FPGA之激光测距系统原理
FPGA之激光测距系统原理整个激光测距系统由激光发射单元、激光接收单元、控制与距离计算单元以及显示单元等模块组成，其相互关系如图2-1。总体设计思想是捕捉激光从发出到遇到目标被反射回来所经过的时间，根据光速计算出探测器到被测目标之间的距离。
图1 激光测距系统原理图
其最基本的公式是：
（2-1）
因为激光来回经过的距离是探测器到被测目标之间距离的两倍，所以整个结果需要除2，其他参数含义为：
L：探测器到探测目标之间的距离
t：激光往返经过的时间
v：光速
公式（2-1）只是理论公式，在实际测量中由于测量的延迟、误差等原因需要对计算公式进行多方面的修正。
系统工作方式
系统的工作原理是：上电配置FPGA，启动脉冲激光测距系统，晶振给FPGA提供全局时钟，PLL将晶振送过来的时钟CLK倍频到200MHz，CLK1作为内部计数器的计数频率，同时也是内部系统运行的频率。由于全局时钟高达200MHz，FPGA内部的布线延迟也限定在一个时间周期以内，即5ns。在使能信号的有效作用下，由CLKl产生一段激光发射芯片所需要的脉冲，驱动激光发射芯片发射激光，激光接收芯片做好接收的准备，准备接收回波信号，在芯片内部，在使能信号的有效作用下，产生激光发射驱动脉冲的同时，启动内部高速计数器，在激光脉冲接收电路采集到回波信号的同时，停止计数，计算目标距离，将距离显示在LED上。为了提高测量精度，我们可以使用求平均值来提高测量精度。
激光测距实现的方式
目前激光测距的方法主要有连续波体制和脉冲波体制两种实现方法。其中连续
波体制利用回波幅度和相位进行测距，特点是测量精度很高(一般测量精度都在毫米级别以下)，但是激光调制装置复杂功率有限。相比之下脉冲激光体制有很大的瞬时功率，测量距离相对较远，而且测量速度要比连续波体制快的多，但是其测量精度不及连续波体制(一般测量精度在米级别以下)。
连续波体制简介
激光发射端发射出频率为 的正弦波，碰到被测目标后被反射回来，根据所测的相位差计算出探测器到被测目标之间的距离。假设正弦光波往返相位延迟角度为 ，则激光经过的时间t为：
（2-2）
从而可计算出探测器到被测目标之间的距离L：
（2-3）
由于连续波体制激光测距系统不是本文主要研究内容，在此不做深入研究。
脉冲波体制简介
激光发射端发射出激光脉冲，遇到目标反射到激光接收端，由接收电路对回波信号进行接收，送入计算单元。对激光信号在发射端进行编码，在接收端进行解码，通过控制与计算单元内部的高频计数时钟进行记数，测得激光脉冲经过的时间，从而可以根据公式（2-1）计算出探测器到被测目标之间的距离。
脉冲激光测距系统原理
本节主要介绍激光测距性能、脉冲激光测距系统的相互工作顺序、光学系统以及发射接收系统的要求。
激光测距性能
最大探测距离是激光探测系统的一个重要的性能指标。对于激光测距系统，当被测目标越远时，所接收到的回波信号就越弱，当回波信号小到与干扰相当时，系统就无法探测出该距离，这个距离就称为最大探测距离。影响激光探测系统最大探测距离的因素主要有：
1.激光信号的功率；
2.被测物体的反射率；
3.被测物体的面积；
4.大气太阳光的影响；
5.接收系统光透过率。
激光测距系统的最大探测距离不仅取决于测距系统自身性能，同时与外部条件有密切的关系。如果想获得最大探测距离，需要同时考虑内部和外部因素：在激光测距系统中，可以提高发射单元的发射功率，增大接收单元的面积，增大发射光学系统和接收光学系统的透过率。提高接收灵敏度（即减小接收机的最小可探测功率）来提高最大探测距离。同时系统设计时还应考虑到外部相关条件：大气透过率越高，被测目标的有效发射截面积和漫反射越大激光测距系统的最大测程也会随之增加。
激光的高斯光束特性
在激光测距系统设计中，对激光源经准直后发射并通过大气信道传输的光束按高斯光束对待。当然，实际的光束可能会由于许多原因(如大气信道的湍流效应、衰减效应等影响)产生变化，在信道条件极度恶劣的情况下，甚至接收到的不是高斯分布的光束，但是一般情况下，经大气信道传输的光束可按高斯光束对待。
脉冲激光测距系统
整个激光测距系统的发射、接收以及计时系统的工作顺序如图2-2所示(显示以及数据接口等部分未标出)：
图2激光发射接收工作顺序
同步脉冲上升沿控制激光发射模块工作的同时计时器开始计时，信号依次经过发射、反射、接收过程，当接收到反射信号时计时器纪录时间，计时器记录的时间为激光信号往返探测器和目标物之间的时间。
当进行距离测量时，需要不停的发射和接收激光信号，同时对激光信号进行编码和解码，分别对编码的信号记录时间。另一方面，计数器很大程度上影响测量精度，计时器计数频率越高整个系统的探测精度就越高。鉴于这两个方面，选用FPGA芯片作为处理核心，可以完成激光信号编码和译码的工作，而且其内部有PLL(锁相环)可以进行片内倍频，作为高频的计数脉冲。
光学系统
在激光测距系统工作时，阳光以及其他的外界干扰对激光接收系统形成很大的干扰，选用的激光器发射的激光波长为936+l0nm，工作在红外光段，因此在激光接收端增放了红外窄带滤光片，用以提高光的透过率。
发射接收系统要求
激光测距系统对精度的要求比较高，发射端的理想状态是激光器发出的激光信号经准直透镜后以平行光射出，而在接收端的理想状态是能准直透镜能将接收到的平行光束聚焦到接收光敏管上。
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