于玉亭，涂德鳳

（安徽新華學(xué)院 電子通信工程學(xué)院，安徽 合肥230008）

激光具有單色性、相干性、方向性和高亮度的特性，且有定距精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1］。因此，激光技術(shù)在如激光測(cè)距、激光測(cè)速、激光成像等許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。由于回波信號(hào)的強(qiáng)度和所探測(cè)目標(biāo)的特性有關(guān)，而且即使是同一目標(biāo)、同一距離,若目標(biāo)和光路的夾角不同，回波的強(qiáng)度也不相同，這就導(dǎo)致經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后的脈沖回波信號(hào)的形狀和幅度有很大差異。目前，在脈沖激光測(cè)距中主要采用的是固定閾值判斷電路，但這種電路會(huì)因回波幅值的變化引起轉(zhuǎn)化后的數(shù)字脈沖前沿時(shí)刻變化，引入比較大測(cè)距誤差［2-6］。本文在分析脈沖激光測(cè)距誤差產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算出的激光發(fā)射頻率、電容充放電時(shí)間、A／D采樣時(shí)間等參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)高精度峰值跟隨電路，并針對(duì)脈沖回波信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)軟件濾波算法來(lái)減小測(cè)距誤差。

1　誤差來(lái)源及分析

根據(jù)激光探測(cè)距離方程，激光接收機(jī)的回波信號(hào)幅值電壓表示為

其中：PT為發(fā)射功率；R為激光測(cè)距儀與目標(biāo)間的距離；θ為激光光束與目標(biāo)法線間夾角；為接收光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率；為發(fā)射光學(xué)體統(tǒng)透過(guò)率；ρ為目標(biāo)反射率；Ar為接收機(jī)有效接收孔面積，為接收孔徑；η為雙程大氣透過(guò)率，與激光波長(zhǎng)和大氣能見度有關(guān)；為探測(cè)器的響應(yīng)靈敏度。探測(cè)器測(cè)試示意圖如圖1所示。

圖1　探測(cè)器測(cè)試示意圖

不同目標(biāo)（土地、沙漠、灌木叢、雪地、水面）的光學(xué)反射特性差異很大，且隨著激光探測(cè)器發(fā)射光束與目標(biāo)法線間夾角的不同，目標(biāo)的反射率也有很大的差別［7］，如表 1 所示。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，最大反射率和最小反射率的比值為0.67/0.05=13.4。假設(shè)目標(biāo)具有漫反射特性，當(dāng)激光光束與目標(biāo)法線間夾角從0°增大到60°時(shí)，由式（1）可得：相同激光在目標(biāo)為水面和黑橡膠時(shí)的回波幅值比為 13.4/cos 60°=26.8。

表1　各種目標(biāo)在不同夾角下的反射率

在圖2中，波形1和2分別為與激光探測(cè)器探測(cè)距離為3 m處的白板和黑板的回波波形，Vt為閾值觸發(fā)電壓。根據(jù)脈沖激光測(cè)距公式

計(jì)算出的3 m處白板距離L1為

其中：L為激光測(cè)距儀到目標(biāo)的距離，c為光速，T為激光在探測(cè)器與目標(biāo)間往返傳輸?shù)臅r(shí)間，t1為探測(cè)器接收到3 m處白板回波信號(hào)的時(shí)間，t0為激光探測(cè)器發(fā)射的時(shí)間。

由式（2）計(jì)算出3 m處黑板的距離L2為

其中t2為探測(cè)器接收到3 m處黑板回波信號(hào)的時(shí)間。

由式（3）、式（4）可以得出：在同一距離下，因目標(biāo)特性改變而產(chǎn)生的測(cè)距誤差ΔL為

采用固定閾值判斷的信號(hào)處理方法，目標(biāo)反射率不同會(huì)引起回波信號(hào)在幅值和形狀上有差異。從式（5）可以看出：測(cè)距誤差大小由固定閾值判斷電路產(chǎn)生的時(shí)間誤差Δt決定，時(shí)間誤差越大，測(cè)距誤差就越大。

