佟國晗 王洪源 陳慕羿 付垚 湯秋艷

摘 要：激光探測與定位技術(shù)在較小的二維平面內(nèi)有著較高的測距精度。探測系統(tǒng)由裝在自然平面一角的激光發(fā)射接收機、MSP430主控板、上位PC機構(gòu)成。激光發(fā)射機負責發(fā)射一系列光脈沖，激光接收機負責低噪聲放大整形回波信號，通過MSP430單品機與TDC-GP2數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片記錄激光傳輸時間差，再通過PC端處理數(shù)據(jù)，計算出自然平面中的目標點坐標。采用激光到達時間差測距方式進行平面上近距離目標定位，研究了脈沖式激光時差測量方法（TOF）。結(jié)果表明，應(yīng)用TDC-GP2時間轉(zhuǎn)換芯片進行激光脈沖探測定位具備低功耗、 精度高等優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：激光測距 TOF測距法 TDC-GP2時間轉(zhuǎn)換芯片 實訓(xùn)設(shè)備

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0163-02

通過2016年遼寧省本科教學改革一般項目的資助，秉承大力培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)性人才的理念，課題組高度整合、充分利用現(xiàn)有實驗室儀器資源，將“平面激光測距定位技術(shù)”與通信工程實訓(xùn)設(shè)備相融合，自行開發(fā)出更貼近實踐教學的開放式綜合通信實訓(xùn)平臺，并形成以應(yīng)用技術(shù)驅(qū)動的實踐教學模式。“平面激光測距定位技術(shù)”采用了脈沖法測距，核心是時差測量（time of flight measurement）。

1 平面激光測距定位系統(tǒng)設(shè)計

激光發(fā)射裝置可在二維平面內(nèi)進行360°全方位的激光測距掃描，輸出所在空間的目標相對坐標值信息，可以實現(xiàn)對二維平面內(nèi)目標的探測和定位。平面激光測距定位系統(tǒng)如圖1所示。

采用激光三角測距技術(shù)，配合高速的采集處理機構(gòu)，每秒可進行高達2000次以上的掃描測距動作。每次掃描的過程中，激光發(fā)射裝置將發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的紅外激光信號，激光信號在照射到目標物體后產(chǎn)生的反光將被激光接收裝置接收。時間測量由TDC-GP2和MSP430來控制，通過得到的時間差計算出距離值并從通訊接口中輸出數(shù)據(jù)。

激光作用距離方程的標準形式

式中，PR是接收激光功率（W）；Pt是發(fā)射激光功率（W）；GT是發(fā)射天線增益；是目標散射截面；D是接收孔徑（m）；R是激光雷達到目標的距離（m）；Atm是單程大氣傳輸系數(shù)；sys是激光雷達的光學系統(tǒng)傳輸系數(shù)[1]。定義AR=πD2是有效接收面積（）。式中還有

激光作用距離方程可以看成發(fā)射一定功率激光后的激光大氣傳輸、目標特性、光學系統(tǒng)傳輸特性和接收機四項因子的乘積形式。

2 TDC-GP2激光測距原理

TDC-GP2的激光測距基本原理[2]如圖2所示。

時差測量的觸發(fā)是由TDC-GP2的start端口控制，當光脈沖從激光發(fā)射裝置射出后會同時輸入到start端口，此時測量開始。同樣，當激光接收裝置接收到目標物體反射回的脈沖信號，則發(fā)送Stop信號給TDC-GP2。從開始到結(jié)束，TDC-GP2會準確記錄脈沖之間的時差，以上過程即完整的時差測量。測量出來的時差數(shù)據(jù)，經(jīng)過MSP430精確計算可以得到目標物體與激光發(fā)射裝置的距離，最后通過上位機PC顯示距離數(shù)據(jù)。其中時差測量精度與以下因素有關(guān)：

發(fā)射器和接收器可以根據(jù)實際應(yīng)用條件來選擇，主要需要考慮的屬性包括不限于發(fā)射器的波長、驅(qū)動條件、光束的特性等；以及接收器的類型、靈敏度、帶寬等。還有脈沖的形狀，比如寬度、上升下降沿的時間都會影響時差測量的精度，在TDC-GP2測量精度一定的情況下，脈沖信號的速度越快，帶寬越寬，則精度也會隨之提升。

3 結(jié)語

平面激光測距定位系統(tǒng)因為其小巧、成本低的特點應(yīng)用于通信工程專業(yè)實訓(xùn)系統(tǒng)，在提高師生的實踐能力的同時節(jié)約了資金成本。由激光發(fā)射裝置、激光接收裝置和PC機構(gòu)成的平面激光測距定位系統(tǒng)可以給學生提供更多的底層物理實驗數(shù)據(jù)，通過精心設(shè)計的二次開發(fā)實驗課程，以研發(fā)的視角精心做實驗，與實踐教學的理念高度契合，本項目獲得2016年度沈陽理工大學校級教學成果一等獎。

參考文獻

[1] 戴永江.激光雷達原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[2] 李玉株，肖江，黃麗燕，等.基于TDC-GP2的激光測距系統(tǒng)設(shè)計[J]. 全國信息獲取與處理學術(shù)會議，2011.

[3] Christopher Yang，B.S..New Laser Rangefinder Designs for Tracking Hands Atop Large Interactive Surfaces[D]. Electrical Engineering and Computer Science，1999.