激光测距在现代激光应用领域已经得到了广泛的应用。针对远距离激光测距中弱信号探测的问题,研究了一种基于阵列雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode ,APD)探测器的光子计数法与卷积神经网络相结合的综合信号处理方法,从理论与仿真两方面验证了该方法的有效性。该方法可提升信号识别能力。提出了光子计数法和卷积神经网络相结合的空间三维卷积神经网络信号处理模型,该模型通过三级信号辨识,能够在“强背景、弱信号”情景下将信号光的辨识度提升近一倍。

高精度的脉冲激光测距系统一直都是激光测距领域的研究热点之一。测距误差的存在直接影响了激光测距精度的结果, 利用差分信号时刻鉴别法的研究未见报道, 因此对差分时刻判别法的研究具有重要意义。为了研究这一问题, 对影响脉冲激光测距精度的因素进行了分析, 可以认为幅度时间游动效应和上升时间游动效应产生的时间晃动是影响测距精度最主要的因素。通过分析可以看出, 所设计的差分信号时刻鉴别电路能够有效提高测距精度, 达到了设计要求。在实验测试中,差分信号时刻鉴别电路对70 m内不同距离的单次测距误差保持在9 mm以内, 相比之下单端信号时刻鉴别电路的单次测距精度范围为[-12 mm,11 mm]。实验结果表明同单端信号单次测距误差相比, 测距精度有了明显的提高。该方法可以为现有的如何提高脉冲激光测距精度技术提供参考价值。

为了提高脉冲激光测距回波时刻解算方法的应用场景适应性,将回波时刻解算问题转换为波形分类的问题,采用深度学习的新方法实现回波时刻的解算。通过仿真模拟计算产生0.1 ns时间分辨率的不同距离、信号幅度、波形形状和噪声的样本回波数据,训练一维卷积神经网络模型,在样本测试集上获得了99.85%的分类精度;采用深度学习方法和高斯拟合方法处理同样的机载激光雷达回波数据,墙面线扫数据解算结果相关系数为0.99981,外场飞行试验数据平面拟合残差均在20 mm左右,两种方法回波时刻解算效果相当。结果表明,新方法能够满足机载脉冲激光测距回波时刻解算要求,具备进一步提高解算精度和适应更多应用场景的潜力。

为满足激光测距领域大量程、高精度、高分辨率的应用需求, 设计了一种高精度脉冲激光测距系统。系统基于最小可分辨45ps的专用计时芯片TDC-GP22实现高精度、高分辨率的时间间隔测量, 并采用高带宽放大电路及恒比定时时刻鉴别方法提高系统精度。详细论述了TDC-GP22时间间隔测量模块的硬件设计及软件流程。实验结果表明, 该系统的测量分辨率达45ps, 对时间间隔1μs内的测量精度可达60ps, 对应150m测距精度可达1cm; 对时间间隔1μs以上的测量精度可达1ns, 对应千米级测距精度可达0.15m, 满足高精度距离测量的应用需求。

脉冲激光测距系统在各个领域均有广泛应用，而时间测量 精度决定了距离测量精度。传统的时间测量方法都存在自身缺陷，难以实现精度高且 响应灵敏的脉冲时间间隔测量,因此详细介绍了一款时间数字转换芯片—— TDC-GP2芯片。该芯片利 用逻辑门延迟来实现高精度时间测量，其配合粗值计数器使用时的最大测量范围为4 ms。基于TDC-GP2芯片的 测量范围1可实现典型分辨率为50 ps (均方根值)、测量范围为0 ～ 1.8 s的 高精度时间间隔测量。该研究在各类测时方法中处于领先水平。

百千赫兹量级测量重复频率和亚厘米量级测量精度的脉冲激光测距系统是激光测距领域的研究热点之一。分析研究了基于皮秒脉冲激光器的激光测距系统的实现原理和方法，针对激光脉宽极窄的特点，使用双阈值前沿时刻鉴别法和电压比较器输出数字信号的脉宽控制方法，并配合TDC-GPX高精度时间数字转换芯片，达到了设计要求。实验结果表明：测距系统工作稳定可靠，测量重复频率达到500 kHz，单次测距精度范围为[4 mm, 10 mm]。

为了提高系统的集成度,同时兼顾精度,介绍用FPGA 延迟线插入法来实现较高精度的脉冲激光测时、测距的原理和技术途径。FPGA 延迟线插入法是在直接计数法的基础上,采用FPGA 内部延时单元将时间间隔转化为数字量,经高速锁存器锁存后得到代表延时信息的温度计编码值来实现高分辨率的时间测量。提出了一种实用的高速时钟下(400 MHz)延迟线延时信息的锁存方法,并设计了FPGA 时间数字转换电路及其延迟单元时间测量电路。测试结果表明,FPGA 延迟线插入法可以将单点时间分辨率提高到80 ps,多次测量可达40 ps,对应距离分辨率为毫米级。将其应用于脉冲激光测距系统,进行了测距实验研究,给出了实验数据和测量误差分析,最终得到±10 cm 的测距精度。

针对传统脉冲激光测距直接计数法精度低的问题,本文介绍用时幅转换插入法来提高脉冲激光测距时间测量分辨率和测距精度的原理和技术途径。提出了时幅转换电路设计中的几个关键问题。在脉冲激光测距实验平台中对设计的时幅转换电路进行了性能测试实验。结果表明,时幅转换插入法将时间测量分辨率由10ns提高到20ps,测距精度由1.5m提高到5cm。最后分析了影响脉冲激光测距精度的误差因素。

与直接阈值检测相比,采用数字相关技术是提高激光脉冲测距系统灵敏度的有效途径。引入数字极性相关算法,可以有效地减少相关函数处理所需的硬件支出,在单个超大规模集成电路(VLSI)芯片上实现并行的相关运算,提高数据吞吐量。通过仿真计算验证了此数字极性相关系统在弱信号激光测距中的效果,分析了脉冲重复频率、起始处延时、脉冲间隔抖动、脉冲宽度以及采样频率对输出结果的影响,为设计适用于数字相关检测的激光光源提供了理论依据。

自触发脉冲激光测距是一种新型的脉冲激光测距方法,该方法解决了传统脉冲激光测距测量精度与测量速度之间的矛盾.其飞行时间测量系统的设计很大程度上决定了自触发脉冲激光测距的测量精度和测量速度.设计并实现了基于CPLD的自触发脉冲激光测距的飞行时间测量系统.CPLD的使用提高了激光测距的精度,并且系统结构简单,体积小,可靠性高,非常适合高性能手持式脉冲激光测距仪.对自触发脉冲激光测距进行了实验研究,在20 m的测量范围内,获得了±0.98 mm的测距精度.