提高激光脈沖測距精度的方法

海軍工程大學(xué) 朱星宇 梁善永

提高激光脈沖測距精度的方法

海軍工程大學(xué) 朱星宇 梁善永

脈沖激光測距是通過測量激光從發(fā)射到返回之間的時間來計(jì)算距離的。首先，分析了影響脈沖激光測距精度的三大主因——核心計(jì)時器件計(jì)時精度、回波信號波形幅度起伏、接收系統(tǒng)帶寬特性及其對激光測距精度的影響。其次，設(shè)計(jì)了基于專用高精度計(jì)時芯TDCGP21的計(jì)時電路，將傳統(tǒng)晶振式測距機(jī)的計(jì)時精度提高到厘米量級；設(shè)計(jì)了基于恒定比值鑒別的時刻鑒別電路，避免因回波信號波形幅度起伏對測距精度的影響；給出了確定接收系統(tǒng)最佳帶寬的方案。上述三項(xiàng)改進(jìn)，提高了脈沖激光測距系統(tǒng)的精度。

激光測距; 測距精度; 校正

0 引言

激光測距技術(shù)是一種非接觸測量方法，對電子干擾不敏感，抗干擾能力強(qiáng)，測量精度高。與一般光學(xué)測距技術(shù)相比，它操作方便，系統(tǒng)簡單且晝夜都可以工作的優(yōu)點(diǎn)。激光測距無論是在軍事應(yīng)用，還是在科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)建設(shè)方面都起著重要作用。由于激光測距儀結(jié)構(gòu)小巧，攜帶調(diào)整方便，故激光測距儀是目前測距中較為理想的儀器。脈沖激光測距是一種以短脈沖激光為載體，對激光傳輸路徑上的目標(biāo)進(jìn)行高精度距離測量的技術(shù)，具有測量距離遠(yuǎn)、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

本文分析了現(xiàn)有脈沖激光測距機(jī)的誤差源及誤差形成機(jī)理，提出了用于提高脈沖激光測距機(jī)測距精度的方案。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，該改進(jìn)能夠顯著提高激光測距機(jī)距離精度。

1 脈沖激光測距精度的誤差分析

1.1 核心計(jì)時器件對測距精度的影響分析

傳統(tǒng)激光測距機(jī)通常采用30MHz晶振作為測距系統(tǒng)的核心計(jì)時器件，精度為±5米，計(jì)時原理如圖1所示。從圖中可以看出，測距機(jī)在激光發(fā)射時發(fā)出起始信號，用于觸發(fā)計(jì)時器計(jì)時；在接收到回波信號后觸發(fā)結(jié)束信號，用于停止計(jì)時器計(jì)時。通過計(jì)算起始信號和結(jié)束信號到達(dá)時刻之間的脈沖個數(shù)，換算成距離值，即可得到距離測量結(jié)果。測量距離的計(jì)算公式為：

式中，L為測量距離，c為光速，t為激光在空氣中的飛行時間。

圖1 晶振計(jì)時原理示意圖

從圖1和式1的分析中可以看出，起始信號和結(jié)束信號是在時鐘的上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)的，因此晶振作為核心計(jì)時器件，它的精度直接決定了測距機(jī)的精度。激光的實(shí)際測量距離值為：

式中，晶振計(jì)數(shù)為，和分別表示起始信號、終止信號與晶振上升沿的時差。可見，實(shí)際引入的誤差大小為。與晶振頻率有關(guān)，晶振頻率越高，計(jì)時誤差越小。但受限于晶振工藝、成本、時鐘抖動及溫漂等因素，選用晶振的頻率不可能無限制提高。

1.2 回波信號波形幅度起伏對測距精度的影響分析

圖1中的起始信號和終止信號是由接收系統(tǒng)接收放大，觸發(fā)比較器形成的快邊沿秒沖。當(dāng)目標(biāo)距離和反射率不同時，回波信號的信號峰值也不同，回波信號的這一波形幅度起伏將嚴(yán)重影響測距精度。圖2為兩個不同幅度的回波信號波形，當(dāng)采用同一閾值功率的比較器對兩個回波信號進(jìn)行比較操作時，將產(chǎn)生誤差。

圖2 回波信號波形幅度起伏對測距精度的影響

設(shè)脈沖激光回波信號的瞬時功率時域分布可表示為：

式中，為高斯波形的均方根寬度。令：

式中，為激光測距機(jī)接收到的最小與最大功率的比值，根據(jù)式（4）推導(dǎo)出因波形幅度起伏引起的距離起伏最大量為：

式中，為接收系統(tǒng)動態(tài)范圍的倒數(shù)。

1.3 接收系統(tǒng)帶寬特性對激光測距的影響分析

激光測距機(jī)對遠(yuǎn)處目標(biāo)的激光后向散射回波信號的波形形狀有較好恢復(fù)，這要求接收系統(tǒng)具有非常高的頻帶寬度，保證低失真地再現(xiàn)回波脈沖波形。然而，系統(tǒng)帶寬并不能過寬，不必要的帶寬性能會引入更多的噪聲，降低探測系統(tǒng)的信噪比。因此，在保證信號有效帶寬的前提下，需要限制系統(tǒng)的通頻帶來對噪聲進(jìn)行有效抑制。

2 提高激光測距精度的方案及分析

2.1 基于TDC-GP21的測距精度提高方案

我們利用德國ACAM公司生產(chǎn)的GP-2作為核心計(jì)時芯片，代替普通晶振實(shí)現(xiàn)更高精度的計(jì)時，其最小分辨率是65ps，對應(yīng)1cm精度。均方根（rms）抖動大約是 50ps，性能遠(yuǎn)高于晶振計(jì)時方案。

