在这整个过程中由于 大气传输、目标特性、发射机功率、探测器噪声和放大电路噪声等因素的影响， 使放大电路输出的信号不是一个稳定值，其幅度和相位方面都是随机的。激光雷 达的探测概率和虚警概率是激光雷达的两个重要指标，它们与探测阈值和信噪比 有关，本节主要研究直接探测方式工作的激光雷达的探测概率和虚警概掣6～。 在能量检测方式中，对于量子噪声极限的探测来说，噪声的统计特征为泊松 分布。除了光量子极限工作条件外，探测器接收到大量光子产生大量的光电子。 依据中心极限定理，大量光电子的噪声概率密度函数，可以用高斯概率密度函数 来表示。在探测器电流噪声、背景噪声，热噪声、电路噪声等放大器线性的条件 下，所有噪声之和仍然是高斯分布的统计特性。其幅度的数学模型概率密度分布 函数可写成【7,34】： 以)=面1exp(一等) (2-6) 式中x为放大电路输出的噪声幅度，吼为放大电路输出噪声的均方差(标准 差)，x为放大电路输出噪声的平均值。若x=0时，则 p(x卜面1exp(一奇’(2-7) 若放大电路输出的是电压信号，则式(2．7)可以表示为 p(u。)=—÷exp(-二与) (2-8) ～／2zrU一 2U。 放大电路输出的噪声电压为U。，U。为放大电路输出噪声电压的均方根(有效 值)。 下面简单介绍激光雷达的两个重要指标：虚警概率和探测概斟6,7,36】。 (1)虚警概率 激光雷达的虚警概率实质上是系统噪声大于探测阈值的概率。假设阈值为 U。，无激光回波信号时噪声的均方根为U。·，TNR为阈值和噪声方差的比值，则 根据式(2．8)得虚警概率为： 弓2E高唧c矗阶n11坝盖与171矿c警p9， (2)探测概率 探测概率实质上是信号峰值与噪声之和大于探测阈值的概率。假设信号幅度 为Us，有激光回波信号时噪声的均方根为U。：，信号与噪声之和(Unl+U。2)为U， 则探测概率应为： 10 激光雷达多通道接收测距电路研制 B=￡瓦1唧c一黄～*1矿c等，p㈣ 其中P矿@)=2Sexp(-t2渺／石，SNR=Us／U—m 2．4单双基地激光雷达原理系统介绍 本文所研究的单双基地激光雷达原理框图如图2．酿由触发电路、脉冲激光器、 激光发射扫描系统及单双基地接收系统组成。双基地激光雷达系统的发射系统与 单基地激光雷达系统完全相同，接收电路完成目标距离的测量送入计算机，依据 距离和．角度定位法得到目标的位置信息。图中虚线框内为本论文的主要工作内 容。 图2年单双基地激光雷达原理框图 触发电路完成两方面的功能：一是触发激光器产生频率可调的脉冲激光；二 是为单双基地测距电路板提供起始计时信号(具体内容见第四章介绍)。 单双基地激光雷达探测方式采用单个窄波束发射，多波束同时接收的方法， 只要激光束与目标相遇，其散射信号可以被探测到，该探测方式能满足较大的探 测空间，如图2．q所示【6j。多波束的接收装置由24路阵列探测器按4*6路排列组 成，图2．g为接收装置外观刚3l】。图中每一个路对应一个探测器接收单元，它由光 学接收【12】系统和激光雷达信号接收电路【J7】组成，功能是完成对目标回波信号的接收 及光电转换。由于每一个探测器对应探测空间不同，只有在目标出现的区域才可 能有回波信号，所以24路阵列探测接收单元并不是每次都接收到24路回波信号 的，所以输入到多路测距电路板的信号为0．24路的任意整数。 第一章激光雷达相芙技术概述 管磐发射单个窄波求和接收j笼数探删^式示意圈 例2d二十四路阵列撩删接收装置图 2．5本章小结 本章介绍了单双基地激光雷达原理系统及雷达方程，并由此展开重点介绍了 脉冲激光测距方法。分析了直接探测系统的性能、激光雷达的探测概率、虚警概 12 激光雷达多通道接收测距电路研制 率。最后结合本论文工作重点给出了单双基地雷达系统的原理框图。 第三章多通道接收测距电路硬件设计 13 第三章多通道接收测距电路硬件设计 本章基于脉冲激光测距法按系统要求完成了对激光雷达多路接收测距电路的 硬件设计，分三大模块介绍了电路的设计思想，器件的特性，电路的实现等。最 终完成了电路板的整体设计与调试。 3．