一種提高脈沖激光測(cè)距中時(shí)間測(cè)量精度的方法

1、一種提高脈沖激光測(cè)距中時(shí)間測(cè)量精度的方法 第40卷第1期 2010年1月河南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofHenanUniversity(NaturalScience)Vol.40No.1Jan.2010 虞靜1,江虹1,唐丹2 (1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院,四川綿陽(yáng)621000; 2.中國(guó)工程物理研究院,四川綿陽(yáng)621000) 摘要:脈沖激光測(cè)距的應(yīng)用非常廣泛,其中提高測(cè)距精度是該項(xiàng)技術(shù)的核心之一.為實(shí)現(xiàn)脈沖激光測(cè)距的高精度,提出一種時(shí)間間隔測(cè)量的方法.設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制時(shí)間測(cè)量芯片,對(duì)發(fā)射脈沖和返回脈沖信號(hào)延遲進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)利用時(shí)間測(cè)量芯片對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn),并采用定比例時(shí)

2、點(diǎn)判別可減小信號(hào)變化對(duì)時(shí)點(diǎn)判別的影響.通過(guò)定點(diǎn)測(cè)量,結(jié)果表明該方法簡(jiǎn)化了器件設(shè)計(jì),達(dá)到了較高的測(cè)距精度,最后分析了影響脈沖激光測(cè)距精度的誤差的原因. 關(guān)鍵詞:脈沖激光測(cè)距;時(shí)間測(cè)量;TDC-GP2芯片;MPS430單片機(jī) 中圖分類號(hào):TN247 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A:-)0018-05AMethodforPrecisioninPulse anging YUJing1,JIANGHong1,TANGDan2 (1.SchoolofInformationEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,MianYang621000,China;

3、2.ChinaAcademyofEngineeringPhysics,MianYang621000,China) Abstract:Thepulselaserrangefinderiswidelyused,inwhichtoimprovetherangingaccuracyisoneofthecoretechnology.Inordertorealizethepulselaserrangefinderaccuracy,thedesignputsforwardakindofmethodoftime-intervalmeasurement.Usingsingle-chipmicrocomputer

4、controltimeoffiringpulsechipstomeasurethedelayoffiringpulseandreturnpulsesignal,thetimemeasurementresultsofchipsautomaticcalibrationisused,atthesametime,theproportionoffixedpointforjudgingcanreducethetimingsignalchanges.Throughmeasurement,dotresultsshowthatthismethodsimplifiesthedevicedesignandachie

5、vehighaccuracy,withtheanalysisoftheinfluenceofthepulselaserrangingaccuracyoferror. Keywords:PulseLaserranging;time-of-flightmeasuring;TDC-GP2chip;MPS430 0引言 激光測(cè)距技術(shù)與一般光學(xué)測(cè)距技術(shù)相比,具有操作方便、系統(tǒng)簡(jiǎn)單及受天氣影響較小的優(yōu)點(diǎn).與雷達(dá)測(cè)距相比,激光測(cè)距具有良好的抗干擾性,高精度和高分辨率,無(wú)需合作目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)1.常用的激光測(cè)距技術(shù)2有相位激光測(cè)距;三角法激光測(cè)距;調(diào)頻法測(cè)距;脈沖激光測(cè)距.提高脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量精度關(guān)鍵在于提高實(shí)

6、踐測(cè)量精度.傳統(tǒng)的測(cè)時(shí)方法中采用直接脈沖計(jì)數(shù)法可通過(guò)不斷提升晶振頻率,提高測(cè)量精度,但該方法受晶振器件制作工藝限制,因此實(shí)用性不強(qiáng);另外,采用數(shù)模轉(zhuǎn)換法3-4,利用FPGA最小單元實(shí)現(xiàn)差分延遲線的方法5等都不能達(dá)到某些領(lǐng)域的測(cè)量要求. 本文對(duì)脈沖測(cè)距原理進(jìn)行分析,闡述了GP2時(shí)間間隔測(cè)量原理及測(cè)量方法,在脈沖激光測(cè)距中,要求對(duì)飛行時(shí)間進(jìn)行精確的測(cè)量.由于測(cè)量目標(biāo)物的距離和反射率的差異,信號(hào)往往有幅度和上升時(shí)間的變化,這對(duì)使計(jì)時(shí)起點(diǎn)和終點(diǎn)的精確鑒別產(chǎn)生了困難,直接導(dǎo)致飛行時(shí)間的測(cè)量誤差增大,設(shè)計(jì)采用定比例時(shí)點(diǎn)判別收稿日期:2009209220 基金項(xiàng)目:國(guó)家863資助項(xiàng)目(2009AA04Z16

