基于TDC-GP2的高精度脉冲激光测距模块设计(3)
GP2 - TDC 当作测时单元，而系统微控制器则选用了DSP 芯片 2 TMS320F281 作为系统的微控
制器，这使得测距更为快速和稳定，且具备更高精度的时间分辨率，从而极大地提升了脉冲
激光测距的精度。
1.2 研究现状
激光技术被应用到测量仪器中始于20 世纪70 年代。1960年，世界上首台红宝石激光器
在美国Hughes Aircraft 公司被成功制造，其工作波长为690nm。1971年， 3 - AN/GVS 型红宝
石激光测距仪由美国军方率先研发成功，并装备于美国陆军炮兵前线观察兵。随后，其他国
家的军队也开始装备侦测用的激光测距仪。到了上世纪80年代，激光测距仪逐渐向迷你化、
便携式和低成本发展， 由美国首先制造的采用 YAG : Nd 激光器， 工作波长为690nm， 选用PIN
光电二极管或者光电倍增管作为接收器，同时利用集成技术的第2 代激光测距仪很快取代第
一代激光测距仪。但由于其不适应全天候测距，且兼容性不佳，易伤害人眼等缺陷，随着技
术的发展，很快又被第三代激光测距仪取代。第3代激光测距仪主要采用 glass : E 激光器和
2 CO 激光器，工作波长为1.54um和10.5um，具有功耗低，体积小和精度高等优点。由于这些
优点备受推崇，国外许多机构和大学实验室也先后在此领域开始了研究。美国的Bushnell公
司开发出了400m的400 型LD 激光测距仪Yaddaga400 ，该发明在1997 年度被评为世界百项
重要科技成果之一，同年又开发出了800 型激光测距仪，该系列激光测距仪的测程达到了
800m 。 近年来， 德国Leuze 推出了一系列分辨率达30mm， 可通过红外接口或 DP - PROFIBUS
接口与PLC 等上位机实现数据通信的测距仪。与此同时，瑞士Leica 公司也开发出了一系列测距快速且对电磁干扰不敏感性的适用于各种环境下的型号不同的激光测距仪[10]
。
和国外不同的是，国内在探究激光测距领域的起步稍晚。1961年，中国首台激光器——
“小球照明红宝石”由中科院长春光学精密机械研究所成功研发。尽管在时间上落后于国外
发达国家，但该激光器却具有更高的激光激发效率。1975年，我国首台激光测距仪诞生，实
现了国内高精度测量技术领域的一次重要突破。2003年，我国第3代卫星激光测距仪在国家
科技部的支持下由中国测绘研究院与国家天文台共同研发成功，该系统测量高度为300 至
20000 公里，测距精度为 1.5cm。2007 年，高精度测时芯片 GP1 - TDC 被中科研上海物理研究
所加入了激光测距系统的研制，这不仅增加了系统的测距范围，提高了系统的测距精度，还
使得系统更加易于使用和控制。2008 年，基于时幅转换方式的精度为5mm的激光测距系统
由中科院成功开发，这达到了国际领先水平[11]
。
1.3 研究内容与论文结构
本文通过深入探究激光测距的原理及其所选用的方法，旨在对一款基于时间数字转换芯
片 GP2 - TDC 的高精度脉冲激光测距模块进行设计。该设计主要涉及了对脉冲激光发射电路、
脉冲激光接收电路和信号处理与控制电路的设计。
（1）脉冲激光发射电路和接收电路的设计
发射电路的设计主要是关于激光器驱动电路的设计，所要解决的问题是如何产生重复频
率为10KHz ，脉冲宽度小于 30ns，脉冲峰值功率达到10W以上的激光脉冲信号；而接收电路
设计所要解决的问题是如何利用合适的光电接收器匹配激光发射器并最终接收微弱的激光回
波信号，从而实现回波信号的光电转换，以便后续模块进行信号的处理分析。
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