基于FPGA高精度TDC的激光测距系统研究
发布时间：2021-05-20 09:56
激光测距技术是随着时代进步而发展的一种精密测量技术,因其具有工作距离远、抗干扰能力强而广泛应用于军事、民用、航空航天等领域。本文针对激光测距系统测量精度的影响因素作了全面分析,包括系统探测效率不高、结构复杂以及时间间隔测量精度不高等问题,从而提高测距系统测距精度、简化系统电路结构并且改善系统稳定性。论文在分析了解了几种常用的激光测距方式及相应的优缺点后,选择简易的脉冲法,根据激光测距过程设计了系统总体结构并利用FPGA控制模块完成对系统内部各工作单元的协调控制。根据测距系统的性能要求分别制定了激光发射单元、激光接收单元以及FPGA时序控制模块的具体设计方案。本文首先分析了脉冲测距系统功率,选用波长1064nm的调Q激光器并设计其驱动电路。其次,针对激光测距系统在动态范围内测量时,工作在线性模式的光电探测器探测效率不高、响应度低以及外围控制电路复杂的缺陷,利用工作于盖革模式下高灵敏度的多像素光子计数器（Multi-Pixel Photon Counter,MPPC）作为探测器进行回波光子信号累加输出实现光电转换。根据MPPC的工作特性设计信号放大电路、时刻鉴别电路与脉冲整形电路,实现了非...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 光电探测器件
1.2.2 时间数字转换器
1.3 论文研究内容
第二章 激光测距原理与应用
2.1 脉冲法激光测距
2.2 相位法激光测距
2.3 三角法激光测距
2.4 脉冲法激光测距与相位法激光测距比较
2.5 小结
第三章 脉冲激光测距系统方案
3.1 激光测距系统结构
3.2 系统功率分析
3.3 激光发射单元设计
3.3.1 激光器性能参数分析
3.3.2 激光器驱动电路设计
3.4 激光接收单元设计
3.4.1 单光子探测器选型分析
3.4.2 MPPC探测原理及主要工作特性研究
3.4.3 信号放大电路
3.4.4 时刻鉴别电路
3.4.5 脉冲整形电路
3.5 小结
第四章 激光测距计时单元设计
4.1 FPGA开发流程
4.2 时间间隔测量方法
4.2.1 直接计数法
4.2.2 时间幅度转换法
4.2.3 游标卡尺法
4.2.4 抽头延迟链法
4.2.5 时间间隔测量方法比较
4.3 基于严格延迟链的计数法
4.3.1 严格延迟链计数法原理
4.3.2 严格延迟链计数法的设计
4.4 TDC方案设计
4.4.1 信号输入模块
4.4.2 TDC模块
4.4.3 上位机软件处理与显示
4.5 小结
第五章 测距系统功能测试与误差分析
5.1 系统测试平台设计
5.1.1 激光控制器设计
5.1.2 激光测距系统测试实验平台
5.2 测距系统测试
5.2.1 激光发射单元性能测试
5.2.2 激光接收单元性能测试
5.2.3 激光测距系统测量测试
5.3 测距系统误差分析
5.4 小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于激光测距技术核心元件SPAD的分析与研究[J]. 吴俊辉,濮国亮,沈寒冰,杨兴雨,卜晓峰. 激光杂志. 2019(09)
[2]12 W high power InGaAsP/AlGaInP 755 nm quantum well laser[J]. 胡海,赵健阳,汪卫敏,何晋国,邝朗醒,刘文斌. Chinese Optics Letters. 2019(06)
[3]激光测距系统中光电探测器的研究进展[J]. 顾小琨,李永亮,胡伟伟,刘泓鑫,张英明,张翼鹏. 量子光学学报. 2019(01)
[4]空间目标激光测距技术发展现状及趋势[J]. 门涛,谌钊,徐蓉,杨永安. 激光与红外. 2018(12)
[5]云南天文台月球激光测距研究与实验[J]. 李语强,伏红林,李荣旺,汤儒峰,李祝莲,翟东升,张海涛,皮晓宇,叶贤基,熊耀恒. 中国激光. 2019(01)
[6]基于G-SPAD的卫星激光测距回波特性[J]. 刘源,安宁,范存波,温冠宇,张海涛,马磊. 光子学报. 2018(08)
[7]嫦娥四号任务科学目标和有效载荷配置[J]. 贾瑛卓,邹永廖,薛长斌,平劲松,严俊,宁远明. 空间科学学报. 2018(01)
[8]空间碎片天基光子计数激光探测研究[J]. 张景豪,郑永超,尚卫东,龚自正. 激光技术. 2017(03)
[9]基于超导探测器的激光测距系统作用距离分析[J]. 薛莉,翟东升,李语强,张蜡宝,李祝莲,康琳,吴培亨,李明,熊耀恒. 光学学报. 2016(03)
[10]空间碎片激光测距应用研究[J]. 李语强,李荣旺,李祝莲,翟东升,伏红林,熊耀恒. 红外与激光工程. 2015(11)
博士论文
[1]基于FPGA高精度TDC设计与应用研究[D]. 尹俊.中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 2018
[2]多光束光子计数激光成像技术研究[D]. 李召辉.华东师范大学 2017
[3]高重复频率空间碎片激光测距系统研究[D]. 董雪.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[4]基于MCP位敏阳极探测器的时间相关单光子计数技术研究[D]. 鄢秋荣.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2012
硕士论文
[1]探测与测距一体化技术研究[D]. 白虎冰.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2019
[2]高精度小型化激光测距系统研究[D]. 张晓杰.天津大学 2018
[3]激光测距时刻鉴别方法研究[D]. 孙伟.北京理工大学 2016
[4]MPPC阵列探测器在卫星激光测距中的应用研究[D]. 和丽娟.中国科学院研究生院(云南天文台) 2016
[5]光子数分辨探测激光测距研究[D]. 鲍泽宇.华东师范大学 2015
[6]多通道光电时间间隔测量系统研究[D]. 李华栋.电子科技大学 2014
[7]激光测距关键技术研究及实现[D]. 贺梓超.电子科技大学 2014