1总体要求和 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 本文设计的多通道接收测距电路是根据激光雷达目标定位系统的要求进行 的。系统要求接收阵列由24路探测装置按4*6路排列，接收电路板完成对24路 信号的实时检测与定点判别，完成时间间隔的测量给出目标的距离信息。由于对 24路接收阵列的机械加工还未完成，所以采用现有的3路接收装置以3路接收测 距电路来验证多路接收的可行性。 系统硬件电路由三大模块组成：分别为时刻判别模块、时间间隔测量模块和 串口通信模块。整个系统的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 如图3．1所示。在24路接收电路中N=24，完成对 24路信号的检测，每一路信号对应24路阵列探测接收装置中的一个探测接收单 元；n为(1．24)1内的任意整数，它是目标所在空间对应的探测器个数。3路接收电 路中，N=3，n为(1．3)内的任意整数，其意义与24路接收电路相同。 图3．1系统设计原理图 该系统工作原理为：触发电路板触发激光器发射激光，同时该触发信号作为 时间同步信号送入时间间隔测量芯片作为起始信号(Start信号)；激光由发射天 线射向目标，经距离L到达目标后被反射，阵列探测接收装置接收目标反射的n 路回波信号，进入时刻判别模块，经n路整形和二级管电路后，产生终止(Stop) 信号；时间间隔测量模块测量两路信号的时间差并将所得的结果送给微处理器模 块，经过计算得到目标的距离信息；RS232与RS422是与PC机连接的串口单元， 14 激光雷达多通道接收测距电路研制 RS422接口为数据输出端口，RS232接口为程序下载接口，方便使用。下面分别 对硬件电路三大模块的设计与实现方法予以介绍。 3．2时刻判别模块设计 时刻判别电路的作用是对经探测器输出的模拟信号进行模数转换，提供时间 间隔测量电路所需的计时终止信号。激光脉冲受大气传输和目标散射特性的影响， 导致接收到的脉冲与发射脉冲在幅度和形状上都有很大差异，给精确确定判别时 刻带来影响，由此引起的误差称为漂移误差。另外，由输入噪声引起的时间抖动 也给测量带来困难。因此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，对脉冲激光测距来说是很重要的一方面mJ。本文中所设计的电路主要由 高速比较器及二极管电路实现。 3．2．1判别方法选取 目前用于激光测距的时刻判别方法主要有三种：前沿定时法，恒比定时法和 过零检测判别法(高通定时法)。 (1)前沿定时法 前沿定时法【19’37】是通过判定固定值确定起止时刻，即以脉冲前沿当中强度等 于所设阈值的点到达的时刻作为判别时刻。它用快速电压比较器将输入电压与一 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 必须设在噪声不会触发虚警的最小限度。 图3．2前沿时刻定时法示意图 图3．2是前沿时刻判别法的示意图。由图可知，当回波信号的幅值不同时， 其判别时间的起点也不同。决定前沿鉴别法定时游动的主要因素有：输入脉冲的 幅度或者形状变化、接收通道的带宽和动态范围、阈值电压大小等，由脉冲幅度 和形状变化引起的漂移误差为出。 定时游动包括三个误差源：一是几何定时游动(理想接收器同样会产生)； 二是接收器的有限带宽、压摆率和动态范围；三是比较器的传输延迟时间。后者 第三章多通道接收测距电路硬件设计 15 相对前面两者经常被忽略。定时游动的误差可以用一个高精度峰值探测器测量未 饱和信号的峰值，然后根据峰值的大小对数据进行修正来减小；它还可以通过增 加接收器的带宽、缩短光脉冲的上升时间来减小。前沿定时法的时间晃动和定时 游动随着输入信号的噪声、上升时间、信号幅度的变化而变化，常用在信号变化 不大的场合，图3．3给出了时间延迟和信号幅度的关系。 IO∞O l∞ 10 100 10(30 10000 100000 图3．3时间延迟和信号幅度的关系 (2)。t_百Lt定时法 恒比定时鉴别法【8,16,341是根据信号的幅度大小动态地调整阈值电平大小，从而 避免信号幅度变化引起的时间漂移(WalkError)。