激光测距仪距离模拟源技术研究与精度分析
激光测距仪距离模拟源技术研究与精度分析
作者:林盈侃;郭颖;黄庚华;舒嵘
在对激光测距仪进行性能测试时,需要输入高精度、稳定且可调的仿真距离测试值。 对激光测距仪的地面距离模拟源技术进行了研究,设计了集成激光接收和发射单元的距离模拟源系统,通过使用同步时钟计数的方法实现长度可实时输入的延时, 以模拟激光测距仪从激光发射到接收激光回波间的时间间隔,并对影响距离模拟精度的系统误差和随机误差源进行了分析和计算,最后通过高精度时间间隔测量装置对距离模拟源进行了实际模拟精度的测量, 验证了距离模拟源提供的距离值的绝对精度和相对精度。
脉冲激光测距通过测量从激光主波发射到激光回波接收的时间长度来计算与目标的相对距离,具有探测距离远,测距精度高,对光源相干性要求低等优点。 在对激光测距仪,尤其是对测距范围较大的星载激光测距仪进行测距性能测试时,使用真实地面物体作为测距目标,接收从目标反射的激光回波测试测距仪性能的方法,需要提供长距离且可准确标定距离的测距目标,对目标和环境的要求很高,而要建立一个能在激光测距仪有效测程内,距离可任意变化的测试目标则更为困难。
在对测距范围达到几千米甚至十几千米的星载激光测距仪进行地面性能测试时,为了减小目标及环境条件对测试的影响,同时提高测试的易操作性和精确性,激光距离模拟源被设计使用。 距离模拟源接收激光测距仪发射的激光,经过可由计算机设定的延时后,产生一定强度和脉宽的激光脉冲,输入激光测距仪作为模拟回波。 距离模拟源提供的模拟距离不受客观环境限制,能覆盖激光测距仪的全部测程,可在室内给激光测距仪提供闭环的可调光信号激励,对测距仪的灵敏度、距离分辨率以及测距精度等性能参数进行测试 ,也被应用于美国近地小行星观测(NEAR)激光测距仪的整体系统性能测试中。虽然距离模拟源已将激光探测和回波发射集于一体,实现了对激光测距仪非接触、无损伤的性能测试,但距离模拟源自身能达到的距离模拟精度却很少被论及。 文中对影响距离模拟源精度的因素进行了分析,并针对所设计模拟源的距离模拟精度进行了计算和实验测量。
1 系统实现
1.1 距离模拟源组成结构
距离模拟源的组成结构,使用 PIN 光电探测器组成的探测电路,接收激光测距仪发出的激光主波,作为主控单元延时开始信号。 高精度延时可以通过模拟插入法[4]实现,但系统实现复杂且精度易受外界温度和电压影响。 所以主控单元选择使用简便的同步时钟计数方式进行延时,延时结束时,主控发出激光回波的触发信号,驱动激光二极管给激光测距仪发射激光回波。 激光测距仪记录下其发送主波和接收到回波之间的时间,得到距离数据。
1.2 系统硬件组成
距离模拟源的硬件组成包括激光主波接收、鉴别单元,激光回波发射单元以及主控单元。
(1) 激光主波接收、鉴别单元
距离模拟源使用 PIN 光电二极管探测激光信号,通过单级电压同相放大电路对小信号放大,最后经过高速比较电路输出,放大电路的带宽 100 MHz,放大后的信噪比超过 60 dB。
(2) 激光回波发射单元
距离模拟源使用激光二极管给激光测距仪的接收系统发送激光回波,通过高速、大功率开关器件瞬时导通使储能电容放电产生大电流脉冲,驱动激光二极管。 通过调整储能电容的容值和限流电阻的阻值可以改变电容的放电时间和瞬时放电电流,达到改变距离模拟源所发射激光脉冲的脉冲宽度和峰值强度的目的。 为了适应实际星载激光测距仪理想回波的测试要求, 设计距离模拟源的激光二极管工作状态为 :驱动脉冲的峰值电流约为 8 A,激光脉冲上升沿宽度约为 5 ns。
(3) 主控单元
距离模拟源主控单元使用 Altera 公司的 CycloneⅡ系列 FPGA,为了减小时间量化误差、提高计时分辨率,使用 FPGA 内部的锁相环对外部晶体振荡器进行倍频到 192 MHz 作为计数时钟 。 主控单元通过 Can总线与 PC 机通信, 对延时长度进行设定, 调整模拟距离值。
2 误差分析与计算
距离模拟源的误差来源可分为系统误差和随机误差。 根据系统设计方法和所使用器件的性能参数,分析各误差来源并进行理论误差计算。
2.1 系统误差
系统误差是在一定的测量条件下, 对同一个被测量值进行多次重复测量时, 误差值的大小和符号保持不变。 系统误差只影响测量值与标准值间的绝对精度,可以通过标定与校正消除。 主要系统误差可以分为:
(1) 系统固定延迟误差
固定延迟误差来自于电信号或光信号在系统中传播时的固定时延,系统的固定延迟误差总是增加信号在系统中停留的时间。 距离模拟源的系统固定延迟误差包括距离模拟源与激光测距仪间的激光耦合距离;激光接收和发射电路中开关器件的导通、关断时间;脉冲信号的上升、下降时间;以及探测器对光信号的响应时间等。总和距离模拟源中各器件的固定延迟参数,可得到系统固定延迟误差。
(2) 固定阈值鉴别误差
时刻鉴别是对脉冲信号到达的时刻进行判断和采集, 固定阈值鉴别是一种常用的时刻鉴别方式,以激光信号脉冲前沿中幅度等于某一固定域值的点作为起始时刻,易于实现,但是,对于脉冲到达时刻的判断会由于脉冲幅度和形状变化引起较大的偏移误差。在距离模拟源系统中,使用光纤直接将激光从测距仪传输到距离模拟源,每次激光在传输过程中经历的路程和环境损耗的变化可以忽略,所以距离模拟源收到的激光脉冲的幅度和形状始终不变,消除了固定阈值鉴别带来的误差。
