基于FPGA的激光测距系统研究

本科生毕业论文设计题目基于FPGA的激光测距系统研究作者姓名多孟龙指导教师所在学院职业技术学院专业（系）通信工程班级（届）2011完成日期2011年5月16日摘要I摘要本文的研究内容是在激光测距项目基础上进行的，分析了各种激光测距方法的利弊，最终选用脉冲激光测距的实现方式。本文设计了以FPGA为核心的信号处理模块，实现了对激光信号的编码和译码、对激光发射控制时钟的分频、和内部PLL倍频，实现内部高频计时时钟等，提高了系统的精度和稳定性。使用并行脉冲计数法，提高了计时精度，分析了可能产生误差的原因。并且制定了两种工作模式，可以根据不同的实际环境选择相应的测距模式，以达到最好的测量效果。关键词激光测距；FPGA；PLL摘要IIAbstractTheessayisbasedontheprojectofLRF．ItdescribesthemeritanddemeritofeveryclassofLRF.EventuallyIchoosethewayofusingthelaser-pulsetohavetherange-measurement．TheresultofthisessayistodesignthedigitalsignalprocessorbasedonFPGA，tocodeanddecodethelasersignal，toscaledowntheclockoflaunchingpartofthelasersystemandtousethePLLintheFPGAtomakethefrequencymultiplicationandsoon．Thesemakethesystemmorestableandaccurate．Usingtheparallelcountertocountthepulseofthelasercanincreasetheprecisionofthesystem．Theessayconsideredmanyreasonswhichmaycausetheinaccuracy．Ithastwopatternswhichwillbeusedindifferentenvironmenttomakethegaugemorereliable．KeywordsLaserRangeFinder；FPGA；PLL目录目录摘要.................................................................IAbstract............................................................II第1章绪论..........................................................11.1研究背景及意义...................................................11.2国内外研究概况及发展趋势.........................................2第2章激光测距系统原理..............................................52.1系统工作方式.....................................................52.2激光测距实现的方式...............................................62.2.1连续波体制简介.............................................62.2.2脉冲波体制简介.............................................62.3脉冲激光测距系统原理.............................................62.3.1激光测距性能...............................................62.3.2激光的高斯光束特性.........................................72.3.3脉冲激光测距系统...........................................72.3.4光学系统....................................................82.3.5发射接收系统要求...........................................82.4半导体激光器的特性...............................................8第3章激光编码及解码...............................................103.1编码理论........................................................103.2编码激光工作原理................................................103.3激光测距系统时序分析............................................113.4激光测距系统工作模式设定........................................12第4章激光测距系统软件设计.........................................134.1TOP模块.........................................................134.2TRANSMIT模块....................................................134.3RECEIVE模块.....................................................144.4COUNTER模块.....................................................154.5LED模块.........................................................174.6PLL模块.........................................................184.7FD模块..........................................................18第5章误差分析.....................................................205.1脉冲式激光测距系统误差分析......................................205.1.1嗓声来源...................................................205.1.2接收系统响应时间..........................................205.1.3激光脉冲宽度和幅度变化原因................................205.1.4电路延迟误差..............................................205.1.5时间测量误差..............................................21总结................................................................22附录................................................................23参考文献............................................................46第1章绪论1第1章绪论1.1研究背景及意义激光是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光，激光的特点有：1.方向性好——普通光源(太阳、白炽灯或荧光灯)向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。2.亮度高——激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。3.单色性好——光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。而某种激光的波长，只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8纳米，其波长变化范围不到万分之一纳米。由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。4.相干性好——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然相干性极好。上世纪九十年代初，欧美等几大公司相继生产出可供商用的半导体激光二极管，使激光的实际应用价值发生了革命性的进步。其他种类的激光器由于产生激光的机理过于复杂，使其体积，重量特别大，大大限制了激光的应用。而半导体激光器的出现使这些问题迎刃而解。随着半导体激光器的技术进一步成熟，价格逐步降低，其应用批量和应用领域不断扩大，就目前的发展速度来看，应用前景十分看好。半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全、应用领域非常广泛。如光存储、激光打印、激光照排、激光测距、条码扫描、工业探测、测试测量仪器、激光显示、医疗仪器、军事、安防、野外探测、激光水平尺及各种标线定位等。半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于军事上的应用，如野外测距、枪炮等的瞄准、射击模拟系统、致盲、对潜通信制导、引信、安防等。由于可用普通电灯泡驱动，使一些便携式武器设备配置成为可能。激光器是强度很高的光源辐射器件，大功率的激光器可以用于切割焊接金属材料。国际上对激光有统一的分类和统一的安全警示标志，激光器分为四类(Classl-Class4)，一类激光器对人是安全的，二类激光器对人有较轻的伤害，三类以河北师范大学职业技术学院学士学位论文2上的激光器对人有严重伤害，使用时需特别注意，避免对人眼直射。激光测距是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速(30万千米／秒)乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。现在广泛使用的手持式和便携式测距仪，作用距离为数百米至数十千米，测量精度为五米左右。我国研制的对卫星测距的高精度测距仪，测量精度可达到几厘米。连续波相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射被测目标，从测量光束往返中造成的相位变化，可换算出被测目标的距离。为了确保测量精度，一般要在被测目标上安装激光反射器。它测量的相对误差为百万分之一。激光测距仪与微波雷达结合，还可以发挥激光波速窄的特长，弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足。激光测距与光学经纬仪、红外及电视跟踪系统相结合，组成光电跟踪测量系统，既可作为靶场试验的测量设备，又常用作武器的光电火力控制系统。这种激光测距仪已