楊曉，孫釗

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

相對于相位式激光測距等連續(xù)波測距方法，脈沖激光測距結(jié)構(gòu)簡單，測程遠(yuǎn)，測量速度快，因而得到廣泛的應(yīng)用。但是脈沖激光測距的缺點(diǎn)在于單脈沖測量精度不高，目前，單脈沖激光測距精度在實(shí)際應(yīng)用中只能達(dá)到厘米量級，難以達(dá)到毫米量級。要達(dá)到更高的測量精度，只能通過對多次單脈沖激光測距結(jié)果求平均值的方法來獲取，但是這樣就會(huì)增加測量所需要的時(shí)間，降低了測量速度，不僅不便于使用，也限制了其應(yīng)用的范圍。

為了更好的解決脈沖激光測距測量精度與測量速度之間的矛盾，提出一種新型的脈沖激光測距方法，自觸發(fā)脈沖激光測距法。自觸發(fā)脈沖測距方法，可以有效克服激光測距中存在的提高測距精度和縮短測量時(shí)間兩者的矛盾。該方法比起傳統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率方法具有更高的測量精度和更快的測量速度，并且有效擺脫了時(shí)間間隔測量能力對測距精度的根本限制。自觸發(fā)脈沖飛行時(shí)間激光測距是利用激光接收單元的輸出信號自行控制激光發(fā)射單元，進(jìn)而觸發(fā)激光脈沖向測距目標(biāo)發(fā)射，即激光接收單元接收到激光脈沖之后，去觸發(fā)激光發(fā)射單元產(chǎn)生下一個(gè)激光脈沖。激光脈沖的發(fā)射和接收先后銜接，自動(dòng)循環(huán)，從而得到一個(gè)周期信號ST。測量該信號的周期就可以得到激光脈沖的飛行時(shí)間，從而可計(jì)算出距離，由統(tǒng)計(jì)理論，測量激光脈沖N次往返的飛行時(shí)間（N個(gè)周期），可比測量1次往返的時(shí)間精度提高N倍。與傳統(tǒng)脈沖激光測距的取N次獨(dú)立測量的平均值相比，精度提高更大，并且只要進(jìn)行一次數(shù)據(jù)讀取存儲，節(jié)省了N-1次數(shù)據(jù)讀取存儲時(shí)間。這樣，自觸發(fā)脈沖激光測距就可以在同樣的測量時(shí)間下，達(dá)到更高的測距精度，或者達(dá)到同樣的測量精度的同時(shí)卻有更快的測量速度，從而有效的克服了傳統(tǒng)激光測距方法中存在的提高測距精度和縮短測量時(shí)間兩者之間的矛盾，有利于實(shí)現(xiàn)高速高精度測距。

自觸發(fā)脈沖激光測距的測量精度在較大程度上要取決于激光飛行時(shí)間的測量精度，要獲得較高的測量精度，就必須設(shè)計(jì)較高的飛行時(shí)間測量系統(tǒng)。文中采用CPLD（Complex programmable logic devices）研制出自觸發(fā)脈沖激光測距的飛行時(shí)間測量系統(tǒng)，可以達(dá)到較高的測量精度。

1 自觸發(fā)脈沖激光測距原理及脈沖時(shí)序邏輯

脈沖激光測距的基本單元包括激光發(fā)射單元，激光接收單元和飛行時(shí)間測量單元。在傳統(tǒng)的脈沖激光測距中，測距原理是基于測量發(fā)射的激光脈沖（START）和接收單元接收到的返回激光脈沖（STOP）之間的時(shí)間間隔ΔT。目標(biāo)距離D由下式給出

其中C為光速，時(shí)間間隔ΔT由飛行時(shí)間測量單元測量給出。

自觸發(fā)脈沖激光測距方案如圖1所示。利用激光接收單元的輸出信號自行控制激光發(fā)射單元，進(jìn)而觸發(fā)激光脈沖向目標(biāo)發(fā)射，即激光接收單元接收到激光脈沖之后，去觸發(fā)激光發(fā)射單元產(chǎn)生下一個(gè)激光脈沖。

圖1 自觸發(fā)脈沖飛行時(shí)間測距方案框圖Fig.1 Experimental setup for self-triggering pulsed time-of-flight laser rangefinder

