自触发脉冲激光测距飞行时间测量研究

摘要：提出一种新型脉冲激光测距方法——自触发脉冲飞行时间激光测距方法。运用该方法有效解决了传统脉冲激光测距法中存在的提高测量精度和缩短测量时间两者之间的矛盾。对该方法及本质特点进行了详细描述和理论分析，并给出用于描述该方法的基本方程。其飞行时间测量系统的设计很大程度上决定了自触发脉冲激光测距的测量精度和测量速度。设计并实现了基于CPLD的自触发脉冲激光测距飞行时间测量系统。CPLD的使用提高了测量精度，并且结构简单，体积小，可靠性高，非常适合高性能便携式的激光测距仪。
关键词：脉冲激光测距；自触发；CPLD；飞行时间测量；精度

    相对于相位式激光测距等连续波测距方法，脉冲激光测距结构简单，测程远，测量速度快，因而得到广泛的应用。但是脉冲激光测距的缺点在于单脉冲测量精度不高，目前，单脉冲激光测距精度在实际应用中只能达到厘米量级，难以达到毫米量级。要达到更高的测量精度，只能通过对多次单脉冲激光测距结果求平均值的方法来获取，但是这样就会增加测量所需要的时间，降低了测量速度，不仅不便于使用，也限制了其应用的范围。
    为了更好的解决脉冲激光测距测量精度与测量速度之间的矛盾，提出一种新型的脉冲激光测距方法，自触发脉冲激光测距法。自触发脉冲测距方法，可以有效克服激光测距中存在的提高测距精度和缩短测量时间两者的矛盾。该方法比起传统脉冲重复频率方法具有更高的测量精度和更快的测量速度，并且有效摆脱了时间间隔测量能力对测距精度的根本限制。自触发脉冲飞行时间激光测距是利用激光接收单元的输出信号自行控制激光发射单元，进而触发激光脉冲向测距目标发射，即激光接收单元接收到激光脉冲之后，去触发激光发射单元产生下一个激光脉冲。激光脉冲的发射和接收先后衔接，自动循环，从而得到一个周期信号ST。测量该信号的周期就可以得到激光脉冲的飞行时间，从而可计算出距离，由统计理论，测量激光脉冲Ⅳ次往返的飞行时间(N个周期)，可比测量1次往返的时间精度提高N倍。与传统脉冲激光测距的取N次独立测量的平均值相比，精度提高更大，并且只要进行一次数据读取存储，节省了N-1次数据读取存储时间。这样，自触发脉冲激光测距就可以在同样的测量时间下，达到更高的测距精度，或者达到同样的测量精度的同时却有更快的测量速度，从而有效的克服了传统激光测距方法中存在的提高测距精度和缩短测量时间两者之间的矛盾，有利于实现高速高精度测距。
    自触发脉冲激光测距的测量精度在较大程度上要取决于激光飞行时间的测量精度，要获得较高的测量精度，就必须设计较高的飞行时间测量系统。文中采用CPLD(Complexprogrammable logic devices)研制出自触发脉冲激光测距的飞行时间测量系统，可以达到较高的测量精度。

1 自触发脉冲激光测距原理及脉冲时序逻辑
    脉冲激光测距的基本单元包括激光发射单元，激光接收单元和飞行时间测量单元。在传统的脉冲激光测距中，测距原理是基于测量发射的激光脉冲(START)和接收单元接收到的返回激光脉冲(STOP)之间的时间间隔△T。目标距离D由下式给出
   
    其中C为光速，时间间隔△T由飞行时间测量单元测量给出。
    自触发脉冲激光测距方案如图1所示。利用激光接收单元的输出信号自行控制激光发射单元，进而触发激光脉冲向目标发射，即激光接收单元接收到激光脉冲之后，去触发激光发射单元产生下一个激光脉冲。

    激光脉冲的发射和接收是循环相关的，这一过程可以表示为
    TK+1=F(TK，△T)     (2)
    其中TK，TK+1分别为第K个和第K+1个激光脉冲发射时刻，函数F的具体形式和测量系统有关，它表示第K个和第K+1个激光脉冲之间的发射时刻关系。不同的系统具有不同函数形式F。
    从激光发射单元向被测目标发射的是周期激光脉冲序列，可以描述为
    TK+N=TK+NT0         (3)
    其中N为整数，T0为发射的激光脉冲序列的周期，其值由式(2)决定。自触发脉冲飞行时间激光测距方法可由基本方程(1)，(2)和(3)描述。从这3个基本方程，可以得到被测距离的表达式：
    D=F(NT0，τ)         (4)
    其中，τ为由系统延时决定的时间常数，其大小由测量系统的结构和带宽等因素决定，NT0为包括N个连续周期的待测量时间间隔，函数F的形式由测量系统具体结构决定。

