低成本脈沖激光測距系統(tǒng)研究

馬鴻斌 ，尚建華 ，潘世光 ，羅 遠 ，賀 巖

(1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所 空間激光信息技術(shù)研究中心，上海201800）

0 引言

科技的進步加快了測距技術(shù)的發(fā)展步伐，同時也對測距系統(tǒng)提出了更為苛刻的要求。其中，激光測距技術(shù)利用激光優(yōu)異的單色性以及極窄的脈沖寬度等特點，能夠有效降低地面雜波的影響和背景噪聲的干擾，在超低空或地面目標(biāo)探測等領(lǐng)域具有明顯的探測優(yōu)勢[1]。對于地理勘測以及復(fù)雜地理環(huán)境下的工程測量，激光測距系統(tǒng)能夠提供較高的測距精度[2]。近年來，無人汽車[3]、無人機[4]、機器人等新興技術(shù)的快速發(fā)展離不開高性能的測距技術(shù)，越來越多的新型智能裝備將激光測距系統(tǒng)作為其探測模塊，因此，對激光測距系統(tǒng)的測距性能(測距精度、動態(tài)范圍和數(shù)據(jù)上傳速率等）、功耗以及體積等方面提出了更高的要求，同時也衍生出了新的測距指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)[5]。目前，激光器技術(shù)的發(fā)展成熟以及高靈敏度探測器等光電器件性能的不斷提高給激光測距技術(shù)帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)，如何提高測距系統(tǒng)的測距性能、如何有效降低系統(tǒng)成本、加快其實用化進程是未來激光測距技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。

激光測距系統(tǒng)是激光技術(shù)和現(xiàn)代信息處理技術(shù)的綜合產(chǎn)物，其以激光作為探測媒介，通過對回波信號光的相位、振幅或偏振態(tài)等特征量的處理，計算得到目標(biāo)的距離信息[6-7]。根據(jù)激光測距的工作原理，可將激光測距技術(shù)分為三角測距、脈沖測距、相干測距和光子計數(shù)測距。根據(jù)測距范圍，可將激光測距技術(shù)分為近程、中程和遠程測距[8]。根據(jù)探測方式，可將激光測距技術(shù)分為相干探測方式和直接探測方式。相干探測時，光電探測器是對本振光和信號光的拍頻信號進行響應(yīng)，再通過鑒頻或鑒相處理得出距離信息[9]。直接探測[10]時，光電探測器直接對回波信號光進行響應(yīng)。由于直接探測容易受到背景光的干擾[11]且要求單個回波信號光的能量必須大于光電探測器的等效噪聲功率，因此，常采用響應(yīng)快、噪聲小、靈敏度高的雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，APD）探測微弱的回波信號光并對其進行光電信號轉(zhuǎn)換，其次，在回波信號處理過程中也需要做消噪處理，以便提高測距的準(zhǔn)確度[12]。

目前技術(shù)最為成熟且應(yīng)用最為廣泛的測距方法是脈沖飛行時間測距法和單光子計數(shù)測距法。脈沖飛行時間測距法，是通過測量發(fā)射信號光和回波信號光之間的時間間隔而得到距離信息[13]；單光子計數(shù)測距法，是采用光子計數(shù)和數(shù)學(xué)統(tǒng)計的思想從回波信號光中提取得到距離信息[8，14]。

在信號處理方面，應(yīng)用日益廣泛的無人智能裝備對其搭載的激光測距系統(tǒng)提出了新的要求，系統(tǒng)必須需要具備實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集能力。然而，DSP和ARM的時鐘頻率比較低，僅能在軟件層進行編程，無法滿足實際應(yīng)用時激光測距雷達的數(shù)據(jù)采集和處理要求[15]。相比而言，F(xiàn)PGA的時鐘頻率非常高且內(nèi)部延時短，可直接編程實現(xiàn)相關(guān)邏輯功能，因而可作為激光測距系統(tǒng)的主控芯片，以達到工作可靠、設(shè)計靈活、響應(yīng)迅速等要求。