激光脈沖的發(fā)射和接收是循環(huán)相關(guān)的，這一過程可以表示為

其中TK，TK+1分別為第K個(gè)和第K+1個(gè)激光脈沖發(fā)射時(shí)刻，函數(shù)F的具體形式和測量系統(tǒng)有關(guān)，它表示第K個(gè)和第K+1個(gè)激光脈沖之間的發(fā)射時(shí)刻關(guān)系。不同的系統(tǒng)具有不同函數(shù)形式F。

從激光發(fā)射單元向被測目標(biāo)發(fā)射的是周期激光脈沖序列，可以描述為

其中N為整數(shù)，T0為發(fā)射的激光脈沖序列的周期，其值由式（2）決定。自觸發(fā)脈沖飛行時(shí)間激光測距方法可由基本方程（1），（2）和（3）描述。 從這3個(gè)基本方程，可以得到被測距離的表達(dá)式：

其中，τ為由系統(tǒng)延時(shí)決定的時(shí)間常數(shù)，其大小由測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和帶寬等因素決定，NT0為包括N個(gè)連續(xù)周期的待測量時(shí)間間隔，函數(shù)F的形式由測量系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)決定。

圖2 光電脈沖信號時(shí)序圖Fig.2 Representation of the potic-electronic signals in the setup

發(fā)射單元由接收單元輸出的電信號所控制，即測距脈沖是由接收單元觸發(fā)的。該過程的光電脈沖信號時(shí)序圖由圖2所示。開始時(shí)，發(fā)射單元向被測目標(biāo)發(fā)射一束激光；經(jīng)過ΔT（光從發(fā)射單元到目標(biāo)然后返回到接收單元的傳播時(shí)間）的延時(shí)，經(jīng)被測目標(biāo)反射的光束被接收單元的光電二極管接收；光電二極管輸出的電信號經(jīng)放大和時(shí)刻鑒別后，輸出一高電平信號，作為發(fā)射單元的輸入信號，其間電路延時(shí)t11；此高電平信號使激光驅(qū)動(dòng)源終止驅(qū)動(dòng)激光器，激光發(fā)射單元停止發(fā)射激光，其間電路延時(shí)t21；而后經(jīng)過ΔT的延時(shí)，光電二極管從有激光接收狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o激光接收狀態(tài)；再經(jīng)過t12的電路延時(shí)，接收單元的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?；此低電平信號使激光器再次發(fā)射激光，其間電路延時(shí)t22。上述過程構(gòu)成了自觸發(fā)脈沖飛行時(shí)間激光測距的一個(gè)完整周期。如此周而復(fù)始，就形成了周期激光脈沖序列。該測距信號從接收單元取出，輸入到周期測量單元獲得周期T0。根據(jù)公式（2），函數(shù)F有如下的形式

再結(jié)合公式（1）和（3）可以將距離方程（4）推導(dǎo)為：

其中TN=NT0，τ=t11+t21+t12+t22，通常情況下t11≠t12，t21≠t22。 在自觸發(fā)脈沖測距方法中，周期T0可以通過測量一次時(shí)間間隔TN后取平均值得到，這其中包括N個(gè)周期T0，其精度等效于用傳統(tǒng)的脈沖測距方法進(jìn)行N次單次測量后取平均的結(jié)果。因此，自觸發(fā)脈沖測距方法可以在獲得高精度測距結(jié)果的前提下極大地縮短測量時(shí)間，提高測量速度。與其他傳統(tǒng)脈沖測距方法相比，自觸發(fā)脈沖方法的本質(zhì)特點(diǎn)是脈沖測距信號不是單個(gè)而是連續(xù)周期性的。

2 基于CPLD的飛行時(shí)間測量單元實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

CPLD具有集成度高，工作速度快，編程方便和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。與FPGA（Field programmable gate array）相比，CPLD內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)簡單，連線相對固定，延時(shí)小且可以預(yù)測，更有利于器件在高頻下工作，特別適合產(chǎn)品樣品的開發(fā)與實(shí)驗(yàn)。

