基于平面精確測距定位的通信實訓設備開發

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在較小的二維平面內有著較高的測距精度。探測系統由裝在自然平面一角的激光發射接收機、MSP430主控板、上位PC機構成。激光發射機負責發射一系列光脈沖，激光接收機負責低噪聲放大整形回波信號，通過MSP430單品機與TDC-GP2數字轉換芯片記錄激光傳輸時間差，再通過PC端處理數據，計算出自然平面中的目標點坐標。采用激光到達時間差測距方式進行平面上近距離目標定位，研究了脈沖式激光時差測量方法（TOF）。結果表明，應用TDC-GP2時間轉換芯片進行激光脈沖探測定位具備低功耗、 精度高等優勢。

關鍵詞：激光測距 TOF測距法 TDC-GP2時間轉換芯片 實訓設備

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

通過2016年遼寧省本科教學改革一般項目的資助，秉承大力培養應用技術性人才的理念，課題組高度整合、充分利用現有實驗室儀器資源，將“平面激光測距定位技術”與通信工程實訓設備相融合，自行開發出更貼近實踐教學的開放式綜合通信實訓平臺，并形成以應用技術驅動的實踐教學模式。“平面激光測距定位技術”采用了脈沖法測距，核心是時差測量（time of flight measurement）。

1 平面激光測距定位系統設計

激光發射裝置可在二維平面內進行360°全方位的激光測距掃描，輸出所在空間的目標相對坐標值信息，可以實現對二維平面內目標的探測和定位。平面激光測距定位系統如圖1所示。

采用激光三角測距技術，配合高速的采集處理機構，每秒可進行高達2000次以上的掃描測距動作。每次掃描的過程中，激光發射裝置將發射經過調制的紅外激光信號，激光信號在照射到目標物體后產生的反光將被激光接收裝置接收。時間測量由TDC-GP2和MSP430來控制，通過得到的時間差計算出距離值并從通訊接口中輸出數據。

激光作用距離方程的標準形式

式中，PR是接收激光功率（W）；Pt是發射激光功率（W）；GT是發射天線增益；是目標散射截面；D是接收孔徑（m）；R是激光雷達到目標的距離（m）；Atm是單程大氣傳輸系數；sys是激光雷達的光學系統傳輸系數[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射一定功率激光后的激光大氣傳輸、目標特性、光學系統傳輸特性和接收機四項因子的乘積形式。

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。

時差測量的觸發是由TDC-GP2的start端口控制，當光脈沖從激光發射裝置射出后會同時輸入到start端口，此時測量開始。同樣，當激光接收裝置接收到目標物體反射回的脈沖信號，則發送Stop信號給TDC-GP2。從開始到結束，TDC-GP2會準確記錄脈沖之間的時差，以上過程即完整的時差測量。測量出來的時差數據，經過MSP430精確計算可以得到目標物體與激光發射裝置的距離，最后通過上位機PC顯示距離數據。其中時差測量精度與以下因素有關：

發射器和接收器可以根據實際應用條件來選擇，主要需要考慮的屬性包括不限于發射器的波長、驅動條件、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、上升下降沿的時間都會影響時差測量的精度，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 結語

平面激光測距定位系統因為其小巧、成本低的特點應用于通信工程專業實訓系統，在提高師生的實踐能力的同時節約了資金成本。由激光發射裝置、激光接收裝置和PC機構成的平面激光測距定位系統可以給學生提供更多的底層物理實驗數據，通過精心設計的二次開發實驗課程，以研發的視角精心做實驗，與實踐教學的理念高度契合，本項目獲得2016年度沈陽理工大學校級教學成果一等獎。

參考文獻

[1] 戴永江.激光雷達原理[M].北京：國防工業出版社，2002.

[2] 李玉株，肖江，黃麗燕，等.基于TDC-GP2的激光測距系統設計[J]. 全國信息獲取與處理學術會議，2011.

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