圖2　固定閾值判斷測(cè)距原理

激光回波信號(hào)可近似看作高斯波形，其前沿波形方程為

設(shè)激光回波信號(hào)延時(shí)為tdelay，則經(jīng)過(guò)延遲后的波形方程為

由式（7）可知，當(dāng)取 t=tdelay=ta+tb時(shí)，

這里，ta為系統(tǒng)器件延時(shí)時(shí)間，tb為激光光束在探測(cè)器與目標(biāo)間往返的時(shí)間。

可以看出：在tdelay時(shí)刻，回波信號(hào)峰值與時(shí)間沒有關(guān)系，即消除了由回波幅度變化引起的測(cè)距誤差。

對(duì)同一探測(cè)器系統(tǒng)，器件延遲時(shí)間是固定的，激光光束在探測(cè)器與3 m處白板或黑板間往返時(shí)間是相同的，因此同一探測(cè)器的激光回波信號(hào)延時(shí)時(shí)間（tdelay）也是相同的。由式（7）可以看出：在tdelay時(shí)刻，3 m處的白板和黑板均會(huì)產(chǎn)生回波峰值信號(hào)，峰值信號(hào)的大小由回波信號(hào)衰減系數(shù)決定。如圖3所示，波形1為3 m處白板的回波信號(hào)，在tdelay時(shí)刻峰值電壓為Va；波形2為3 m處黑板的回波信號(hào)，在tdelay時(shí)刻峰值電壓為Vb。根據(jù)峰值閾值原理，由于回波峰值與時(shí)間沒有關(guān)系，通過(guò)設(shè)計(jì)峰值跟隨電路進(jìn)行峰值閾值判斷，就能減小回波信號(hào)因幅值和形狀差異使閾值判斷電路產(chǎn)生的時(shí)間誤差，從而減小測(cè)距誤差。

圖3　峰值閾值判斷測(cè)距原理

2　電路及軟件濾波實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述分析，采用固定閾值判斷方法的測(cè)距誤差受延遲時(shí)間誤差影響，時(shí)間誤差越大造成的距離判別精度就越低。為此，我們根據(jù)峰值閾值判斷原理，提出了回波峰值閾值判斷方法并設(shè)計(jì)了峰值閾值判斷電路。這部分主要由峰值跟隨電路、軟件濾波和輔助電路組成。

2.1　峰值跟隨電路

如圖4所示，峰值跟隨電路主要由放大電路、充放電控制回路和射極跟隨電路構(gòu)成。

1）放大電路。激光回波信號(hào)是微弱信號(hào)，其幅值一般約為幾十毫伏，而一些目標(biāo)的反射特性差，回波信號(hào)幅值會(huì)更小，不利于系統(tǒng)對(duì)回波信號(hào)峰值的存儲(chǔ)和采樣，因此需要對(duì)初始回波信號(hào)進(jìn)行放大。放大電路主要由放大器U2、反饋電阻R4和R5構(gòu)成。調(diào)節(jié)反饋電阻R4和R5的阻值，選擇合適的放大比例，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行無(wú)失真放大。

2）充放電控制電路。充放電控制電路由三極管Q1、電阻R7和R8、充放電電容C5組成。放大后的回波信號(hào)經(jīng)二極管D1給電容C5充電。通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射周期和C5電容值的方法可保證在一個(gè)發(fā)射周期內(nèi)完成回波信號(hào)峰值電壓的存儲(chǔ)和釋放。

峰值跟隨電路各時(shí)間窗口參數(shù)計(jì)算如下。

其中：T為脈沖激光發(fā)射周期，T1為存儲(chǔ)回波信號(hào)峰值的時(shí)間，T2為采集和保持回波信號(hào)峰值電壓的時(shí)間，T3為系統(tǒng)固定延遲時(shí)間，T4為電容C5完全放電時(shí)間，Ut為電容C5充電后電壓，U0為電容C5充電前電壓，R為充放電回路等效電阻，C為充放電回路等效電容。T2由外圍處理器系統(tǒng)時(shí)間（TSYSCLK）、晶振頻率及AD采集芯片的采樣精度（SA）、采集回路等效電阻（RTOTAL）及等效電容（CSAMPLE）共同確定。

3）射極跟隨電路。射極跟隨電路用于前后級(jí)間的電路阻抗匹配，由Q2、R9和R10組成。R9和R10組成的分壓電路將峰值電壓按比例縮小后送至單片機(jī)進(jìn)行A／D 采集。

