脉冲激光测距中基于多层嵌套状态机的控制系统
脉冲激光测距中基于多层嵌套状态机的控制系统
毛有明,岱 钦,吴凯旋,耿 岳,李业秋
脉冲激光测距仪技术广泛应用于现代军工、工业、航天等领域 ,随着集成电路的飞速发展,数字法插入法测量时间间隔已取得突破性进展,并广泛应用于激光测距系统中,可以使用专用测量芯片或精密延迟线完成高精度时间间隔测量。论文设计实现了基于FPGA和TDC-GP21的高速激光飞行时间测量系统,通过多层嵌套状态机构成控制系统,提高了测量频率和精度。
1 激光测距原理
激光测距系统主要由以下几个部分组成:激光发射模块、接收模块、跨阻放大模块、时刻鉴别模块、时间间隔测量模块以及核心控制元件FPGA,激光二极管发射脉冲宽度为40ns的激光脉冲,通过分光将其中一小部分进行光电转换后作为开始信号,剩余激光经过光学准直系统后发射;当激光到达被测目标表面后部分能量被反射,经过APD接收、跨阻放大和时刻鉴别电路后,作为结束信号送到时间间隔测量单元;根据测量光脉冲从发射到返回接收机的时间t,可以计算出测距机与待测目标之间的距离。
激光测距精度主要取决于时间间隔测量精确度、接收电路的带宽、激光脉冲的上升沿和探测器的信噪比 ],其中时间间隔测量精度对激光测距精度的影响至关重要。
2 时间间隔测量原理
高精度时间间隔测量技术的种类可以分成模拟法和数字法。数字插入法是在数字法的基础上,通过插入法提高测量精度,包括延迟线插入法、时幅转换插入法和时间放大插入法。数字插入法继承了数字法的测量范围大和线性好的优点,又提高了时间间隔测量的精度,因此数字插入法成为目前主要的高精度时间间隔测量方法。
时间间隔测量原理 如图2所示,时间间隔可以表示成Tc=Ts+nTd—Te,其中nTd为参考时钟CLK的周期数, 和 分别为触发信号和参考信号CLK的上升沿之间的时间差。设计使用TDC—GP21,采用延迟线插入法技术,以信号通过内部延迟单元来测量时间间隔,TDC-GP21内部延迟单元的单通道测量精度为45ps,由Start信号触发,Stop信号截止,由环形振荡器的位置可得乃和 ,由粗值计数器的计数值可得nTd,从而计算出Start信号和Stop信号之间时间间隔。
TDC—GP21通过内部校准测量来补偿由温度和电压变化而引起的误差,适用于高精度时间间隔测量。
由FPGA配置TDC—GP21进行校准测量,首先TDC-GP21通过内部延迟单元测量时间间隔;然后测量一个和两个外部基准时钟信号Call和Cal2;最后ALu单元通过Call和Cal2对测量结果进行校准,补偿由温度和电压变化而引起的误差,并将校准结果存到结果寄存器中。此时测量结果是外部时钟的倍数,即相对时间。
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