黃民雙，關在輝，姜 博

利用正弦幅值時間轉換的脈沖激光測距方法

黃民雙，關在輝，姜 博

（北京石油化工學院 光機電裝備技術北京市重點實驗室，北京 102617）

提出了一種利用正弦幅值時間轉換的高精度脈沖激光測距方法，該方法以正弦信號作為時間基準，采用倍頻和時鐘分相技術，通過調節(jié)脈沖發(fā)射延時，控制回波脈沖定時點落在基準正弦波的0～p/4區(qū)間，然后對這一區(qū)間進行分段線性插值處理，將正弦幅值的變化轉換為定時時間，實現(xiàn)高精度測距。該方法原理結構簡單、容易實現(xiàn)。實驗結果表明：在激光發(fā)射平均功率為1mW時，在無合作目標測程300m內，測距精度為±(5mm＋3ppm)。

激光測距；脈沖飛行時間；正弦基準；幅值時間轉換；定時誤差

0 引言

脈沖激光測距儀在工業(yè)、測繪、軍事上有重要的應用[1]，它是基于脈沖飛行時間（Time of Flight，TOF）技術，TOF是指從測距儀發(fā)射的激光脈沖經目標返回探測器的傳輸時間，即所謂的脈沖飛行時間，TOF的測量精度直接影響測距精度。

現(xiàn)有脈沖激光測距儀是采用粗測和精測相結合的方法，在脈沖飛行時間內，對高頻時鐘周期進行計數，得到粗測值，然后再對不足一個高頻時鐘周期的部分進行內插處理，以獲得精測值。內插精度決定了時間測量精度，傳統(tǒng)的內插法主要有數字內插法和模擬內插法。數字內插法是利用門電路的傳輸延時或延時差原理，如數字延遲線法、數字鎖相環(huán)法、數字游標法等，但精度受到電路器件延時分散性和電路溫度漂移的影響，時間測量誤差在100ps以上，對應的測距精度為15mm（當高頻時鐘頻率為15MHz時）。模擬內插法是用恒流源對一個電容器進行充電或放電，通過測量電容上電壓幅值變化來計算時間間隔，也稱為幅值時間轉換法，在很短的測程內理論精度可以達到幾皮秒，但存在電容漏電和溫度漂移的影響，在100ns時間內變化約10～30ps/℃[2]，為了解決溫漂問題，通常利用CMOS技術將時間測量模塊制作成集成電路[3-7]，在幾微秒的測量范圍內預期精度可達10ps[8]，但是這種高精度的時間測量芯片價格昂貴，特別是這種電容器充放電的方法還存在時間測量盲區(qū)，無法應用于脈沖激光測距儀中。

本文的目的是設計一種測程數百米、精度毫米級的低成本測距儀，其技術方案以正弦波為時間測量基準，利用基于共振探測定時方法[9]，通過調節(jié)脈沖發(fā)射延時，控制回波脈沖定時點落在高頻時鐘正弦波的0～p/4區(qū)間，然后利用這一區(qū)間進行分段線性內插處理，實現(xiàn)毫米級的高精度測距。

1 測距原理

1.1 技術方案

為了實現(xiàn)高精度遠目標測距，測距系統(tǒng)采用粗測和精測相結合的技術方案，本文采用正弦信號作為高頻時鐘[10]，因為正弦波最容易在電路中產生，該時鐘信號既作為控制激光脈沖發(fā)射的信號，又作為時間間隔測量基準，這比傳統(tǒng)的采用直線[3]（由電容充放電產生）作為時間間隔測量基準的方法容易實現(xiàn)，并且不存在時間測量盲區(qū)問題。如圖1所示，設高頻時鐘周期為0，脈沖發(fā)射時刻為高頻時鐘過零時刻star，返回的時刻為stop點，則由光在空氣中的光速可計算出從測距儀到目標之間的距離為：

式中：0表示高頻時鐘的整周期個數，即粗測值，可以通過傳統(tǒng)的脈沖計數方法測得；而相位取值范圍為∈[0, 2p)，為不足一個周期的相位值，即精測值，的測量精度決定測距精度，因此本文的關鍵問題是如何提高相位的測量精度。

1.2 幅值時間轉換

正弦波是非線性的，在最大值（p/2處）或最小值（3p/2處）附近幅值變化率很小，這就意味著在這些區(qū)域內很小的幅值變化將對應較大的相位變化。假設距離分辨率為1mm，則需要對一個正弦周期進行10000倍相位細分（設高頻時鐘頻率為15MHz），可求出最小幅值分辨率為1.974×10－5。但是，這一微小的幅值變化是無法分辨的，因為電路中正弦波幅值噪聲將遠大于這個最小幅值分辨率。

為此，本文提出利用0～p/4區(qū)間這一近似線性段作為定時特征點，在這一區(qū)間正弦幅值的變化率較大，這樣就避免了在p/4～p/2區(qū)間正弦幅值變化率小導致的相位細分困難。如圖2所示，通常脈沖發(fā)射時刻設置在高頻正弦波的0點，其回波脈沖定時點對應正弦波相位在∈[0, 2p)的范圍。為了使回波脈沖定時點落在∈[0,p/4)區(qū)間，可以通過控制脈沖發(fā)射延時來實現(xiàn)。具體方法是：先將高頻正弦波進行4倍頻，然后再利用高頻時鐘的上升沿0點和下降沿p點進行二分相處理，這樣就將高頻時鐘周期劃分為8個分相區(qū)間，相鄰分相區(qū)間為p/4（如圖2）。將測量過程分為兩個步驟：

