线性APD混合飞行时间测距模型及读出电路设计

混合飞行时间测距基于间接飞行时间测距的原理,同时结合直接飞行时间测距的概念,可以实现高精度、高范围的脉冲激光测距。采用两相采集方式,建立了背景光抑制的两段两相混合测距模型,并通过对模型的误差分析确定了电路的相关参数。采用在线性模式下工作的雪崩光电二极管(Linear-Mode APD,LM-APD)作为探测器,设计了与混合测距模型适配的50μm中心距的像素电路以及5×5阵列结构。电路输入级采用电容反馈跨阻放大器结构,输出信号包括模拟信号和低压差分信号。在对APD探测器20 MHz的调制频率下,输出电压达到99.8%以上的线性度,在108.75 m测距范围内达到4.415 cm的平均误差,11.355 cm的最大误差。仿真表明:混合测距兼顾精度和测量范围,适用于激光雷达三维成像领域。

飞行时间测距电路设计

基于APD的时间飞行测距能够获取图像的深度信息。为了提高APD主动探测的精度和探测范围,本文通过研究影响主动探测的精度的因素,设计了与回波波形无关的接收电路,并且采用新型时间数据转换电路从根本上提高了测距量程和精度。主要内容包括基于VCA821自动增益控制电路,提高了接收回波信号的动态范围;运用双通道比较器TLV3502设计的恒定比例时刻鉴别电路能够减小不同幅度回波信号造成的漂移误差;采用高精度、宽量程时间数据转换器TDC7200。最终实现了整体系统ns级的计时精度,200 us级的计时量程,即相应的15 cm精度,30 km范围的高精度探测系统。

基于时间测距的矿井人员定位方法研究

研究了4种基于时间测距的矿井人员定位方法:TOA、TWR、SDS-TWR和TDOA定位方法,它们受巷道环境等影响小,适用于煤矿井下人员精确定位。TOA定位方法要求发射设备和接收设备的时间必须严格准确同步,对发射设备和接收设备时钟精度要求非常高,并且要同步校准,定位卡和定位分站成本高。TWR定位方法不要求信号发射设备与接收设备时钟严格同步,降低了系统复杂度和成本,但定位精度受定位分站和定位卡的时钟误差影响,定位卡和定位分站成本较高。SDS-TWR定位方法不要求信号发射设备与接收设备时钟严格同步,降低了分站和定位卡的时钟误差对定位精度的影响,但定位精度仍受定位分站和定位卡的时钟误差影响,定位卡和定位分站成本较高。TDOA定位方法要求定位分站之间的时间必须严格准确同步,对定位分站时钟精度要求高,并且要同步校准,定位卡成本低,定位分站成本高。

基于时间测距的矿井人员定位方法研究

本文研究了两种基于时间测距的矿山人员定位方法:TOA和TDOA。这两种方法受地下环境的影响较小,适合对矿山人员进行准确定位。TOA定位方法不仅要求定位卡和定位分站的时钟精度高,还需要定位卡和定位分站的时钟要高度同步,同时定位卡和定位分站的成本高。TDOA定位方法要求定位分站之间的时间必须严格准确同步,对定位分站的时钟精度要求高,同时定位卡成本低,定位分站的成本高。

一种双向测距与时间同步系统的设计与分析

在研究双向单程伪距测量原理的基础上,设计了双向测距与时间同步(DRTS)终端系统总体构架,阐述了在系统中使用的技术,并搭建了基于DSP+FPGA的双向测距与时间同步系统软硬件平台。实验结果表明,此系统的码速率为5 MHz、中心频率为15 MHz时,测距和时间同步的分辨率可达0.15 cm和5 ps(@1 s),采用不同频率源时测距和时间同步的精度分别为1.038 m和3.46 ns,采用相同频率源时分别为0.28 cm和9.43 ps(参考频率稳定度1×10-10/d量级)。与国外同类产品相比具有测量精度优势,但考虑通用性,此系统的硬件仍需进一步优化,软件上需要做到码速率可调。