7、6) 作者簡(jiǎn)介:虞靜(1984-),女,四川綿陽(yáng)人,在讀碩士研究生.研究方向:通信電路與系統(tǒng). . 圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig.1Schematicdiagramofsystemstructure 1脈沖測(cè)距與時(shí)間間隔測(cè)量原理及分析 脈沖激光測(cè)距的工作過(guò)程71.,.在脈沖發(fā)射時(shí),用來(lái)標(biāo)定激光發(fā)出的起始時(shí)間.該信號(hào)、.而射向目標(biāo)的光脈沖,經(jīng)目標(biāo)漫反射進(jìn)入接收探測(cè)器,使其停止計(jì)時(shí).由此可得激光往返時(shí)間. 系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量激光器發(fā)射光脈沖與回波脈沖的時(shí)間延遲t計(jì)算目標(biāo)距離.其測(cè)量公式為 (1)L=C3t/2, 式中,L為目標(biāo)距離;t為光脈沖往返時(shí)間;C為光在空氣中傳播速度;在光速一定時(shí),測(cè)距距離L的精度取

8、決于t.圖2為脈沖激光測(cè)距的時(shí)序圖.脈沖飛行時(shí)間的公式8如下: (2)t=Ta+NT-Tb, 其中,Ta是開始脈沖上升沿與計(jì)數(shù)時(shí)鐘上升沿之間的時(shí)間間隔,Tb是結(jié)束脈沖上升沿與計(jì)數(shù)時(shí)鐘上升沿之間的時(shí)間間隔.測(cè)量誤差即為(Ta-Tb),其最大值為T.用傳統(tǒng)方法測(cè)時(shí)精度較低.因此本文采用TDC2GP2芯片,以信號(hào)通過(guò)內(nèi)部門電路的傳播延遲來(lái)進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量,圖3顯示了這種測(cè)量絕對(duì)時(shí)間TDC的主要構(gòu)架. 此外由于激光回波光脈沖的相位、幅度都會(huì)改變,而測(cè)量時(shí)成形單穩(wěn)態(tài)的閾值和激光取樣電脈沖的形狀、幅值是基本固定的,這必然會(huì)導(dǎo)致誤差.這個(gè)誤差可以通過(guò)采用合適的前沿鑒別技術(shù)降低,本文采用定點(diǎn)比例判別電路

9、消除誤差. 2時(shí)間間隔測(cè)量的實(shí)現(xiàn) 2.1TDC2GP2 輸入觸發(fā) 圖2脈沖激光測(cè)距的時(shí)序圖 Fig.2Schematicdiagramofpulsedlaserranging 在本設(shè)計(jì)中將TDC2GP2芯片作為時(shí)間間隔測(cè)量芯片,其每一個(gè)信號(hào)輸入端都可以被單獨(dú)設(shè)置成上升沿、下降沿或上下沿觸發(fā)有效.通過(guò)設(shè)置register0的bit022(NEG_START,NEG_STOP1,NEG_STOP2) 20河南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010年,第40卷第1期和register2的bit19&20,來(lái)選擇上升沿觸發(fā) . 圖3TDC的主要構(gòu)架 Fig.3Themainstructure

