高精度激光测距机信号内插处理方法
高精度激光测距机信号内插处理方法
作者:李磊;王治中;沈严
1 引 言
测距精度是激光测距仪机的重要指标之一 ,激光测距机由激光发射机、接收机、光学系统、终端机等组成。终端机中计时脉冲信号的处理精度对激光测距机的精度有重要影响 ,对于传统的直接 脉冲计数法 ,实现一般的精度指标不成问题 ,但对于几十厘米甚至更高的测距精度要求 ,由于受器件、工艺等诸多因素的制约 ,直接计数法则难以完成任务 ,采用直接计数与模拟内插相结合的方法可以较好地解决该问题。
2 测距原理及误差分析
脉冲激光测距机 ,是通过测量激光器发出光脉冲的时刻与光脉冲到达目标并由目标返回接收机的时间差计算出目标距离的。假设目标距离为 R,光脉冲往返时间为 t,光在空气的传播速度为 c,则 :R = ct/2 (1) 在激光测距机中 ,造成测距误差的因素很多要包括电光系统延迟误差 ,大气折射误差 ,激光脉冲上升沿抖动造成的误差 ,计数钟频准确度和稳定度引入的测时误差 ,动态范围变化引入误差 ,运算截断误差等。
对任何一个系统来讲 ,系统一旦确定 ,系统误差可以采取标定等手段予以修正 ,因此从提高系统精度的角度考虑 ,如何减小随机误差成为关键。对脉冲激光测距机而言 ,对随机误差影响最大的是测时的量化误差 ,本文主要讨论此问题。
3 测时原理
在精度要求不高的激光测距机中 ,常采用直接计数法完成时间测量 ,由主波 (激光器发出的光脉冲经光电转换、放大等处理电路到达终端机的信号 )作为开门信号 ,回波 (光信号发射到目标并由目标返回到接收机后经处理送达终端机的信号 )作为关门信号 ,在门被打开期间 ,作为时间测量基准单位的晶振脉冲可到达计数器 ,由计数器计出脉冲个数 ,从而求出待测时间。
由于主、回波开、关门时间与晶振时钟沿的随机性造成计数结果的 ±1误差。当晶振频率确定后 , c /2f0 即为时间测量的尺度 ,也就是计数器的分辨率 ,提高 f0 可以提高测距分辨率。晶振频率到 150MHz时 ,测距分辨率可达 ±1m。
4 模拟内插法提高测时分辨率
4. 1 模拟内插法的原理
为了提高测距精度 ,在终端机进行时间测量时 ,采用直接计数与模拟内插相结合的方法 ,对晶振脉冲的整数倍部分 ,即 Tc,采用直接计数法 ,对不足 1个计数脉冲部分 t1 和 t2 ,采用模拟量转换以达到测量目的。
对待测脉宽 T,用脉冲的前沿触发门控电路作为开门信号 ,使恒流源开始对充电电容充电 ,脉冲后沿作为关门信号 ,防止恒流源对电容进行稳定充电 ,充电完成后触发 AD转换电路进行 AD转换 ,完成电压量的测量。
在线性工作区 ,如果最大待测时间的充电电压对应 AD转换器的最大测量电压 ,则时间测量的分辨率与 AD转换器的测量分辨率有关。如果选用 12位的 AD转换器 ,则时间测量分辨率为 T/212。假设时间测量的满量程为 400ns,则时间测量分辨率为100p s。
4. 2 影响精度的因素及解决途径
用模拟内插法测量时 ,影响其精度的因素有以下 :
(1)非线性误差。由于充电的起点和终点是充放电电路由截止到导通和由导通到截止的过程 ,此时三极管具有非线性的伏安特性 ,此处不是恒流充放电 ;
(2) k值不准误差。恒流源对电容的稳定充电是保证测量精度的主要因素 ,由于恒流源参数会受温度变化影响导致放大倍数 k的变化 ;
(3)运算误差。由于求 k值等运算过程中 ,存在数据末尾截断 ,导致计算误差 ;
(4) AD 转换的量化误差。用 AD 转换器进行模数转化带来的量化误差。
此外主、回波的沿抖动、开关速度、线路干扰等因素都会导致测量误差。因此在设计电路中 ,我们需要采取一些措施来减小测量误差。
由于非线性误差与电流开关的切换速度、充电的起始点、终止点关系密切 ,因此待测量越小 ,非线性对测量精度的影响就越大。假设选择频率为30MHz晶振的作为计数脉冲 ,则图 2中所示待测量应在 0~33ns之间 ,对于趋近于 0的待测量很难保证精度。因此在电路设计中 ,将待测量增加一个常量 t0 (即一个时钟周期 ) ,这样待测量在 33ns~66ns之间 ,有利于消除非线性影响。
对于 k值不准误差 ,我们首先要减小温度对流源参数的影响 ,在电路中可采用温度补偿及稳压措施或增强电路负反馈的深度以进一步稳定输出电流。在实际测量中 ,增加定时校 k功能 ,对标准输入脉冲进行多次测量求平均以求出精确 k值。
由于运算误差是在运算过程中数据末尾截断造成的 ,因此运算的中间过程越多 ,该误差就越大。在运算过程中我们将不直接求 k值 ,而是求出标准时间 (比如一个时钟周期 t0 )对应的 AD 输出值 N0。由于 N0、N2 和 N1 都是直接测量量 ,运算只在求 ( t2 - t1 )上 ,因此可以减小运算的中间过程带来的误差。
5 试验过程
在本次应用中 ,将待测量扩展一个时钟周期 ,即为 t1 + t0 和 t2 + t0 ,选用 30MHz的晶体 ,则待测时间在 33ns~66ns之间。本试验也着重在此范围内测量。选用标准信号源作为待测时间的输入量 ,通过时压变换电路、12位 AD转换电路 ,由逻辑分析仪记录测量结果 ,检测电路的稳定性及时间测量精度。首先由信号源输入不同的时间量 ,测量 AD 转换结果。
6.结论
由以上测量结果可以看出 ,脉冲宽度在 30 ~110ns之间 ,该电路的转换结果成线性增长 ;连续测量时数据跳变不超过 AD 器件的两个 LSB ,稳定度较好。经过分析计算 ,我们求出 AD的最小分辨率所对应的测量脉宽为 0. 128ns,考虑到连续测量时稳定度问题 ,可以认为该电路测时分辨率可达 0. 4ns。因此用直接计数与模拟内插相结合的方法可以提高测距精度 ,且该方法在多个激光雷达中已得到较好的应用。
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