其结构如图3．4所示，由延时器、 衰减器和比较器组成。 VI(t) Vo(0 图3．4恒比定时结构图 基本原理是将输入信号K(f)分成两路，其中一路不衰减振幅大小，而是经过 一段时间延迟为K(f)，另一路经过衰减变小为K(，)。将改变后的两路信号分别送 入电压比较器的正负输入端，比较器的转态发生在两输入信号相对大小改变的时 刻，转态的时点不会受到原始输入信号振幅改变的影响，始终保持在原始信号达 到某一固定高度比例时发生。 图3．5恒定比值鉴别法示意图 16 激光雷达多通道接收测距电路研制 图3．5是恒定比值鉴别法的示意图，恒定比值F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因素的影响，由幅 度变化引起的误差At=0。由此可见，恒定比值鉴别法能有效消除由脉冲幅度变化 带来的误差。但传统的恒比定时鉴别电路中的延时器由延时线实现，其延时信号 失真虽小，但体积大、不易集成和调整相对困难。对于要设计的多路信号判别电 路，电路设计复杂，制板难度大。 (3)过零检测判别法 过零检测判别法即高通定时法【7'8】，是将放大电路输出的单极性起止信号脉冲 通过高通滤波器，将原来的极值点转变为零点，双极性输出信号的过零点即为定 时点。图3．6为高通定时法示意图，接收通道收到的起止信号脉冲(左)通过一高通 容阻滤波电路，原来的极值点转变为零点。这种方法对输入信号的幅值变化不敏 感，只要求接收通道工作在严格的线性方式下，信号不失真。因此不会产生前沿 鉴别法所谓的定时游动。 I l 一{日 图3．6高通定时法示意图 它的误差主要受信号脉冲在定时点附近斜率的影响。据参考文献【37]给出的 结果，漂移误差能控制在10ps以下。当信号幅度变化时，定时点附近的压摆率会 发生变化，由于比较器的传输延迟时间依赖这些参数，将会产生如上所述的定时 移动。但这个误差比前沿鉴别法产生的要小得多，大小依赖于比较器的速度和信 号的缩放比例。 通过对以上三种时刻判别方法的介绍可知【8】：前沿定时法的时间晃动和定时 游动随着输入信号的噪声、上升时间、幅度的变化而变化，常用在信号变化不大 的场合；恒定比值鉴别法和高通定时法能有效地消除由脉冲幅度变化带来的误差， 但电路实现复杂，实时性较差，高通定时法输出的延时信号一般存在一定程度的 失真。考虑输出信号的特点，且设计的电路板要求对多路信号完成实时判别，所 以采用前沿定时判别法。 3．2．2电路的设计与实现 按照项目设计的要求，该模块要完成对3路信号的实时检测与定点判别，最 第三章多通道接收测距电路硬件设计 17 终输出Stop信号，主要涉及比较电路和二极管电路的设计。模块的设计原理图如 图3．7所示。 婶lrrl mⅡHrr2 ‘。。1——‘—IN—P’—U—T3‘——‘——‘—‘‘⋯‘—。‘—’‘—’‘—’‘—‘‘—’‘—‘‘‘P lel 一 STOP2D1k11N5819 ’ M STOP3DIKllN5819 刀 氓9 暑620 18 1嘤C19 I—tre％ I 1r i⋯ l⋯ 1订 47uF l R12⋯鹜 l R10． 1 4．7I蚕： ’ ．芝hLFR"u。J ． VN■-o-·_o— n 1 R11． --IGm 1 5㈠ DGi、D．913G}{D ’ ⋯0 图3．7时刻判别电路原理图 (1)比较器 比较器嗍是一种用来比较输入信号巧和参考信号‰的电路。图3．8(a)为其 基本电路。 VoJ V∞ 一＼广。 o j译⋯一V“ 【钔 ‘DJ (a)电路图 (b)传输特性 图3．8同相输入单门限电压比较器 参考电压圪FF加于运放的反相端，其值可以是正值或负值，图中给出的是正 值。输入信号K加于运放的同相端。这时，运放处于开环工作状态，具有很高的 开环电压增益。电路的传输特性如图3．8(b)所示，当输入信号电压K小于参考 电压‰时，即差模输入电压％=巧一‰<0时，运放处于负饱和状态，vo=‰； 当输入信号电压巧升高到略大于参考电压‰时，即％=巧一‰>0，运放,-'r_op 转入正饱和状态，Vo=Vo．。如图3．