基于平面精确测距定位的通信实训设备开发

佟国晗 王洪源 陈慕羿 付垚 汤秋艳

摘 要：激光探测与定位技术在较小的二维平面内有着较高的测距精度。探测系统由装在自然平面一角的激光发射接收机、MSP430主控板、上位PC机构成。激光发射机负责发射一系列光脉冲，激光接收机负责低噪声放大整形回波信号，通过MSP430单品机与TDC-GP2数字转换芯片记录激光传输时间差，再通过PC端处理数据，计算出自然平面中的目标点坐标。采用激光到达时间差测距方式进行平面上近距离目标定位，研究了脉冲式激光时差测量方法（TOF）。结果表明，应用TDC-GP2时间转换芯片进行激光脉冲探测定位具备低功耗、 精度高等优势。

关键词：激光测距 TOF测距法 TDC-GP2时间转换芯片 实训设备

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（a）-0163-02

通过2016年辽宁省本科教学改革一般项目的资助，秉承大力培养应用技术性人才的理念，课题组高度整合、充分利用现有实验室仪器资源，将“平面激光测距定位技术”与通信工程实训设备相融合，自行开发出更贴近实践教学的开放式综合通信实训平台，并形成以应用技术驱动的实践教学模式。“平面激光测距定位技术”采用了脉冲法测距，核心是时差测量（time of flight measurement）。

1 平面激光测距定位系统设计

激光发射装置可在二维平面内进行360°全方位的激光测距扫描，输出所在空间的目标相对坐标值信息，可以实现对二维平面内目标的探测和定位。平面激光测距定位系统如图1所示。

采用激光三角测距技术，配合高速的采集处理机构，每秒可进行高达2000次以上的扫描测距动作。每次扫描的过程中，激光发射装置将发射经过调制的红外激光信号，激光信号在照射到目标物体后产生的反光将被激光接收装置接收。时间测量由TDC-GP2和MSP430来控制，通过得到的时间差计算出距离值并从通讯接口中输出数据。

激光作用距离方程的标准形式

式中，PR是接收激光功率（W）；Pt是发射激光功率（W）；GT是发射天线增益；是目标散射截面；D是接收孔径（m）；R是激光雷达到目标的距离（m）；Atm是单程大气传输系数；sys是激光雷达的光学系统传输系数[1]。定义AR=πD2是有效接收面积（）。式中还有

激光作用距离方程可以看成发射一定功率激光后的激光大气传输、目标特性、光学系统传输特性和接收机四项因子的乘积形式。

2 TDC-GP2激光测距原理

TDC-GP2的激光测距基本原理[2]如图2所示。

时差测量的触发是由TDC-GP2的start端口控制，当光脉冲从激光发射装置射出后会同时输入到start端口，此时测量开始。同样，当激光接收装置接收到目标物体反射回的脉冲信号，则发送Stop信号给TDC-GP2。从开始到结束，TDC-GP2会准确记录脉冲之间的时差，以上过程即完整的时差测量。测量出来的时差数据，经过MSP430精确计算可以得到目标物体与激光发射装置的距离，最后通过上位机PC显示距离数据。其中时差测量精度与以下因素有关：

发射器和接收器可以根据实际应用条件来选择，主要需要考虑的属性包括不限于发射器的波长、驱动条件、光束的特性等；以及接收器的类型、灵敏度、带宽等。还有脉冲的形状，比如寬度、上升下降沿的时间都会影响时差测量的精度，在TDC-GP2测量精度一定的情况下，脉冲信号的速度越快，带宽越宽，则精度也会随之提升。

3 结语

平面激光测距定位系统因为其小巧、成本低的特点应用于通信工程专业实训系统，在提高师生的实践能力的同时节约了资金成本。由激光发射装置、激光接收装置和PC机构成的平面激光测距定位系统可以给学生提供更多的底层物理实验数据，通过精心设计的二次开发实验课程，以研发的视角精心做实验，与实践教学的理念高度契合，本项目获得2016年度沈阳理工大学校级教学成果一等奖。

参考文献

[1] 戴永江.激光雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2002.

[2] 李玉株，肖江，黄丽燕，等.基于TDC-GP2的激光测距系统设计[J]. 全国信息获取与处理学术会议，2011.

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