高分辨率激光回波模擬器的誤差分析及標(biāo)定

王小麗，王勁松，李奇，蕭云峰

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

高分辨率激光回波模擬器的誤差分析及標(biāo)定

王小麗，王勁松，李奇，蕭云峰

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

激光回波模擬器是為脈沖激光測距儀進(jìn)行性能檢測提供高精度模擬距離的一種裝置，其精度直接影響激光測距儀的測距精度。針對基于FPGA電子延時的高分辨率激光回波模擬器，根據(jù)回波模擬器的組成及原理，對系統(tǒng)中存在的誤差進(jìn)行理論分析。提出了用高頻示波器標(biāo)定其精度的方法，利用差分原理對激光回波模擬器的模擬距離進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)果表明，標(biāo)定結(jié)果與理論分析相符，利用該標(biāo)定方法可知此激光回波模擬器的延時誤差小于2ns，即模擬距離誤差小于0.3m。

激光測距；回波模擬；測距精度；標(biāo)定；誤差

激光測距儀因具有測距精度高、速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，使其在軍事領(lǐng)域得到十分廣泛的應(yīng)用［1-3］。它的工作原理是通過測量發(fā)射激光與返回激光之間的時間差，來探測激光測距儀與被探測物之間的距離［4，5］。

脈沖測距儀的性能檢測實(shí)驗要想在實(shí)驗室條件下進(jìn)行，就需要一種距離模擬系統(tǒng)。激光回波模擬器是一種以精確延時后的激光脈沖代替從物體反射回來的激光回波的距離模擬裝置，它的精度直接影響激光測距儀的精度，因此回波模擬器的標(biāo)定十分重要。

回波模擬器的延時方法主要有兩種，分別是光學(xué)延時法和電子延時法［6-8］。國內(nèi)已經(jīng)有人對光學(xué)延時法的回波模擬器進(jìn)行標(biāo)定［9］。如：在2013年，西安工業(yè)大學(xué)的權(quán)貴秦等人，采用差分原理對光纖延遲法的回波模擬器進(jìn)行標(biāo)定，精度可達(dá)0.105m。對于電子延時法的回波模擬器，目前還沒有一種有效的標(biāo)定方法。

本文針對分辨率為0.1m的采用基于FPGA電子延時法的高分辨率激光回波模擬器，利用高頻示波器進(jìn)行延遲時間測量實(shí)驗，從而根據(jù)時間距離公式推導(dǎo)出回波模擬器的模擬距離。根據(jù)回波模擬器的組成及工作原理，對影響標(biāo)定的誤差因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明，理論分析與標(biāo)定結(jié)果相符，此激光回波模擬器的延時誤差小于2ns，即模擬距離誤差小于0.3m。

1 回波模擬器的標(biāo)定原理

1.1 回波模擬器的工作原理

激光回波模擬器由激光接收單元、時間延遲單元、激光發(fā)射單元三部分組成［10］。

其組成原理框圖如圖1所示。

圖1 回波模擬器組成原理框圖

在時間延遲單元中，可通過FPGA設(shè)置計時脈沖數(shù)來模擬延遲時間。系統(tǒng)工作時，激光接收單元接收從測距儀發(fā)出的激光主波，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和整形后，以TTL電平脈沖的形式觸發(fā)時間延遲單元。經(jīng)過預(yù)先設(shè)置的延遲時間后，脈沖信號觸發(fā)驅(qū)動電路驅(qū)動激光器發(fā)射激光，該激光作為回波信號被激光測距儀接收。設(shè)回波模擬器的模擬距離值為L，激光脈沖走過的時間為T，得到如下公式：

式中，C為光速，C=3×108m/s。T為激光脈沖走過的時間。由圖1可知，該時間在回波模擬器中對應(yīng)三部分，即接收和發(fā)射器件的響應(yīng)時間T1，F(xiàn)PGA計數(shù)延遲時間T2和整形電路與驅(qū)動電路的響應(yīng)時間之和T3。因此，回波模擬器公式（1）可表示為：

其中，T2=N?T0，N為延時計數(shù)脈沖數(shù)，T0為FPGA時鐘周期。

回波模擬器的誤差公式可表示為：

其中，ΔT1為接收和發(fā)射器件響應(yīng)誤差，ΔT2為FPGA計數(shù)延遲誤差，ΔT3為整形電路和驅(qū)動電路響應(yīng)誤差。

1.2 回波模擬器的標(biāo)定原理

在公式（3）中，探測器和激光器的響應(yīng)誤差ΔT1可由產(chǎn)品出廠測試報告得到，F(xiàn)PGA計數(shù)延遲時間T2和電路的響應(yīng)時間T3可由高頻示波器雙通道差分測量，對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算可得出計數(shù)延遲誤差ΔT2和電路響應(yīng)誤差ΔT3。

FPGA計數(shù)延遲時間的測量方法如圖2所示，采用1GHz采樣頻率的示波器連接FPGA電路板的兩端，設(shè)置回波模擬器的模擬距離，每個模擬距離對應(yīng)一個脈沖往返的時間，也對應(yīng)一個FPGA延遲時間，觀察示波器的波形，讀出所測得的延遲時間T2，計算出誤差ΔT2。

圖2 回波模擬器標(biāo)定實(shí)驗原理圖

同理可用示波器的兩個通道分別放在整形電路的輸入輸出端和驅(qū)動電路的輸入輸出端來測量兩個電路的響應(yīng)時間之和T3，計算出響應(yīng)誤差ΔT3。

