脉冲飞行时间激光测距系统中周期误差补偿
脉冲飞行时间激光测距系统中周期误差补偿
作者:黄民双;刘晓晨;马鹏
脉冲飞行时间激光测距仪是利用激光脉冲持续时间极短、能量在时间上相对集中、瞬时功率很大的特点,在平均发射激光功率小于1mW(1级安全激光)条件下,能够实现较长距离测量,在移动物体速度控制、三维形貌测量、三维物体扫描、机器人技术、大地测量仪器等领域有非常广泛的应用前景。脉冲激光测距仪中的一个最关键问题是如何提高测距精度,而周期误差是影响测距精度的一个主要因素。目前关于测距仪周期误差的研究主要是针对相位法测距系统,已有大量参考文献应用经典理论分析了周期误差的成因,并提出了消除或补偿这一误差的方法。但是,传统相位法厕居中几乎都是研究随距离变化的周期误差,这种方法存在很大的局限性。因为在实际的测距系统中,为了消除温漂的影响,通过测量外光路与内光路的脉冲飞行时间之差来计算出距离。脉冲飞行时间包括在电路和广露螽的传输时间两部分,由于温漂的影响使得脉冲在电路中的传输时间变化较大(实际测得的最大变化距离达到3m),如果内光路的距离正好在误差变化较大的地方,经过差值运算后随距离变化的周期误差的幅值和初始相位都具有很大的不确定性,最终造成无法对周期误差进行准确测量和补偿。
在基于正弦波的脉冲激光测距系统中,时间间隔测量方法与相位法类似,因此系同样存在周期误差,但是引起周期误差产生的因素复杂,要想通过对误差产生因素进行一一分析并对其进行补偿是比较困难的,因此文中对基于正弦波的脉冲激光测距系统提出一种新的周期误差补偿方法。
1、测距原理及定时误差
其基本原理仕通通过测量激光发射脉冲经被测目标后返回到光电探测器的飞行时间来计算距离,脉冲飞行时间(时间间隔)的测量以正弦波为基准,采用粗计数和细分测量相结合的测量方法。以频率为f0的正弦波作为量化基准,通过测量出脉冲从发射时刻到接收时刻经过的正弦波正周期数和细分相位值,可计算出脉冲飞行时间间隔。
在该系统中,采用温补晶体振荡器产生正弦基准信号,其频率取15MHz。在脉冲发射时刻和返回时刻的时间间隔内,由TCXO产生的正弦波的上升沿过零时刻触发计数器计数,得到粗计数值。
由压控晶体振荡器分频后控制激光脉冲发射,在脉冲发射时刻和返回时刻分别触发高速A/D对正弦基准信号进行采样。这里采用VCXO的目的是为了消除由于正弦波的非线性产生的误差,其基本原理是通过线性扫描VCXO的控制电压使输出频率变化,这样每次触发激光脉冲发射的时刻是随机的,这就意味着激光脉冲发射时刻对应于TCXO正弦信号的相位是随机的。取VCXO频率与TCXO接近,使得在一个细分测量周期(正弦基准信号TCXO周期)内,对应于TCXO正弦信号相位的各个时刻发射激光脉冲的概率基本相同,利用多点数字平均技术,就可以消除正弦波非线性的影响。由于VCXO的一个周期对应的距离只有10m,因此利用FPGA等高速数字电路对VCXO进行分频,其分频数由最大测程确定。
脉冲测距仪属于便携式仪器,由于受到测距仪结构空间和成本的限制,并且有VCXO和TCXO两个频率相近的高频信号,高频信号之间容易相互串扰产生周期误差。这些高频信号经过非线性器件后会产生二次谐波和告辞谐波,同样会经过相互串扰产生周期误差,干扰的途径可以通过电路也可以通过光路。
2、周期定时误差的测量方法
这里提出一种利用激光测距仪在一定距离条件下的测量数据来计算周期定时误差的方法,其原理是利用误差的周期特性。测量过程分为3步:(1)在测量前首先移动被测目标距离,当测量出脉冲费心改时间间隔约等于n/f0时,将被测目标固定;(2)在VCXO频率扫描控制下,发射激光脉冲信号,由于发射时刻对应于TCXO正弦信号相位是随机的,因此由A/D在激光脉冲发射时刻和返回探测器时刻采集正弦基准信号。脉冲发射的个数N视发射时刻在一个周期内各时间段的均匀性决定,脉冲发射的个数越多,均匀性越好,测量定时误差的精度就越高,单脉冲发射的个数不能太多,因为测量时间过长时,电路中温度漂移影响会产生新的定时误差,一般可取5000次左右即可;(3)计算定时误差,由于在测量时将脉冲飞行时间间隔调节到约等于基准正弦信号的整周期。
采用上述测量周期定时误差的方法不需要增加任何硬件设备,测量原理和方法简单,容易操作,可以编制相应的软件实现对周期误差的自动测量,并在单片机中存储含误差补偿功能曲线,以实现误差补偿。
3、实验结果
由于TCXO的频率为15MHz,一个周期对应的距离为10m。为了验证测量仪器存在周期误差,测量了随距离变化的周期误差。其测量方法是将被测仪器与一台高精度测距仪进行比较测量,每移动0.25m的距离测量一个值,共测量了从10-40m的3个周期,可以看出,仪器误差随距离呈周期变化的趋势明显,该周期误差对测距误差贡献很大,因此对其进行补偿可以大幅提高测距精度。
在实验中,取A/D采样频率为500MHz,分辨率10位,重复频率为100kHz。为了减小测量随机误差的影响,每组发射脉冲个数N为5000,共测量10组数据。首先将A/D采样的5组数据进行预处理;然后计算出A/D采样值与正弦曲线幅值的差值,即定时正弦幅值误差。在频率30MHz处出现幅值最大值,这个频率正好是正弦基准频率的2倍、而在频率为24.36MHz等处出现了较高的幅值,说明干扰信号是由TCXO或VCXO等高频信号之间的串扰形成的。
以含误差补偿功能曲线作为测量基准,通过内插计算就可以补偿周期误差。为了验证补偿效果,在测距基准检测机线上测量测距仪补偿前后的距离误差。利用以含误差补偿功能曲线作为基准的测距误差显著减小,测距误差小于3mm,说明文中提出的误差补偿方法是可行的。
4、结论
经过文中的研究,可以得出以下结论:
(1)在基于正弦波的脉冲激光测距系统中,利用激光测距仪在一定距离条件下的测量数据来计算定时误差的方法,具有不需要增加硬件设备、测量原理和方法简单、测量容易操作等优点,可编制相应的软件实现对周期误差的自动测量;
(2)通过测量脉冲飞行时间误差来进行误差补的方法,可以解决传统的利用随距离变化的误差来进行周期误差补偿的局限性,因此文中的研究也可为相位法测距周期误差补偿研究提供一条新的途径;
(3)根据对目标的测量实验结果可以看出,经过周期误差补偿后的距离误差小于±3mm,说明文中提出的方法是可行的。
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