基于背景光抑制的自觸發激光測距系統設計?

仇金桃 張春富

（1.江蘇科技大學 鎮江 212000）（2.鹽城工學院 鹽城 224000）

1 引言

激光測距技術的本質是通過測量激光的飛行時間計算出距離，其難點在于激光飛行時間極短不易測量，因此時間間隔測量是激光測距技術的核心［1］。早期的方法是采用計數器測量，但是這種方案完全受制于計數器的性能。隨著電子技術的快速發展，時間間隔測量的準確度和穩定性不斷提高［2~4］。在傳統的直接計數法基礎上又發展了插值法、游標法、時間幅度測量法和延遲線法等新型技術［5~6］。高精度時間間隔測量技術的硬件電路結構復雜，設計難度很大，并且當時間分辨率降至納秒甚至皮秒級時，微觀層面一些效應（如電荷遷移、量子效應等）的干擾影響會愈發顯著［7~9］。

光電接收單元用于接收激光回波，其性能直接影響最終的測距精度。傳統光電接收單元的接收對象主要包括激光回波和光電接收管附近雜散的環境光。由于激光回波是以漫反射的形式傳播，隨著測量距離的增大，接收到的光信號中環境光占比逐漸提高。此外，不同時間、天氣、地形的測量條件下，背景光也將明暗迥異［10~13］。

因此，設計了一種能夠實現抑制背景光干擾的脈沖激光測距系統，使得系統在不同的環境下仍能夠具有較好的穩定性。基于自觸發原理設計了無需手動啟動的多次測量模式，一定程度上提高了測量速度和測量精度，同時也從原理上解決了因系統分辨率限制導致測量失效的問題。該系統的設計和使用為高精度激光測距的應用提供了一種切實可行的方案，有利于激光測距應用領域的拓展。

2 測距原理及系統方案

脈沖激光測距系統通過測量激光的往返飛行時間計算出距離［14］，測量點與目標間距離S為

式中：c 為光在真空中的速度，T 為通過測量得到的時間間隔。

設計的脈沖激光測距系統整體架構如圖1 所示，系統主要包括控制器、激光發射模塊、激光接收處理模塊以及自觸發控制單元。基于MAXII 型FPGA 芯片完成控制單元的設計，激光器波長為650nm，激光接收器選用HAMAMATSU 公司的S5973_01型PIN光電二極管。

圖1 脈沖激光測距系統原理框圖

系統測距過程描述如下：首先，由FPGA 完成對測距指令的響應，給出激勵使單穩態觸發器產生窄脈沖觸發激光器發射激光，首次接收到窄脈沖后，邏輯鎖定單元將該信號鎖定并作為起始信號觸發計數器CNT1開始計數；然后，接收單元完成對激光回波的接收，經過光電轉換、放大濾波等處理后得到有效的回波信號；最后，經過固定延時單元后，將回波信號作為激勵輸出給單穩態觸發器，使其再次產生窄脈沖觸發激光器發射激光。由此構成一個無需手動控制，且時間間隔相對固定的發射-接收-延時-再發射的循環測量模式。每當檢測到回波信號，計數器CNT2 計數值加一，當CNT2 達到預設次數時，其輸出由低電平跳變為高電平，使計數器CNT1 終止計數，將計數結果交由FPGA 運算處理后輸出測距結果。

3 自觸發式脈沖激光測距系統設計

3.1 信號接收與處理電路

1）接收電路設計原理

如圖2 所示為接收單元原理圖。接收端的設計采用以下兩種方法排除干擾：

圖2 接收單元原理框圖

（1）在光電接收二極管前端加置濾光片，濾光片的窄帶高透波長與激光波長一致，允許與激光波長相近的光通過，阻隔其他波長的光，能夠很大程度上抑制其他波長背景光的干擾。

（2）在傳統接收電路基礎上加入采樣保持電路和差分放大電路。

當系統接收到測距命令后，首先由FPGA 發出指令使采樣保持電路對當前環境下光電二極管的輸出進行采樣保持，在其有效保持期內完成光電二極管對回波脈沖的接收和初級放大，再由差分放大電路完成差分比例運算。差分放大電路可有效地抑制共模干擾的影響，從駁雜的光信號中篩選出激光回波信號；最后，經過數字濾波電路和整形電路處理后，傳遞至計時單元。

