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三维激光成像系统中高精度测距技术的研究

三维激光成像系统中高精度测距技术的研究

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作者：卢静怡北京交通大学

学位级别：硕士

摘要：激光测距越来越多的应用在军事以及民用工业中,测距精度的提高也成为其研究重点。而影响测量精度的因素主要包括进入激光的光脉冲的信噪比,上升沿触发方式,接收系统带宽以及激光发射光和目标物反射光之间的时间间隔等,其中对测距... 详细信息

摘要：激光测距越来越多的应用在军事以及民用工业中,测距精度的提高也成为其研究重点。而影响测量精度的因素主要包括进入激光的光脉冲的信噪比,上升沿触发方式,接收系统带宽以及激光发射光和目标物反射光之间的时间间隔等,其中对测距精度起决定作用的是时间间隔的测量精度对测距精度起决定作用。传统的数字法测距受时钟频率限制,只能达到1OOns的测量精度,而模拟测距法虽然精度上相对于数字法有了很大的提高,但是存在非线性现象,随着测量范围的增加会降低精度。本文为了弥补传统测距法的不足,在三维成像激光雷达系统中,针对时间间隔的测量精度提出了一种基于TDC-GP1计数芯片的高精度测量方法,把时间间隔直接转化为高精度的数字,并结合软硬件的实现方法,通过DSP芯片控制TDC-GP1进行单通道的时间间隔测量,由内部粗计数器和精延时通道合作完成时间间隔测量,直接将待测时间间隔转换成数字量读出。本文首先对激光测距的方法和原理进行了介绍,阐述了脉冲激光测距法相对于相位测距法、三角测距法、反馈测距法的优越性。并着重讨论了人们对于脉冲测距法中有关时间间隔测量方法的研究进展,分析了传统测量方法的种种弊端,提出了基于TDC-GP1计数芯片的测量方法,这种方法可有效地减小电路规模,使测距机更加小型化,对于降低硬件的成本、提高整个系统的灵活性、可靠性、适应性以及缩短开发周期,都具有重大的实际意义。然后研究了TDC-GP1高精度计数芯片的结构特性、工作原理和软件设计,其中软件设计主要是对芯片的工作模式的选择,寄存器设置以及读写进行控制。本文还对基于TDC-GP1的外围电路设计进行了分析研究,整个系统的硬件设计部分包括电源转换电路、测距电路、电机扫描电路以及测量单元与上位机的数据接口电路等。并着重对测距电路部分的信号进行采样分析。另外由于系统是通过DSP和CPLD组成的MCU电路产生系统时序,因此在实际应用中可以根据需要灵活调节系统时序。在文章的最后,针对影响测距部分电路的精度因素进行了理论分析和实验验证,其中包括噪声分析和对芯片的温度测试。对于噪声分析是通过去噪前信号和去噪后信号波形图的对比,对于温度测试则是通过对不同温度下的测量结果的对比得出测量精度随温度变化的曲线,并提出了相应的改进方案。本文最终实现了在三维成像激光雷达系统的低功耗脉冲激光测距,测距精度达到100Ps。

关键词： TDC-GP1测时芯片高分辨率同步时统测量精度

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