基于高速脉冲调制和回波采样的激光测距技术研究

论文摘要

激光测距技术的高精度、高分辨率和强抗干扰性使其得到了广泛的关注。在航空航天领域的远距离目标探测、工业领域的近距离高可靠性目标探测以及民用高速高精度目标探测等应用中,激光测距系统的测距性能、体积、重量和成本都面临着巨大的挑战。为此,本文针对高速激光测距技术展开研究,以在实现大动态范围探测的同时,有效解决现有激光测距技术的高成本、大体积、低精度等问题。首先,论文概述了激光测距技术的国内外研究现状,介绍了实现激光测距的几种技术手段。在对各技术手段的工作原理和特点进行比较分析的基础上,本文提出了一种基于高速脉冲调制和回波采样的激光测距技术。其次,论文通过对激光雷达作用方程的推导,分析了激光测距性能的影响因素,明确了基于高速脉冲调制和回波采样的激光测距系统的具体设计方案。针对测距系统的实际指标需求,确定了系统中光学系统的设计参数和关键器件的型号,并完成了系统硬件设计及各单元电路的设计。为了实现大动态范围测距,论文设计的激光测距系统采用高灵敏度单光子探测器MPPC（Multi-Pixel Photon Counter）进行回波信号光的探测。该探测器具有灵敏度高和多回波光子信号累加输出的特性,是提高系统测距能力的重要物理基础。在信号处理部分,测距系统借助高速信号采集技术实现了回波信号的全波形采集,并通过回波波形的多次累加处理,有效消除了抖动噪声的影响,避免了电路抖动等造成的距离计算偏差。借助上升沿/下降沿阈值判断法,确定了回波信号的峰值位置,消除了回波信号幅值偏差而导致的回波信号到达时刻的误判断,进而为高精度距离信息的获取提供了保证。在完成系统软硬件设计的基础上,基于相关系统参数,论文对测距系统的性能进行了理论分析和验证,对系统的测距能力和测量误差进行了分析。最后,介绍了激光测距实验平台,并开展了距离测量实验研究。实验结果表明,论文设计的测距系统的测距动态范围为107,测距精度为0.6mm;系统在实现远距离目标探测的同时,能够兼顾近距离高精度测距的需求,且实际结果与理论分析结论吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 激光测距技术的研究概述
•     1.2.1 国外研究概述
•     1.2.2 国内研究概述
•   1.3 本文研究内容
• 2 基于高速脉冲调制和回波采样的激光测距原理
•   2.1 激光测距方法
•     2.1.1 脉冲激光测距
•     2.1.2 干涉式激光测距
•     2.1.3 线性调频式激光测距
•     2.1.4 基于相位法的激光测距
•     2.1.5 基于光源调制的激光测距
•     2.1.6 测距方法的性能比较
•   2.2 基于高速脉冲调制和回波采样的激光测距系统的工作原理
•   2.3 激光雷达作用距离方程
•     2.3.1 模拟探测中的激光雷达作用距离方程推导
•     2.3.2 光子计数探测中的激光雷达作用距离方程推导
•   2.4 激光探测性能影响分析
•     2.4.1 环境参数对激光探测的影响
•     2.4.2 激光雷达系统信噪比
•   2.5 本章总结
• 3 基于高速脉冲调制和回波采样的激光测距系统设计
•   3.1 光学系统设计
•     3.1.1 激光器
•     3.1.2 光学发射系统
•     3.1.3 光学接收系统
•   3.2 单光子探测器及系统硬件配置
•     3.2.1 单光子探测器选型
•     3.2.2 FPGA选择
•     3.2.3 光源驱动电路的设计
•     3.2.4 探测模块电路设计
•   3.3 软件信号处理单元的设计
•     3.3.1 数据处理的总体设计思路
•     3.3.2 高速收发器
•     3.3.3 发送信号子模块
•     3.3.4 数据接收子模块
•     3.3.5 时间计算子模块
•     3.3.6 距离计算及选取子模块
•   3.4 本章总结
• 4 基于高速脉冲调制和回波采样的激光测距系统性能理论分析
•   4.1 最大测距能力的分析
•   4.2 误差分析
•   4.3 本章总结
• 5 基于高速脉冲调制和回波采样的激光测距实验结果及分析
•   5.1 系统测距能力
•     5.1.1 系统最大测量距离
•     5.1.2 系统最小可测量距离
•   5.2 系统测距精度
•   5.3 系统测距准确度
•   5.4 本章总结
• 6 总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间取得的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 马建平

导师: 尚建华

关键词: 激光测距,单光子探测器,多回波光子信号累加,大动态范围

来源: 东华大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,电信技术

单位: 东华大学

分类号: TN249;TN958.98

总页数: 73

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