摘 要

本文通过对激光测距系统多项性能指标的分析，设计一种基于FPGA的高精度时间间隔测量的脉冲式激光测距系统。

通过激光测距系统发展现状和多种激光测距原理，选用脉冲式激光测距方法。本文的激光测距系统主要分为三个大的模块，包括激光发射，激光接收以及激光回波信号处理模块。在发射模块，控制芯片产生发射激励信号，经过整形电路后经由驱动芯片驱动激光二极管发射极管脉冲，为得到理想的发射脉冲，本文选取适用于激光测距系统的SPLLL90激光发射器；在接受模块，光电探测器首先将光信号转换为对应幅值强度的电信号，经由多级放大处理后鉴别回波时刻；在激光回波信号处理模块，通过时间分割模块将激光飞行时间间隔分为两段细计时时间间隔和一段粗计时时间间隔，分别采用不同的时间间隔测量方式，得出激光从发射器发射到接收器接受之间的时间间隔，最后代入公式计算出目标物体与激光器的距离。

关键词：激光测；距延迟线；FPGA；高精度

Abstract

In this paper, through the analysis of laser ranging system performance index, design a kind of high precision time measurement based on FPGA pulsed laser ranging system.

Based on the development of laser ranging system and various laser ranging principles, pulse laser ranging method is adopted. The laser ranging system in this paper is mainly divided into three large modules, including laser emission, laser reception and laser echo signal processing module. In the transmitting module, the control chip generates the emission excitation signal. After the shaping circuit, the laser diode emitter tube pulse is driven by the driving chip. In order to obtain the ideal emission pulse, this paper selects the SPLL90 laser emitter suitable for the laser ranging system. In the receiving module, the photodetector first converts the optical signal into an electrical signal, and then identifies the echo time after multistage amplification.In the laser echo signal processing module, the laser flight time is divided into two fine timing intervals and one coarse timing interval by the time division module. Different time interval measurement methods are adopted to obtain the laser flight time interval.

Key words: laser measurement；Distance delay line；FPGA；High precision

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 1

第2章 脉冲激光测距系统总体设计 3

2.1 激光测距的原理 3

2.1.1 相位式激光测距原理 3

2.1.2 脉冲式激光测距原理 4

2.2 激光测距系统误差分析 5

2.3 激光测距系统的整体结构 7

第3章 激光测距系统发射模块 8

3.1 设计原理 8

3.2 器件选择 8

3.2.1 激光脉冲整形电路 8

3.2.2 激光器驱动芯片 9

3.2.3 激光发射器 9

第4章 激光测距系统接收模块 12

4.1 设计原理 12

4.2 器件选择 12

4.2.1 光电探测器 12

4.2.2 前置放大器 13

4.2.3 高速比较器 13

4.3 时刻鉴别电路 14

第5章 FPGA信息处理模块 17

5.1 FPGA简述 17

5.2 FPGA的基本结构 17

5.3 FPGA开发设计流程 18

5.4 FPGA高精度时间测量模块 20

5.4.1 高精度时间测量原理 20

5.4.2 时间分割模块 21

5.4.3 粗计时模块 22

5.4.4 细计时模块 22

第6章 结论与展望 25

参考文献 26

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景

激光雷达自问世以来，被广泛应用于空间三维信息的获取。在汽车驾驶方面，为使舒适性以及安全性在驾驶过程中得到保障世界各国的汽车厂商投入大量的物力、人力和财力在汽车辅助驾驶的研究和发展方面^[1,2]。研究表明，事故发生前留给驾驶员的反应处理时间在很大程度上决定了事故发生概率，如果能在危险来临前给驾驶员半秒钟的反应时间，则可以分别减少追尾、路面事故、迎面撞车的30%，50％及60％^[3]。为保障行车安全，现在大多汽车安装有雷达系统，汽车依靠激光雷达等装备获取前方障碍物的距离和相对速度等信息，特别是在危急情况下，驾驶员通过这些信息提前做出处理或者系统通过对这些信息的判断，根据预先设计的应对措施有效减少事故的发生^[4,5]。

目前，车载测距常用的方式包括超声波雷达，激光雷达，毫米波雷达，相机等。其中超声波雷达多用于做倒车雷达，这是因为超声波传播速度相对高速行驶汽车还是比较慢的，更实用于对短距离范围内障碍物的检测和预警。相机适用于较好关照条件下对车道线、交通指示牌，障碍物的检测于识别。毫米波雷达易受电磁波干扰，受雷达间的影响而发生误操作。相对而言，激光雷达波段因对人眼无害，速度快，抗干扰能力强等突出优点，得到广泛应用。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

半导体激光器的快速发展，推动激光器在各行业领域的迅猛发展。由于激光雷达有质量轻、性价比高、测距精度高、功耗低等优点，测距雷达系统在中短距离的应用已经非常广泛。随着激光雷达技术的发展，激光测距在汽车辅助驾驶系统中已经得到广泛应用。

从上世纪末开始，欧美生产的高档轿车上便已经搭载了车距监控防撞系统。其中奔驰轿车的监控防撞系统通过激光雷达等系统检测车辆前方障碍物，当车辆距离障碍物的距离到达一定阈值范围内，监控防撞系统会提醒司机提前做好处置，从而在很大程度上减少事故发生概率^[6]。此外，汽车发动机控制处理器、变速控制器等车内驾驶装置通过CAN总线与系统连接，通过危险信号的判断，控制这些系统实现减速、刹车等功能。