基于平面精確測距定位的通信實(shí)訓(xùn)設(shè)備開發(fā)

佟國晗 王洪源 陳慕羿 付垚 湯秋艷

摘 要：激光探測與定位技術(shù)在較小的二維平面內(nèi)有著較高的測距精度。探測系統(tǒng)由裝在自然平面一角的激光發(fā)射接收機(jī)、MSP430主控板、上位PC機(jī)構(gòu)成。激光發(fā)射機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)射一系列光脈沖，激光接收機(jī)負(fù)責(zé)低噪聲放大整形回波信號，通過MSP430單品機(jī)與TDC-GP2數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片記錄激光傳輸時(shí)間差，再通過PC端處理數(shù)據(jù)，計(jì)算出自然平面中的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。采用激光到達(dá)時(shí)間差測距方式進(jìn)行平面上近距離目標(biāo)定位，研究了脈沖式激光時(shí)差測量方法（TOF）。結(jié)果表明，應(yīng)用TDC-GP2時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行激光脈沖探測定位具備低功耗、 精度高等優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：激光測距 TOF測距法 TDC-GP2時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片 實(shí)訓(xùn)設(shè)備

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0163-02

通過2016年遼寧省本科教學(xué)改革一般項(xiàng)目的資助，秉承大力培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)性人才的理念，課題組高度整合、充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室儀器資源，將“平面激光測距定位技術(shù)”與通信工程實(shí)訓(xùn)設(shè)備相融合，自行開發(fā)出更貼近實(shí)踐教學(xué)的開放式綜合通信實(shí)訓(xùn)平臺，并形成以應(yīng)用技術(shù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)模式?！捌矫婕す鉁y距定位技術(shù)”采用了脈沖法測距，核心是時(shí)差測量（time of flight measurement）。

1 平面激光測距定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光發(fā)射裝置可在二維平面內(nèi)進(jìn)行360°全方位的激光測距掃描，輸出所在空間的目標(biāo)相對坐標(biāo)值信息，可以實(shí)現(xiàn)對二維平面內(nèi)目標(biāo)的探測和定位。平面激光測距定位系統(tǒng)如圖1所示。

采用激光三角測距技術(shù)，配合高速的采集處理機(jī)構(gòu)，每秒可進(jìn)行高達(dá)2000次以上的掃描測距動(dòng)作。每次掃描的過程中，激光發(fā)射裝置將發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的紅外激光信號，激光信號在照射到目標(biāo)物體后產(chǎn)生的反光將被激光接收裝置接收。時(shí)間測量由TDC-GP2和MSP430來控制，通過得到的時(shí)間差計(jì)算出距離值并從通訊接口中輸出數(shù)據(jù)。

激光作用距離方程的標(biāo)準(zhǔn)形式

式中，PR是接收激光功率（W）；Pt是發(fā)射激光功率（W）；GT是發(fā)射天線增益；是目標(biāo)散射截面；D是接收孔徑（m）；R是激光雷達(dá)到目標(biāo)的距離（m）；Atm是單程大氣傳輸系數(shù)；sys是激光雷達(dá)的光學(xué)系統(tǒng)傳輸系數(shù)[1]。定義AR=πD2是有效接收面積（）。式中還有

激光作用距離方程可以看成發(fā)射一定功率激光后的激光大氣傳輸、目標(biāo)特性、光學(xué)系統(tǒng)傳輸特性和接收機(jī)四項(xiàng)因子的乘積形式。

2 TDC-GP2激光測距原理

TDC-GP2的激光測距基本原理[2]如圖2所示。

時(shí)差測量的觸發(fā)是由TDC-GP2的start端口控制，當(dāng)光脈沖從激光發(fā)射裝置射出后會同時(shí)輸入到start端口，此時(shí)測量開始。同樣，當(dāng)激光接收裝置接收到目標(biāo)物體反射回的脈沖信號，則發(fā)送Stop信號給TDC-GP2。從開始到結(jié)束，TDC-GP2會準(zhǔn)確記錄脈沖之間的時(shí)差，以上過程即完整的時(shí)差測量。測量出來的時(shí)差數(shù)據(jù)，經(jīng)過MSP430精確計(jì)算可以得到目標(biāo)物體與激光發(fā)射裝置的距離，最后通過上位機(jī)PC顯示距離數(shù)據(jù)。其中時(shí)差測量精度與以下因素有關(guān)：

發(fā)射器和接收器可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件來選擇，主要需要考慮的屬性包括不限于發(fā)射器的波長、驅(qū)動(dòng)條件、光束的特性等；以及接收器的類型、靈敏度、帶寬等。還有脈沖的形狀，比如寬度、上升下降沿的時(shí)間都會影響時(shí)差測量的精度，在TDC-GP2測量精度一定的情況下，脈沖信號的速度越快，帶寬越寬，則精度也會隨之提升。

3 結(jié)語

平面激光測距定位系統(tǒng)因?yàn)槠湫∏伞⒊杀镜偷奶攸c(diǎn)應(yīng)用于通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，在提高師生的實(shí)踐能力的同時(shí)節(jié)約了資金成本。由激光發(fā)射裝置、激光接收裝置和PC機(jī)構(gòu)成的平面激光測距定位系統(tǒng)可以給學(xué)生提供更多的底層物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過精心設(shè)計(jì)的二次開發(fā)實(shí)驗(yàn)課程，以研發(fā)的視角精心做實(shí)驗(yàn)，與實(shí)踐教學(xué)的理念高度契合，本項(xiàng)目獲得2016年度沈陽理工大學(xué)校級教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 戴永江.激光雷達(dá)原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[2] 李玉株，肖江，黃麗燕，等.基于TDC-GP2的激光測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 全國信息獲取與處理學(xué)術(shù)會議，2011.

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