脈沖激光測距中高速精密時(shí)間間隔測量研究

岱 欽，毛有明，吳凱旋，吳 杰，李業(yè)秋

（沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽110159）

1 引 言

脈沖激光測距因其測量精度高、測量距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于國防、航天、測繪等領(lǐng)域［1］。時(shí)間間隔的測量精度是提高脈沖激光測距精度的決定性因素之一［2］，現(xiàn)有的時(shí)間間隔測量方法主要有數(shù)字計(jì)數(shù)法、模擬法、插值法［3］。文獻(xiàn)［3］提出了使用三角波參考信號實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔測量的方法，借鑒了插值法的思想，克服了模擬法測量范圍受限的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［4］通過調(diào)整延時(shí)芯片和機(jī)械位移產(chǎn)生的電信號的延時(shí)時(shí)間，確定光到達(dá)目標(biāo)所需的時(shí)間，來提高激光測距精度。數(shù)字法可以實(shí)現(xiàn)對微小時(shí)間間隔的精確測量［5］，但測量范圍較??；數(shù)字插入法在脈沖激光測距中精度最高，如延遲線插入法具有測量范圍大、測量精度高的優(yōu)點(diǎn)［6］，延遲線插入法既可以使用專用芯片實(shí)現(xiàn)也可使用FPGA 內(nèi)部的專用進(jìn)位鏈產(chǎn)生延遲單元［7］，影響延遲線插入法測量精度的因素有很多，包括延遲單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)［8］、工作電壓和溫度，當(dāng)FPGA 內(nèi)部延遲線跨越多個(gè)LE資源時(shí)，延遲單元的非線性更加明顯，難以在低成本FPGA 上實(shí)現(xiàn)線性較好的延遲單元。

與FPGA 延遲線插入法相比，TDC－GP21內(nèi)部的延遲線的延遲時(shí)間嚴(yán)格統(tǒng)一，線性度較高，雙精度模式的測量精度達(dá)45ps，并且通過校準(zhǔn)測量可以補(bǔ)償由于溫度和工作電壓對測量結(jié)果的影響，減小了系統(tǒng)的非線性誤差，系統(tǒng)的積分非線性度＜0.1LSB，差分非線性度＜0.8LSB。

論文設(shè)計(jì)了基于FPGA 和TDC－GP21的高速精密時(shí)間間隔測量系統(tǒng)，通過FPGA 控制TDC完成了時(shí)間間隔測量和校準(zhǔn)補(bǔ)償；設(shè)計(jì)了時(shí)刻鑒別模塊減小了回波信號的漂移誤差；進(jìn)行了時(shí)間間隔測量和激光測距實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)線性度較好，可以快速測量微小時(shí)間間隔，能夠在短時(shí)間內(nèi)得到大量精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

2 時(shí)間間隔測量原理

系統(tǒng)時(shí)間間隔測量原理如圖1所示，待測時(shí)間間隔可以表示成Tc＝Ts＋nTd－Te。

其中nTd為參考時(shí)鐘CLK 的周期數(shù)，Ts和Te為觸發(fā)信號與計(jì)數(shù)脈沖CLK 的上升沿之間的時(shí)間差。

圖1 時(shí)間間隔測量原理圖Fig.1 Diagram of time interval measurement

系統(tǒng)通過配置TDC－GP21進(jìn)行校準(zhǔn)測量，對測量環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，補(bǔ)償由于溫度和電壓變化引起的測量誤差，減小了系統(tǒng)的非線性誤差，校準(zhǔn)測量原理圖如圖2所示。

圖2 校準(zhǔn)測量原理圖Fig.2 System block diagram of calibration

首先通過內(nèi)部延遲單元測量時(shí)間間隔，然后測量外部基準(zhǔn)時(shí)鐘周期T1和T2；最后由TDCGP21內(nèi)部的ALU 單元根據(jù)T1和T2對測量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果RES＿X 和待測時(shí)間間隔Time表示為如下公式：

其中：RES＿X 是32位校準(zhǔn)結(jié)果，是基準(zhǔn)時(shí)鐘的倍數(shù)，高16 位為整數(shù)，低16 位為小數(shù)，CLKSDIV是外部基準(zhǔn)時(shí)鐘Tref的分頻數(shù)，系統(tǒng)通過配置CLKSDIV 調(diào)整測量范圍，通過FPGA 構(gòu)建高速乘法器完成后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

3 高速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 時(shí)間間隔測量系統(tǒng)

設(shè)計(jì)以Cyclone II系列FPGA 作為核心控制單元，以TDC－GP21的測量流程為基礎(chǔ)構(gòu)建時(shí)間間隔測量系統(tǒng)，系統(tǒng)方框圖如圖3所示。

