高精度脈沖激光測距電路的研究

1、提高度脈沖激光測距高精的方法研究一、概述激光測距因其主動(dòng)性、準(zhǔn)直性以及相干性等特廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光近距探測軍事及民用領(lǐng)域。激光測距的基本原理是通過對(duì)脈沖往返于測距儀和被測目標(biāo)之間的傳播時(shí)間檢測來實(shí)現(xiàn)距離的測量的。傳統(tǒng)激光脈沖計(jì)數(shù)法測距的測量精度不高，一般為分米量級(jí)，大大地限制了在這樣的情況下，雖然可以引入數(shù)字/模擬內(nèi)插術(shù)，將待測量時(shí)間進(jìn)行放大處理，或進(jìn)多周期的統(tǒng)計(jì)平均測量，但這些處理方式較為復(fù)雜，而且單次測量時(shí)也很長，不利于激光測距機(jī)的高精度、小型化、輕量化的發(fā)展方向，大大限制了這類儀器的使用范圍。為克服傳統(tǒng)脈沖激光測距中存在的提高測距精度和縮短測量時(shí)間兩者之間的矛盾，本文提出

2、了基于恒比值時(shí)點(diǎn)判別技術(shù)、光路系統(tǒng)誤差修正補(bǔ)償技術(shù)、高精度時(shí)間間隔測量技術(shù)相結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)的一種中短距離高精度激光脈沖測距方法，該方法比傳統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率測量方法具有更高的測量精度和更快的測量速度，并且有效擺脫了時(shí)間間隔測量能力對(duì)測距精度的根本限制。二、脈沖激光測距原理脈沖測距儀發(fā)射出的激光激光據(jù)脈沖，經(jīng)被測量物體的反射后又被測距儀接收，測距儀同時(shí)記錄激光往返的時(shí)間t，光速c 和往返時(shí)間t 的乘積的一半，即：D=（C.t）/2 測距儀系統(tǒng)組成圖三、影響測距精度的主要因素及解決方法3.1、激光回波脈沖幅度對(duì)測距精度的影響及解決方法3.1.1 激光回波脈沖幅度對(duì)測距精度的影響分析在脈沖式激光測距系統(tǒng)中

3、，整個(gè)接收部分要完成的功能是將光學(xué)脈沖轉(zhuǎn)換為電壓幅度信號(hào)，并且提取準(zhǔn)確的時(shí)間鑒別點(diǎn)，以便進(jìn)行時(shí)間間隔測量。目前常用的方法是，時(shí)間鑒別點(diǎn)從脈沖信號(hào)的邊沿鑒別，這種前沿鑒別技術(shù)是通過脈沖前沿與一恒定閾值電壓進(jìn)行比較而觸發(fā)形成接收脈沖信號(hào)。如果脈沖信號(hào)幅度變化，時(shí)間鑒別點(diǎn)的位置也將變化，從而產(chǎn)生相位誤差從而影響測距精度在不考慮信號(hào)飽和引起的延時(shí)誤差外，實(shí)際上，接收信號(hào)的幅度主要依賴于測量距離，目標(biāo)的反射率及目標(biāo)的角度。即這個(gè)動(dòng)態(tài)的范圍依賴于具體的應(yīng)用，很可能是1：1000或是更高，此環(huán)節(jié)由回波信號(hào)前沿（15-20ns）對(duì)測距精度的影響如下圖所示(v1為觸發(fā)閾值)。 回波前沿的影響對(duì)不同幅度的輸入波形

4、，觸發(fā)時(shí)間分別為t1、t2，最大t0約為/2,顯然回波信號(hào)幅度引起的觸發(fā)誤差為： 1 2= - .- .- =0.5m3 2 c其中為脈寬、c為光速。因此要提高測距精度，首先要克服信號(hào)幅度的變化應(yīng)該不影響對(duì)事件的時(shí)間鑒別。這也是是高精度脈沖式激光測距系統(tǒng)中必須解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。3.1.2 基于恒比定時(shí)的閾值點(diǎn)判別方法目前可采用的時(shí)間鑒別技術(shù)主要有恒比定時(shí)觸發(fā)技術(shù)、信號(hào)質(zhì)心檢測技術(shù)等，其中恒比定時(shí)法是將一個(gè)高斯鐘形脈沖轉(zhuǎn)換為前沿不受輸入信號(hào)幅度變化影響的矩形脈沖信號(hào)，從而達(dá)到觸發(fā)時(shí)刻與信號(hào)輸入時(shí)刻的信號(hào)相位固定。原理如下圖所示。 恒比定時(shí)觸發(fā)器原理框圖采用恒比定時(shí)法處理后回波示意圖 由上圖可以

5、看出, 回波幅度較大的信號(hào)f 1 ( t) 產(chǎn)生的衰減信號(hào)f1 ( t0) 和延遲信號(hào)f c1 ( t) 的交點(diǎn)和幅度較小的信號(hào)f 2 ( t) 產(chǎn)生的衰減信號(hào)f2 ( t) 和延遲信號(hào)f c2 ( t) 的交點(diǎn)在時(shí)間軸上的坐標(biāo)相等同為t1 ,即交點(diǎn)的時(shí)間和幅度沒有關(guān)系。3.1.3 恒比定時(shí)處理電路設(shè)計(jì)根據(jù)上述原理,同時(shí)結(jié)合激光接收電路的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)的閾值電路如下圖所示。 恒比定時(shí)處理電路圖 恒比定時(shí)主要由R2 ,R3 ,L1 ,R6 和U2 構(gòu)成。其中恒比延時(shí)電路需要對(duì)收到的回波信號(hào)進(jìn)行無失真的延時(shí),如果波形發(fā)生畸變,那么和衰減后的信號(hào)的交點(diǎn)的位置就會(huì)發(fā)生改變,從而影響時(shí)間的測量精度。采用