2.2 随机误差
随机误差是在同一测量值的多次测量过程中,误差的绝对值和符号以不可预定的方式变化的误差。 随机误差影响测量值间的相对精度,且不可修正或采取技术措施消除。 随机误差来源可以分为以下几类。
(1) 时间量化误差
外触发计数模式中会将开始时刻与后一个时钟上升沿之间的时间值 △t 丢弃。 计数开始触发信号在两个相邻时钟周期之间满足均匀分布,用T 表外触发计数模式中会将开始时刻与后一个时钟
上升沿之间的时间值 △t 丢弃。 计数开始示一个时钟周期,则该模拟距离的随机误差的标准差根据均匀分布,时间量化误差的大小与计数时钟的频率有关,时钟频率越高,时钟抖动误差越小。时间量化误差发生在接收激光主波开始计数时,当计数结束,产生激光回波,由于是主动触发,不会引入时间量化误差。 当计数时钟频率为 192 MHz 时,得到对应模拟距离误差的标准差为 0.225 m。
(2) 时钟抖动误差
时钟抖动是指时钟实际边沿与理想边沿之间的偏差,是短期频率稳定度的度量。 时钟的幅度噪声和相位噪声是时钟抖动的主要来源,常用的时钟源有晶体振荡器和锁相环。 通过测量系统信噪比与信号频率和幅度之间关系的方法可以准确测量时钟抖动,晶体振荡器的时钟抖动均方根通常在几皮秒范围内。 利用锁相环合成器产生输出频率的振荡器能够方便地得到高频时钟,但是会呈现较差的相位噪声性能。
(3) 信号的延迟抖动
信号在系统各器件中的传播延迟除了带来固定的系统误差外,还包括器件的寄生电阻、电容、温度、环境等各种因素造成的传播延迟抖动引起的随机误差。根据各器件延迟抖动的性能参数,以及多次测量验证器件抖动的标准偏差值,得到距离模拟源的信号延迟抖动约为 1.28 ns,代入公式(3)得到对应的距离误差标准差 σ d 为 0.192 m。
3 实验结果及分析
3.1 实验方法
为了验证距离模拟源所提供的模拟距离值的精度,搭建实验装置测试实际模拟精度,对模拟源从接收激光主波到发出激光回波所经历的时间间隔进行测量,这段时间间隔包括主控单元设定的所需延时以及信号在系统中传播的延迟时间。
通过改变硬件电路设计参数的选取可以调整距离模拟源出射激光的波形,不同的出射激光特性会影响激光测距仪的测距精度,但由于所改变的电路设计只是基于电容和电阻值的变化,对距离模拟源本身距离模拟精度的影响可以忽略。 所以实验中仅选取发射对实际激光测距仪理想的激光波形进行测定。
距离模拟源精度测量实验装置。 测量系统使用信号发生器产生脉冲, 同时触发模拟源计数 ,以及 TDC蛳GPX 高精度时间测量芯片计时 ,该时间测量芯片能够准确测量两个输入脉冲之间的时间间隔,经过标定,计时精度达到 80 ps。 当模拟源的延时结束时,驱动激光二极管发射激光,并用模拟源自身的激光接收端的 PIN 探测器接收,将激光到达转为电脉冲,作为计时装置的计时结束信号。 计时芯片所测得的时间间隔包括了距离模拟源设定的延时长度以及信号在系统中的所有延迟。 将实验测得的时间间隔读出,检测距离模拟源的精度。
3.2 实验结果
实验中,以 10 Hz 的频率触发模拟源,用高精度时间间隔测量装置测量 100 组模拟距离数据,每个距离数据可表示为:Di =Dt +△R+σ i (5)式中:Dt 为所需模拟的距离值;△R 为每次测量中固定不变的系统误差;σ i 为测量中不断变化的随机误差。为了测定距离模拟源实际提供给激光测距仪模拟距离值的绝对精度和相对精度,在激光测距仪测程范围1~6.5 km 中选择两个接近极端最大和最小值的模拟距离 1 050 m 和 6 400 m, 代表距离模拟源应提供给激光测距仪的全部模拟距离值, 比较两次测量结果,验证距离模拟源精度。输入计数值,模拟距离 1 050 m。 对测量数据进行固定系统误差 △R 修正后,得到的距离模拟数据。 统计得到:模拟距离的平均值D1 =1 050.267 m,标准差 σ1=0.256 m。
再次输入计数值,模拟距离6 400 m。 对测量数据进行固定系统误差 △R 修正后 ,得到的距离模拟数据。 统计得到:模拟距离的平均值D 2 =6400.164 m,标准差 σ2=0.254 m。从上述两次实验的结果可以看出:经过固定误差修正之后,距离模拟源的距离模拟绝对精度能达到真实值的 0.3 m 以内,模拟距离值的随机抖动误差的标准偏差约为 0.26 m,接近理论计算得到的 0.3 m 的随机误差标准偏差。
4 结论
用距离模拟源以光信号的方式给激光测距仪提供模拟距离值的闭环激励,可以在实验室对激光测距仪进行准确、稳定且实时可调的性能测试。 通过高精度时间间隔测量装置,对所设计的距离模拟源的距离模拟精度进行实验测定,证明距离模拟源提供的模拟距离值符合理论分析,其绝对精度和相对精度都能达到 0.3 m 以内。
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