一种改进的脉冲式激光测距仪的设计
发布时间：2017-11-22
引言
随着技术的进步,激光测距机向着标准化、多功能、高可靠性和小型化的方向发展,追求更高的性价比,更广的应用范围。
按实现机理,激光测距仪可分为脉冲式和连续波相位式[1]。脉冲式的优势在于测试距离远,信号处理简单,被测目标可以是非合作的,但其缺点是测量精度并不太高,作用距离一般为数百米至数十千米,距离分辨率在米量级。
以脉冲式激光测距仪简单易行的工作原理为基础,本文提出了一种改进方案,提高了它的测量精度和系统的综合性能。
1传统脉冲式激光测距仪的工作原理
传统脉冲式激光测距的原理[2]是:由激光器对被测目标发射一个光信号,然后接收目标反射回来的光信号,通过测量光信号往返经过的时间,计算出目标的距离。测量公式为:
L = ct/2 (1)
式中:L为待测目标的距离,t为光信号往返所花的时间,c为光传播速度。传统脉冲式激光测距仪由激光发射系统,激光接受系统,计数系统(数据采集及信息处理、显示)以及电源共4部分组成[3]。
其通常的测量过程为:
(1)发射机发射激光脉冲,同时启动计数器开始计数。
(2)激光脉冲遇到待测物体,产生回波,并由接收机接收,终止计数器计数。
(3)根据计数结果算出被测目标距离。
这种方法简单易行,但是测量精度不高。其中主要误差是因为回波脉冲与计数时钟的相对关系是随机的,最大误差为一个计数时钟周期。如图1所示。激光脉冲在测距仪和目标之间的往返传输时间为Tm。
计数器输出为N,时钟信号周期为T,测得延迟时间为N×T。在测量过程中,结束时间Te被多加进去了。有下列
公式:
Tm= N×T-Te
所以,要想提高脉冲式测距仪的测距精度,最直接的方法就是提高系统时钟频率[4]。比如系统时钟为3 GHz时,测量精度会达到5 cm。但是,高频带来的电路设计,印刷板的制作难度和成本的急剧提高,使得直接提高系统频率来提高测量精度的方法变得不可取。
2加入模拟处理模块提高测距精度
由FPGA[5]组成的数字系统的精度受系统时钟最高频率的制约,为了以较低的系统时钟频率达到较高的测量精度,我们在传统脉冲式激光测距仪的计数系统部分加入了模拟处理模块。
电容器件充放电周期稳定,精度高。随着充放电电流大小的改变,达到阈值电平的时间便会相应的变短变长。利用这一特性,采用模数转换技术A/D电路方法来提高激光测距仪的精度[6]。为了测得一个很短时间的值,采用这段短时间内大电流放电,然后以小电流慢慢充电的方法,会使得充电时间对应比例的延长,以较低频率的数字系统的计数器,便可以轻松测得此放大过的时间值,再由对应比例关系求得短时间充电的时间,从而提高测距系统的精确度。
如图2所示,左半边是通过大电流放电时电容器上的电压曲线,右半图为小电流充电时的电压曲线。小电流由Vx充电到U时所花费的时间远远大于大电流从U放电到Vx所需的时间。
设V0为电容上的初始电压值;
U为给电容充电的外部电源电压;
Vt为t时刻电容上的电压值。
则电压计算公式为:Vt= V0+(U-V0)×[1-exp(-t/RC)](2)
所需时间计算公式为:t = RC×ln[(U1-V0)/(U-Vt)](3)
具体测量方法:
将小电流的元件参数Rb,Cb,T2,代入式(2)可以测得电压值Vx。
将Vx和大电流的的元件参数Ra,Ca代入式(3)可以求得大电流放电的时间T1。电路实现如图3所示。
等待状态,K1,K2闭合,电路稳定。
放电周期:回波脉冲将高速开关K1断开,电路通过RC回路放电,由于R(R1//R2)较小,放电电流很大。放电时间很短。
充电周期:系统检测到计数时钟脉冲上升沿到来,立刻将K2打开,K1合上。整个RC电路R值变大,充电电流变小,充电时间变长,可以使用数字计数器对这段时间进行测量[7]。
结束标志:等到小电流充电达到一个预设的电平值,比较器送出截止脉冲,计数器停止计数。开关K1,K2的转化速度将影响测量精度,为了提高精确度,选用了高速的CMOS开关MAX4616。
3系统的总体框架
根据以上改进思想,新的系统由激光收发电路部分,模拟电容充放电部分,FPGA控制部分,后续处理显示部分组成。
在控制器的控制下,整个系统经过测量和处理显示2个阶段[8]。
(1)测量阶段
FPGA给发射电路送出一个开始脉冲,同时,启动一个计数器(此计数器为1号计数器)开始计数。接收电路以模拟方式接收到反射回来的回波信号后,将打开模拟开关K1,系统以大电流放电。等到计数时钟的上升沿来到,1号计数器停止计数,K1合上,K2打开,系统将以小电流充电。这时,FPGA启动另一个计数器(此计数器为2号计数器),进行计数,直到电容充电达到阈值电压,比较器送出截至脉冲,2号计数器停止计数。
通过2号计数器的计数值以及计数脉冲每周期时间值,可以得出用小电流充电的时间。
(2)处理显示阶段
在得到小电流充电的时间后,可以由上面给出的电容充放电式(2),式(3),经过运算处理,得出用大电流放电的时间,即接收到回波脉冲后到下个计数时钟脉冲上升沿的时间。但是,实时运算需要消耗大量的系统资源,会提高硬件成本,还会产生延迟[9]。
在实际实验的基础上发现,电容充放电的时间极短,在纳秒级别,这么短的时间内,RC回路放电曲线近似于一条直线,该直线斜率与RC值呈正比例的关系。
基于此正比例关系,后续处理电路得到了简化。实际选取小电流的RC值为大电流的10倍。1号计数器计算的时间为T1,2号计数器得出的小电流放电时间为T2,则采用该系统测得的时间为T= T1-T2/10。采用5 pF的高精度钽电容作为充放电电容,大电流时R为10 kΩ,小电流时R为100 kΩ。经过实验验证,在20~50 m的区间范围内,精度达到分米量级,与原系统相比,距离分辨率提高了约20倍。
系统框图如图4所示,整个系统的测量精度由电容充放电的精度来决定。选择精度更高的电容可以使得测量精度得到提高。
4测量实验
测量范围为20~600 m,对此区间取下列几个点进行测量。
实验表明,传统型激光测距仪的误差在5 m,且不随测量距离的增减而有显著变化。加入了模数转换的改进型,测距精度有了显著提高,测量误差在0.5 m左右。但是,在临近系统测量极限时,由于反射回来的激光较弱,以及多径效应的影响,数模转换模块性能下降,误差加大。在测量量程中值附近,有着最好的精确度。
5结论
加入一个简单的高精度电容电路,以较低的成本,提高了测量精度,与传统的脉冲式激光测距仪相比,精度提高了几十倍。性价比很高,具有广泛的市场应用前景,适合应用于便携式和低成本的测距领域。
摘自：中国计量测控网
