脈沖激光測距誤差分析及精度提高改進方法

于玉亭，涂德鳳

（安徽新華學院 電子通信工程學院，安徽 合肥230008）

激光具有單色性、相干性、方向性和高亮度的特性，且有定距精度高、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點［1］。因此，激光技術在如激光測距、激光測速、激光成像等許多領域都得到了廣泛的應用。由于回波信號的強度和所探測目標的特性有關，而且即使是同一目標、同一距離,若目標和光路的夾角不同，回波的強度也不相同，這就導致經過光電轉換后的脈沖回波信號的形狀和幅度有很大差異。目前，在脈沖激光測距中主要采用的是固定閾值判斷電路，但這種電路會因回波幅值的變化引起轉化后的數(shù)字脈沖前沿時刻變化，引入比較大測距誤差［2-6］。本文在分析脈沖激光測距誤差產生原因的基礎上，通過計算出的激光發(fā)射頻率、電容充放電時間、A／D采樣時間等參數(shù)來設計高精度峰值跟隨電路，并針對脈沖回波信號的特點設計軟件濾波算法來減小測距誤差。

1　誤差來源及分析

根據(jù)激光探測距離方程，激光接收機的回波信號幅值電壓表示為

其中：PT為發(fā)射功率；R為激光測距儀與目標間的距離；θ為激光光束與目標法線間夾角；為接收光學系統(tǒng)透過率；為發(fā)射光學體統(tǒng)透過率；ρ為目標反射率；Ar為接收機有效接收孔面積，為接收孔徑；η為雙程大氣透過率，與激光波長和大氣能見度有關；為探測器的響應靈敏度。探測器測試示意圖如圖1所示。

圖1　探測器測試示意圖

不同目標（土地、沙漠、灌木叢、雪地、水面）的光學反射特性差異很大，且隨著激光探測器發(fā)射光束與目標法線間夾角的不同，目標的反射率也有很大的差別［7］，如表 1 所示。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，最大反射率和最小反射率的比值為0.67/0.05=13.4。假設目標具有漫反射特性，當激光光束與目標法線間夾角從0°增大到60°時，由式（1）可得：相同激光在目標為水面和黑橡膠時的回波幅值比為 13.4/cos 60°=26.8。

表1　各種目標在不同夾角下的反射率

在圖2中，波形1和2分別為與激光探測器探測距離為3 m處的白板和黑板的回波波形，Vt為閾值觸發(fā)電壓。根據(jù)脈沖激光測距公式

計算出的3 m處白板距離L1為

其中：L為激光測距儀到目標的距離，c為光速，T為激光在探測器與目標間往返傳輸?shù)臅r間，t1為探測器接收到3 m處白板回波信號的時間，t0為激光探測器發(fā)射的時間。

由式（2）計算出3 m處黑板的距離L2為

其中t2為探測器接收到3 m處黑板回波信號的時間。

由式（3）、式（4）可以得出：在同一距離下，因目標特性改變而產生的測距誤差ΔL為

采用固定閾值判斷的信號處理方法，目標反射率不同會引起回波信號在幅值和形狀上有差異。從式（5）可以看出：測距誤差大小由固定閾值判斷電路產生的時間誤差Δt決定，時間誤差越大，測距誤差就越大。

圖2　固定閾值判斷測距原理

激光回波信號可近似看作高斯波形，其前沿波形方程為

設激光回波信號延時為tdelay，則經過延遲后的波形方程為

由式（7）可知，當取 t=tdelay=ta+tb時，

這里，ta為系統(tǒng)器件延時時間，tb為激光光束在探測器與目標間往返的時間。

可以看出：在tdelay時刻，回波信號峰值與時間沒有關系，即消除了由回波幅度變化引起的測距誤差。

對同一探測器系統(tǒng)，器件延遲時間是固定的，激光光束在探測器與3 m處白板或黑板間往返時間是相同的，因此同一探測器的激光回波信號延時時間（tdelay）也是相同的。由式（7）可以看出：在tdelay時刻，3 m處的白板和黑板均會產生回波峰值信號，峰值信號的大小由回波信號衰減系數(shù)決定。如圖3所示，波形1為3 m處白板的回波信號，在tdelay時刻峰值電壓為Va；波形2為3 m處黑板的回波信號，在tdelay時刻峰值電壓為Vb。根據(jù)峰值閾值原理，由于回波峰值與時間沒有關系，通過設計峰值跟隨電路進行峰值閾值判斷，就能減小回波信號因幅值和形狀差異使閾值判斷電路產生的時間誤差，從而減小測距誤差。

圖3　峰值閾值判斷測距原理

2　電路及軟件濾波實現(xiàn)

根據(jù)上述分析，采用固定閾值判斷方法的測距誤差受延遲時間誤差影響，時間誤差越大造成的距離判別精度就越低。為此，我們根據(jù)峰值閾值判斷原理，提出了回波峰值閾值判斷方法并設計了峰值閾值判斷電路。這部分主要由峰值跟隨電路、軟件濾波和輔助電路組成。

