提高激光脉冲测距的方法
提高激光脉冲测距的方法
作者:朱星宇;梁善永;
激光测距技术是一种非接触测量方法, 对电子干扰不敏感,抗干扰能力强,测黛精度高。与一般光学测距技术相比, 它操作方便,系统简单且昼夜都可以工作的优点。激光测距无论是在军事应用,还是在科学技术、生产建设方面都起着重要作用。由千激光剌距仪结构小巧,携带调整方便, 故激光测距仪是目前测距中较为理想的仪器。脉冲激光测距仪是一种以短脉冲激光为载体, 对激光传输路径上的目标进行高精度距离测量的技术, 具有测量距离远、精度高、抗干扰能力强等优点。
本文分析了现有脉冲激光测距机的误差源及误差形成机理,提出了用千提高脉冲激光测距机测距精度的方案。样机实验表明, 该改进能够显著提高激光测距机距离精度。
1 脉冲激光测距精度的误差分析
1.1核心计时器件对测距精度的影响分析
传统激光测距机通常采用30MHz晶振作为测距系统的核心计时器件,精度为士5米,计时原理如图1所示。从图中可以看出, 测距机在激光发射时发出起始信号,用千触发计时器计时;在接收到回波信号后触发结束信号, 用千停止计时器计时。通过计算起始信号和结束信号到达时刻之间的脉冲个数,换算成距离值, 即可得到距离测量结果。
起始信号和结束信号是在时钟的上升沿触发计数的, 因此晶振作为核心计时器件, 它的精度直接决定了测距机的精度。
可见, 实际引入的误差大小为。与晶振频率有关, 晶振频率越高,计时误差越小。但受限千晶振工艺、成本、时钟抖动及温漂等因素,选用晶振的频率不可能无限制提高。
1.2回波信号波形幅度起伏对测距精度的影响分析
起始信号和终止信号是由接收系统接收放大, 触发比较器形成的快边沿秒冲。当目标距离和反射率不同时, 回波信号的信号峰值也不同, 回波信号的这一波形幅度起伏将严重影响测距精度。 两个不同幅度的回波信号波形, 当采用同一阙值功率的比较器对两个回波信号进行比较操作时,将产生误差。
1.3接收系统带宽特性对激光测距的影响分析
激光测距机对远处目标的激光后向散射回波信号的波形形状有较好恢复, 这要求接收系统具有非常高的频带宽度, 保证低失真地再现回波脉冲波形。然而, 系统带宽并不能过宽,不必要的带宽性能会引入更多的噪声, 降低探测系统的信噪比。因此,在保证信号有效带宽的前提下,需要限制系统的通频带来对噪声进行有效抑制。
2.提高激光测距精度的方案及分析
2.1基于TDC-GP21的测距精度提高方案
我们利用德国ACAM公司生产的GP-2作为核心计时芯片,代替普通晶振实现更高精度的计时, 其最小分辨率是65ps, 对应1cm精度。均方根(rms)抖动大约是SOps, 性能远高于品振计时方案。TDC是以信号通过内部门电路的传输延时来进行高精度时间间隔测量的。图3显示的是这种测量绝对时间TDC的主要架构。在测量时, 通过计算开始信号和结束信号时间间隔内通过的逻辑门的个数, 就可以精确计算出两个信号start和stop之间的时间间隔。芯片上的智能电路结构、担保电路和特殊的布线方式保证芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数。
激光发射装置发射激光的同时,将激光同步发送~start端口,开始进行时问差测量。当激光打到物体上产生回波时,探测器接收到回波并产生一个stop信号。然后从stan到stop信号之间的时间差就会被TDC—GP2精确测量并且记录下来,用于测算目标距离。
2.2基于恒定比值鉴别的测距精度提高方案
高精度时刻峪别是实现高精度激光脉冲测距的基础。目前,常用的时刻鉴别方案仃:前沿鉴别、高通阻容过零鉴别、恒比定时鉴别。为避免回波信号波形幅度起伏对测距精度的影响,这里选用恒比定时鉴别方案。
恒比定时撩别电路如图5所示,其由高速比较器、D触发器和输入电路组成。Rl、R3、R4分别为三路信号的阻抗匹配电阻。高速比较器,其中AI作为恒定比值时刻攀别比较器,A2作为预簪别比较器。调节vR即可改变预鉴别比较器的预鉴别阈值。通过 比定时鉴别的方案, 可以使不同幅值的信号用不同的闽值功率上比较,使得在比较过程中测得的信号时刻更加精准,不会因为信号幅度大小而产生误差。
2.3接收系统最佳带宽的确定方案
放大器的卜于{‘时问和带宽紧密相关,所以这就要求放大器具有非常高的频带宽度,才能保证低失真的再现回波脉冲波形。而过宽的系统带宽将引入更大噪声,因此,存在一个最佳接收系统带宽。(1)将接收器带宽同光源脉冲相匹配,得到放大器的设计带宽引 。设计如下实验粗测光源脉冲的波形。为使测量系统对信号波形形状有较好的保持, 需要测试系统有更宽的带宽,但由于条件所限,探测器件选用450ps上升时间的APD,型号为SAE500VS3, 采集系统采用Agilent5460A示波器(模拟拟 带宽350MHz,最高采样率2GSa/s)。
考虑到雪崩管和示波器的带宽限制会使接收信号的上升时间变缓,从而使示波器屏幕J.__看到的信号的带宽要小于实际信 的带宽,故将放大器带宽设计指标适当加宽,取放人器设计带宽。
(3)实测oPA657的带宽
实测的opa657系统带宽,从 8中可以看到, 该跨放人器频率特性曲线近似保持直线,在80MHz以下的频率 保持 常好的频率响应,说明增益基本保持恒定。 80MHz附近,增黼减小了近似一3dB,得出该跨导放大器的一3dB带宽约为80MHz,恰好前文提出的设计带宽相近。
3 结论
本文通过分析影响脉冲激光测距精度的三人主因 , 设计了基于专用高精度计时芯片TDC—GP2l的计时方案、基于恒定比值巷刖的时刻鉴别方案并给出了确定接收系统最佳带宽的方案。将传统品振式测距机的计时精度提高到厘米量级, 并有效避免r因刚波亿 波形幅度起伏和系统带宽参数对测距精度的影响。通过上述改进,有效提高了脉冲激光测距系统的精度。
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