[实用新型]一种基于TDC技术的激光测距装置

说明书

技术领域

本实用新型属于激光测距领域，尤其涉及一种基于TDC技术的激光测距装置。

背景技术

在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。在很多领域，电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房地产，休闲/户外运动等都可以用到激光测距仪。激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法脉冲式激光测距仪是通过测量激光从发射到返回之间的时间来计算距离的。因此时间测量对于脉冲式激光测距仪来说是非常重要的一个环节。由于激光的速度特别快，所以发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔非常小。例如要测量1公里的距离，分辨率要求1cm，则时间间隔测量的分辨率则要求高达67ps。德国acam公司的时间数字转换器TDC-GP2单次测量分辨率为典型65ps，功耗超低，集成度高，测量灵活性高，是脉冲式激光测距仪时差(TOF)测量非常理想的选择。

激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定(又称激光测距)的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点，这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是非常关键的，因此激光测距仪日益受到重视。在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距，而且还可以测目标方位、运运速度和加速度等。激光测距仪具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积小、重量轻等优点，它应用领域广、行业需求众多，其市场需求空间大。

激光测距技术主要有三个发展方向：一是在应用领域的扩展比如将测距系统与扫描机构结合起来，构成激光三维形貌测绘系统或者激光雷达；二是研究如何提高激光测距系统在保证测程的情况下的测距精度；三是使用中对人眼安全的激光测距仪。

激光测距仪是激光、精密机械、嵌入式技术及光电子学等多学科技术的综合应用。随着激光技术、嵌入式技术和集成光学的发展，激光测距仪正朝着数字化、自动化、低成本、小型轻便化的方向发展，其应用范围也越来越广。通常，脉冲激光测距系统关键技术主要为强脉冲的发射与接收技术以及高精度时间间隔测量技术。

1、光脉冲发射和接收技术

脉冲激光测距的基本原理是通过测量接收激光脉冲和发射脉冲之间的时间差，计算出在该时间内激光传播的距离。为了准确地产生发射及接收激光脉冲基准，要求激光发射脉冲要尽可能的窄，由于激光器及调制器件阻容参数的限制，目前激光发射的窄脉冲宽度可以达到10-20ns。半导体激光测距的接收系统是一种典型的直接探测系统，系统中的光电探测器直接把接收到的光信号转换为电信号，然后其解调电路可以检测出光信号所携带的信息。该系统中探测器的选择一般情况下使用雪崩二极管。通常，待测目标表面为漫反射，返回到光探测器上的光信号其功率是非常小的，尤其是对远距离的测量中，反射回的信号只有被充分放大和经过整型、去噪等处理后才能被记录，计算和结果显示。因此，光电探测系统中信号的放大与提取电路是其重要组成部分，其主要目的是最大程度地抑制噪声，并放大信号，尽可能的提高信噪比，以便获取返回信号中所携带的有用信息。整个接收系统的所有功能是将探测器接收到的低电平窄脉冲信号，通过放大、限制带宽、分离信息，再送到下一级的信号处理单元。激光发射和接收脉冲成高斯型，波形通过比较器形成基准信号，随着电脉冲的变化，基准信号前沿位置会发生微小变化，尤其是当测量距离越远，接收信号幅度变化较大时，造成的测距误差就越大。

2、高精度时间间隔测量技术

在飞行时间测距方法中和很多瞬态过程的研究中精密时间测量技术都是其中最为核心技术。鉴于该技术的重要性国内外的很多公司、研究所和大学都开展过这方面的研究。目前已经成形了一些不同精度、不同体积质量、不同成本的精密时间测量装置。总结起来主要有三种时间测量方法：

(1)模拟法，其优点是测量精度高，可达量级，但是由于电容的充放电并不是绝对的，即存在非线性效应，所以其测量误差约为其测量范围的万分之一，这种方法受温度的影响也较大。

(2)数字法，数字法是用同步时钟脉冲对时间间隔进行计时。数字法具有良好的线性，并且不受测量范围的影响。其测量的精度主要与时钟频率有关，它的测量精度是正负一个时钟周期。一般使用几百兆赫兹的时钟，其精度为量级。即使时钟频率高达，其测量精度也只有，与它对应的距离是分米量级，由此看来测距精度显然不高。但是也可以通过采用多次测量取平均的方法以提高测量精度。