高精度脉冲激光测距电路的研究

1、提高度脉冲激光测距高精的方法研究一、概述激光测距因其主动性、准直性以及相干性等特广泛应用于激光雷达、激光制导、激光近距探测军事及民用领域。激光测距的基本原理是通过对脉冲往返于测距仪和被测目标之间的传播时间检测来实现距离的测量的。传统激光脉冲计数法测距的测量精度不高，一般为分米量级，大大地限制了在这样的情况下，虽然可以引入数字/模拟内插术，将待测量时间进行放大处理，或进多周期的统计平均测量，但这些处理方式较为复杂，而且单次测量时也很长，不利于激光测距机的高精度、小型化、轻量化的发展方向，大大限制了这类仪器的使用范围。为克服传统脉冲激光测距中存在的提高测距精度和缩短测量时间两者之间的矛盾，本文提出

2、了基于恒比值时点判别技术、光路系统误差修正补偿技术、高精度时间间隔测量技术相结合起来实现的一种中短距离高精度激光脉冲测距方法，该方法比传统脉冲重复频率测量方法具有更高的测量精度和更快的测量速度，并且有效摆脱了时间间隔测量能力对测距精度的根本限制。二、脉冲激光测距原理脉冲测距仪发射出的激光激光据脉冲，经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间t，光速c 和往返时间t 的乘积的一半，即：D=（C.t）/2 测距仪系统组成图三、影响测距精度的主要因素及解决方法3.1、激光回波脉冲幅度对测距精度的影响及解决方法3.1.1 激光回波脉冲幅度对测距精度的影响分析在脉冲式激光测距系统中

3、，整个接收部分要完成的功能是将光学脉冲转换为电压幅度信号，并且提取准确的时间鉴别点，以便进行时间间隔测量。目前常用的方法是，时间鉴别点从脉冲信号的边沿鉴别，这种前沿鉴别技术是通过脉冲前沿与一恒定阈值电压进行比较而触发形成接收脉冲信号。如果脉冲信号幅度变化，时间鉴别点的位置也将变化，从而产生相位误差从而影响测距精度在不考虑信号饱和引起的延时误差外，实际上，接收信号的幅度主要依赖于测量距离，目标的反射率及目标的角度。即这个动态的范围依赖于具体的应用，很可能是1：1000或是更高，此环节由回波信号前沿（15-20ns）对测距精度的影响如下图所示(v1为触发阈值)。 回波前沿的影响对不同幅度的输入波形

4、，触发时间分别为t1、t2，最大t0约为/2,显然回波信号幅度引起的触发误差为： 1 2= - .- .- =0.5m3 2 c其中为脉宽、c为光速。因此要提高测距精度，首先要克服信号幅度的变化应该不影响对事件的时间鉴别。这也是是高精度脉冲式激光测距系统中必须解决的一项关键技术。3.1.2 基于恒比定时的阈值点判别方法目前可采用的时间鉴别技术主要有恒比定时触发技术、信号质心检测技术等，其中恒比定时法是将一个高斯钟形脉冲转换为前沿不受输入信号幅度变化影响的矩形脉冲信号，从而达到触发时刻与信号输入时刻的信号相位固定。原理如下图所示。 恒比定时触发器原理框图采用恒比定时法处理后回波示意图 由上图可以

5、看出, 回波幅度较大的信号f 1 ( t) 产生的衰减信号f1 ( t0) 和延迟信号f c1 ( t) 的交点和幅度较小的信号f 2 ( t) 产生的衰减信号f2 ( t) 和延迟信号f c2 ( t) 的交点在时间轴上的坐标相等同为t1 ,即交点的时间和幅度没有关系。3.1.3 恒比定时处理电路设计根据上述原理,同时结合激光接收电路的实际情况,设计的阈值电路如下图所示。 恒比定时处理电路图 恒比定时主要由R2 ,R3 ,L1 ,R6 和U2 构成。其中恒比延时电路需要对收到的回波信号进行无失真的延时,如果波形发生畸变,那么和衰减后的信号的交点的位置就会发生改变,从而影响时间的测量精度。采用