圖3 時(shí)間間隔測量系統(tǒng)方框圖Fig.3 Diagram of time interval measurement system

首先由FPGA 通過SPI通信模塊對TDC 進(jìn)行配置及初始化，然后產(chǎn)生驅(qū)動脈沖觸發(fā)激光二極管發(fā)射激光窄脈沖信號，并以此脈沖信號作為TDC的開始信號，當(dāng)TDC 收到回波信號后對測量值進(jìn)行校準(zhǔn)測量和ALU 校準(zhǔn)，最后將測量結(jié)果存到結(jié)果寄存器中并產(chǎn)生中斷。

FPGA 接收到TDC的中斷標(biāo)志后，系統(tǒng)讀取TDC的狀態(tài)寄存器并判斷TDC 的狀態(tài)，當(dāng)TDC溢出時(shí)，終端顯示TDC 溢出信息，程序返回初始化階段；當(dāng)待測時(shí)間間隔滿足系統(tǒng)測量范圍時(shí)，F(xiàn)PGA 讀取結(jié)果寄存器，然后返回初始化階段，準(zhǔn)備進(jìn)入下一次測量，同時(shí)將測量結(jié)果送到數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行計(jì)算并將結(jié)果傳送給上位機(jī)，在終端上顯示測量結(jié)果。

3.2 測量周期分析

系統(tǒng)測量周期包括以下幾個(gè)部分：初始化TDC；發(fā)射觸發(fā)脈沖；等待回波信號；TDC校準(zhǔn)測量；ALU 校準(zhǔn)；讀取TDC 狀態(tài)寄存器；從結(jié)果寄存器讀取32 位數(shù)據(jù)。各階段所用時(shí)間如圖4所示。

圖4 測量周期結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of measurement period

由圖4可知，系統(tǒng)完成一次精密測量的時(shí)間包括3部分：FPGA 與TDC－GP21之間的SPI通信時(shí)間、TDC 校準(zhǔn)時(shí)間和等待回波時(shí)間，其中SPI通信時(shí)間是可控的，雖然TDC－GP21 支持SPI串口通信協(xié)議，但是收發(fā)數(shù)據(jù)的位寬不是固定的。針對TDC的每個(gè)操作碼的位數(shù)和收發(fā)的數(shù)據(jù)位數(shù)不同的特點(diǎn)，避免不必要的通信時(shí)間，系統(tǒng)構(gòu)建多層嵌套狀態(tài)機(jī)控制模塊，通過主狀態(tài)機(jī)完成對測量流程的整體控制，調(diào)用從狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)高速SPI數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)中嵌套了多個(gè)從狀態(tài)機(jī)，配合TDC－GP21的時(shí)序要求，分別完成收發(fā)8、16和32位的數(shù)據(jù)指令，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)狀態(tài)機(jī)的高速切換，減少了通信等待時(shí)間，在確保TDC測量精度和測量范圍的前提下，提高了系統(tǒng)的測量頻率。

3.3 時(shí)刻鑒別及誤差分析

在脈沖激光測距中，由于大氣湍流，跟瞄抖動，目標(biāo)姿態(tài)變化等因素會引起回波信號幅度小范圍的快速漲落［9］，為了消除回波幅值和波形畸變對觸發(fā)時(shí)刻的影響，設(shè)計(jì)了時(shí)刻鑒別模塊對回波信號進(jìn)行處理，減小了漂移誤差。

時(shí)刻鑒別的實(shí)現(xiàn)方法包括前沿時(shí)刻鑒別、恒比定時(shí)時(shí)刻鑒別和零點(diǎn)檢測時(shí)刻鑒別等方法，前沿時(shí)刻鑒別法［10］受回波信號幅值的影響，跳變點(diǎn)的漂移誤差較大，不適用于精確測量。

恒比定時(shí)法將回波信號分成兩路，分別進(jìn)行衰減和延時(shí)處理，通過高速比較器捕捉信號跳變點(diǎn)，可以減小激光脈沖信號幅度變化而引起的時(shí)刻鑒別誤差，同時(shí)為了屏蔽噪聲并抑制波形畸變對測量結(jié)果的影響，通常加入偏置電壓以保證比較器的正確觸發(fā)。在未引入偏置電壓前，跳變點(diǎn)只取決于衰減因數(shù)和延遲時(shí)間，與信號幅值無關(guān)；但是在引入偏置電壓后，跳變點(diǎn)受到幅值、衰減因數(shù)和偏置電壓的影響會產(chǎn)生漂移誤差，經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證，當(dāng)信號幅值在0.5～5V 之間波動時(shí)，跳變點(diǎn)的漂移誤差約10ns。針對偏置電壓對跳變點(diǎn)漂移誤差的影響，可以采用偏置開關(guān)補(bǔ)償技術(shù)［9］，根據(jù)輸入信號幅度來決定偏置電壓的大小，從而減小時(shí)刻鑒別的的漂移誤差。