2 回波模擬器的誤差分析

由公式（3）可知，回波模擬器的模擬距離誤差主要取決于系統(tǒng)各部分的延遲時間誤差。在圖1所示的回波模擬器系統(tǒng)中，延遲時間主要受以下因素影響。

2.1 接收和發(fā)射器件響應(yīng)時間誤差ΔT1

本回波模擬系統(tǒng)的探測元件選用的是FGA01FC型雪崩光電二極管，發(fā)光原件選用的是C86119EH型半導(dǎo)體脈沖激光器。根據(jù)產(chǎn)品手冊可知，探測器的響應(yīng)時間為2ns，激光器的響應(yīng)時間＜1ns，兩者的響應(yīng)誤差ΔT1約為0.1ns。

2.2 FPGA計數(shù)延遲誤差ΔT2

時間延遲單元中的延遲時間等于計數(shù)器所計數(shù)的脈沖個數(shù)乘以時鐘周期。計數(shù)器的時鐘頻率是外部晶體振蕩器通過FPGA內(nèi)PLL鎖相環(huán)倍頻到550MHz得到的。計數(shù)器的計數(shù)個數(shù)誤差為±1，則對應(yīng)計數(shù)時間誤差ΔT2約為±=1.82ns。

2.3 接收電路和驅(qū)動電路響應(yīng)誤差ΔT3

信號在電路中傳播時，由于寄生電阻、電容、供電電壓等因素的存在，會造成的信號響應(yīng)誤差。由于實(shí)驗是在室內(nèi)進(jìn)行的，實(shí)驗條件變化很小，所以電路的響應(yīng)誤差ΔT3可控制在0.2ns以內(nèi)。

綜上所述，根據(jù)誤差合成公式可得，回波模擬器的總延時誤差為：

回波模擬器距離模擬誤差為：

3 回波模擬器的標(biāo)定實(shí)驗

由公式（3）可知，對激光回波模擬器模擬距離的標(biāo)定，其實(shí)就是對各部分延遲時間的標(biāo)定，標(biāo)定實(shí)驗所需的設(shè)備有激光回波模擬器、激光測距儀、探測器、激光器和高頻示波器?；夭M器的標(biāo)定實(shí)驗裝置圖如圖3所示，將回波模擬器與激光測距儀等設(shè)備相連接，對系統(tǒng)進(jìn)行校正，去除激光器和探測器的響應(yīng)時間。

圖3 回波模擬器標(biāo)定實(shí)驗裝置圖

按圖2所示的原理圖搭建實(shí)驗裝置，利用差分原理來驗證FPGA的延時精度。用示波器的兩個探針分別插在FPGA電路板的兩端，通過對比示波器所測延時與FPGA所設(shè)置延時的差值，來計算延時誤差。

圖4 距離模擬值為45m時所測得示波器波形圖

圖4為FPGA設(shè)置310ns時所對應(yīng)的示波器波形圖。從圖中可看出，當(dāng)FPGA設(shè)置310ns時，示波器的示值為310.8ns，即此時FPGA的延遲時間為0.8ns。

實(shí)驗時，將FPGA延遲時間分別設(shè)置為400ns、500ns、600ns、700ns，用示波器對每個FPGA延遲時間分別測6次，測試結(jié)果如表1所示。

表1 FPGA延遲時間測量結(jié)果

計算四組數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，計算結(jié)果如表1所示，F(xiàn)PGA的延時標(biāo)準(zhǔn)差小于1.4，所以該標(biāo)定系統(tǒng)比較穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)可靠。

按測量FPGA延遲時間的方法，用示波器分別測量整形電路和驅(qū)動電路的響應(yīng)時間，并分別計算其響應(yīng)誤差，兩者的響應(yīng)誤差之和為t2。表2為電路響應(yīng)誤差和FPGA延遲誤差的測量結(jié)果。

表2 響應(yīng)誤差測量數(shù)據(jù)表

由表2可得，回波模擬系統(tǒng)總延時誤差為：

模擬距離誤差為：

由計算可知，實(shí)驗驗證與理論分析相符，回波模擬器的延時誤差為2ns，所對應(yīng)模擬距離為0.3m。標(biāo)準(zhǔn)差小于1.4ns，系統(tǒng)比較穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文針對基于FPGA電子延時法的高分辨率回波模擬器，根據(jù)其系統(tǒng)組成及工作原理，分析了系統(tǒng)中存在的誤差。用高頻示波器分別測試了回波模擬器的電路響應(yīng)誤差和FPGA延時誤差。在回波模擬器有效模擬距離范圍內(nèi)，測得其延時誤差小于2ns，模擬距離精度小于0.3m，且測量標(biāo)準(zhǔn)差小于1.4ns，標(biāo)定系統(tǒng)穩(wěn)定。該標(biāo)定方法解決了高分辨率回波模擬器的標(biāo)定問題，適用于其它類型電子延時法的高分辨率回波模擬器。

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Error Analysis and Calibration of High Resolution Laser Echo Simulator

WANG Xiaoli，WANG Jinsong，LI Qi，XIAO Yunfeng
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

The laser echo simulator is a kind of device which provides high precision analog distance for performance detection of pulsed laser range finder.The precision directly affects the accuracy of laser range finder.Aiming at the high resolution laser echo simulator based on FPGA electronic delay，the error of the system is analyzed theoretically according to the composition and prin?ciple of the echo simulator.The method of calibrating the accuracy of high frequency oscilloscope is proposed，and the simulation distance of laser echo simulator is calibrated by difference principle.The results show that the calibration results are in agreement with the theoretical analysis，Using this calibration method，the delay error of the laser echo simulator is less than 2ns，the simu?lation distance error is less than 0.3m.

laser ranging；echo simulation；ranging accuracy；calibration；error

TN249

A

1672-9870（2017）02-0050-03

2017-03-08

王小麗（1990-），女，碩士研究生，E-mail：1363221783@qq.com

王勁松（1973-），男，博士，副教授，E-mail：soldier_1973@163.com