綜上所述，本文基于脈沖飛行時間測距原理設(shè)計實現(xiàn)了一套脈沖激光測距系統(tǒng)，系統(tǒng)采用直接探測的工作方式，并利用APD實現(xiàn)回波信號光的光電轉(zhuǎn)換；在時序控制及距離信息提取方面，以FPGA作為主控芯片[16]控制激光脈沖的發(fā)射并從回波信號光中提取得到待測目標(biāo)的距離信息。

1 脈沖激光測距系統(tǒng)工作原理

1.1 脈沖飛行時間測距原理

脈沖飛行時間測距法是通過測量發(fā)射激光脈沖與回波激光脈沖的時間間隔(即發(fā)射激光脈沖的往返時間）而得到待測距離信息的[17]。若激光脈沖的往返飛行時間為 t，光在空氣中的速度為 c，則待測目標(biāo)的距離S如式(1）所示。在實際的脈沖激光測距系統(tǒng)中，激光脈沖飛行往返時間t是由系統(tǒng)內(nèi)部的計數(shù)器統(tǒng)計激光脈沖發(fā)射時刻與回波信號光到達時刻之間的時鐘脈沖個數(shù)而計算得到的。如圖1所示，測距系統(tǒng)的工作時鐘頻率為 f(周期為 τ），激光發(fā)射與回波信號到達APD表面之間的時鐘脈沖個數(shù)為n，則待測距離 S可表示為式(2）：

圖1 脈沖飛行時間測距法工作原理

因此，激光脈沖往返時間t的精度將直接影響系統(tǒng)測距分辨率，而往返時間t的精度是由系統(tǒng)工作時鐘的頻率 f決定的(如式(3）所示），提高測距系統(tǒng)工作時鐘頻率f可顯著提高系統(tǒng)的測距分辨率。

1.2 脈沖激光測距系統(tǒng)

如圖2所示，脈沖激光測距系統(tǒng)由三部分組成，一是以FPGA芯片為主的主控模塊，負責(zé)測距系統(tǒng)的時序控制以及數(shù)據(jù)采集和距離信息提??；二是發(fā)射光源部分，主控模塊輸出時序控制信號控制發(fā)射光源的驅(qū)動電路工作，發(fā)射光源按照相應(yīng)的時序要求發(fā)射激光脈沖，經(jīng)光學(xué)發(fā)射單元的光束準(zhǔn)直作用后，垂直入射到待測目標(biāo)表面；三是回波信號光接收模塊，經(jīng)光學(xué)接收單元作用，回波信號光在APD表面聚焦并由APD轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過放大、整形等處理后，F(xiàn)PGA對該信號進行高速采集和實時處理，計算并輸出待測目標(biāo)的距離信息。此外，APD的電流放大增益M決定了其電流放大能力，為了使APD的電流放大能力保持穩(wěn)定，測距系統(tǒng)中還設(shè)計了APD溫度檢測補償模塊，從而提高APD探測回波信號光的可靠性。

圖2 脈沖激光測距系統(tǒng)原理框圖

脈沖激光測距系統(tǒng)的工作波長為905 nm，工作方式為直接探測方式。因此，測距系統(tǒng)中的光電探測器APD只對回波信號光功率進行響應(yīng)。APD主要性能指標(biāo)包括光譜響應(yīng)范圍、量子探測效率、暗電流和最小可探測光功率等，如表 1所示。其中，量子探測效率與APD的工作波長有關(guān)，暗電流會隨APD反向偏置電壓的變化而變化，最小可探測光功率則直接決定了測距系統(tǒng)的最大可測距離。

表1 APD的光電性能指標(biāo)(工作溫度23°）

根據(jù)外加偏置電壓U的大小，APD的工作模式分為蓋革工作模式和線性工作模式兩種。當(dāng)反向偏置電壓U達到反向擊穿電壓UBR時，APD進入蓋革工作模式；當(dāng)反向偏置電壓U小于反向擊穿電壓UBR時，APD工作在線性模式，此時APD輸出電流與入射光功率成正比且容易區(qū)分光電流和暗電流[18]。本文設(shè)計的脈沖激光測距系統(tǒng)中，APD工作在線性模式下。