8(b)实线所示，它表示巧在参考电压‰附 18 激光雷达多通道接收测距电路研制 近有微小减小时，输出电压将从正的饱和值％H过渡到负的饱和值VoL；若有微小 的增加，输出电压又将从负的饱和值％，过渡到正的饱和值％H。把比较器输出电 压％从一个电平跳变到另一个电平时相应的输入电压巧称为门限电压或阈值电 压％。对于图3．8(a)所示的电路中有％=‰。 高速比较器选用美国ADI(AnalogDevicesInstrument)公司的高速比较器 ADCMP600／391，该比较器引脚简单，传输延时小(仅为3．5ns)。ADCMP600的 主要性能参数如下： 1)、宽电压范围：2．5v_5．5V； 2)、输入电压范围：．O．2、L-Vcc+O．2V； 3)、低干扰COMS／TTL输出； 4)、3．5ns传输延时； 5)、低功耗，供电电压3V时的功耗为10mW； 6)、宽工作温度：-400C一125oC。 图3．9为ADCMP600的管脚图。管脚定义为： Q：比较器输出端。 VEE"负电源供电电源。 VP：同相输入端。 VN：反相输入端。 Vcci／Vcco-供电电源。 Q VF．E vp 图3．9ADCMP600管脚图 按照比较器的原理，结合ADCMP600的特性，若％>‰，则Q置高电平；若 巧<‰，则Q为低电平。在实际设计电路中，％的取值是根据电阻分压得到的， ％=Vcc·志cⅥ。 这里‰的大小取决于两方面的因素：一是必须大于探测器本身输出的噪声信 号，确保是对有效信号的判别；二是必须小于可检测到的最小信号的峰值，确保 对信号无遗漏的接收。由于探测器的输出信号Input(OP圪)一般为80mv到200mv 之间的信号，探测器本身的最大噪声信号为40mv左右(强背景光下)，无背景光 或弱背景光时为20mv左右(探测器噪声测试见第五章)。所以结合输入信号的特 点，这里取％约等于50mv。经过比较器后的输出信号为5VTTL电平，满足时间 测量芯片的要求。 (2)二级管电路 二极管电路完成多路信号到单路信号的处理，设计思想是取第一个到达时刻 的输出信号。将经过比较器后的多路信号分别经过二极管电路，其后端输出的是 时间间隔测量芯片要求的stop信号。这里选取肖特基整流二极管1N5819，其最大 反向连续峰值电压均为40V，整流电流1A(正向浪涌电流30A)，开关速度非常快， OCCⅣaC H V V 第三章多通道接收测距电路硬件设计 反向恢复时削短。 3．2．3铡试结果和分析 选罩分别用信号发生器产生的丁F弦波信号和波长为1064,urn的调O激光： 极管泵浦固体激光器输出的激光回波信号作为输入信号，检测’v2t1']分别经过比较 器l乜路和二级管屯路后的信号变化，验证该设计模块的性能。 (1)输入信号为正弦波信号 调节信号发生器分别产生5vTTL电下(作为测试F乜路板的Start信号)和周 期为54us的iF弦波信号(作为测试电路板的输入信号)，如图310所示，其巾 黄色为输入信号，蓝色为起始信号。将产生的丁f三弦波信号分别经过比较器电路干¨ 二极管电路．得到图311和图312。其中黄色信号为输入的『F弦波信号，紫色信 号为经过ADCMP600后的比较输出信号，可以看出经过比较器后的输出信号为很 好的nL电平信号：绿色信号为经过二极管后的信号，该信号有很好的上升沿， 但在下降沿信号略有变化，分析应为器件本身对信号的影响。 图310输入信号与TTL信号 幽31I输入信号与比较器后的信号 图313为信号发生器产生的正弦波信号(图中黄色波形)、经过比较器后的 TTL电平信号(图中紫色波形)及经过二极管电路后的输出信号(图中绿色波形)。 由图可知，经过二极管后的信号比经过比较器后的信号幅值略有下降，但矧样满 足时间测量芯片对屯压的要求，且其有根好的上升沿，保证了信号终止时刻的精 确判别。 削312输入信号1j二撒管后的信号 幽3l3三路信号的比较 (2)输入信号为激光器输出的激光回波信号 馓光雷达多通道接收Ⅻ4距电路研制 调Q激光一极管泵浦固体激光器采用外调制方式，输山频率为201614KHz 的激光脉冲信号。该信号照射刮日标，散射后的回波信号经3路SiPIN—FET光电 接收组件接收完成光电信号的转换，j0输出信号作为测试电罡f}板的输入信号。 