系统名称 激光发射系统 结构组成 脉冲激光器 发射电路 发射光学系统 光电探测器和放大器 接收电路 接收光学系统 嵌入式微处理芯片 相关外围电路 LCD显示屏 作用 将激光器发射的激光进 行整形后，能量集中的、平行 的发射出去。 接收光学系统对反射回 来的激光进行聚焦后，将能量 最大限度的集中在雪崩管的 接收表面上，然后进行光电转 换。 主要用于计算和显示目 标距离，对测距仪相关部件 (如半导体激光器、显示屏) 进行控制。 激光接收系统 数据处理及控制系统 脉冲激光测距仪系统构成 各电路的主要模块： 1.发射部分 MCU发出脉冲信号实现对脉冲激光发射驱动模块的控制，驱动电路产生电流约为 30A，上升沿约为10ns的短脉冲驱动OSRAM公司的SPLPL90激光器发出905nm的激光。 2.内光接收 一般情况下，内光接收部分是系统内部的因素，不会有外部因素的干扰，相对的光照强度强，光传播的距离短。但是，这样做会增加电路的复杂度、体积和成本，考虑到这些因素，本系统“开始信号”采样的是驱动模块的触发电信号T1，T1和T2（激光发射时刻）之间的时差3.外光接收 外光接收顾名思义就是对外部光的接收，即接收目标物反射回来的信号。因为该信号在大气传播中必然有一定的发散，而且容易受到天气等因素的干扰，所以对接收器件的要求较高。我们所选用的高灵敏度、高增益的APD雪崩光电二极管作为光电探测器件就可以保证得到有效的回波信号，以此作为计时停止信号。 4.放大电路 APD雪崩光电二极管后续放大电路采用两级放大，前级放大电路主要完成探测器与后续电路性能匹配，最重要的性能是要求低噪声。后级放大电路是系统的主放电路，要求实现更大的放大倍数。 5.时间鉴别电路
ΔT（等于T1-T2 ）为激光器的响应发光时间，在一定温度条件下，激光器的ΔT是固定的，这部分的误差可以通过软件编程消除。
接收单元接收到回波信号之后，要对该信号进行放大滤波等处理，才能用到下一个环节进行后续的数据处理。但是放大此信号会带来一个后果，就是将系统本身的噪声也得到了放大，这就不便于对有用信号的提取，所以设计出时间鉴别电路来过滤提取可以使用的信号。为后续的处理工作提供保障。 6.电源电路部分 电源部分主要为整个系统供电，外部电源由9V电池提供，通过电源模块的转换需要提供3.3V、5V、120V-200V可调、60V-120V可调四种电压给控制模块、激光发射模块，激光接收模块供电。 7.TDC电路 TDC电路主要完成脉冲飞行时差的测量，电路的核心器件是德国ACAM公司的时间数字转换芯片TDC-GP22，供电电压3.3V。 8.MCU电路 光信号通过发射接收之后要进行进一步的处理，才能得到测量的距离。这就需要控制处理单元来完成此工作，MCU就是此部分的核心器件。主要用来控制各模块的工作，最后进行数据计算和显示。 根据本次课题设计的要求，论文的完成需要完成以下的主要的内容： （1）脉冲激光测距激光发射端、激光接收端硬件电路的设计。其中工作重点分别在发射端的驱动电路设计，接收端电路、前置放大器以及滤波整形电路的设计。 （2）时钟间隔测量模块的设计是本次课题设计的重点内容，运用TDC-GP22设计出脉冲激光测距的飞行时间测量系统，是本次课题的重中之重，也是本课题的创新点及核心部分。 （3）数据处理和控制模块的设计。此部分是运用ARM Cortex-M3进行数据的采集计算并控制LCD显示出测距结果。 （4）制作激光测距仪的实物制作，对样品进行调整测试，使其达到设计的参数要求。 3 . 预期效果 通过设计研究，本课题预期达到以下目标： （1）通过对激光测距相关知识的学习研究，掌握对激光测距仪的设计方法； （2）熟练掌握PCB制版软件的使用方法，设计激光器调制驱动电路、APD光电检测电路与APD高压偏置电路及A/D转换电路； （3）熟练掌握ARM Cortex-M3硬件描述语言，利用TDC-GP22完成脉冲激光测距的飞行时间测量系统的设计。对单片机的程序进行仿真，并在最后和光路以及电路一起参加系统调试，最后对测量数据进行数据处理和误差分析。 （4）熟练掌握电路板的制作流程，按照研究目的，作出脉冲激光测距仪实物。
4. 论文中新见解 本文主要创新点主要以下两点: 1、本系统采用了德国ACAM公司的最新时间数字转换芯片TDC-GP22,有效地减小了电路规模，提高了系统的可靠性、灵活性、适应性，缩短了开发周期。 2、传统的激光测距仪采用8位单片机作为处理器，本论文采用32位的ARM处理器，在此基础上可以使用linux操作平台，提供更好的用户使用体验。 5. 论文要解决的问题和拟采取的手段 激光测距最主要的难点就是时刻鉴别精度和时间间隔测量精度，影响时刻鉴别精度的因素主要是回波幅度的不稳定，影响时间间隔测量精度的因素则包括计数器时钟频率、计数量化误差、晶体振荡器频率稳定性和系统固有的延时。 通过提高时间间隔测量精度来提高脉冲激光测距精度的方法，包括并行计数法、模拟内插法、时间数字转换法和数字化时间间隔测量技术等，本论文采用时间数字转换法。 模拟电路实现激光测距，缺点是集成化难度大，转换时间较长，容易受周围环境温度影响，测量结果不够稳定等，如果用数字电路来实现时间间隔的测量，就不会存在这些问题。随着数字电路中的延迟线技术的发展，时间数字转换法在时间间隔测量中开始广泛应用。 延迟线是由一系列的延迟单元组成，延迟单元一般采用非门，每个非门都有固定的延时传播时间，理想状态下这些延迟单元之间有相同的传输时延。只要计算从开始脉冲到达至结束脉冲到达之间通过的延迟单元的个数，乘以每个延迟单元的固定时延，就可以得到脉冲飞行时间。计数锁存电路会计算信号经过的延迟单元的个数，运算得出飞行时间后，再经译码电路以二进制形式输出，就把时间转换成了数字信号，这种方法称为时间数字转换法(Time-to-Digital Converter)，简称为TDC。 目前时间数字转换法常用的数字芯片是由德国ACAM公司生产的时间数字转换芯片TDC-GP22,单次测量分辨率达到65ps，集成度高，功耗超低，测量灵活性高，操作简便。此芯片可以与微控制器通过SPI通信实现测量时间间隔和传输测量结果等功能，被广泛应用在脉冲激光测距系统中。
论文的主要难点及解决办法： 接收系统中的探测器一般选用雪崩二极管，在一般的实际情况下,入射到光探测器上的信号光功率是非常小的尤其在远距离上的应用,通常,在直接探测中光探测器输出的电信号是极其微弱的,它只有被充分放大和经过各种处理后才能被记录和显示,因此,信号放大与提取电路是光电探测系统中的难点部分。因为在设计电路时需要对信号放大和整形。 另外电路设计中可能要使用不同等级的电压，电源的设计也是需要解决的问题。 其次硬件电路设计中，由于实现激光窄脉冲的采样，所以涉及高速数字电路设计，成功的关键在于保持信号的完整性(即信号质量)，如果破坏了信号完整性，将直接导致信号失真、定时错误，以至于产生不正确测距参数，所以课题涉及高速数字信号的PCB布板难题。
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