由于APD是溫度敏感型光電探測器[19]，APD的擊穿電壓UBR會因溫度的變化而改變，如表1所示；對于APD的電流放大增益M，其值與反向偏置電壓U、APD的制作材料以及反向擊穿電壓UBR有關(guān)，如式(4）所示：

其中，m是與APD材料結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。

因此，測距系統(tǒng)中增加了APD溫度檢測補償[20-21]模塊，在反向擊穿電壓UBR隨溫度變化的同時，溫度傳感器實時監(jiān)測該溫度的變化情況并反饋給主控模塊，再由主控模塊中的FPGA設(shè)置相應(yīng)的DA參數(shù)以調(diào)整APD的反向偏置電壓U，進而使反向偏置電壓U和反向擊穿電壓UBR同步變化，最終獲得穩(wěn)定的電流放大增益M。

1.3 時序控制及距離信息提取算法

本文設(shè)計的脈沖激光測距系統(tǒng)是面向近場高精度實時測距的應(yīng)用需求，因此，測距系統(tǒng)中的時序控制以及距離信息的提取均是在FPGA主控芯片上使用Verilog語言編程實現(xiàn)的，包括發(fā)射激光脈沖的時序控制、信號采集、距離信息提取以及溫度補償控制等。

1.3.1 發(fā)射激光脈沖的時序控制

如圖3所示，發(fā)射激光脈沖的時序控制包括設(shè)置發(fā)射激光脈沖的重復(fù)頻率以及相應(yīng)的D/A調(diào)制控制模塊，其中，D/A調(diào)制控制模塊包括控制激光器的DA_LD子模塊和控制APD的DA_APD子模塊兩部分。

1.3.2 回波信號接收

測距系統(tǒng)發(fā)射激光脈沖經(jīng)待測目標(biāo)表面漫反射后，再經(jīng)光學(xué)接收單元、APD、放大整形電路依次作用后，由FPGA中的高速收發(fā)器ALTGX接收。以FPGA高速收發(fā)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)高速D/A芯片是節(jié)省測距系統(tǒng)成本的一個重要因素。當(dāng)測距系統(tǒng)的最大待測距離為30 m時，可將ALTGX的采樣率設(shè)置為 2 Gb/s(采樣周期0.5 ns）。因此，測距系統(tǒng)只需在發(fā)射激光脈沖之后接收200 ns時長、共400個周期的回波數(shù)據(jù)，即可達到測距要求。并且，回波脈沖的到達時刻取脈沖上升沿與下降沿到達時刻的中間值，因此，在距離提取算法中，脈沖飛行時間的精度提升了兩倍，根據(jù)式(2）和(3）可得系統(tǒng)的測距分辨率為 37.5 mm。

圖3 發(fā)射激光脈沖的時序控制

在利用脈沖飛行時間測距法測量距離時，為了降低測距誤差，需要準(zhǔn)確獲得激光脈沖的發(fā)射時刻和回波脈沖信號的到達時刻。若time1和time2為回波脈沖信號上升沿時刻和下降沿時刻對應(yīng)的計數(shù)器值，則回波脈沖信號返回時刻對應(yīng)的計數(shù)器值取二者的平均值，因此，待測距離S可表示為式(5）：

當(dāng)ALTGX完成400個周期的回波數(shù)據(jù)采集之后，再將其以25個16位數(shù)據(jù)并行輸出給后續(xù)處理單元，以提取待測距離信息。

1.3.3 距離信息提取

在計算待測距離信息時，首先由FPGA中的parallel_serial模塊按照設(shè)定的邏輯順序?qū)⑹盏降?5個16位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為400位串行數(shù)據(jù)serial_data并輸出，parallel_serial模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出時序關(guān)系如圖4所示。由于FPGA是以ALTGX輸出的頻率為 125 MHz(周期 8 ns）信號作為工作時鐘(clk）的，因此，parallel_serial模塊完成數(shù)據(jù)采集和串行數(shù)據(jù)輸出至少需要425個工作時鐘，即至少耗時3.4μs。