幽314接收的3路州波信号 图3I5经过比较器后的3路信号 图314为输入到测距电路板的3路回波信号，分别为黄色、蓝色、紫色波形。 由图可知，它们的幅值不同．其中蓝色信号幅值撮小，紫色信号幅值最大。图315 为3路同波信号分别经过ADCMP600厉的输出信号，可咀看出这3路信号幅值为 5v，且有良好的上升沿。依据前沿判别法原理，幅值不同将会导致判别时刻产生 差异，比较该图中蓝色信号与紫色信号，后者上升沿的跳变点略先干前者。 例3】6经过橄管后的3路信号 幽317start信号与stop信号 图316为3路幅值为5v的信号分别经过二极管电路后的波形图。可以看出， 信号有很好的上升沿，满足我们对终止时刻用上刀沿触技的要求，但其下降沿波 形有待改善。罔317为触发激光器的同步信号(黄色波形)与Stop信号的波形罔， 二岩均为上升沿触发，通过示波器的游标卡』t可以大概标定二者之问的时间I{1J隔， ‘o测距电路板读出的时间间隔值进行比较。 由f现有测距电路板在设计时采用同步线输八作为起始信号，对于发射、接 收站相对较远或者两站之M不方便使用同步线连接的情况，该测距电路板无沾r= 作。因此在设计24路测距电路板时，在起始信号输入端加入了高速比较电路，解 决了起始信号为有线同步信号对测距系统带来的局限性问题。 3_3时间间隔测量模块设计 叫间间隔测量电路的精度决定着测距的精度，该模块完成激光脉冲飞行时阳 第三章多通道接收测距电路硬件设计 21 间隔的测量。 3．3．1时间间隔测量方法介绍 常用的时间间隔测量方法主要有以下几种：模拟法、数字法、模拟插入法和 延迟线插入法等【7,8,42】。 (1)模拟法 模拟法测量原理如图3．18所示。此方法的优点是测量精度非常高，可达皮秒 量级。缺点是充放电时间之间的关系不是绝对线性的，其大小大致为测量范围的 万分之一，测量精度随着测量范围的增加而降低；另外，电容的充放电性能受温 度的影响非常大【40'42】。 待测脉冲信号 电容充放电波形 待扩展时间间隔 扩展后的时间间隔 量化时钟 图3．18模拟法钡0量脉冲时间间隔原理图 (2)数字法 数字法【41，蚓即用同步时钟脉冲对时间间隔进行计时。它的优点是线性关系好， 测量精度与测量范围无关，为正负一个时钟周期。如果时钟频率为10G赫兹，则 测量精度为百皮秒量级，对应的距离为分米量级。可见，数字法的精度也不容易 提高。 (3)模拟插入法 模拟插入法1421属于数字插入法的一种。它的优点是测量精度高，脉冲时间间 隔测量精度达到10ps量级，相当于3mm测距精度，测量距离的盲区比较小；缺 点是易产生非线性误差及随机误差，如相位噪声，在模数转换过程中易产生极限 误差。 (4)传输线内插法【8】 国外将这种测量方法称为TDC(Time-to-DigitalConverter)法，该方法与模 拟内插法一样，是对Tl和T2进行测量。当脉冲信号到达时启动延迟线，延迟线的 延迟时间记为_，f，，当时钟信号到来时，输出延迟单元的数目为Ⅳ1，则可以得 到互=N,r。，采用同样的方法得到互=N2v：。TDC方法得到的脉冲时间间隔为： C=Ⅳ·To+五一五(3-1) =N·To+Ⅳlfl一Ⅳ2r2 激光雷达多通道接收测距电路研制 传输线内插法的测量原理如图3．19所示。 开始信号 结束信号 延迟n．1 延迟n 图3．19延迟线内插法测量脉冲时间间隔原理图 此方法的突出优点是结构简单，可实现单片集成，在单片FPGA上实现。其 缺点是测量精度受限于LSB(LastSignificantBit的缩写，为百皮秒量级)。其误差 来源主要有以下四方面：一是量化误差，即一个延迟单元的时间。减少量化误差 会带来延迟单元的增加，设备量的庞大；二是延迟线集成的非线性。由于在集成 过程中不可能做到各个延迟单元完全一致，会导致各个延迟单元的延迟时间不相 等，对外表现为非线性效应。矫正的方法有平均法、矢量法等；三是随机变化， 由延迟单元的自身温度和供电电压变化引起；四是时间抖动，包括时钟的抖动和 延迟单元信号触发开关时间的抖动。 3．3．2电路的设计与实现 按照设计要求，该模块要计算出输入的起始信号和经过处理得到的终止信号 的时间差。