空间探测中动态运动对双向时间交换测距的影响

为了提高动态运动条件下双向时间交换测距(TWSTT)的精度,满足航天器间高精度自主测量的需要,在传统相对静止模式的基础上,分析了空间探测中目标间动态运动对双向时间交换测距的影响,针对两种典型的运动场景,分析了相对运动影响测距的机理,推导了动态运动条件下的距离解算公式。分析和仿真结果表明:相比传统静止模式,动态条件下的距离解算增加了目标间的相对速度、运动方向及相对距离等影响因素,如果在距离解算时忽略了上述因素,则将引入相应的测距误差,而且相对运动速度越大、相对距离越远,引入的测距误差越大。

基于飞行时间的城市轨道交通测距防撞方法研究

随着城市轨道交通线路的不断增加,其安全运营压力随之加大,需要有一种新的手段来协助驾驶员保障车辆行驶安全。为此,文章提出一种基于飞行时间的城市轨道交通测距防撞方法,其首先描述了一种用于城市轨道交通中基于2.4 GHz开放频段远距离组网通信的场景,在双方车辆通信或者车辆与轨旁设备之间通信的同时,利用信号在两者之间往返的飞行时间来测量距离;并根据测量的距离值,结合列车的运行线路情况、上下行信息、制动距离等工况信息来计算安全预警等级,同时将预警等级及操作建议通过显示屏、声光报警器等装置给予驾驶员安全提醒,从而实现驾驶协助以达到安全运营的目的。文中描述的系统可在1 km以内实现高精度的列车间距离感知,结合通信数据内容,为驾驶员实时提供行驶安全指导,为提升城市轨道交通运行的安全性和实现列车、轨旁设备的数字化建设提供了一种解决思路。

线性碲镉汞APD的高速焦平面读出电路研究

设计了一款针对线性模式碲镉汞APD的高速成像读出电路。像元内基于三级推挽放大器级联的电阻反馈跨导放大器(RTIA),实现了光电流的实时线性转换,并利用工作于亚阈值区的MOS管作为反馈电阻实现跨阻增益可调;利用电容补偿法对RTIA的相位裕度进行优化,解决了低增益下的输出振荡现象。结果显示,像元内RTIA跨阻增益可调范围达100~140 dB,增益带宽积可达10^(14)数量级,像元电路输出延时低于1.8 ns。设计了像素外的飞行时间测量电路,采用两段式时间数字转换器分别进行飞行时间的大范围粗量化和高精度细量化,测量范围可达1530 m,测量精度为106.5 cm,线性度高于99.99%。

便捷式家用投影仪梯形几何校正系统的设计

针对家用投影仪没有正对成像平面而引发梯形畸变成像问题,设计一款基于DToF测距传感器模块、三轴加速度传感器模块和图像变换的便捷式梯形几何校正系统,实现无须人工干预的梯形畸变画面自动修正。同时引入基于顶点预标定的最大内接矩形算法,辅助畸变校正画面实现面积最大化和长宽比例不失真。实验结果表明,该系统能以低廉的硬件成本、便捷的操作方式完成投影仪在复杂空间姿态下梯形畸变成像的修正工作,增强观影舒适度。

卫星定位系统与精确时间计量

在1991年初的海湾战争中,有几位美军飞行员在飞机被击中后被迫跳伞。他们用一种袖珍收音机大小的仪器,迅速测定降落点的地理位置。闻讯赶来的营救直升机,也利用类似仪器在茫茫沙海中找到遇险者。这种高效的测向、定位系统就是GPS(Globle Positioning System)'导航星授时和测距全球定位系统',简称'GPS'。 GPS应用的重要意义 GPS是美国继'阿波罗'登月、航天飞机之后的第三大航天工程,它可同时为全世界无数用户服务。

