自觸發脈沖激光測距飛行時間測量研究

楊曉，孫釗

（西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710032）

相對于相位式激光測距等連續波測距方法，脈沖激光測距結構簡單，測程遠，測量速度快，因而得到廣泛的應用。但是脈沖激光測距的缺點在于單脈沖測量精度不高，目前，單脈沖激光測距精度在實際應用中只能達到厘米量級，難以達到毫米量級。要達到更高的測量精度，只能通過對多次單脈沖激光測距結果求平均值的方法來獲取，但是這樣就會增加測量所需要的時間，降低了測量速度，不僅不便于使用，也限制了其應用的范圍。

為了更好的解決脈沖激光測距測量精度與測量速度之間的矛盾，提出一種新型的脈沖激光測距方法，自觸發脈沖激光測距法。自觸發脈沖測距方法，可以有效克服激光測距中存在的提高測距精度和縮短測量時間兩者的矛盾。該方法比起傳統脈沖重復頻率方法具有更高的測量精度和更快的測量速度，并且有效擺脫了時間間隔測量能力對測距精度的根本限制。自觸發脈沖飛行時間激光測距是利用激光接收單元的輸出信號自行控制激光發射單元，進而觸發激光脈沖向測距目標發射，即激光接收單元接收到激光脈沖之后，去觸發激光發射單元產生下一個激光脈沖。激光脈沖的發射和接收先后銜接，自動循環，從而得到一個周期信號ST。測量該信號的周期就可以得到激光脈沖的飛行時間，從而可計算出距離，由統計理論，測量激光脈沖N次往返的飛行時間（N個周期），可比測量1次往返的時間精度提高N倍。與傳統脈沖激光測距的取N次獨立測量的平均值相比，精度提高更大，并且只要進行一次數據讀取存儲，節省了N-1次數據讀取存儲時間。這樣，自觸發脈沖激光測距就可以在同樣的測量時間下，達到更高的測距精度，或者達到同樣的測量精度的同時卻有更快的測量速度，從而有效的克服了傳統激光測距方法中存在的提高測距精度和縮短測量時間兩者之間的矛盾，有利于實現高速高精度測距。

自觸發脈沖激光測距的測量精度在較大程度上要取決于激光飛行時間的測量精度，要獲得較高的測量精度，就必須設計較高的飛行時間測量系統。文中采用CPLD（Complex programmable logic devices）研制出自觸發脈沖激光測距的飛行時間測量系統，可以達到較高的測量精度。

1 自觸發脈沖激光測距原理及脈沖時序邏輯

脈沖激光測距的基本單元包括激光發射單元，激光接收單元和飛行時間測量單元。在傳統的脈沖激光測距中，測距原理是基于測量發射的激光脈沖（START）和接收單元接收到的返回激光脈沖（STOP）之間的時間間隔ΔT。目標距離D由下式給出

其中C為光速，時間間隔ΔT由飛行時間測量單元測量給出。

自觸發脈沖激光測距方案如圖1所示。利用激光接收單元的輸出信號自行控制激光發射單元，進而觸發激光脈沖向目標發射，即激光接收單元接收到激光脈沖之后，去觸發激光發射單元產生下一個激光脈沖。

圖1 自觸發脈沖飛行時間測距方案框圖Fig.1 Experimental setup for self-triggering pulsed time-of-flight laser rangefinder

激光脈沖的發射和接收是循環相關的，這一過程可以表示為

其中TK，TK+1分別為第K個和第K+1個激光脈沖發射時刻，函數F的具體形式和測量系統有關，它表示第K個和第K+1個激光脈沖之間的發射時刻關系。不同的系統具有不同函數形式F。

從激光發射單元向被測目標發射的是周期激光脈沖序列，可以描述為

其中N為整數，T0為發射的激光脈沖序列的周期，其值由式（2）決定。自觸發脈沖飛行時間激光測距方法可由基本方程（1），（2）和（3）描述。 從這3個基本方程，可以得到被測距離的表達式：

其中，τ為由系統延時決定的時間常數，其大小由測量系統的結構和帶寬等因素決定，NT0為包括N個連續周期的待測量時間間隔，函數F的形式由測量系統具體結構決定。

圖2 光電脈沖信號時序圖Fig.2 Representation of the potic-electronic signals in the setup

發射單元由接收單元輸出的電信號所控制，即測距脈沖是由接收單元觸發的。該過程的光電脈沖信號時序圖由圖2所示。開始時，發射單元向被測目標發射一束激光；經過ΔT（光從發射單元到目標然后返回到接收單元的傳播時間）的延時，經被測目標反射的光束被接收單元的光電二極管接收；光電二極管輸出的電信號經放大和時刻鑒別后，輸出一高電平信號，作為發射單元的輸入信號，其間電路延時t11；此高電平信號使激光驅動源終止驅動激光器，激光發射單元停止發射激光，其間電路延時t21；而后經過ΔT的延時，光電二極管從有激光接收狀態轉變為無激光接收狀態；再經過t12的電路延時，接收單元的輸出轉變為低電平；此低電平信號使激光器再次發射激光，其間電路延時t22。上述過程構成了自觸發脈沖飛行時間激光測距的一個完整周期。如此周而復始，就形成了周期激光脈沖序列。該測距信號從接收單元取出，輸入到周期測量單元獲得周期T0。根據公式（2），函數F有如下的形式

