低成本脈沖激光測距系統研究

馬鴻斌 ，尚建華 ，潘世光 ，羅 遠 ，賀 巖

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

0 引言

科技的進步加快了測距技術的發展步伐，同時也對測距系統提出了更為苛刻的要求。其中，激光測距技術利用激光優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探測等領域具有明顯的探測優勢[1]。對于地理勘測以及復雜地理環境下的工程測量，激光測距系統能夠提供較高的測距精度[2]。近年來，無人汽車[3]、無人機[4]、機器人等新興技術的快速發展離不開高性能的測距技術，越來越多的新型智能裝備將激光測距系統作為其探測模塊，因此，對激光測距系統的測距性能(測距精度、動態范圍和數據上傳速率等）、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標準[5]。目前，激光器技術的發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帶來了新的機遇與挑戰，如何提高測距系統的測距性能、如何有效降低系統成本、加快其實用化進程是未來激光測距技術的重要發展趨勢。

激光測距系統是激光技術和現代信息處理技術的綜合產物，其以激光作為探測媒介，通過對回波信號光的相位、振幅或偏振態等特征量的處理，計算得到目標的距離信息[6-7]。根據激光測距的工作原理，可將激光測距技術分為三角測距、脈沖測距、相干測距和光子計數測距。根據測距范圍，可將激光測距技術分為近程、中程和遠程測距[8]。根據探測方式，可將激光測距技術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，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。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，以便提高測距的準確度[12]。

目前技術最為成熟且應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測距法。脈沖飛行時間測距法，是通過測量發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]；單光子計數測距法，是采用光子計數和數學統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，應用日益廣泛的無人智能裝備對其搭載的激光測距系統提出了新的要求，系統必須需要具備實時、準確的數據采集能力。然而，DSP和ARM的時鐘頻率比較低，僅能在軟件層進行編程，無法滿足實際應用時激光測距雷達的數據采集和處理要求[15]。相比而言，FPGA的時鐘頻率非常高且內部延時短，可直接編程實現相關邏輯功能，因而可作為激光測距系統的主控芯片，以達到工作可靠、設計靈活、響應迅速等要求。

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

1 脈沖激光測距系統工作原理

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射激光脈沖與回波激光脈沖的時間間隔(即發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，則待測目標的距離S如式(1）所示。在實際的脈沖激光測距系統中，激光脈沖飛行往返時間t是由系統內部的計數器統計激光脈沖發射時刻與回波信號光到達時刻之間的時鐘脈沖個數而計算得到的。如圖1所示，測距系統的工作時鐘頻率為 f(周期為 τ），激光發射與回波信號到達APD表面之間的時鐘脈沖個數為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測距分辨率，而往返時間t的精度是由系統工作時鐘的頻率 f決定的(如式(3）所示），提高測距系統工作時鐘頻率f可顯著提高系統的測距分辨率。

1.2 脈沖激光測距系統

如圖2所示，脈沖激光測距系統由三部分組成，一是以FPGA芯片為主的主控模塊，負責測距系統的時序控制以及數據采集和距離信息提取；二是發射光源部分，主控模塊輸出時序控制信號控制發射光源的驅動電路工作，發射光源按照相應的時序要求發射激光脈沖，經光學發射單元的光束準直作用后，垂直入射到待測目標表面；三是回波信號光接收模塊，經光學接收單元作用，回波信號光在APD表面聚焦并由APD轉換為電信號，再經過放大、整形等處理后，FPGA對該信號進行高速采集和實時處理，計算并輸出待測目標的距離信息。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定，測距系統中還設計了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 脈沖激光測距系統原理框圖

脈沖激光測距系統的工作波長為905 nm，工作方式為直接探測方式。因此，測距系統中的光電探測器APD只對回波信號光功率進行響應。APD主要性能指標包括光譜響應范圍、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，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的最大可測距離。

表1 APD的光電性能指標(工作溫度23°）

根據外加偏置電壓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分光電流和暗電流[18]。本文設計的脈沖激光測距系統中，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，如式(4）所示：