圖4 parallel_serial的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出時序關(guān)系

然后，上述攜帶有距離信息的400位數(shù)據(jù)被等分為四部分并進行并行數(shù)據(jù)處理，如圖5所示。對于每部分信號，首先在pre_caculation單元中設(shè)定采樣閾值寬度并依次判斷各回波信號的脈寬情況，從而濾除部分無效回波信號，降低背景光等噪聲的干擾。當(dāng)信號脈寬大于閾值寬度時，回波信號被判定為有效數(shù)據(jù)，反之則視為噪聲并加以去除。其次，分別判斷各回波信號上升沿和下降沿的準(zhǔn)確到達時刻，并在distance_caculation單元中依據(jù)測距公式初步計算待測距離值。最后，綜合考慮APD工作溫度、激光器D/A設(shè)定、目標(biāo)反射率等因素的影響，在distance_adjust單元中校正測距結(jié)果，并將校正后的距離值發(fā)送到average_distance單元，與其他三個進程得到的校正距離執(zhí)行累加求平均的算法，最終得出待測目標(biāo)的距離信息。其中，增加累加平均的次數(shù)可進一步提高系統(tǒng)的測距精度，但是也會降低距離信息的計算速度。在提取距離信息的同時，F(xiàn)PGA主控芯片還輸出激光脈沖重復(fù)頻率的控制信號。

由于測距系統(tǒng)中激光的重頻為1 MHz，因此，F(xiàn)PGA主控芯片采用乒乓操作模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和時序控制等功能，進而有效提升了測距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度，優(yōu)化了系統(tǒng)的實時性，使系統(tǒng)能夠快速獲得待測距離信息。

2 實驗驗證

在實驗室條件下，以反射率為0.1的泡沫板為待測目標(biāo)，且泡沫板距離測距系統(tǒng)發(fā)射望遠鏡8.08 m?；谏鲜雒}沖激光測距系統(tǒng)搭建測距性能測試實驗平臺，以初步驗證測距系統(tǒng)的可行性和測距精度。針對泡沫板材料，共進行9組測距實驗，并對回波信號累加平均次數(shù)與測距結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差之間的關(guān)系進行了比較分析，修正了距離提取算法相關(guān)參數(shù)，所得測距結(jié)果如表2所示。由表2可知，測距系統(tǒng)獲得的距離值分布在8.07 m～8.085 m之間，當(dāng)測距值為8.08 m時，測距系統(tǒng)的測距精度可達5.43 mm。

3 結(jié)論

圖5 距離信息提取流程圖

表2 系統(tǒng)驗證測試數(shù)據(jù)

隨著無人駕駛、倉儲報警等新型智能應(yīng)用的不斷推廣，近程高精度激光測距雷達的需求不斷增加，如何降低設(shè)備成本、減小系統(tǒng)功耗和體積、提高測距精度是近程激光測距雷達的一個重要研究方向。本文針對近場測距(30 m）的需求，提出了基于脈沖飛行時間測距法的脈沖激光測距系統(tǒng)設(shè)計方案，借助FPGA主控芯片同時實現(xiàn)時序控制以及信號的高速采集和實時處理。較傳統(tǒng)的高速AD采集芯片而言，本系統(tǒng)中FPGA的高速收發(fā)器ALTGX可顯著降低系統(tǒng)的成本和故障率；并且，通過累加求平均等距離信息提取算法，可在FPGA上實時獲取待測距離信息；在實驗室條件下，通過測距性能驗證實驗，獲得了泡沫板目標(biāo)的距離信息，且系統(tǒng)測距精度可達5.43 mm@8.08 m。相較于市場同類型的產(chǎn)品而言，該測距系統(tǒng)有效提升了近程測距的測距精度，并且降低了系統(tǒng)的生產(chǎn)制造成本。后續(xù)，將深入開展近程測距實驗研究，判斷脈沖激光測距系統(tǒng)的測距性能，測試不同條件下系統(tǒng)的測距能力和測距精度，并通過灰度校正等手段進一步提高系統(tǒng)的測距精度和測距準(zhǔn)確度。