基于飞行时间的人体颈腰部生理曲线测量及数据处理

设计一款人体颈腰部生理曲线测量装置并对采集到的生理曲线数据进行分析。数据采集装置主要是基于飞行时间(time-of-flight,TOF)测距原理,分为曲线测量装置、数据采集装置、计算机曲线拟合等三个模块。数据分析部分包括基于SPSS 22平台的单因素分析、回归分析,基于Python的K近邻算法分类识别。对受试者的身高、体重、年龄和矢状面垂直距离(SVA)做Pearson相关性分析,对性别和SVA做t检验。对身高、体重、年龄和矢状面垂直距离(SVA)做回归分析。选身高、体重、年龄和矢状面垂直距离(SVA)作为参考指标,将年龄作为标记对象(青少年、成人、老年人)对曲线做K近邻算法分类处理。身高、体重、年龄和矢状面垂直距离(SVA)具有相关性(P<0.05);性别和SVA值不相关(P>0.05)。用K近邻算法可以较好对曲线做分类,识别准确率为74.93%。

基于HHT的架空-地缆混合线路新双端行波故障测距

在现实生活中,架空-电缆混合线路不断增加,而且同一配电线路可能存在多种不同介质的电缆。故障行波在不同介质中的传播速度相差较大,传统的双端行波故障测距不适合混合配电电路。针对目前较新的基于时间中点的双端行波故障测距算法进行仿真,通过希尔伯特-黄变换得到准确的故障位置数据,为以后实际运用提供可靠依据。

基于超宽带技术的地铁车站盲障人士定位方案

为确保视觉障碍人士(以下简称“盲障人士”)在地铁站内行走的安全,从盲障人士站内乘车的定位需求出发,对比各类定位技术后确定采用UWB(超宽带)技术,研究基于UWB技术的地铁车站盲障人士定位方案。对多种UWB技术定位算法的优缺点进行对比,确定采用TW-TOF(双向飞行时间测距)法和TDOA(到达时间差)法作为UWB技术的定位算法,并在此基础上开展基站布设间距测试和信号刷新频率测试。测试结果表明:在保证0.5 m的定位精度条件下,最小定位单元的基站布设需保持12 m的横向间距和10 m的纵向间距;信号刷新频率设置为1 Hz较为适宜。

64×64 InGaAs/InP三维成像激光焦平面探测器

针对900~1 700 nm波长无扫描激光三维成像雷达的需求,研制了一种规模为64×64的线性模式雪崩焦平面阵列(LM-APD-FPA),它由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与CMOS专用读出电路(ASIC)组成。该器件采用飞行时间(TOF)测距的方式工作,APD光敏芯片将脉冲激光信号转化成脉冲光电流,读出电路对其进行放大、阈值比较后实现激光探测并在每个单元获取光脉冲的飞行时间,将其转化成二进制编码信号后串行输出。测试结果表明,64×64 LM-APD-FPA有效像元最小可探测光功率值约为400 nW,时间分辨率为1 ns。用该探测器在激光雷达系统上实现了无扫描单脉冲激光三维成像,表明了线性模式激光焦平面探测器可用于激光三维成像领域。

单发脉冲飞行时间激光测距技术

单发脉冲飞行时间测距技术在移动目标跟踪测量、汽车防撞、机器人运动控制等要求快速响应的场合具有重要应用。介绍了单发脉冲飞行时间激光测距技术的研究现状,分析了基于前沿定时和共振定时的单发脉冲测距原理、方法及误差补偿技术,并给出了各种单发脉冲测距范围、单发测距精度等技术指标。

实时激光三维成像焦平面阵列研究进展

研究了应用于实时激光三维成像的焦平面阵列技术,介绍了目前国际上几种常用的焦平面阵列实现原理与技术特点,并对其优点与不足进行了分析,同时对表征焦平面阵列的主要性能指标以及其对最终成像系统的影响进行了定性分析。根据对现有技术的对比分析,提出基于雪崩光电二极管(APD)阵列和读出电路(ROIC)集成的探测器方案在灵敏度和作用距离等方面具有一定优势,是实现实时三维成像焦平面阵列较为理想的技术。作者认为在未来十几年内,激光三维成像焦平面阵列规模有望超过1 024 pixel×1 024 pixel,像元尺寸可降低到15μm。

