基于TDC-GP22的手持式激光测距系统的研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 1.92MB 50 页 15积分

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摘要

激光测量技术日益成熟，应用领域众多，利用激光技术进行测距也因其具有

高精度，高分辨率，高抗干扰能力等优点，被广泛应用于科学研发，军事科技，

建设生产等各个方面。本论文旨在研究一种基于 TDC-GP22 高精度计时芯片的脉

冲式激光测距系统。首先讲述了激光测距的基本理论，介绍了两种主要的激光测

距方法，脉冲式和相位式激光测距法，对比分析两种方法的特点并提出文中脉冲

式测距激光系统的设计方案。

系统的核心部分是基于 TDC-GP22 芯片的高精度计时电路，根据其芯片外围

电路和通信接口时序特征，设计出基于 ARM 控制器的控制电路单元。在激光发射

部分介绍了激光发射原理，选用 650nm 波段半导体激光器作为光源，设计了基于

LM317 恒流源驱动电路，并使用一个开关三极管，完成对驱动电路的软件调制。

在激光接收部分，根据激光光源选用了 650nm 波段光敏型的雪崩光电二极管作为

光电探测器，设计了偏置电压电路，放大电路，自动增益电路和时刻鉴别电路。

在光学设计部分，根据成像和尺寸要求对透镜参数进行了推算。基于 TDC-GP22

芯片的时间间隔测量单元可使系统的时差测量精度达到 90ps 以内，为激光测距系

统的测距精度提供了保障。

本文设计的脉冲手持式激光测距系统便于携带、测程适中、方便数据开发，

弥补了传统脉冲测距系统功耗较大不易携带和相位法测距量程短的缺点。

关键词：脉冲式激光测距 TDC-GP22 时间间隔测量 APD

ABSTRACT

With the development of laser measurement technology and its application in

many fields，measuring distance by using laser rangefinder has been widely used in all

aspects of scientific research， military fields，construction，production with the

advantage of high-precision， high-resolution， high anti-jamming ability， etc. The

paper aims to study a pulsed laser ranging system based on TDC-GP22- the

high-precision timing chip. First it describes the basic theory of laser ranging，

introduces the two main methods of laser ranging， pulsed and phase-shift laser ranging，

makes a comparative analysis of the characteristics of two methods and proposes a

system design for pulsed laser ranging.

The core of the system is the high-precision timing circuit based on TDC-GP22，

according to the its peripheral circuits and communication interface timing

characteristics，a control circuit unit based on ARM is designed. In the laser emission

section the paper describes the laser emission principle，chooses 650nm semiconductor

laser as the light source， designs a constant current source driver circuit based on

LM317， and complete the software modulation for the drive circuit with a switching

transistor. In the laser receiving section ，the 650nmAPD is selected as the

photo-detector according to the laser source， the bias voltage circuit，the amplifier

circuit，the automatic gain circuit and the time discriminating circuit is designed. In the

optical section，relevant lens parameters are calculated according to the imaging and the

size requirements. The interval measurement unit based TDC- GP22enables the system

to have an accuracy within 90ps，makes it possible for high-precision ranging.

The design of pulsed laser ranging system have the advantage of handheld portable，

moderate ranging range and data transmission，which makes up the shortcoming of

traditional pulse ranging system like excessive power consumption， big-size and the

small-scale ranging of the phase-shift laser range finder.

Key Word：Pulsed Laser Rangefinder，TDC-GP22，Time Interval

Measurement，APD

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................. 1

1.1 研究背景及意义 ............................................................................................. 1

1.2 国内外研究现状 ............................................................................................. 2

1.3 论文的主要内容 ............................................................................................. 4

1.4 本章小结 ......................................................................................................... 4

第二章激光测距原理及其系统原理设计 ................................................................. 5

2.1 激光测距原理 ................................................................................................. 5

2.1.1 脉冲式激光测距 .................................................................................. 5

2.1.2 相位式激光测距 .................................................................................. 6

2.1.3 本论文选择的测距方法 ...................................................................... 7

2.2 TDC-GP22 高精度计时芯片简介 .................................................................. 7

2.3 激光测距系统原理设计 ................................................................................. 8

2.3.1 激光测距系统设计要求 ...................................................................... 8

2.3.2 激光测距系统的组成 .......................................................................... 9

2.4 TDC-GP22 硬件电路设计 .............................................................................. 9

2.5 TDC-GP22 的驱动电路设计 ........................................................................ 10

2.6 TDC-GP22 的驱动程序设计 ........................................................................ 11

2.6.1 SPI 通信程序设计 ............................................................................. 11

2.6.2 计时主程序设计 ................................................................................ 13

