高频共振预探测多脉冲激光测距方法
高频共振预探测多脉冲激光测距方法
作者:黄民双;马鹏;刘晓晨
无合作目标脉冲激光测距仪具有非常广泛的应用前景,例如移动物体速度控制[ ]、三维形貌测量[2]、三维物体扫描、机器人导航、大地测量等.脉冲激光测距是基于脉冲飞行时间[0,7]fpulsed time—of-flight,TOF)测量原理,通过测量从脉冲发射经过目标漫反射后再返回到光电探测器的这段飞行时问来计算出距离. 目前发射激光脉冲大多采用半导体激光二极管flaser doide,LD),因为LD价格便宜、工作稳定可靠,是目前激光测距仪中的首选器件.但是测距技术指标受到LD性能参数的限制,目前生产的LD脉冲激光器的峰值功率为10—30 W,最小脉冲宽度约为3—5 ns,测程通常为几十米、单发精度为厘米级的水平,测程是指保证一定测距精度的最大可探测距离,因此若要求提高测距精度就会降低测程.现有的激光脉冲测距基本上都是采用直接探测脉冲基础上的前沿定时方法,为了消除和减小走离误差fwalk error),要求接收通道的带宽必须足够宽,一般都在100 MHz以上,甚至达到2.5 GHz, 带宽越宽走离误差越小,这意味着噪声同样经过宽带放大器进行放大,导致信噪比fSNR1低而影响测程,目前己报道的文献中最小可探测光脉冲电流幅值大于1¨A[13,15,16】,对应的测程为数十米.为了提高测程,采用数字相关检测等方法来提高信噪比,但只给出了仿真结果.当目标距离更远时,光脉冲电流幅值将变得更加微弱,而电路或背景的噪声幅值和频谱是基本不变的,使得信号相对于噪声来说极其微弱,受模数转换器(A/D)转换器位数(分辨率)的限制,这个微弱脉冲信号不能保证被高速A/D采集到,因此采用数字相关等现代微弱信号检测方法来提高测程的能力是有限的.
影响测距精度的一个主要因素是定时误差,包括定时抖动(timing jitter)和走离误差.定时抖动是由于噪声等原因造成的定时点处单次距离测量的随机误差,这项误差会造成时间检测分辨率的恶化,它可以通过增加脉冲信号定时点附近的斜率来减小. 走离误差是由光电流脉冲幅值变化造成的,光电流脉冲振幅是目标距离(脉冲振幅与距离的平方成反比)和目标反射率(0.1—1)的函数,并且激光发射脉冲振幅有10%-20%随机变化,因此对千不同的目标,其回波脉冲振幅变化范围是很大的,通常可以达到1 : 10000 [6,s,9]. 为了减小前沿定时法 [19] 存在的走离误差,可以通过测量脉冲峰值、上升率或脉宽进行补偿,其单发精度可以达到厘米级;利用恒比定时法 [20]也能消除大部分走离误差 近年提出的共振定时法 [15] 是一种在接收通道的输入端生成定时点的过零定时探测方法,可以扩大光电流脉冲幅值变化动态范围,并减小走离误差,仅存在定时比较器引起的超越走离误差.但上述方法均属千直接探测脉冲的方法,要求接收通道有很宽的频带宽度和非常高的脉冲峰值测量精度,且测程只能达到几十米.
为此,本文研究一种采用硬件电路对光脉冲电流进行预探测的方法,在此基础上再利用发射多脉冲进行数字相关处理构造一个新的脉冲函数,以同时实现毫米级高精度和千米以上远目标距离的测量
2高频共振预探测方法
2.1 理论模型
高频共振预探测多脉冲激光测距的接收通道设计方案如图1所示. 光电探测器(APD)将激光脉冲回波信号转换为光电流脉冲信号 i(t), 激励高频共振预探测电路后,产生高频衰减振荡的双极性脉冲 u(t), 经过多脉冲数字相关处理构造出一个幅值固定的离散脉冲函数A(k), 然后经过函数拟合和平滑处理得到新脉冲函数y(t), 最终提取出 y(t)的过零时刻点作为定时特征点P.
高频共振预探测的基本思路是采用硬件电路的方法将光脉冲电流激励高频振荡器产生共振,实现对光电流脉冲的放大滤波和脉冲波形变换,以提取定时特征点P. 为了理解这种方法,下面用二阶滤波器来说明.
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