基于比较算法和OWR-TDOA的IR-UWB定位系统研究

针对采用脉冲无线电-超宽带实现高精度定位进行了研究。首先提出了基于现场可编程门阵列板的全数字发射机,由其I/O口产生并输出脉冲信号;然后脉冲信号通过接收天线接收,并由每个接收支路上的低噪声放大器放大,通过比较算法将脉冲信号转换为1位数字样本;为了降低噪声功率,将数字化后的样本按脉冲帧的相应相位进行平均,并将平均后的脉冲样本与模板信号进行关联,将相关器输出与阈值进行比较,接收机通过检测超过阈值的相关器输出来估计脉冲信号的定时;最后,处理单元根据单向测距-到达时间差方法估计出发射机的位置。实验测试结果不仅验证了提出的定位系统的有效性,而且表明了提出的定位系统相比于传统的基于模数变换器的接收处理系统在发射机定位均方根(RMS)误差和模态值的RMS误差方面分别提高了41.48%和23.11%。

基于卡尔曼滤波的矿井人员二维精确定位方法

受定位分站和定位卡时钟同步误差、时钟计时误差、多径效应、非视距传播(NLOS)时延误差和电磁骚扰等影响,现有煤矿井下人员定位方法定位误差大,难以满足煤矿事故应急救援、运输和机电事故防治等需求。为提高定位精度,实现煤矿井下人员二维精确定位,提出了基于卡尔曼滤波的矿井人员二维精确定位方法:以定位分站测量到的定位卡到定位分站之间的距离作为卡尔曼滤波中的测量结果,根据建立的矿工在井下移动的数学模型推算出矿工的位置,并作为卡尔曼滤波中的预测结果,通过对测量结果和预测结果进行合理加权,根据上一步卡尔曼滤波后的最佳估计值得出当前时刻的最佳估计值,实现煤矿井下人员二维精确定位。

基于脊柱矢状面曲线建立腰椎L4~5力学简化模型及其有效性验证

目的 根据人体脊柱矢状面曲线建立腰椎L4~5活动节段力学简化模型,对该模型结构进行有效性验证与分析。方法 采用基于飞行时间测距原理的体外测量装置获取人体脊柱矢状面曲线,基于该曲线构建腰椎L4~5机械简化模型,并从关节活动度(range of motion, ROM)、椎间盘应力(intervertebral disc pressure, IDP)分布及小关节力(facet joint force, FJF)方面对模型有效性进行验证。结果 在0.2、0.4、0.6、0.8、1 kN随动载荷(follower load, FL)下模型最大IDP分别为0.23、0.46、0.69、0.92、1.15 MPa,纯扭矩下模型屈曲、后伸、侧屈及轴向扭转时ROM分别为6.61°、4.03°、3.30°、2.03°,在FL和扭矩共同作用下屈曲、后伸、侧屈及轴向扭转时IDP分别为1.80、1.00、1.36、0.80 MPa,后伸、侧屈及轴向旋转时FJF分别为79.60、29.49、94.64 N。结论 基于人体脊柱矢状面曲线构建的力学简化模型可用于脊柱矢状面曲线变化的脊柱力学分析。

基于TW-TOF的UWB室内定位技术与优化算法研究

近年来随着互联网的发展,人们对基于位置的服务LBS(location based service)需求不断增加,而目前像北斗、GPS等导航系统却无法对室内目标进行准确定位。作为室内定位技术之一,超宽带UWB技术由于有着精度高、功耗低、抗多径能力强等优点,目前被广泛应用于高精度室内定位。该文基于DWM1000模块构建了一种UWB定位系统,基于飞行时间的双向测距方法TW-TOF进行测距,采用三边定位法设计实现对移动人员的实时室内定位。针对定位观测数据的误差噪声问题,采用交互多模型IMM卡尔曼滤波方法对定位观测数据进行处理。试验结果显示IMM卡尔曼滤波能有效降低定位数据的噪声干扰,并且有效克服了传统卡尔曼滤波在定位目标做直角转弯等机动时估计误差较大的问题。