2.7 本章小结 ....................................................................................................... 16

第三章激光测距系统的硬件设计 ........................................................................... 17

3.1 激光发射部分设计 ....................................................................................... 17

3.1.1 半导体激光器原理 ............................................................................ 17

3.1.2 半导体激光器驱动电路的设计及仿真 ............................................ 18

3.2 激光接收部分设计 ....................................................................................... 21

3.2.1 APD 的工作原理及选型 ................................................................... 21

3.2.2 APD 高压偏置电路设计 ................................................................... 23

3.2.3 APD 前置放大电路设计 ................................................................... 24

3.2.4 自动增益控制电路与鉴时电路设计 ................................................ 26

3.3 光学系统设计 ............................................................................................... 27

3.3.1 光学系统的主要参数 ....................................................................... 27

3.3.2 光学系统的设计原则 ....................................................................... 29

3.3.3 发射与接收光学系统设计 ............................................................... 30

3.4 本章小结 ....................................................................................................... 33

第四章时间间隔测量结果及分析 ........................................................................... 34

4.1 时间间隔测量结果 ....................................................................................... 34

4.2 测量结果分析 ............................................................................................... 36

4.3 本章小结 ....................................................................................................... 38

第五章总结与展望 ................................................................................................... 39

附录 ..................................................................................................................... 41

参考文献 ..................................................................................................................... 44

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 47

致谢 ..................................................................................................................... 48

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

激光技术兴起与 20 世纪 60 年代，由于具有良好的准直性、单色性、相干性

与非常小的发散角的特点被广泛应用于工业生产与测量、能量信息传输及其特性

的开发研究等一系列内容[1]。随着激光技术的深入发展，人们对激光的认知更为广

阔，同时也更依赖于激光技术给生活方式带来的改变。

相比于传统测距方式，激光测距是一种非接触式测量，通过测量激光往返的

时间来计算与目标的距离，具有高精度，高效率等特点，还可以解决在实际测量

中人不方便到达或无法到达的地方进行距离测量的难题。因此可以应用于军事，

生产建设，科学研究等各个领域。随着激光技术的发展，激光测距仪性能不断提

高，体积不断变得小巧易携带，价格不断降低，已经被广泛用于工业测量和民用

领域的房屋楼宇测量等方面，其测量效果相比于其他测距方法具有很大的优势。

激光测距仪按测量量程可以分为三类，如表 1-1 所示。

表1-1 激光测距仪的分类

名称

测量量程

主要应用领域

短程激光测距仪

5km 以内

精密测量、安全检测及各种工程

测量

中长程激光测距仪

5~15km

大地控制测量、地震

预报观测

远程及超远程激光测距仪

15km 以上

导弹、人造地球卫星、月球等空

间目标的距离测量

激光测距仪按测量原理不同分为脉冲法，相位法和三角法测距。其中脉冲法

激光测距仪量程从几千米到几十千米都可实现，但精度相对较低，在几米左右；

相位法测距仪量程一般在 200m 以内，可达毫米级的测量精度；三角法测距仪的量

程比较短，一般在几毫米到十几毫米之间，但可达到微米级测量精度。

手持式激光测距仪属于短程测距仪器，主要使用相位测距法进行系统设计，

在实际工程中，其精度可以保证达到测量要求，但是其量程通常较小，成为工程

测量中的一大限制因素。所以可以实现中长距离测量的手持式激光测距仪有着很

大的市场需求，并且能够满足对测量精度的要求。针对此问题，脉冲式测距可以

很好的满足短程中长测量的要求，如果能够同时提高测量精度，将会很好解决这

一问题。所以本课题主要围绕如何设计和开发 TDC-GP22 这款高精度计时芯片来

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摘要激光测量技术日益成熟，应用领域众多，利用激光技术进行测距也因其具有高精度，高分辨率，高抗干扰能力等优点，被广泛应用于科学研发，军事科技，建设生产等各个方面。本论文旨在研究一种基于TDC-GP22高精度计时芯片的脉冲式激光测距系统。首先讲述了激光测距的基本理论，介绍了两种主要的激光测距方法，脉冲式和相位式激光测距法，对比分析两种方法的特点并提出文中脉冲式测距激光系统的设计方案。系统的核心部分是基于TDC-GP22芯片的高精度计时电路，根据其芯片外围电路和通信接口时序特征，设计出基于ARM控制器的控制电路单元。在激光发射部分介绍了激光发射原理，选用650nm波段半导体激光器作为光源，设计了基于...

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