主要由时间测量芯片TDC—GPl和微处理器芯片STC89C52设计而成， 时间测量芯片完成对起始信号和终止信号的计时，微处理器芯片一方面完成对 TDC的控制，另一方面将TDC测量得到的数据进行处理，得到所需的时间信息。 (1)时间测量芯片TDC．GPlt43l TDC．GPl是德国ACAM公司生产的一款时间数字转换器，是基于传输线延 时法的一种单片集成芯片，有使用方便、外部电路简单的特点。其特点为： 1)双通道250ps分辨率或单通道125ps分辨率； 2)每个通道可进行四次采样，排序的话可达八次采样； 3)两个通道的分辨率完全相同； 4)两个测量范围a．3ns--7．6us，b．60ns一200ms(需前置配器，只能用单通道)； 5)双通道的八个事件可一次又一次的任意测量，没有最小时间间隔限制，时 间间隔也有可能是负值； 6)分辨率调节模式：通过软件可对分辨率进行适应精确性调节 7)测量输入的触发沿是可调的； 8)启动管脚对两个停止输入信号都是可用的，有效的内置16位运算器，测 量结果可被校正并与一24位的整数相乘； 第三章多通道接收测距电路硬件设计 9)内部最多可存储4个校正值或8个非校正值； 10)工业温度范围为--400C一850C：11)工作电压：2．7、，．5．5V，极低的功耗，可用电池驱动。 图3．20TDC—GPl的内部结构框图 图3．20为TDC．GPl的内部结构框图，从图中可以看出，在GPl的内部有两 个测量通道Channell和Channel2，它们共用一个Start信号，Stopl，Stop2分别是 两个通道的终止信号。两个通道既可以独立工作，又可以联合工作。当两个通道 独立测量时的测量范围为3n卜-7．6us。当测量较大的时间时，两个通道联合使用， 此时的测量范围为60ns--200ms。 下面分析该芯片的3种测量模式。测量模式1，两个通道独立测量，它的测 量范围为3n卜-7．6us；测量模式2，需要前置配器，用来测量较大的时间，两个通 道联合使用，此时的测量范围为60ns--200ms，在测量范围2中只有一个通道可 用，停止输入1是有效的，在正常分辨率下此通道可进行4次采样，不能计算停 止信号彼此之间的时间间隔，只能测量停止信号与起始信号之间的时差；精度调 节模式测量，此模式是TDC—GPl的又一重要特征。在这种模式下TDC两个通道 的分辨率可同时精确调节为一可编程值，从外部基准时钟引入了一时钟作为调整 回路的参考，分辨率的调整可通过编写软件设置寄存器来实现。分辨率调节模式 没有启动信号，两个通道都可用，每个通道都能进行四次采样，可测量出停止信 号彼此之间的时间间隔。在这种模式下，测量范围为214LSB，约3．8us，是GPl 正常测量范围的一半。 根据以上三种测量模式的特点，结合实际的测距系统，这里选用测量模式l (3n卜7．6us)。下面重点介绍测量模式1。 测量模式1的量程为3ns．7．6us，它提供了双通道的时间数字转换，每个通道 24 激光雷达多通道接收测距电路研制 的分辨率可达250ps，这两个通道共用一个起始信号，两个通道的测量单元都是由 起始脉冲的敏感边缘触发(上升沿或下降沿)，每个通道可进行四次的Stop测量， 每个事件与共用的起始信号之间的时差被存储在每个通道的4个原始数据寄存器 中。图3．21是测量范围1的测量时序图。 ； ok一 >'5鹏l帅0 图3．21测量范围1的测量时序 注意以下时间限制： 1)第一个停止信号与起始信号之间的时间间隔(t1)必须大于3ns，否则停止信 号无效。 2)同一通道上相邻的两个停止信号的时间间隔(t2)必须大于15ns(双脉冲分 辨率)，如果两个停止信号相距太近，则第二个停止信号到达时因通道正处在恢复 期而无法被辨识。 3)不同通道上的两个停止信号之间没有时间间隔(t3)限制。 4)最后一个停止信号与起始信号之间的时间间隔(t4)必须小于30．720LSBs。 5)起始输入和停止输入的脉冲宽度必须大于2．5ns。 对应测量模式1的两个通道，它有两个计时终止信号输入端stopl和stop2， start信号公用。在本系统