2）采樣保持電路

光電接收管接收到的光信號中混雜著外界的環境光，其強度未知，與所處測試環境相關。濾光片能夠濾除了大部分波長的環境光，但其中與測試激光波長相近的部分，仍能夠穿過濾光片并由光電二極管接收產生光電流。這部分光電流大小受外界環境光強弱影響，因此想要在電路中直接設定某一直流比較電平作為參考是不可行的。本文設計的方案是：通過實時采樣再相互抵消來實現濾除這部分光電流的目的。LF398采樣保持電路如圖3所示。

圖3 LF398采樣保持電路原理圖

圖中LF398 芯片第2 引腳與電阻R1和電位器R2構成直流調零電路，調節電位器，使其通過電流約為0.6mA，并使圖中Vin為零時，輸出Vout也為零。外界保持電容Ch選用大小為1000pF 的云母電容。芯片第8 引腳為控制信號輸入端，與FPGA 控制單元相接，高電平采樣，低電平保持。

3）放大電路

由于對電流信號的直接采集和處理十分困難，因此需要對PIN 光電二極管的電流信號進行電流到電壓的轉換［15~17］。微弱的電流信號使得轉換而來的電壓信號同樣十分微弱，為避免傳輸線路產生的耦合交流噪聲將有效信號淹沒，需要對信號進行前置放大以提高信噪比。根據PIN 型光電二極管工作電壓低、偏置電路簡單但輸出電流較小的特點，同時考慮到采樣保持電路的飽和電壓與差分放大電路的增益上限，將放大電路分為兩部分，即前置放大電路與主放大電路。根據系統設計需要，主放大電路采用的是差分放大電路的形式。如圖4所示為前置放大電路和主放大電路的原理圖。

圖4 前置放大電路與主放大電路原理圖

如圖4（a）所示，運算放大器采用電阻器形式的連接方式實現電流到電壓的轉換。電阻R1、RL和PIN 管串聯，為PIN 管施加反向偏壓，RL作為負載電阻，一端接地。由于電路的時間響應很大程度上取決于反饋電阻的時間常數和并聯雜散電容，為了最小化時間常數的影響，采用兩個或者多個電阻串聯的方式設計反饋電阻能夠有效地分散并聯雜散電容。前置放大電路的輸出V0為

式中：ISC為光電二極管產生的光電流，RF1、RF2為串聯反饋電阻。

前置放大電路的輸出端同時與LF398 采樣保持電路的輸入端和差分放大電路的同相輸入端相接。

圖4（b）為差分放大電路原理圖，同相輸入端與前置放大前路的輸出端相連，反向輸入端連接的則是LF398 采樣保持電路的輸出端。僅從反向輸入端考慮，其輸出Vout1為

而僅考慮同相輸入端，其輸出Vout2則為

取R3=R4，R2=RF3，則差分放大電路的輸出Vout為

由上式可知，差分放大電路實現了Vs2與Vs1兩路信號電壓差的放大，其放大倍數為RF3/R3。

3.2 自觸發測量方案設計

提高時間間隔測量精度的方法有很多，除了采用高精度的計時芯片、各種形式的內插法等測量方法外［18~19］，還可以通過改進測量方式達到目的，最為簡單也最常用的是進行多次測量取平均值法。傳統的多測量取平均值法存在以下問題：

1）多次測量即需要多次啟動系統，占用更多的存儲空間，這些操作容易導致測量時間的延長，不適用于實時性要求較高的場合；

2）每一次測量本身必然帶有一定的誤差，最終的數據處理環節將累積這些誤差，使測量結果的準確度降低；

3）當測量距離過近，激光在兩點間的飛行時間小于系統最小分辨率時，單次測量將無法得到有效的結果，這樣的多次測量方法也將失效。

為有效解決上述問題，采用自觸發原理設計的多次測量方法可以避免多次開啟系統導致的測量時間延長，提高測量速度的同時也從原理上根本性地解決了近距離測量時受系統分辨率限制的問題；同時，由于去除了手動觸發環節使得系統內部的響應延時相對固定，通過定量分析的方法能夠很大程度上規避由于誤差累積導致的精度降低。