本設(shè)計(jì)采用ALTERA公司MAX II系列CPLD器件實(shí)現(xiàn)自觸發(fā)脈沖激光測距的飛行時(shí)間測量系統(tǒng)。MAX II系列器件是在ALTERA公司的第三代MAX結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的COMS EEPROM技術(shù)制造的高密度，高性能的可編程器件。MAX II系列器件采用0.18 μm Flash工藝，邏輯單元數(shù)（LE）240個(gè)、宏單元數(shù)192個(gè)、最大用戶I/O管腳80個(gè)、用戶Flash存儲器8 k，引腳到引腳的延時(shí)為3.5 ns，計(jì)數(shù)器頻率可以高達(dá)300 MHz。MAX II系列器件內(nèi)置JTAG BST電路，通過JTAG接口可實(shí)現(xiàn)在線編程，從而可以靈活修改設(shè)計(jì)，縮短了開發(fā)周期。圖3是利用CPLD實(shí)現(xiàn)的自觸發(fā)脈沖激光測距飛行時(shí)間測量系統(tǒng)的電路框圖。

圖3 基于CPLD的飛行時(shí)間測量單元設(shè)計(jì)原理圖Fig.3 Based on CPLD in time-of-flight measurement design

如圖所示，CPLD完成飛行時(shí)間計(jì)數(shù)測量的功能，單片機(jī)讀取計(jì)數(shù)結(jié)果并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終的結(jié)果顯示在液晶顯示屏上。CPLD內(nèi)的電路主要由兩個(gè)計(jì)數(shù)器組成，Counter 1為9 bit的計(jì)數(shù)器，對自觸發(fā)脈沖激光測距的周期信號ST進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到首尾相接的N個(gè)測距周期對應(yīng)的起止時(shí)刻，對應(yīng)的時(shí)間間隔TN=NT0，系統(tǒng)中可以自己設(shè)定N的值。Counter 2為16 bit計(jì)數(shù)器，對N個(gè)測量周期的時(shí)間間隔NT0進(jìn)行計(jì)數(shù)測量，輸出計(jì)數(shù)結(jié)果Nm。采用50 MHz晶振通過鎖相環(huán)6倍頻獲得300 MHz的時(shí)鐘頻率，作為時(shí)間測量計(jì)數(shù)的基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率。單片機(jī)讀入計(jì)數(shù)結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將最后的結(jié)果顯示出來。單片機(jī)采用Cygnal公司的C8051F系列，與8051的指令集兼容，單數(shù)據(jù)處理速度更快，有利于脈沖激光測距儀的高速度應(yīng)用。

如圖3所示，假設(shè)時(shí)間測量的計(jì)數(shù)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期為Tm，則:

通過已述自觸發(fā)脈沖激光測距原理，并得到距離方程

由式（7）、（8）可以得到飛行時(shí)間測量系統(tǒng)可得到的最大量程為：

最大精度為：

其中fm=1/Tm為飛行時(shí)間測量計(jì)數(shù)基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率。

任意取N=256，fm=300 MHz代入，忽略電路延時(shí)τ，可以計(jì)算得到Dmax=64 M，δD=0.98 mm。即該設(shè)計(jì)通過運(yùn)用CPLD可以得到的飛行時(shí)間測量系統(tǒng)的理論計(jì)算值可達(dá)到最大量程64 M，測量精度0.98 mm。

3 結(jié) 論

自觸發(fā)脈沖激光測距是一種新型的脈沖激光測距方法。該方法克服了傳統(tǒng)脈沖激光測距測量精度和測量速度之間的矛盾，容易獲得高精度的測距結(jié)果。文中講述自觸發(fā)脈沖激光測距原理及其光電脈沖的時(shí)序邏輯，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于CPLD的自觸發(fā)脈沖激光測距飛行時(shí)間測量系統(tǒng)。理論計(jì)算表明利用CPLD設(shè)計(jì)自觸發(fā)脈沖激光測距飛行時(shí)間測量電路是一種很好的方案。它可以使計(jì)數(shù)時(shí)鐘工作在較高的頻率，并且結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，體積小，功耗低，成本低廉。在測量距離64 M的范圍內(nèi)可以達(dá)到0.98 mm的測量精度，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的激光測距，尤其適合便攜式，高精度激光測距應(yīng)用。

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