TDC 是以信號通過內(nèi)部門電路的傳輸延時來進(jìn)行高精度時間間隔測量的。圖3顯示的是這種測量絕對時間 TDC 的主要架構(gòu)。在測量時，通過計(jì)算開始信號和結(jié)束信號時間間隔內(nèi)通過的邏輯門的個數(shù)，就可以精確計(jì)算出兩個信號start和stop之間的時間間隔。芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、擔(dān)保電路和特殊的布線方式保證芯片可以精確地記下信號通過門電路的個數(shù)。

圖3 TDC核心計(jì)時芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4為基于TDC GP-2核心計(jì)時芯片的激光測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，激光發(fā)射裝置發(fā)射激光的同時，將激光同步發(fā)送到start端口，開始進(jìn)行時間差測量。當(dāng)激光打到物體上產(chǎn)生回波時，探測器接收到回波并產(chǎn)生一個stop信號。然后從start到stop信號之間的時間差就會被TDC-GP2精確測量并且記錄下來，用于測算目標(biāo)距離。

圖4 基于TDC GP-2核心計(jì)時芯片的激光測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 基于恒定比值鑒別的測距精度提高方案

高精度時刻鑒別是實(shí)現(xiàn)高精度激光脈沖測距的基礎(chǔ)。目前，常用的時刻鑒別方案有：前沿鑒別、高通阻容過零鑒別、恒比定時鑒別。為避免回波信號波形幅度起伏對測距精度的影響，這里選用恒比定時鑒別方案。

圖5 恒比定時鑒別電路圖

恒比定時鑒別電路如圖5所示，其由高速比較器、D 觸發(fā)器和輸入電路組成。R1、R3、R4 分別為三路信號的阻抗匹配電阻。圖5中共使用了兩個高速比較器，其中A1 作為恒定比值時刻鑒別比較器，A2作為預(yù)鑒別比較器。調(diào)節(jié) VR即可改變預(yù)鑒別比較器的預(yù)鑒別閾值。通過恒比定時鑒別的方案，可以使不同幅值的信號用不同的閾值功率去比較，使得在比較過程中測得的信號時刻更加精準(zhǔn)，不會因?yàn)樾盘柗却笮《a(chǎn)生誤差。

2.3 接收系統(tǒng)最佳帶寬的確定方案

放大器的上升時間和帶寬緊密相關(guān)，所以這就要求放大器具有非常高的頻帶寬度，才能保證低失真的再現(xiàn)回波脈沖波形。而過寬的系統(tǒng)帶寬將引入更大噪聲，因此，存在一個最佳接收系統(tǒng)帶寬。本文采用下述設(shè)計(jì)步驟：

圖6 測量光源脈沖波形的實(shí)驗(yàn)示意圖

圖7 激光器脈沖光信號

（1）將接收器帶寬同光源脈沖相匹配，得到放大器的設(shè)計(jì)帶寬BWdesign。設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)粗測光源脈沖的波形，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖6。為使測量系統(tǒng)對信號波形形狀有較好的保持，需要測試系統(tǒng)有更寬的帶寬，但由于條件所限，探測器件選用450ps上升時間的APD，型號為SAE500VS3，采集系統(tǒng)采用Agilent5460A示波器（模擬帶寬350MHz，最高采樣率2GSa/s）。測量得到的脈沖波形如圖7?？梢钥吹剑庠葱盘?0%～90%上升時間。

根據(jù)光源信號10%～90%上升時間確定光信號接收系統(tǒng)上限截止頻率，并確定放大器的設(shè)計(jì)帶寬。放大器的帶寬值應(yīng)為：

考慮到雪崩管和示波器的帶寬限制會使接收信號的上升時間變緩，從而使示波器屏幕上看到的信號的帶寬要小于實(shí)際信號的帶寬，故將放大器帶寬設(shè)計(jì)指標(biāo)適當(dāng)加寬，取放大器設(shè)計(jì)帶寬。

（2）從BWdesign出發(fā)，對放大芯片OPA657外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)并獲得該帶寬下的跨導(dǎo)增益。由OPA657器件資料可知，當(dāng)其工作于跨導(dǎo)方式下時，其-3dB帶寬可用下式近似描述為：

圖8 跨導(dǎo)放大器的實(shí)測頻率特性曲線

（3）實(shí)測OPA657的帶寬

圖8為實(shí)測的opa657系統(tǒng)帶寬，從圖8中可以看到，該跨導(dǎo)放大器頻率特性曲線近似保持直線,在80MHz以下的頻率上保持了非常好的頻率響應(yīng)，說明增益基本保持恒定。在80MHz附近，增益減小了近似-3dB，得出該跨導(dǎo)放大器的-3dB帶寬約為80MHz，恰好與前文提出的設(shè)計(jì)帶寬相近。

3 結(jié)論

本文通過分析影響脈沖激光測距精度的三大主因，設(shè)計(jì)了基于專用高精度計(jì)時芯片TDC-GP21的計(jì)時方案、基于恒定比值鑒別的時刻鑒別方案并給出了確定接收系統(tǒng)最佳帶寬的方案。將傳統(tǒng)晶振式測距機(jī)的計(jì)時精度提高到厘米量級，并有效避免了因回波信號波形幅度起伏和系統(tǒng)帶寬參數(shù)對測距精度的影響。通過上述改進(jìn)，有效提高了脈沖激光測距系統(tǒng)的精度。

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