[8]基于光子数可分辨探测技术的激光测距研究[D]. 王致远.华东师范大学 2013
[9]基于TDC与FPGA精密时间测量技术的研究与应用[D]. 杨俊.中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所) 2012
[10]基于时间相关单光子计数技术的激光测距实验研究[D]. 王瀚基.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3197557
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 光电探测器件
1.2.2 时间数字转换器
1.3 论文研究内容
第二章 激光测距原理与应用
2.1 脉冲法激光测距
2.2 相位法激光测距
2.3 三角法激光测距
2.4 脉冲法激光测距与相位法激光测距比较
2.5 小结
第三章 脉冲激光测距系统方案
3.1 激光测距系统结构
3.2 系统功率分析
3.3 激光发射单元设计
3.3.1 激光器性能参数分析
3.3.2 激光器驱动电路设计
3.4 激光接收单元设计
3.4.1 单光子探测器选型分析
3.4.2 MPPC探测原理及主要工作特性研究
3.4.3 信号放大电路
3.4.4 时刻鉴别电路
3.4.5 脉冲整形电路
3.5 小结
第四章 激光测距计时单元设计
4.1 FPGA开发流程
4.2 时间间隔测量方法
4.2.1 直接计数法
4.2.2 时间幅度转换法
4.2.3 游标卡尺法
4.2.4 抽头延迟链法
4.2.5 时间间隔测量方法比较
4.3 基于严格延迟链的计数法
4.3.1 严格延迟链计数法原理
4.3.2 严格延迟链计数法的设计
4.4 TDC方案设计
4.4.1 信号输入模块
4.4.2 TDC模块
4.4.3 上位机软件处理与显示
4.5 小结
第五章 测距系统功能测试与误差分析
5.1 系统测试平台设计
5.1.1 激光控制器设计
5.1.2 激光测距系统测试实验平台
5.2 测距系统测试
5.2.1 激光发射单元性能测试
5.2.2 激光接收单元性能测试
5.2.3 激光测距系统测量测试
5.3 测距系统误差分析
5.4 小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于激光测距技术核心元件SPAD的分析与研究[J]. 吴俊辉,濮国亮,沈寒冰,杨兴雨,卜晓峰. 激光杂志. 2019(09)
[2]12 W high power InGaAsP/AlGaInP 755 nm quantum well laser[J]. 胡海,赵健阳,汪卫敏,何晋国,邝朗醒,刘文斌. Chinese Optics Letters. 2019(06)
[3]激光测距系统中光电探测器的研究进展[J]. 顾小琨,李永亮,胡伟伟,刘泓鑫,张英明,张翼鹏. 量子光学学报. 2019(01)
[4]空间目标激光测距技术发展现状及趋势[J]. 门涛,谌钊,徐蓉,杨永安. 激光与红外. 2018(12)
[5]云南天文台月球激光测距研究与实验[J]. 李语强,伏红林,李荣旺,汤儒峰,李祝莲,翟东升,张海涛,皮晓宇,叶贤基,熊耀恒. 中国激光. 2019(01)
[6]基于G-SPAD的卫星激光测距回波特性[J]. 刘源,安宁,范存波,温冠宇,张海涛,马磊. 光子学报. 2018(08)
[7]嫦娥四号任务科学目标和有效载荷配置[J]. 贾瑛卓,邹永廖,薛长斌,平劲松,严俊,宁远明. 空间科学学报. 2018(01)
[8]空间碎片天基光子计数激光探测研究[J]. 张景豪,郑永超,尚卫东,龚自正. 激光技术. 2017(03)
[9]基于超导探测器的激光测距系统作用距离分析[J]. 薛莉,翟东升,李语强,张蜡宝,李祝莲,康琳,吴培亨,李明,熊耀恒. 光学学报. 2016(03)
[10]空间碎片激光测距应用研究[J]. 李语强,李荣旺,李祝莲,翟东升,伏红林,熊耀恒. 红外与激光工程. 2015(11)
博士论文
[1]基于FPGA高精度TDC设计与应用研究[D]. 尹俊.中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 2018
[2]多光束光子计数激光成像技术研究[D]. 李召辉.华东师范大学 2017
[3]高重复频率空间碎片激光测距系统研究[D]. 董雪.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[4]基于MCP位敏阳极探测器的时间相关单光子计数技术研究[D]. 鄢秋荣.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2012
硕士论文
[1]探测与测距一体化技术研究[D]. 白虎冰.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2019
[2]高精度小型化激光测距系统研究[D]. 张晓杰.天津大学 2018
[3]激光测距时刻鉴别方法研究[D]. 孙伟.北京理工大学 2016
[4]MPPC阵列探测器在卫星激光测距中的应用研究[D]. 和丽娟.中国科学院研究生院(云南天文台) 2016
[5]光子数分辨探测激光测距研究[D]. 鲍泽宇.华东师范大学 2015
[6]多通道光电时间间隔测量系统研究[D]. 李华栋.电子科技大学 2014
[7]激光测距关键技术研究及实现[D]. 贺梓超.电子科技大学 2014
[8]基于光子数可分辨探测技术的激光测距研究[D]. 王致远.华东师范大学 2013
[9]基于TDC与FPGA精密时间测量技术的研究与应用[D]. 杨俊.中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所) 2012
[10]基于时间相关单光子计数技术的激光测距实验研究[D]. 王瀚基.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3197557
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