圖4　峰值跟隨電路的設(shè)計(jì)

2.2　軟件濾波

由于激光探測(cè)器在測(cè)距過(guò)程中受到背景干擾及系統(tǒng)噪聲影響，回波信號(hào)幅值會(huì)出現(xiàn)階躍性的跳變，而這些跳變?nèi)菀鬃屘綔y(cè)器產(chǎn)生虛警判斷，故在發(fā)射周期內(nèi)，處理器需要對(duì)峰值跟隨電路采集到的信號(hào)進(jìn)行軟件濾波，剔除信號(hào)中的階躍性雜波。

在激光探測(cè)器逐漸接近目標(biāo)的過(guò)程中，回波信號(hào)的幅值會(huì)隨距離減小而逐漸增大，因此我們采用限幅平均濾波法。具體步驟如下。

1）對(duì)每次采樣到的數(shù)據(jù)都進(jìn)行限幅和時(shí)間窗口判斷處理。設(shè)Dn為第n個(gè)數(shù)據(jù)，tn為采樣到第n個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)刻，只有當(dāng)Dn≥Dn-1且tn≥tn-1時(shí)Dn才記為有效數(shù)據(jù)。

2）將采樣到的有效數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并去掉原來(lái)隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)（先進(jìn)先出原則），再對(duì)隊(duì)列中的n個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，獲得新的峰值電壓。

限幅平均濾波方法對(duì)階躍干擾信號(hào)有良好的抑制作用，使濾波后的脈沖峰值數(shù)據(jù)平滑度升高，大大方便了后續(xù)信號(hào)處理。

2.3　輔助電路

在圖5中，調(diào)整R21、R22的阻值可選擇合適的電壓放大倍數(shù)。濾波后的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字調(diào)制后送入放大器U2B，放大后的回波峰值電壓信號(hào)送入比較器U1的3號(hào)引腳，比較器的4號(hào)引腳接輸入回波信號(hào)，當(dāng)回波信號(hào)幅值達(dá)到并超過(guò)峰值電壓時(shí)，比較器輸出高電平，實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)峰值跟隨功能。

圖5　輔助電路的設(shè)計(jì)

2.4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在靜態(tài)條件下對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了測(cè)試，示意圖見圖1。目標(biāo)和激光探測(cè)器間距離為3 m，改變夾角θ，測(cè)量激光在3 m內(nèi)往返需要的時(shí)間。通過(guò)示波器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出：在固定閾值比較方式下，灌木叢、沙地、黑橡膠在 0°、65°、85°三種條件下最大時(shí)間誤差 Δt分別為 1 ns、1.2 ns和 1.3 ns，由式（5）計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的測(cè)距誤差分別為0.15 m、0.182 m和0.197 m；在峰值跟隨方式下的最大時(shí)間誤差分別為0.3 ns、0.4 ns和0.2 ns，由式（5）計(jì)算的對(duì)應(yīng)的測(cè)距誤差分別為0.045 m、0.061 m和0.03 m?？梢钥闯觯翰捎梅逯蹈S方式時(shí)間誤差較小，且這些誤差主要由硬件系統(tǒng)器件時(shí)間延遲和測(cè)量誤差引起的，可以通過(guò)元器件篩選和采用更高精度的測(cè)量?jī)x器來(lái)減小。因此峰值跟隨方式下的測(cè)距誤差相應(yīng)較小且可控。

3　結(jié)論

在對(duì)脈沖激光測(cè)距誤差來(lái)源進(jìn)行分析和對(duì)固定閾值判斷測(cè)距原理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，給出了一種回波信號(hào)峰值跟隨閾值判斷系統(tǒng)。結(jié)合激光回波信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了峰值跟隨電路、軟件濾波和輔助電路。在靜態(tài)條件下的測(cè)試結(jié)果表明：采用峰值閾值判斷方法能提高激光測(cè)距精度，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配將高速信號(hào)采集轉(zhuǎn)換為在發(fā)射周期內(nèi)對(duì)峰值電壓的低速采集，避免了高速A／D芯片和處理器的選用。研究工作對(duì)激光測(cè)距系統(tǒng)的高精度、低功耗、低成本設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。