其中，m是與APD材料結構有關的常數。

因此，測距系統中增加了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設置相應的DA參數以調整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

本文設計的脈沖激光測距系統是面向近場高精度實時測距的應用需求，因此，測距系統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語言編程實現的，包括發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 發射激光脈沖的時序控制

如圖3所示，發射激光脈沖的時序控制包括設置發射激光脈沖的重復頻率以及相應的D/A調制控制模塊，其中，D/A調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

測距系統發射激光脈沖經待測目標表面漫反射后，再經光學接收單元、APD、放大整形電路依次作用后，由FPGA中的高速收發器ALTGX接收。以FPGA高速收發器代替傳統高速D/A芯片是節省測距系統成本的一個重要因素。當測距系統的最大待測距離為30 m時，可將ALTGX的采樣率設置為 2 Gb/s(采樣周期0.5 ns）。因此，測距系統只需在發射激光脈沖之后接收200 ns時長、共400個周期的回波數據，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，根據式(2）和(3）可得系統的測距分辨率為 37.5 mm。

圖3 發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，需要準確獲得激光脈沖的發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的計數器值，則回波脈沖信號返回時刻對應的計數器值取二者的平均值，因此，待測距離S可表示為式(5）：

當ALTGX完成400個周期的回波數據采集之后，再將其以25個16位數據并行輸出給后續處理單元，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模塊按照設定的邏輯順序將收到的25個16位并行數據轉換為400位串行數據serial_data并輸出，parallel_serial模塊的數據轉換輸出時序關系如圖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模塊完成數據采集和串行數據輸出至少需要425個工作時鐘，即至少耗時3.4μs。

圖4 parallel_serial的數據轉換輸出時序關系

然后，上述攜帶有距離信息的400位數據被等分為四部分并進行并行數據處理，如圖5所示。對于每部分信號，首先在pre_caculation單元中設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。當信號脈寬大于閾值寬度時，回波信號被判定為有效數據，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確到達時刻，并在distance_caculation單元中依據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設定、目標反射率等因素的影響，在distance_adjust單元中校正測距結果，并將校正后的距離值發送到average_distance單元，與其他三個進程得到的校正距離執行累加求平均的算法，最終得出待測目標的距離信息。其中，增加累加平均的次數可進一步提高系統的測距精度，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，FPGA主控芯片還輸出激光脈沖重復頻率的控制信號。

由于測距系統中激光的重頻為1 MHz，因此，FPGA主控芯片采用乒乓操作模式實現數據處理和時序控制等功能，進而有效提升了測距系統的數據處理速度，優化了系統的實時性，使系統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，且泡沫板距離測距系統發射望遠鏡8.08 m。基于上述脈沖激光測距系統搭建測距性能測試實驗平臺，以初步驗證測距系統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與測距結果標準差之間的關系進行了比較分析，修正了距離提取算法相關參數，所得測距結果如表2所示。由表2可知，測距系統獲得的距離值分布在8.07 m～8.085 m之間，當測距值為8.08 m時，測距系統的測距精度可達5.43 mm。

3 結論

圖5 距離信息提取流程圖

表2 系統驗證測試數據

隨著無人駕駛、倉儲報警等新型智能應用的不斷推廣，近程高精度激光測距雷達的需求不斷增加，如何降低設備成本、減小系統功耗和體積、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設計方案，借助FPGA主控芯片同時實現時序控制以及信號的高速采集和實時處理。較傳統的高速AD采集芯片而言，本系統中FPGA的高速收發器ALTGX可顯著降低系統的成本和故障率；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，獲得了泡沫板目標的距離信息，且系統測距精度可達5.43 mm@8.08 m。相較于市場同類型的產品而言，該測距系統有效提升了近程測距的測距精度，并且降低了系統的生產制造成本。后續，將深入開展近程測距實驗研究，判斷脈沖激光測距系統的測距性能，測試不同條件下系統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的測距精度和測距準確度。