10、ofTDC 2.2計(jì)算方法選擇 TDC單元的測(cè)量通道每一次測(cè)量可以檢測(cè)4組脈沖信號(hào),通過(guò)對(duì)register1的Bit16219(HIT1)以及20223(HIT2)進(jìn)行設(shè)置可定義ALU計(jì)算哪兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)差.本文選擇計(jì)算進(jìn)入兩個(gè)通道的第一個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差. 2.3測(cè)量校準(zhǔn)選擇 TDC2GP2有兩個(gè)測(cè)量范圍,其測(cè)量工作全部由1,采用4M時(shí)鐘作為基準(zhǔn)時(shí)鐘,選用gp2的start.(32位)或者非校準(zhǔn)結(jié)果16位(測(cè)量范圍),計(jì)算公式如式(3)-(5). ),內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)鐘等于外部基準(zhǔn)時(shí)鐘除以DIV_CL=1、2、4,寄存器0中第12-13位).校準(zhǔn)值由16位整數(shù)和16位小數(shù)組成.因此一個(gè)校準(zhǔn)值占用

11、一個(gè)結(jié)果寄存器.串行輸出從最高位(215)開始,以最低位(2216)結(jié)束,其中RES_X為測(cè)量結(jié)果. (3)Time=RES_X×Tref×2ClkHSDiv=RES_X×Tref×N,withN=1,2or4 Time<2×Tref×2ClkHSDiv(4) 如果不進(jìn)行校準(zhǔn)(Calibrate=0),非校準(zhǔn)值以16位值的形式被存儲(chǔ)在結(jié)果寄存器的高字單元.結(jié)果寄存器的低字單元被設(shè)為0,LSB為單位門電路的延時(shí). (5)Time=RES_X×LSBRES_X×65ps 2.4前沿鑒別電路 由于TDC2G

12、P2I/O口電壓范圍在1.85.5V,受距離的影響,經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后達(dá)電壓不到該幅度9,于是在測(cè)量前加入了放大整形電路,但這必然會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差.其中在測(cè)量過(guò)程中上升沿的快慢會(huì)直接影響測(cè)量部分的精度10.因此在這里采用了延時(shí)線路式定點(diǎn)比例判別原理11212,消除了漂移誤差,加快輸入測(cè)量芯片的脈沖信號(hào)上升沿.電路圖如圖4所示.定比例時(shí)點(diǎn)鑒別 器將輸入信號(hào)分成兩路,其中一路經(jīng)過(guò)衰減變小,另一路則不衰 減振幅大小,但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲,然后將這兩路分別送入電 壓比較器MAX913的正負(fù)輸入端,比較器的轉(zhuǎn)態(tài)發(fā)生于兩輸入 端信號(hào)的相對(duì)大小改變的時(shí)刻,而且轉(zhuǎn)態(tài)的時(shí)點(diǎn)受原始輸入信號(hào) 振幅和上升沿改變的影響較小

13、. 2.5單片機(jī)控制測(cè)量的程序設(shè)計(jì) 測(cè)量芯片通過(guò)其自身的4個(gè)SPI接口與單片機(jī)進(jìn)行串行通 信.單片機(jī)對(duì)其寄存器進(jìn)行配置,從而選擇測(cè)量范圍和測(cè)量算法等.單片機(jī)在從gp2讀取數(shù)據(jù)后,可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理. 單片機(jī)是系統(tǒng)的控制核心.設(shè)計(jì)選用MPS430F135單片機(jī)13,該單片機(jī)功耗低,運(yùn)算速度快,并采用C語(yǔ)言對(duì)其開發(fā).流程圖如圖5所示,首先對(duì)芯片寄存器進(jìn)行配置,初始化芯片后,等待測(cè)量;測(cè)量完成或者測(cè)量溢出后單片機(jī)都會(huì)向芯片讀取一組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最后返回等待下一次測(cè)量.圖4前沿鑒別電路Fig.4Constant-fractiontimingdiscriminator 圖5單片機(jī)程序流程圖 Fig

14、.5Flowchartofmainprograminmicrochip 3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 3.1 定點(diǎn)時(shí)間晃動(dòng)測(cè)量分析 圖6示波器測(cè)量數(shù)據(jù) Fig.6Testingdatafrom Oscilloscopes 圖7時(shí)間抖動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)Fig.7Testingdataoftimeinterval 通過(guò)對(duì)Start與Stop1通道中信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)間間隔測(cè)量,得到測(cè)量數(shù)據(jù).在測(cè)量過(guò)程中,應(yīng)考慮溫控,盡量減小電壓回路與紋波系數(shù),并加快脈沖上升或下降沿.本測(cè)試平臺(tái)電壓采用紋波較低的3.6V鋰電池供電.首先采用電纜產(chǎn)生固有延遲測(cè)量,如圖6所示,示波器延遲讀數(shù)為104.6ns.Start與Stop通道中脈沖幅度