再結合公式（1）和（3）可以將距離方程（4）推導為：

其中TN=NT0，τ=t11+t21+t12+t22，通常情況下t11≠t12，t21≠t22。 在自觸發脈沖測距方法中，周期T0可以通過測量一次時間間隔TN后取平均值得到，這其中包括N個周期T0，其精度等效于用傳統的脈沖測距方法進行N次單次測量后取平均的結果。因此，自觸發脈沖測距方法可以在獲得高精度測距結果的前提下極大地縮短測量時間，提高測量速度。與其他傳統脈沖測距方法相比，自觸發脈沖方法的本質特點是脈沖測距信號不是單個而是連續周期性的。

2 基于CPLD的飛行時間測量單元實驗設計

CPLD具有集成度高，工作速度快，編程方便和價格低廉的優點。與FPGA（Field programmable gate array）相比，CPLD內部邏輯結構簡單，連線相對固定，延時小且可以預測，更有利于器件在高頻下工作，特別適合產品樣品的開發與實驗。

本設計采用ALTERA公司MAX II系列CPLD器件實現自觸發脈沖激光測距的飛行時間測量系統。MAX II系列器件是在ALTERA公司的第三代MAX結構基礎上，采用先進的COMS EEPROM技術制造的高密度，高性能的可編程器件。MAX II系列器件采用0.18 μm Flash工藝，邏輯單元數（LE）240個、宏單元數192個、最大用戶I/O管腳80個、用戶Flash存儲器8 k，引腳到引腳的延時為3.5 ns，計數器頻率可以高達300 MHz。MAX II系列器件內置JTAG BST電路，通過JTAG接口可實現在線編程，從而可以靈活修改設計，縮短了開發周期。圖3是利用CPLD實現的自觸發脈沖激光測距飛行時間測量系統的電路框圖。

圖3 基于CPLD的飛行時間測量單元設計原理圖Fig.3 Based on CPLD in time-of-flight measurement design

如圖所示，CPLD完成飛行時間計數測量的功能，單片機讀取計數結果并進行數據處理，最終的結果顯示在液晶顯示屏上。CPLD內的電路主要由兩個計數器組成，Counter 1為9 bit的計數器，對自觸發脈沖激光測距的周期信號ST進行計數，得到首尾相接的N個測距周期對應的起止時刻，對應的時間間隔TN=NT0，系統中可以自己設定N的值。Counter 2為16 bit計數器，對N個測量周期的時間間隔NT0進行計數測量，輸出計數結果Nm。采用50 MHz晶振通過鎖相環6倍頻獲得300 MHz的時鐘頻率，作為時間測量計數的基準時鐘頻率。單片機讀入計數結果，進行數據處理后將最后的結果顯示出來。單片機采用Cygnal公司的C8051F系列，與8051的指令集兼容，單數據處理速度更快，有利于脈沖激光測距儀的高速度應用。

如圖3所示，假設時間測量的計數基準時鐘周期為Tm，則:

通過已述自觸發脈沖激光測距原理，并得到距離方程

由式（7）、（8）可以得到飛行時間測量系統可得到的最大量程為：

最大精度為：

其中fm=1/Tm為飛行時間測量計數基準時鐘頻率。

任意取N=256，fm=300 MHz代入，忽略電路延時τ，可以計算得到Dmax=64 M，δD=0.98 mm。即該設計通過運用CPLD可以得到的飛行時間測量系統的理論計算值可達到最大量程64 M，測量精度0.98 mm。

3 結 論

自觸發脈沖激光測距是一種新型的脈沖激光測距方法。該方法克服了傳統脈沖激光測距測量精度和測量速度之間的矛盾，容易獲得高精度的測距結果。文中講述自觸發脈沖激光測距原理及其光電脈沖的時序邏輯，設計實現了基于CPLD的自觸發脈沖激光測距飛行時間測量系統。理論計算表明利用CPLD設計自觸發脈沖激光測距飛行時間測量電路是一種很好的方案。它可以使計數時鐘工作在較高的頻率，并且結構簡單，可靠性高，體積小，功耗低，成本低廉。在測量距離64 M的范圍內可以達到0.98 mm的測量精度，遠高于傳統的激光測距，尤其適合便攜式，高精度激光測距應用。

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