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数字式远距离激光测距技术研究

作　者: 张旺
导　师: 黄战华
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 数字式 激光测距 DSP 回波检测
分类号: P225.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


激光由于其优越的性质很早就被应用在测距领域,而脉冲激光测距方法是目前远距离测距中应用最广泛的测距方法。传统的基于模拟信号的脉冲激光测距系统普遍存在元器件较多、重量较重、抗干扰能力弱等缺点,不利于实现整个激光测距机的一体化和小型化,无法充分利用脉冲之间的相关信息,在精度和最远测量距离上受到限制。由于基于模拟方法的局限性,本文针对激光测距回波接收和处理电路,设计了数字式远距离激光测距系统,采用200MSPS高速模数转换器AD9481和高速存储器解决了激光回波脉冲信号的数字化问题,计数分辨率为5ns。通过DSP+CPLD完成芯片间的时序匹配和数据采集功能。在数据处理部分,采用高速DSP ( TMS320C5509A)芯片,为高速数据处理算法建立了硬件平台。在软件设计上,分别设计了DSP嵌入式软件系统和上位机控制软件。本系统在数据处理和回波检测过程中,采用单次回波脉冲检测算法、局部中值滤波并通过四种不同的回波特征时间进行回波检测,确定了精度最高的回波检测算法。同时,为提高最远测距距离,使用信号累积算法,可以大大提高测量远距离目标时的数据信噪比。本文通过搭建实验,采集大量实验数据的前提下首先验证了系统硬件和软件算法的可行性,再通过具体实验测量结果和基于模拟信号的激光测距机测量结果进行了比较。实验表明,本系统采用的数字式激光测距技术在测量性能有很大的改善,可以达到测距精度±1.5米,最远测量距离在12公里以上,并且实现了系统的小型化,满足了嵌入式实时处理的需求。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-13
  1.1 激光测距技术国内外发展现状  7-8
  1.2 激光测距技术原理及方法  8-10
  1.3 本课题研究背景与意义  10-11
  1.4 本文主要完成的工作  11-13
第二章 数字式激光测距技术基本原理与总体方案设计  13-22
  2.1 数字式激光测距系统总体方案设计  14-16
  2.2 数字式激光测距系统主要指标  16-18
    2.2.1 采样计数设计的主要指标  16-17
    2.2.2 测距系统整体主要指标  17-18
  2.3 数字式激光测距系统的误差分析  18-21
    2.3.1 测距误差分析  18-21
    2.3.2 减少误差提高测距精度的主要途径  21
  2.4 本章小结  21-22
第三章 硬件系统设计  22-42
  3.1 电源模块设计  22-24
  3.2 数据采集模块设计  24-29
    3.2.1 模数转换器的主要指标  24-25
    3.2.2 高速模数转换功能实现  25-27
    3.2.3 输入模拟信号的预处理  27-28
    3.2.4 高速模数转换器驱动时钟设计  28-29
  3.3 CPLD 模块设计  29-36
    3.3.1 高速数据存储功能实现  31-34
    3.3.2 控制命令地址译码  34
    3.3.3 板卡与上位机串行通信模块设计  34-36
  3.4 DSP 控制模块设计  36-41
    3.4.1 DSP 与CPLD 之间的连接  37-39
    3.4.2 DSP 外部存储器接口设计  39-40
    3.4.3 DSP 自举启动设计  40-41
  3.5 本章小结  41-42
第四章 数据处理算法与软件设计  42-51
  4.1 嵌入式软件系统结构  42-43
  4.2 回波脉冲处理和检测算法  43-49
    4.2.1 单次脉冲检测算法  44-45
    4.2.2 局部中值滤波  45-46
    4.2.3 几种回波特征检测算法  46-48
    4.2.4 信号累积检测算法  48-49
  4.3 上位机软件设计  49-50
  4.4 本章小结  50-51
第五章 实验搭建与结果分析  51-62
  5.1 实验的搭建与硬件调试  51-55
    5.1.1 实验系统的搭建  51-54
    5.1.2 硬件调试  54-55
  5.2 系统算法测试实验  55-60
    5.2.1 单次脉冲检测算法测试实验  55-57
    5.2.2 局部中值滤波测试实验  57-58
    5.2.3 不同回波特征检测方法精度测试实验  58
    5.2.4 信号累积算法测试实验  58-60
  5.3 数字式激光测距系统与原系统测量结果对比  60-61
  5.4 总结与改进  61-62
参考文献  62-65
发表论文和参加科研情况说明  65-66
致谢  66

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 测绘学 > 大地测量学 > 电磁波测距和基线测量 > 光电测距
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