高通阻容時(shí)刻鑒別法［11］即零點(diǎn)檢測法，采用高通阻容濾波電路對回波信號進(jìn)行微分變換，將極值點(diǎn)轉(zhuǎn)換為零點(diǎn)，此時(shí)跳變點(diǎn)不受信號幅值的影響，與恒定比值時(shí)刻鑒別相比，避免了外加偏置電壓對信號跳變點(diǎn)的影響，經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證，當(dāng)信號幅值在0.5～5V 之間波動時(shí)，跳變點(diǎn)的漂移誤差小于30ps，滿足設(shè)計(jì)要求，但受噪聲及信號畸變的影響，零點(diǎn)檢測信號會產(chǎn)生多個(gè)零點(diǎn)，會錯誤的觸發(fā)時(shí)間間隔測量單元，從而降低了系統(tǒng)測量結(jié)果的可靠性。

系統(tǒng)采用高通阻容時(shí)刻鑒別法捕捉信號跳變點(diǎn)，通過閾值比較電路產(chǎn)生選通脈沖開啟門電路捕捉正確的觸發(fā)脈沖，采用MAX961作為高速比較器件，有效地抑制了噪聲和波形畸變對跳變點(diǎn)的影響，減小了時(shí)刻鑒別模塊的漂移誤差。圖5所示為受到噪聲和波形畸變影響的回波信號在高通阻容時(shí)刻鑒別單元中的波形變換。

圖5 高通阻容時(shí)刻鑒別波形圖Fig.5 Diagram of CR－h(huán)igh pass time discrimination

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

4.1 時(shí)間間隔測量結(jié)果及誤差分析

實(shí)驗(yàn)采用FPGA 內(nèi)部的PLL 鎖相環(huán)產(chǎn)生100 MHz高速時(shí)鐘信號，作為驅(qū)動脈沖的時(shí)間基準(zhǔn)，配置TDC－GP21對100ns時(shí)間間隔進(jìn)行多次重復(fù)測量，驗(yàn)證系統(tǒng)測量精度，測量誤差的概率密度分布和擬合曲線如圖6所示。

圖6 測量誤差及擬合曲線Fig.6 Measured error and fitting curve

由圖6可知，系統(tǒng)測量誤差大多分布在±60 ps之間，測量誤差的擬合曲線近似高斯正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差為46ps，系統(tǒng)測量精度可以控制在±100ps內(nèi)。

4.2 激光測距結(jié)果及誤差分析

進(jìn)行了脈沖激光測距實(shí)驗(yàn)，通過FPGA 與TDC－GP21時(shí)間間隔測量系統(tǒng)測量時(shí)間間隔，并通過時(shí)刻鑒別模塊減小系統(tǒng)的非線性誤差，實(shí)驗(yàn)對10 m 距離進(jìn)行了重復(fù)測量，系統(tǒng)測量結(jié)果的分布圖如圖7所示。

圖7 測量結(jié)果分布圖Fig.7 Distribution map of measuring results

從圖7可知，由于激光回波信號受測量環(huán)境等因素的影響會產(chǎn)生非線性失真，測距誤差比時(shí)間間隔測量誤差略大一些，測距結(jié)果分布在9.95～10.05之間，滿足高精度測量要求。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了基于FPGA 和TDC－GP21的高速高精度時(shí)間間隔測量系統(tǒng)，將FPGA 的高頻穩(wěn)定性和TDC－GP21的高精度測量結(jié)合起來，通過校準(zhǔn)測量補(bǔ)償了由于溫度和工作電壓引起的測量誤差；通過多級嵌套狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)了可以自由收發(fā)不同數(shù)據(jù)寬度的SPI通信接口，壓縮了系統(tǒng)通信時(shí)間，提高了系統(tǒng)的測量重頻；分析并設(shè)計(jì)了時(shí)刻鑒別單元，可以準(zhǔn)確捕捉信號跳變點(diǎn)，減小了系統(tǒng)的非線性誤差；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)重復(fù)測量頻率達(dá)1Hz，精度達(dá)±100ps，可以快速捕捉微小時(shí)間間隔，可在低成本FPGA 器件上實(shí)現(xiàn)線性度良好的高精度高重頻測量系統(tǒng)。

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