一種改進的脈沖式激光測距儀的設計
發布時間：2017-11-22
引言
隨著技術的進步,激光測距機向著標準化、多功能、高可靠性和小型化的方向發展,追求更高的性價比,更廣的應用范圍。
按實現機理,激光測距儀可分為脈沖式和連續波相位式[1]。脈沖式的優勢在于測試距離遠,信號處理簡單,被測目標可以是非合作的,但其缺點是測量精度并不太高,作用距離一般為數百米至數十千米,距離分辨率在米量級。
以脈沖式激光測距儀簡單易行的工作原理為基礎,本文提出了一種改進方案,提高了它的測量精度和系統的綜合性能。
1傳統脈沖式激光測距儀的工作原理
傳統脈沖式激光測距的原理[2]是:由激光器對被測目標發射一個光信號,然后接收目標反射回來的光信號,通過測量光信號往返經過的時間,計算出目標的距離。測量公式為:
L = ct/2 (1)
式中:L為待測目標的距離,t為光信號往返所花的時間,c為光傳播速度。傳統脈沖式激光測距儀由激光發射系統,激光接受系統,計數系統(數據采集及信息處理、顯示)以及電源共4部分組成[3]。
其通常的測量過程為:
(1)發射機發射激光脈沖,同時啟動計數器開始計數。
(2)激光脈沖遇到待測物體,產生回波,并由接收機接收,終止計數器計數。
(3)根據計數結果算出被測目標距離。
這種方法簡單易行,但是測量精度不高。其中主要誤差是因為回波脈沖與計數時鐘的相對關系是隨機的,最大誤差為一個計數時鐘周期。如圖1所示。激光脈沖在測距儀和目標之間的往返傳輸時間為Tm。
計數器輸出為N,時鐘信號周期為T,測得延遲時間為N×T。在測量過程中,結束時間Te被多加進去了。有下列
公式:
Tm= N×T-Te
所以,要想提高脈沖式測距儀的測距精度,最直接的方法就是提高系統時鐘頻率[4]。比如系統時鐘為3 GHz時,測量精度會達到5 cm。但是,高頻帶來的電路設計,印刷板的制作難度和成本的急劇提高,使得直接提高系統頻率來提高測量精度的方法變得不可取。
2加入模擬處理模塊提高測距精度
由FPGA[5]組成的數字系統的精度受系統時鐘最高頻率的制約,為了以較低的系統時鐘頻率達到較高的測量精度,我們在傳統脈沖式激光測距儀的計數系統部分加入了模擬處理模塊。
電容器件充放電周期穩定,精度高。隨著充放電電流大小的改變,達到閾值電平的時間便會相應的變短變長。利用這一特性,采用模數轉換技術A/D電路方法來提高激光測距儀的精度[6]。為了測得一個很短時間的值,采用這段短時間內大電流放電,然后以小電流慢慢充電的方法,會使得充電時間對應比例的延長,以較低頻率的數字系統的計數器,便可以輕松測得此放大過的時間值,再由對應比例關系求得短時間充電的時間,從而提高測距系統的精確度。
如圖2所示,左半邊是通過大電流放電時電容器上的電壓曲線,右半圖為小電流充電時的電壓曲線。小電流由Vx充電到U時所花費的時間遠遠大于大電流從U放電到Vx所需的時間。
設V0為電容上的初始電壓值;
U為給電容充電的外部電源電壓;
Vt為t時刻電容上的電壓值。
則電壓計算公式為:Vt= V0+(U-V0)×[1-exp(-t/RC)](2)
所需時間計算公式為:t = RC×ln[(U1-V0)/(U-Vt)](3)
具體測量方法:
將小電流的元件參數Rb,Cb,T2,代入式(2)可以測得電壓值Vx。
將Vx和大電流的的元件參數Ra,Ca代入式(3)可以求得大電流放電的時間T1。電路實現如圖3所示。
等待狀態,K1,K2閉合,電路穩定。
放電周期:回波脈沖將高速開關K1斷開,電路通過RC回路放電,由于R(R1//R2)較小,放電電流很大。放電時間很短。
充電周期:系統檢測到計數時鐘脈沖上升沿到來,立刻將K2打開,K1合上。整個RC電路R值變大,充電電流變小,充電時間變長,可以使用數字計數器對這段時間進行測量[7]。
結束標志:等到小電流充電達到一個預設的電平值,比較器送出截止脈沖,計數器停止計數。開關K1,K2的轉化速度將影響測量精度,為了提高精確度,選用了高速的CMOS開關MAX4616。
3系統的總體框架
根據以上改進思想,新的系統由激光收發電路部分,模擬電容充放電部分,FPGA控制部分,后續處理顯示部分組成。
在控制器的控制下,整個系統經過測量和處理顯示2個階段[8]。
(1)測量階段
FPGA給發射電路送出一個開始脈沖,同時,啟動一個計數器(此計數器為1號計數器)開始計數。接收電路以模擬方式接收到反射回來的回波信號后,將打開模擬開關K1,系統以大電流放電。等到計數時鐘的上升沿來到,1號計數器停止計數,K1合上,K2打開,系統將以小電流充電。這時,FPGA啟動另一個計數器(此計數器為2號計數器),進行計數,直到電容充電達到閾值電壓,比較器送出截至脈沖,2號計數器停止計數。
通過2號計數器的計數值以及計數脈沖每周期時間值,可以得出用小電流充電的時間。
(2)處理顯示階段
在得到小電流充電的時間后,可以由上面給出的電容充放電式(2),式(3),經過運算處理,得出用大電流放電的時間,即接收到回波脈沖后到下個計數時鐘脈沖上升沿的時間。但是,實時運算需要消耗大量的系統資源,會提高硬件成本,還會產生延遲[9]。
在實際實驗的基礎上發現,電容充放電的時間極短,在納秒級別,這么短的時間內,RC回路放電曲線近似于一條直線,該直線斜率與RC值呈正比例的關系。
基于此正比例關系,后續處理電路得到了簡化。實際選取小電流的RC值為大電流的10倍。1號計數器計算的時間為T1,2號計數器得出的小電流放電時間為T2,則采用該系統測得的時間為T= T1-T2/10。采用5 pF的高精度鉭電容作為充放電電容,大電流時R為10 kΩ,小電流時R為100 kΩ。經過實驗驗證,在20~50 m的區間范圍內,精度達到分米量級,與原系統相比,距離分辨率提高了約20倍。
系統框圖如圖4所示,整個系統的測量精度由電容充放電的精度來決定。選擇精度更高的電容可以使得測量精度得到提高。
4測量實驗
測量范圍為20~600 m,對此區間取下列幾個點進行測量。
實驗表明,傳統型激光測距儀的誤差在5 m,且不隨測量距離的增減而有顯著變化。加入了模數轉換的改進型,測距精度有了顯著提高,測量誤差在0.5 m左右。但是,在臨近系統測量極限時,由于反射回來的激光較弱,以及多徑效應的影響,數模轉換模塊性能下降,誤差加大。在測量量程中值附近,有著最好的精確度。
5結論
加入一個簡單的高精度電容電路,以較低的成本,提高了測量精度,與傳統的脈沖式激光測距儀相比,精度提高了幾十倍。性價比很高,具有廣泛的市場應用前景,適合應用于便攜式和低成本的測距領域。
摘自：中國計量測控網