2.1　峰值跟隨電路

如圖4所示，峰值跟隨電路主要由放大電路、充放電控制回路和射極跟隨電路構成。

1）放大電路。激光回波信號是微弱信號，其幅值一般約為幾十毫伏，而一些目標的反射特性差，回波信號幅值會更小，不利于系統(tǒng)對回波信號峰值的存儲和采樣，因此需要對初始回波信號進行放大。放大電路主要由放大器U2、反饋電阻R4和R5構成。調節(jié)反饋電阻R4和R5的阻值，選擇合適的放大比例，即可實現(xiàn)對回波信號進行無失真放大。

2）充放電控制電路。充放電控制電路由三極管Q1、電阻R7和R8、充放電電容C5組成。放大后的回波信號經二極管D1給電容C5充電。通過調節(jié)發(fā)射周期和C5電容值的方法可保證在一個發(fā)射周期內完成回波信號峰值電壓的存儲和釋放。

峰值跟隨電路各時間窗口參數(shù)計算如下。

其中：T為脈沖激光發(fā)射周期，T1為存儲回波信號峰值的時間，T2為采集和保持回波信號峰值電壓的時間，T3為系統(tǒng)固定延遲時間，T4為電容C5完全放電時間，Ut為電容C5充電后電壓，U0為電容C5充電前電壓，R為充放電回路等效電阻，C為充放電回路等效電容。T2由外圍處理器系統(tǒng)時間（TSYSCLK）、晶振頻率及AD采集芯片的采樣精度（SA）、采集回路等效電阻（RTOTAL）及等效電容（CSAMPLE）共同確定。

3）射極跟隨電路。射極跟隨電路用于前后級間的電路阻抗匹配，由Q2、R9和R10組成。R9和R10組成的分壓電路將峰值電壓按比例縮小后送至單片機進行A／D 采集。

圖4　峰值跟隨電路的設計

2.2　軟件濾波

由于激光探測器在測距過程中受到背景干擾及系統(tǒng)噪聲影響，回波信號幅值會出現(xiàn)階躍性的跳變，而這些跳變容易讓探測器產生虛警判斷，故在發(fā)射周期內，處理器需要對峰值跟隨電路采集到的信號進行軟件濾波，剔除信號中的階躍性雜波。

在激光探測器逐漸接近目標的過程中，回波信號的幅值會隨距離減小而逐漸增大，因此我們采用限幅平均濾波法。具體步驟如下。

1）對每次采樣到的數(shù)據(jù)都進行限幅和時間窗口判斷處理。設Dn為第n個數(shù)據(jù)，tn為采樣到第n個數(shù)據(jù)的時刻，只有當Dn≥Dn-1且tn≥tn-1時Dn才記為有效數(shù)據(jù)。

2）將采樣到的有效數(shù)據(jù)放入隊尾，并去掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)（先進先出原則），再對隊列中的n個數(shù)據(jù)進行算術平均運算，獲得新的峰值電壓。

限幅平均濾波方法對階躍干擾信號有良好的抑制作用，使濾波后的脈沖峰值數(shù)據(jù)平滑度升高，大大方便了后續(xù)信號處理。

2.3　輔助電路

在圖5中，調整R21、R22的阻值可選擇合適的電壓放大倍數(shù)。濾波后的數(shù)據(jù)經數(shù)字調制后送入放大器U2B，放大后的回波峰值電壓信號送入比較器U1的3號引腳，比較器的4號引腳接輸入回波信號，當回波信號幅值達到并超過峰值電壓時，比較器輸出高電平，實現(xiàn)回波信號峰值跟隨功能。

圖5　輔助電路的設計

2.4　實驗結果

在靜態(tài)條件下對所設計的電路進行了測試，示意圖見圖1。目標和激光探測器間距離為3 m，改變夾角θ，測量激光在3 m內往返需要的時間。通過示波器測量得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出：在固定閾值比較方式下，灌木叢、沙地、黑橡膠在 0°、65°、85°三種條件下最大時間誤差 Δt分別為 1 ns、1.2 ns和 1.3 ns，由式（5）計算得到對應的測距誤差分別為0.15 m、0.182 m和0.197 m；在峰值跟隨方式下的最大時間誤差分別為0.3 ns、0.4 ns和0.2 ns，由式（5）計算的對應的測距誤差分別為0.045 m、0.061 m和0.03 m?？梢钥闯觯翰捎梅逯蹈S方式時間誤差較小，且這些誤差主要由硬件系統(tǒng)器件時間延遲和測量誤差引起的，可以通過元器件篩選和采用更高精度的測量儀器來減小。因此峰值跟隨方式下的測距誤差相應較小且可控。

3　結論

在對脈沖激光測距誤差來源進行分析和對固定閾值判斷測距原理進行研究的基礎上，給出了一種回波信號峰值跟隨閾值判斷系統(tǒng)。結合激光回波信號的特點設計了峰值跟隨電路、軟件濾波和輔助電路。在靜態(tài)條件下的測試結果表明：采用峰值閾值判斷方法能提高激光測距精度，通過合理的設計和參數(shù)匹配將高速信號采集轉換為在發(fā)射周期內對峰值電壓的低速采集，避免了高速A／D芯片和處理器的選用。研究工作對激光測距系統(tǒng)的高精度、低功耗、低成本設計有一定的借鑒意義。