基于脉冲激光测距的工业安全监控系统的研究

摘要

本文的研究内容是激光扫描测控系统的一部分。主要是研究提高激光测距机单脉冲测量精度（以提高测量速度）的方法，并加入紧凑的电机及光学系统，为实现扫描测量奠定基础。 本文以飞行时间（TOF）脉冲激光测距为基础，提出了工业安全监控系统的整体方案，设计了系统的电路及光学部分，并通过大量实验验证了系统的可行性。 TOF式脉冲激光测距仪一般包含发射器，一到两个接收器以及时点鉴别和计时部分。为了提高单脉冲测量精度，需要增大上升沿的摆率，也就是更小的激光脉宽和更高的峰值功率，相应的，接收器要有较高的带宽，但又不显著增加噪声水平。发射部分采用脉冲激光二极管作为光源，设计的驱动电路使最小脉宽达到15ns。接收部分采用APD/PIN光电二极管，设计了相应的放大电路，其中针对PIN特性，设计了由高带宽运算放大器组成的前置跨阻放大电路。为降低由于回波信号幅值不同而造成的漂移误差，设计了实用的时点鉴别电路，实验证明，时点鉴别使系统在2m以上保持了较好的线性。计时部分使用DSP及专用计时芯片TDC-GP2。经实验验证，系统距离分辨率在五米的范围内可达到±2cm，整个测量范围内精度优于10cm，足以满足区域监测，防护的要求。国内对于激光扫描系统的研究大多处于实验室阶段，研制的样机较为笨重。本文针对脉冲激光二极管的光束特性，以及APD/PIN的视场设计了一套紧凑的光学系统。使得仪器的小型化、便携化成为可能。最后提出了一种简单可靠的电机扫描方式，保证了至少180°的扫描范围。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1课题来源与意义

1.2国内外激光测距技术进展

1.3本文研究主要内容

第二章 激光测距系统概述

2.1非光波测距方式

2.2光学测量方式

2.2.1主要测量类型及其分类

2.2.2飞行时间(TOF)

2.3脉冲激光测距仪的应用

第三章 激光测距系统的结构

3.1原理概述

3.2激光脉冲发生电路

3.2.1半导体激光二极管

3.2.2激光脉冲发生电路设计

3.2.3电路参数的选择

3.3接收电路

3.3.1回波功率

3.3.2光电接收器件

3.3.3 PIN光电二极管

3.3.4雪崩光电二极管APD

3.3.5 APD接收电路

3.3.6 PIN接收电路

3.4发射和接收光学系统

3.4.1激光测距背景光分析

3.4.2光学系统主体方案选择

3.4.3光学系统的设计

3.5时点鉴别

3.5.1误差分析

3.5.2延时线定比例时点鉴别

3.5.3其他时点鉴别方法

3.6计时电路

3.7电机控制

3.8软件设计

3.8.1 DSP端软件设计

3.8.2 PC端数据处理与实时化图形显示

第四章 实验结果及测量误差

4.1实验系统结构

4.2数据分析

4.2.1测距稳定度

4.2.2测距线性度

4.2.3提高精度的措施

4.3结论

第五章 总结与改进

附录

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