1比特激光飛行時間測量方法

郭俊釗

（東莞新創(chuàng)力盈富電子有限公司，廣東 東莞 523700）

1.引言

脈沖激光測距法以其電路結(jié)構(gòu)簡單、功率大等優(yōu)點(diǎn)，在長距離激光測距儀(Laser Rangefinder)中得到廣泛的應(yīng)用。

脈沖激光測距系統(tǒng)的基本原理是測量激光飛行時間(TOF，Time-of-Flight)。常用的時間測量方法有直接測量法和等效測量法。直接測量法即直接精確測量脈沖發(fā)射瞬間和脈沖回波到達(dá)瞬間的時間間隔。這類方法通常簡單、明確，但是對硬件電路的要求高，往往由于精度要求太高而需要使用昂貴的物料。等效測量法即通過各種等效的手段，以低成本、低精度的測量電路實(shí)現(xiàn)高精度的測量精度。這類方法相對復(fù)雜而且往往是通過犧牲測量的速度性能而獲得高精度。

本文提出一種適合大批量手持式激光測距儀使用的結(jié)合1比特技術(shù)和多次平均技術(shù)的直接測量方法。在低成本的硬件結(jié)構(gòu)下，又保持測量的精度和測量的速度。

2.脈沖激光測距原理

脈沖激光測距原理是測量激光飛行時間，通過測量激光回波到達(dá)時刻點(diǎn)與發(fā)射時刻點(diǎn)之間的間隔即可以得出激光飛行距離。

飛行一次的時間。分析上式可知D的精度和誤差完全取決于對T測量的精度和誤差。

對于數(shù)字式直接測量法

其中Fclk為數(shù)字式計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率，N為T時間內(nèi)測出的時鐘個數(shù)。由式(2)可以知數(shù)字式直接測量法的測量精度、誤差以及最大量程，由計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率、頻率穩(wěn)定度和最大計(jì)數(shù)值確定。以精度為1米、量程為1000米計(jì)算，要求計(jì)數(shù)頻率為150MHz、最大計(jì)數(shù)值1000。

根據(jù)上面的討論可知實(shí)現(xiàn)廉價而可靠的數(shù)字式直接測量法需要解決以下兩個主要問題：

(1)在較低的功耗下盡量提升測量頻率。

(2)提升信號信噪比，減少誤判。

3.1比特激光飛行時間測量方法

3.1 測量方法原理

如圖1描述，信號檢測電路將激光回波的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑦M(jìn)行約10萬倍的放大；信號積分電路產(chǎn)生回波電信號的背景參考電平。兩路信號同時輸入高速比較器后，當(dāng)回波信號偏離背景參考電平時就產(chǎn)生回波數(shù)字脈沖。調(diào)節(jié)信號積分電路使背景參考電平與回波信號背景真值非常接近時，高速比較器進(jìn)入高靈敏狀態(tài)，即使很弱的光信號都可以被檢測出來。

圖1 1比特測量方法原理框圖

3.2 高速直接測量

圖1所示的數(shù)據(jù)處理電路部分由高速低功耗FPGA實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)有技術(shù)下，200MHz左右的數(shù)字電路已經(jīng)可以用廉價的低功耗FPGA實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理電路以150MHz的速率記錄高速比較器的輸出信號并儲存在內(nèi)部SRAM中，稍后通過處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。整個數(shù)據(jù)處理電路的功耗可以控制在15mW左右。

3.3 數(shù)值平均方法

當(dāng)高速比較器處在高靈敏狀態(tài)是，很弱的光信號可以被檢測出來的同時，很弱的電噪聲信號也會被檢測出來，這樣導(dǎo)致輸出信號的信噪比惡化甚至使有效信號被淹沒在電噪聲產(chǎn)生的脈沖之中。

使用多次平均法，可以有效提升信號的信噪比，使系統(tǒng)有更強(qiáng)的抗干擾能力。對輸入信號進(jìn)行N次采樣求平均后獲得輸出信號，其信噪比為輸入信號的。實(shí)現(xiàn)的前提是輸入信號攜帶的噪聲為隨機(jī)噪聲，其數(shù)學(xué)期望為0。

4.測試結(jié)果分析

4.1 等效采樣精度

實(shí)測中在設(shè)計(jì)量程0－1000m上，分別在10－20m，100－110m，200－210m，300－310m以1m為間隔分別對測距儀的測量精度進(jìn)行測試，平均誤差為0.5m。下圖為200－210m上的誤差曲線。

圖2 等效采樣精度測試結(jié)果

4.2 多次平均技術(shù)對信噪比的改善

下圖給出了分別在30db信號和10db信號下多次平均技術(shù)對信號信噪比的改善，可以看到信號得到了明顯改善。

4.3 掃描速度

1比特技術(shù)最大的優(yōu)勢是掃描速度，在10db信號下獲取500米外墻體目標(biāo)的平均時間是0.5秒，較等效采樣技術(shù)提升約3倍的時間。

5.結(jié)論

本文在利用廉價低功耗FPGA硬件平臺下以直接測量方式實(shí)現(xiàn)了激光飛行時間測量系統(tǒng)。在保持了1米的測量精度的前提下，將系統(tǒng)的最小可檢測信噪比從15－20dB壓縮到5dB，而平均測量速度提升3倍。本文所做工作已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)室測試和實(shí)地測試并已經(jīng)投入量產(chǎn)。

圖3 多次平均技術(shù)對信噪比的改善

[1]郭俊釗. 等效采樣與數(shù)值平均相結(jié)合的激光飛行測量方法[J].電腦與電信，2009，4：68-71.

[2]A.Kilpel，J.Kostamovaara.A laser pulser for a TOF laser radar.Review of Scientific Instruments[J].1997，68(6)：2253-2258.