基于FPGA的多脉冲激光测距技术研究

发布时间：2017-05-04 01:09

  本文关键词：基于FPGA的多脉冲激光测距技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：脉冲激光测距是目前远距离测距中应用最广泛的测距技术,传统激光测距机多采用模拟电路,结构较简单,但抗干扰能力差,在恶劣天气、复杂背景的环境下探测时,容易出现“虚警”或“漏检”现象,且测距精度较低。本文围绕着如何在激光测距机数字化、小型化、轻量化的前提下实现较远测距,并且有较高精度展开了研究。研究了激光测距的基本原理,介绍了脉冲激光测距的作用距离方程和信噪比方程,根据统计检测理论计算了满足虚警概率和探测概率要求所需的最小信噪比和阈噪比。并为了满足课题需求,本文设计了两种测距模式,近程模式和远程模式。远程模式测距时,针对激光回波信号微弱信噪比低,回波脉冲信号难以检测的问题,本文研究了微弱信号检测技术的理论和实现,采用多脉冲探测,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的多脉冲微弱信号处理方法,重点研究了累加平均算法,经过理论推导和Matlab环境下模拟多脉冲测距实验,结果表明多脉冲累加平均利用信号相关而噪声不相关的特性,累加N次,能使信噪比提高N倍,恢复回波脉冲波形。搭建实验平台,为了确定回波脉冲的精确位置,对回波脉冲进行窗口为5的中值滤波处理,实验数据表明,该算法能够增大测程,测程1400m,误差小于1m。近程模式测距时,只要能探测到回波脉冲,就可直接测量发射脉冲与回波脉冲的时间差,时间间隔测量精度决定了测距精度,提出了一种基于时钟内插技术的高精度时间间隔测量方法,利用FPGA内部锁相环产生5路同频率400MHz,相位均匀分布的时钟信号作为内插时钟,实验表明,测时分辨率250ps,误差小于10cm。
【关键词】：脉冲激光测距 累加平均 时钟内插技术 FPGA
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN249
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-13
• 1.1 课题背景和意义7
• 1.2 现有激光测距技术概述7-10
• 1.3 课题研究现状和发展趋势10-12
• 1.4 研究内容与论文安排12-13
• 第二章 脉冲激光测距原理分析13-22
• 2.1 脉冲激光测距的基本原理13
• 2.2 作用距离方程13-15
• 2.3 APD探测器的输出噪声和信噪比分析15-17
• 2.3.1 信号光电流16
• 2.3.2 APD输出的噪声电流16-17
• 2.4 单脉冲探测的虚警概率和探测概率17-18
• 2.5 脉冲激光测距误差分析18-21
• 2.5.1 系统误差分析19-20
• 2.5.2 偶然误差分析20-21
• 2.6 本章小结21-22
• 第三章 测距系统中高精度时间间隔测量的研究22-32
• 3.1 时间测量方法论述22-26
• 3.2 高精度时间间隔测量单元设计26-31
• 3.2.1 测量原理分析26-28
• 3.2.2 测时单元整体设计及仿真28-30
• 3.2.3 实验验证与分析30-31
• 3.3 本章小结31-32
• 第四章 多脉冲激光信号的处理算法32-41
• 4.1 微弱信号检测技术概述32-35
• 4.1.1 窄带滤波法32
• 4.1.2 调制放大、解调32-33
• 4.1.3 锁定放大器33
• 4.1.4 相关检测33-34
• 4.1.5 取样积分和数字累加平均法34-35
• 4.2 多脉冲激光测距的原理35
• 4.3 多脉冲累加平均效果理论推导35-37
• 4.4 多脉冲累加平均仿真验证37-40
• 4.4.1 仿真模型及计算37-40
• 4.4.2 仿真结果与分析40
• 4.5 本章小结40-41
• 第五章 基于FPGA的数字累加平均技术设计41-48
• 5.1 高速A/D转换模块设计41-43
• 5.1.1 AD9286芯片介绍41-42
• 5.1.2 A/D驱动模块的FPGA设计42
• 5.1.3 A/D的时钟配置模块42-43
• 5.2 基于FPGA的技术方法及编程原理43-44
• 5.3 FPGA内部双口RAM缓存累加控制模块原理及仿真验证44-47
• 5.4 本章小结47-48
• 第六章 测距机实验系统与分析48-56
• 6.1 实验样机的搭建48-49
• 6.2 近距离测距实验与分析49-51
• 6.2.1 实验原理与方法49-50
• 6.2.2 实验结果与误差分析50-51
• 6.3 远距离测距实验与分析51-55
• 6.3.1 实验原理与方法51-53
• 6.3.2 局部中值滤波53-54
• 6.3.3 时刻鉴别54-55
• 6.4 本章小结55-56
• 第七章 总结与展望56-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-61
• 作者简介61
• 攻读硕士学位期间研究成果61

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