    发射单元由接收单元输出的电信号所控制，即测距脉冲是由接收单元触发的。该过程的光电脉冲信号时序图由图2所示。开始时，发射单元向被测目标发射一束激光；经过△T(光从发射单元到目标然后返回到接收单元的传播时间)的延时，经被测目标反射的光束被接收单元的光电二极管接收；光电二极管输出的电信号经放大和时刻鉴别后，输出一高电平信号，作为发射单元的输入信号，其间电路延时t11；此高电平信号使激光驱动源终止驱动激光器，激光发射单元停止发射激光，其间电路延时t21；而后经过△T的延时，光电二极管从有激光接收状态转变为无激光接收状态；再经过t12的电路延时，接收单元的输出转变为低电平；此低电平信号使激光器再次发射激光，其间电路延时t22。上述过程构成了自触发脉冲飞行时间激光测距的一个完整周期。如此周而复始，就形成了周期激光脉冲序列。该测距信号从接收单元取出，输入到周期测量单元获得周期T0。根据公式(2)，函数F有如下的形式
   
    其中TN=NT0，τ=t11+t21+t12+t22，通常情况下t11≠t12，t21≠t22。在自触发脉冲测距方法中，周期T0可以通过测量一次时间间隔TN后取平均值得到，这其中包括N个周期T0，其精度等效于用传统的脉冲测距方法进行N次单次测量后取平均的结果。因此，自触发脉冲测距方法可以在获得高精度测距结果的前提下极大地缩短测量时间，提高测量速度。与其他传统脉冲测距方法相比，自触发脉冲方法的本质特点是脉冲测距信号不是单个而是连续周期性的。

2 基于CPLD的飞行时间测量单元实验设计
    CPLD具有集成度高，工作速度快，编程方便和价格低廉的优点。与FPGA(Field programmable gate array)相比，CPLD内部逻辑结构简单，连线相对固定，延时小且可以预测，更有利于器件在高频下工作，特别适合产品样品的开发与实验。
    本设计采用ALTERA公司MAX II系列CPLD器件实现自触发脉冲激光测距的飞行时间测量系统。MAX II系列器件是在ALTERA公司的第三代MAX结构基础上，采用先进的COMSEEPROM技术制造的高密度，高性能的可编程器件。MAX II系列器件采用0．18μm Flash工艺，逻辑单元数(LE)240个、宏单元数192个、最大用户I／O管脚80个、用户Flash存储器8 k，引脚到引脚的延时为3．5 ns，计数器频率可以高达300 MHz。MAX II系列器件内置JTAG BST电路，通过JTAG接口可实现在线编程，从而可以灵活修改设计，缩短了开发周期。图3是利用CPLD实现的自触发脉冲激光测距飞行时间测量系统的电路框图。

    如图所示，CPLD完成飞行时间计数测量的功能，单片机读取计数结果并进行数据处理，最终的结果显示在液晶显示屏上。CPLD内的电路主要由两个计数器组成，Counter1为9bit的计数器，对自触发脉冲激光测距的周期信号ST进行计数，得到首尾相接的N个测距周期对应的起止时刻，对应的时间间隔TN=NT0，系统中可以自己设定N的值。Counter2为16bit计数器，对N个测量周期的时间间隔NT0进行计数测量，输出计数结果Nm。采用50 MHz晶振通过锁相环6倍频获得300MHz的时钟频率，作为时间测量计数的基准时钟频率。单片机读入计数结果，进行数据处理后将最后的结果显示出来。单片机采用Cygnal公司的C8051F系列，与8051的指令集兼容，单数据处理速度更快，有利于脉冲激光测距仪的高速度应用。
    如图3所示，假设时间测量的计数基准时钟周期为Tm，则：

    其中fm=1／Tm为飞行时间测量计数基准时钟频率。
    任意取N=256，fm=300 MHz代入，忽略电路延时τ，可以计算得到Dmax=64 M，δD=0．98 mm。即该设计通过运用CPLD可以得到的飞行时间测量系统的理论计算值可达到最大量程64M，测量精度0．98mm。

3 结论
    自触发脉冲激光测距是一种新型的脉冲激光测距方法。该方法克服了传统脉冲激光测距测量精度和测量速度之间的矛盾，容易获得高精度的测距结果。文中讲述自触发脉冲激光测距原理及其光电脉冲的时序逻辑，设计实现了基于CPLD的自触发脉冲激光测距飞行时间测量系统。理论计算表明利用CPLD设计自触发脉冲激光测距飞行时间测量电路是一种很好的方案。它可以使计数时钟工作在较高的频率，并且结构简单，可靠性高，体积小，功耗低，成本低廉。在测量距离64 M的范围内可以达到0．98 mm的测量精度，远高于传统的激光测距，尤其适合便携式，高精度激光测距应用。