6、低通濾波器來替代延時(shí)線,進(jìn)行工程上的近似，采用L1 和R6 構(gòu)成的低通濾波器來起到對(duì)信號(hào)進(jìn)行延時(shí)的作用。由R2 和R3 構(gòu)成衰減網(wǎng)絡(luò),對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減。這樣恒比延遲后的信號(hào)進(jìn)入比較器U2 的正極,衰減信號(hào)進(jìn)入比較器的負(fù)極。由于在衰減信號(hào)到來的時(shí)候恒比延遲信號(hào)還沒有到來,故比較器的V + 小于V - 輸出為低電平, 當(dāng)恒比延遲信號(hào)到來后逐漸增大,由于恒比延遲信號(hào)的峰值必然大于衰減信號(hào)的峰值,到某一時(shí)刻恒比延遲信號(hào)和衰減信號(hào)相等,到下一時(shí)刻V + 大于V - 比較器輸出高電平,從而得到回波的時(shí)間信息。 從理論上知當(dāng)信號(hào)到來之前比較器輸入端電壓相等,這樣會(huì)使比較器輸出不穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)震蕩,因此加入偏置

7、電路U3防止出現(xiàn)震蕩。在衰減信號(hào)和恒比延遲信號(hào)的交點(diǎn)處給恒比延遲信號(hào)加上一個(gè)固定的電平,幅值的大小為比較器翻轉(zhuǎn)的臨界值,從而解決這一問題。通過恒比定時(shí)處理后，激光回波信號(hào)示意圖如下圖。 恒比定時(shí)觸發(fā)電路對(duì)回波信號(hào)的處理結(jié)果通過恒比定時(shí)處理電路處理后，當(dāng)回波信號(hào)從0.150. 75 V 間變化時(shí),衰減波形和延遲波形的交點(diǎn)時(shí)間變化小于等于2 ns。3.2、激光回波時(shí)間測量方法對(duì)測距精度的影響及解決方法3.2.1 激光回波時(shí)間測量方法對(duì)測距精度的影響分析 脈沖激光測距技術(shù)基于飛行時(shí)間( TOF) 原理,通過測量激光發(fā)射機(jī)發(fā)出的激光脈沖信號(hào)與由目標(biāo)反射返回的激光脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔來計(jì)算目標(biāo)距離, 因此

8、, 時(shí)間間隔的測量精度對(duì)目標(biāo)距離的測量精度起決定作用。對(duì)于作用距離均在5Km以內(nèi)，可以不考慮大氣折射對(duì)光速的影響而引起的誤差，系統(tǒng)誤差又可以修正，也不予考慮。由時(shí)間測量電路的計(jì)數(shù)分辨率對(duì)測距精度的影響是很大的。加入測距分辨率為1m,可計(jì)算出分辨率引入的誤差：加上接收機(jī)噪聲引起的誤差、電平閾值引起的誤差、光軸不平行引起的誤差，要達(dá)到1m的測距精度幾乎難以做到。3.2.2 基于TDC-GP2器件延遲線插入法的時(shí)間間隔測量電路時(shí)間間隔測量方法主要有3 種:模擬法、數(shù)字法和數(shù)字插入法, 其中使用延遲線插入法技術(shù)的數(shù)字插入法是脈沖激光測距中精度最高的一種方法。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和激光測距應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)

9、展, 不僅要求在測距精度上不斷提高, 而且要求測距系統(tǒng)朝著數(shù)字化、智能化和小型化的方向發(fā)展, T DC - GP2 是一種高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片, 系統(tǒng)使用了基于數(shù)字延遲線技術(shù)的高精度專用計(jì)時(shí)芯片作精密計(jì)時(shí), 是精密計(jì)時(shí)系統(tǒng)的核心器件。TDC- GP2 內(nèi)部主要由脈沖發(fā)生器、數(shù)據(jù)處理單元ALU 、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器單元TDC、溫度測量單元、時(shí)鐘控制單元、配置寄存器以及與單片機(jī)相接的SPI接口組成。通過外部單片機(jī)的控制, T DC - GP2能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)時(shí)精度為65 ps 的時(shí)間間隔測量。計(jì)時(shí)芯片配置電路如圖所示。 TDC - GP2芯片配置電路其中START 和STOP端口接時(shí)間間隔起止脈沖信號(hào),

10、EN_ST ART 和EN_ ST OP 接單片機(jī)對(duì)START 和STOP 端口進(jìn)行使能控制, 避免由外部干擾帶來的誤觸發(fā)。INIT 為計(jì)時(shí)結(jié)束信號(hào), 低電平有效, 接單片機(jī), 提供讀取計(jì)時(shí)結(jié)果的標(biāo)志; RSET 為T DC -GP2 的復(fù)位信號(hào), 低電平有效, 接單片機(jī), 控制TDC- GP2 的復(fù)位。SSN、SCK、SI、SO 為SPI 總線端口, 連接到單片機(jī)的SPI 端口上, 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與TDC- GP2 的通信。 TDC- GP2 的供電電壓有2 種類型, 其V CC 為芯片功能核心部分供電, 必須使用3. 3 V, 而VIO為芯片I/ O 端口供電, 依外部控制部分傳輸電平的不同可使用3. 3 V 或5 V 供電。單片機(jī)控制電路可完成對(duì)TDC - GP2 工作模式的設(shè)置和計(jì)時(shí)工作的控制, 也可并驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)顯示模塊進(jìn)行顯示;從而形成完整的測距系統(tǒng)。 考慮其他