时间比例放大法在脉冲激光测距中的应用
时间比例放大法在脉冲激光测距中的应用
作者:韩绍坤;赵跃进;刘巽亮;张化朋
1 前言
激光测距仪已经长时间应用于测量远距离目标, 虽然脉冲激光测距仪会有测距精度不高和最大测程较短等缺点, 但它具有结构简单、不需要辅助目标等优点, 仍是一种简单易行的测距手段。因此, 为了使激光测距系统达到体积小巧且使用方便的要求, 应选择脉冲测距方式。
2 问题的提出
脉冲激光测距机是采用测量激光脉冲往返于测距机和目标间的时间计算出被测距离的。在测距精度要求不高的情况下(±5m 或±10m ) , 可以直接用单片机的内部时钟计时。但是, 如果精度要求为±1m , 假设计数误差 ∃n= ±1, 计算得计数器的计数频率 f 至少为 150M H z, 单片机达不到如此高的工作频率。要得到这种高频且稳定的时钟源和计数器, 实现起来比较困难, 而且制作成本也相对较高。
3 时间比例放大法
3. 1 时间比例放大基本原理
时间比例放大技术, 是把激光脉冲往返于被测距离间的时间 t 按一定比例放大,其中M 是时间 t 的放大倍数, T = M t。当计数误差 ∃n= ±1、测距精度时 ∃d = ±1 时, f 减小为150MHz;如果放大倍率M = 1000, 则 f = 150kH z,这个频率单片机定时器是可以达到的。
利用电容器C 作为储能元件, 在时间 t 内 K1 闭合, K2 断开, 电容器C 被充电, 充电时间越长, 电容器 C 上的电压越高; 当接收到激光回波脉冲时, K1 断开, K2 闭合, 电容器 C 放电, 放电时间就是单片机定时器所计时间 T。
t1、t2、t3 三种不同时间的充放电波形。对应于充电时间的不同, 其恢复到初始状态的放电时间分别为 T 1、T 2、T 3。所以, 分别用 T 1、T 2、T 3 来度量 t1、t2、t3, 可以将一个快速、短时间的测量转换为较长时间的测量, 在技术上容易实现, 且精度较高。
3. 2 充放电线性问题
为使对应不同的充电时间均以相同的比例M 被放大, 则电容器要保持线性或近似线性充放电。然而, RC 电路的充放电规律为指数变化, 只有在满足一定条件下才能近似按线性处理。
3. 3 充放电时间的倍率计算
充放电时间的倍率实际上就是放电恒流源电流与充电恒流源电流的比值。在充放电电路中 I/I约为 1000 倍, 所以 T 亦为 t 的 1000 倍。这样就把测量精度降低了 1000 倍, 大大降低了对器件分辨精度的要求。使对于时间分辨率为 6. 6n s 的精度要求经过放大后, 只要求器件能有 6. 6Λs 的时间分辨精度, 这是一般的器件都能满足的。
3. 4 距离的计算公式
在距离为 d 1 时电容充放电曲线为OAB, 在距离为 d 2 时, 充放电曲线为OD E。
4 实现可行性
在进行时间测量时一切固定的误差都可以在最后的结果中予以消除, 只有随机变化的因素才影响测量精度。所以, 在设计实现时, 要选择高稳定的恒流源; 电容等电路参数应尽量保持稳定, 充放电电容应选择充放电特性好且低泄漏的电容器。
4. 1 充电的起始电压和放电的终止电压
在实际情况下, 电容器的充电起始电压和放电终止电压均不为 0, 这样做的好处是避开了“零”附近精度的不确定因素。而且充电起始电压也不等于放电终止电压。
电容器的一端接地, 另一端接电压比较器的正相输入端。不进行充放电时充电起始电压被钳位晶体管钳在 1V , 电压比较器的反相输入端接参考电压 0. 9V。主激光脉冲发出时, 电容器解钳, 充电回路开始给电容器充电, 单片机开始计时; 当收到回波脉冲时, 充电回路断开, 由于放电回路一直导通, 所以电容器开始放电。当电容器电压降到 0. 9V 以下时, 电压比较器输出反转, 提示单片机停止计时。
4. 2 距离计算公式的修正
充电起始电压为 0, 放电终止电压等于充电起始电压。这两个条件在本测距系统的具体电路中都不满足, 因此要对公式(7) 做如下修正:
a.被测距离为零时, 即电容上电压为 1V 时, 也存在一个放电时间, 称之为 T 0。
b.距离不为零时, 电容充电后再放电, 所计数得到的放电时间是 (T 0 + T )。这里的 T 可以用来作为中的放电时间来计算距离。所以在实际操作中以三个放电时间作为计算距离的原始数:T 0 为距离为零时电容的放电时间, 或称之为“零”标定放电时间; T c 为固定距离条件下 (设定) 的放电时间, 或称之为定宽标定放电时间; T 为待测距离情况下所得到的放电时间。显然, 这里的 K 即为当 T = T c 情况下的距离值。在具体装置中 T c 所对应的充电时间为 750n s。
5 实验结果与分析
实际情况下, 电容器的充放电波形,为了分析元器件对电路稳定性的影响, 实验任选用了 3 个相同型号的晶体管作为放电回路的恒流源,实测不同充电时间下的放电时间见表 1。
通过以上实验结果可以发现, 随着电容充电时间的增加, 放电时间的放大倍数单调减小。但充电时间短时, 对于同一种晶体管, 放电时间基本稳定。在对其他晶体管进行评价时也得到了相同的结论。由此看出应以 0 标定和定宽标定为基准, 对实测的放电时间进行修正, 以确保时间放大倍数恒定。还可以发现, 相对同一个充电时间, 同一型号的不同晶体管得到的放电时间相差不大, 这是对实测时间进行修正的前提条件。
6 结论
将充放电电容器的充电电流稳定在mA 级, 放电电流稳定在 ΛA 级, 使它们之间的比例大于等于 800倍。选取适当的电容, 要求具有较好的充放电特性, 而且在充电时间小于等于 6. 6Λs 时不会饱和。这样对计时器的精度要求将由纳秒级降到微秒级, 实现了在保持测量结果精度不变的前提下, 把以高精度测量短时间转化为以低精度测量长时间, 从而降低了对测量仪器的精度要求和测量成本, 而且便于实现。
在测距系统中, 由于系统元器件自身差异的影响, 对所测数据进行修正是必要的, 而且是可行的。
本文章转自爱学术(aixueshu.com),如有侵权,请联系删除