6、低通滤波器来替代延时线,进行工程上的近似，采用L1 和R6 构成的低通滤波器来起到对信号进行延时的作用。由R2 和R3 构成衰减网络,对信号进行衰减。这样恒比延迟后的信号进入比较器U2 的正极,衰减信号进入比较器的负极。由于在衰减信号到来的时候恒比延迟信号还没有到来,故比较器的V + 小于V - 输出为低电平, 当恒比延迟信号到来后逐渐增大,由于恒比延迟信号的峰值必然大于衰减信号的峰值,到某一时刻恒比延迟信号和衰减信号相等,到下一时刻V + 大于V - 比较器输出高电平,从而得到回波的时间信息。 从理论上知当信号到来之前比较器输入端电压相等,这样会使比较器输出不稳定,甚至出现震荡,因此加入偏置

7、电路U3防止出现震荡。在衰减信号和恒比延迟信号的交点处给恒比延迟信号加上一个固定的电平,幅值的大小为比较器翻转的临界值,从而解决这一问题。通过恒比定时处理后，激光回波信号示意图如下图。 恒比定时触发电路对回波信号的处理结果通过恒比定时处理电路处理后，当回波信号从0.150. 75 V 间变化时,衰减波形和延迟波形的交点时间变化小于等于2 ns。3.2、激光回波时间测量方法对测距精度的影响及解决方法3.2.1 激光回波时间测量方法对测距精度的影响分析 脉冲激光测距技术基于飞行时间( TOF) 原理,通过测量激光发射机发出的激光脉冲信号与由目标反射返回的激光脉冲信号的时间间隔来计算目标距离, 因此

8、, 时间间隔的测量精度对目标距离的测量精度起决定作用。对于作用距离均在5Km以内，可以不考虑大气折射对光速的影响而引起的误差，系统误差又可以修正，也不予考虑。由时间测量电路的计数分辨率对测距精度的影响是很大的。加入测距分辨率为1m,可计算出分辨率引入的误差：加上接收机噪声引起的误差、电平阈值引起的误差、光轴不平行引起的误差，要达到1m的测距精度几乎难以做到。3.2.2 基于TDC-GP2器件延迟线插入法的时间间隔测量电路时间间隔测量方法主要有3 种:模拟法、数字法和数字插入法, 其中使用延迟线插入法技术的数字插入法是脉冲激光测距中精度最高的一种方法。随着数字技术的发展和激光测距应用领域的不断扩

9、展, 不仅要求在测距精度上不断提高, 而且要求测距系统朝着数字化、智能化和小型化的方向发展, T DC - GP2 是一种高精度时间数字转换芯片, 系统使用了基于数字延迟线技术的高精度专用计时芯片作精密计时, 是精密计时系统的核心器件。TDC- GP2 内部主要由脉冲发生器、数据处理单元ALU 、时间数字转换器单元TDC、温度测量单元、时钟控制单元、配置寄存器以及与单片机相接的SPI接口组成。通过外部单片机的控制, T DC - GP2能够实现计时精度为65 ps 的时间间隔测量。计时芯片配置电路如图所示。 TDC - GP2芯片配置电路其中START 和STOP端口接时间间隔起止脉冲信号,

10、EN_ST ART 和EN_ ST OP 接单片机对START 和STOP 端口进行使能控制, 避免由外部干扰带来的误触发。INIT 为计时结束信号, 低电平有效, 接单片机, 提供读取计时结果的标志; RSET 为T DC -GP2 的复位信号, 低电平有效, 接单片机, 控制TDC- GP2 的复位。SSN、SCK、SI、SO 为SPI 总线端口, 连接到单片机的SPI 端口上, 实现单片机与TDC- GP2 的通信。 TDC- GP2 的供电电压有2 种类型, 其V CC 为芯片功能核心部分供电, 必须使用3. 3 V, 而VIO为芯片I/ O 端口供电, 依外部控制部分传输电平的不同可使用3. 3 V 或5 V 供电。单片机控制电路可完成对TDC - GP2 工作模式的设置和计时工作的控制, 也可并驱动数据显示模块进行显示;从而形成完整的测距系统。 考虑其他