基于脉冲激光测距的工业安全监控系统的研究

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1、IJ'friiiijiirf^中国近代第一所大学FOUNDEDIN1895太庠ょ苕TtANJJNUNIVERSITY硕士学位论文M.S,DISSERTATION学科专业：测试计量技术与仪器作者姓名：张羽指导教师：叶声华教授天津大学研究生院2008年6月基于脉冲激光测距的ェ业安全监控系统的研究ResearchonIndustrialSurveillanceSystemBasedonPulsedLaserScanning学科专业：测试计量技术与仪器研究生：张羽指导教师：叶声华教授天津大学精密仪器与光电子工程学院ニ零零八年六月摘要本文的研究内容是激光扫描测控系

2、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，提出了エ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統的可行性。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，需要増大上升沿的摆率，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，但又不显著増加噪声水平。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

3、部分采用APD/PIN光电ニ极管，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統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的视场设计了ー套紧凑的光学系统

4、。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。关键词：脉冲激光测距飞行时间TOFTDC-GP2APDPINABSTRACTThepurposeofthisworkwastodevelopalaserscansystemwhichcanbenefitfromtheimprovementofsingleshotprecisionandmeasuringspeedinlaserrangingtechniques.Asmallandcompactopticsystemandbrushlessmotorwe

5、realsoincluded.DesignofthesystemwasbasedonpulsedTOFlaserrangefinder.Aschemeofindustrialsurveillancesystemwasproposedinthisthesis.Throughplentyofexperimentsthevalidityofthecircuitryandopticswasexamined*ATOFlaserrangefinderconsistsofalasertransmitter,oneortworeceiversandtimingdiscr

6、iminators,andatimemeasuringunit.Inordertoimprovesingle-shotprecisiontheslew-rateofthemeasurementpulseshouldbeincreased,sotheopticalpulseofthelasertransmittershouldbenarrowerandmorepowerfulandthebandwidthofthereceivershouldbehigherwithoutincreasingthenoiseleveltoomuch.Pulsedlaserd

7、iodewaschosenaslightsourceandAPD/PTNasdetector.Theanvmgcircuitcangenerateapulsewithawidthof15ns.AnamplifierwithJFETinputstageandhighbandwidthwasselectedtoformatransimpedancepreamplifierforPIN.Toreducethewalkerrorcausedbythechanginginamplitudesofreturningpulses,apracticaltimingdis

8、criminatorwasconstructedwhichgreatlyimpr