自觸發測距系統的關鍵是使激光接收模塊與發射模塊形成閉環回路，從而實現接收模塊自動對發射模塊發送指令。如圖5 所示為自觸發測距方法時序示意圖，T0為相鄰兩次單穩態觸發器發出窄脈沖的時間間隔，τ為從回波信號接收到單穩態觸發器再次發出窄脈沖的時間間隔，其中包含未知的系統結構延時和已知的延時單元預設延時兩個部分。

圖5 自觸發測距方法時序示意圖

自觸發形式測距方法將當前接收過程與下次測量的發射過程結合到一起，完成一系列的循環測量。因此，激光的發射與接收具備一定的相關性，具體可以表示為

上式中TK與TK+1分別表示第K次與K+1次單穩態觸發器發出窄脈沖的時刻，理想情況下：

考慮到系統內部存在一定的延時和非線性因素導致的誤差，因此將三者間關系概括為F1，F1由測距系統決定。假設TK之后進行了N 次自觸發測量，則：

T0為單穩態觸發器相鄰兩次發出窄脈沖的時間間隔。由此可以得出自觸發測量方法下的距離表達式：

式中用時間常數τ概括表示系統內部所有的模塊單元延時，F2是與實際系統相關的函數。可以得出：

式中TN為N次循環測得的時間間隔，通過結構與原理上的分析可以得出，自觸發測距系統能夠在提高測距精度的同時，兼具規避掉因測量距離過短導致測量失敗的優勢。

4 實驗結果分析

實驗包括光電接收單元輸出波形對比試驗和實際距離測量對比試驗兩部分。

按照圖2 所示光電接收單元框圖搭建實物實驗平臺，為驗證LF398 采樣保持電路、差分放大電路能夠實現背景光抑制的效果，設置實驗組與對照組進行對比，實驗組采用本文光電接收模塊，對照組則沒有LF398 采樣保持電路并將差分放大電路的反向端接地作為一般的放大電路使用，其余參數與實驗組保持一致。

圖6 為示波器探測兩組Vout端的輸出波形，圖6（a）、（b）分別為實驗組與對照組得到的回波信號。通過對比可以看出加入LF398 采樣保持電路和差分放大電路處理后，能夠得到較好的回波信號波形，實現了背景光抑制的目的，易于后續的信號處理。

測距實驗包含系統延時校準和0.5m~10m范圍內任意一點測距兩部分。自觸發測量次數設定為3000 次，理論上可以將誤差降至毫米級，FPGA 內部晶振頻率為50MHz，即時鐘脈沖周期為20ns。

延時校準實驗通過測量兩組標定距離為1.01m 和3.02m 的計時結果計算系統總延時，兩組距離分別測量50 次。測得計時平均值分別為5027.971ns和5041.371ns，由式（1）計算理論計時值為6.733ns 和20.133ns，兩次計算取平均值，可以得出系統總延時τ≈5021.237ns，以此為基礎，進行第二部分實驗，每個測量點上系統測距與卷尺量取各進行10 次測量取平均值。表1 為3 組系統測距結果與卷尺量取結果對照。

表1 系統測距與卷尺量取結果平均值

從波形對比實驗結果可以看出，本文加入LF398 采樣保持電路和差分放大電路的激光接收單元，能夠較好地實現背景光抑制效果，使回波信號更加清晰，能夠降低環境光對測距結果的影響。

從測距結果可以看出，實際測距與理論結果仍存在差距，分析造成系統誤差的原因如下：

1）多次重復測量，使得芯片、激光二極管等發熱，產生溫度漂移；

2）回波脈沖上升沿的鑒別誤差，計時起始與終止信號均由上升沿觸發，因此回波脈沖的脈寬越窄，時刻鑒別越準確。

5 結語

研究了環境光因素對于系統測距精度的影響，分析了光信號的組成結構，提出通過采用加入采樣保持電路的方法抵消環境光產生的光電流，達到抑制環境光干擾的目的。綜合分析了現有提高時間測量精度方法的利弊，結合系統設計條件，基于自觸發原理完成了自觸發測距系統的設計，實現了多次測量求取平均值以提高測量精度的效果。在常溫常壓環境下首先測量標定距離，結合實際測量數據與標定值，計算出距離測量誤差。基于背景光抑制的自觸發激光測距系統具有高精度測量的優點，能夠降低環境光對測距結果的影響，同時對較短距離的測量也保持良好的穩定性。