15、分別是3.2V與2.8V(其中ch2為Start1通道,ch3為Stop通道).測(cè)量結(jié)果見圖7.圖中橫坐標(biāo)為測(cè)量次數(shù),縱坐標(biāo)為時(shí)間間隔讀數(shù),時(shí)間間隔測(cè)量值中最大值為104.67ns,最小值為104.53ns,平均值為104.58ns,最大測(cè)量抖動(dòng)在100ps左右(測(cè)量抖動(dòng)=測(cè)量最大值-測(cè)量最小值),標(biāo)準(zhǔn)方差為29ps.3.2測(cè)距結(jié)果 對(duì)該時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)分析.每組測(cè)量15次,取平均值,所得數(shù)據(jù)見表1. 表1時(shí)間間隔測(cè)量數(shù)據(jù) Tab.1Testingdataoftimeintervalmeasurement 時(shí)間間隔/ns測(cè)量距離/m 測(cè)量距離平均數(shù)據(jù)/m平方誤差測(cè)量值偏差 101.51

16、.5400.0400.021 152.252.2390.0110.005 2033.0180.0180.015 253.753.7750.0250.010 304.54.4850.0150.032 355.255.2340.0160.041 4066.0120.0120.011 22河南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010年,第40卷第1期測(cè)距精度是測(cè)量值和真實(shí)值之間的偏差,其定義為: =(xmi-x)2 NN2,(6) 式中x為真實(shí)值(期望值);xmi為第i個(gè)測(cè)量值.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的最大均方差為0.041m,則該脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)單次測(cè)距精度為4cm,導(dǎo)致測(cè)量精度下降的原因主要有以下幾種:(1)由于系

17、統(tǒng)測(cè)量通過(guò)脈沖的上升沿進(jìn)行時(shí)間間隔測(cè)量,如果上升沿慢就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度的下降;(2)系統(tǒng)的光接受單元和脈沖整形單元電路所帶來(lái)的晃動(dòng)導(dǎo)致精度下降;(3)測(cè)量芯片溫度和電源紋波系數(shù)對(duì)測(cè)量精度有較大的影響.精度的改進(jìn)將是本文后續(xù)研究的重點(diǎn). 4結(jié)論 本文提出一種提高時(shí)間測(cè)量精度的方法,利用單片機(jī)控制TDC2GP2芯片,并通過(guò)芯片門電路延遲單元與高速測(cè)量單元進(jìn)行時(shí)間間隔測(cè)量.實(shí)驗(yàn)結(jié),具有一定的應(yīng)用價(jià)值. 參考文獻(xiàn): 1ZHANGL,QIN,SS,usedinintelligentvehiclesJ.LaserTechnology. 2005,25():-2.激光測(cè)距儀M.北京:煤炭工業(yè)出版社,1982:

18、64-101,235-259. 3胡以華,魏慶農(nóng)劉建國(guó),等.采用數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)提高脈沖激光測(cè)距的測(cè)時(shí)精度J.激光技術(shù),1997(3):189-192. 4KaliszJ,PawlowskiM,PelkaR.ErroranalysisanddesignoftheNutttime-intervaldigitizerwithpicosecondresolution JJ.Phys.Sci.Instrum,1987:201330-201341. 5黃震,劉彬.脈沖激光測(cè)距中時(shí)間間隔測(cè)量的新方法J.光電子激光,2006,17(9):1153-1155. 6任明冰.半導(dǎo)體脈沖激光測(cè)距機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)D.南京:南京理工大學(xué),2004. 7付寶臣.高精度激光測(cè)距儀硬件電路研究D,南京:南京理工大學(xué),2007. 8陳佳夷,伊小素.基于CPLD和單片機(jī)的激光測(cè)距時(shí)間間隔測(cè)量J.激光技術(shù),2008,32(4):363-365. 9安毓英,曾曉東.光電探測(cè)原理M.第1版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004. 1