圖1 利用正弦基準的激光測距原理

圖2 利用正弦波0～p/4區(qū)間的幅值時間轉換原理

1）在正弦波0點發(fā)射脈沖，估算相位所在的分相區(qū)間，確定延時區(qū)間數。

2）在延時區(qū)間點發(fā)射脈沖，其距離為：

式中：∈[0,p/4)。采用倍頻和分相技術會引起時間偏移（Skew）和抖動（Jitters），時間偏移為系統(tǒng)誤差，可以用高精度測距儀來校正；而時間抖動屬于隨機誤差，可以通過多次測量取平均來減小或消除。

1.3 測量精度的提高

圖3 分段線性內插示意圖

圖4為分別?。?0, 20, 50時的原理誤差曲線，其中橫坐標為0～p/4的相位，縱坐標為線性插值誤差D，圖5是給出了最大原理誤差Dmax隨的變化關系，Dmax是指在0～p/4區(qū)間的最大線性插值誤差，從圖4可以看出越大，原理誤差D越小，如果取＝20，則Dmax＜0.3mm，對于毫米級測距精度來說，線性插值產生的原理誤差可以忽略。

圖4 在0～p/4區(qū)間線性插值原理誤差

圖5 最大線性插值原理誤差隨N變化關系

本方案中，采用共振探測定時方法基本上消除了走離誤差，其殘余誤差可以視為均值為零的隨機誤差，利用多脈沖的測量結果取平均，預期可以實現(xiàn)毫米級的測量精度。

2 測距系統(tǒng)

激光測距系統(tǒng)框圖如圖6所示。測量系統(tǒng)主要由脈沖激光發(fā)射、光電轉換、時刻鑒別、數據采集處理以及控制等部分組成。晶振選用溫度補償晶體振蕩器，頻率為15MHz，頻率穩(wěn)定度為±0.1ppm（－30℃～＋85℃）；半導體激光二極管波長為870nm，峰值功率10W，脈寬5～10ns，最高脈沖發(fā)射重復頻率大于100kHz；光電探測器（Avalanche Photo Diode，APD）中心波長800nm，響應度50A/W；AD轉換器為12位，最大轉換速率5Msps。晶振輸出信號轉換為方波和正弦波，分別作為脈沖激光發(fā)射時刻控制信號和正弦基準時鐘信號，脈沖激光經目標漫反射，由光電探測器APD轉換為脈沖光電流，然后經時刻甄別后產生定時信號，以此定時信號觸發(fā)采樣器ADC采樣正弦量化時鐘信號，最后經單片機處理后輸出距離信息。

在光路上設置了內外光路，其目的是消除由溫度漂移產生的時間間隔誤差，脈沖在發(fā)射通道和接收通道中傳輸的時間受電路溫度漂移的影響是很大的，經實驗測量最大可達到約26.8ns的時間漂移，相當于4m距離誤差。在電路上設置一個共用的接收通道，如果分別設置內光路和外光路接收通道，由溫度漂移導致的穩(wěn)定偏差2mm/℃，相當于14ps/℃，如果共用一個接收通道，則穩(wěn)定性提高到0.1mm/℃[11]。

設置減光板是為了控制脈沖光電流幅值的變化和消除走離誤差的影響[9]，回波脈沖光強與目標物體表面幾何形狀、光學特性以及目標距離有關，回波光脈沖幅值最大變化范圍將達到1:100000，將造成電路檢測的困難，因此采用減光板控制脈沖光電流在一定的變化范圍內，以滿足高精度遠目標測距的要求。

根據上述系統(tǒng)總體結構，設計出了脈沖測距的電路硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，并結合已有光學和機械等部分，最終搭建了脈沖激光測距裝置系統(tǒng)，如圖7所示，系統(tǒng)主要包括光路部分、硬件電路、示波器、電源、RS232通訊接口和上位機幾個部分。由于光路器件對外界環(huán)境要求較高，因此都集成安裝在測距頭里；示波器為美國Agilent公司生產的54642A型號，帶寬為500MHz，采樣率為2GSa/s，

與硬件電路連接，可以隨時觀察回波信號的變化以及各部分電路的輸出波形；硬件電路安裝在測距頭的上方，控制整個測距系統(tǒng)的工作和運行；上位機通過RS232協(xié)議接口與測距儀的硬件部分連接，完成數據的通訊和測量結果的顯示。

3 實驗結果

為了驗證在∈[0,p/4)區(qū)間正弦幅值時間轉換的可行性，將該區(qū)間分為20等分，即?。?0，圖8為在固定目標距離下外光路測量誤差，測量次數為100，測量誤差為單發(fā)脈沖的測量值與100次測量的平均值之差。從圖8可以看出，單發(fā)脈沖誤差為±50mm，這表明在測量數據上疊加較強的噪聲，換言之，測量數據已經被噪聲嚴重污染。但是，從圖8可以看出單發(fā)脈沖誤差是隨機的，因此可以利用連續(xù)多脈沖的測量結果進行平均處理來減小。假設誤差分布服從均值為零、方差為2的正態(tài)分布，由于采用半導體激光二極管光源，其脈沖重復頻率最高可達100kHz，在40ms測量時間內發(fā)射＝400個脈沖，預期測距精度能夠提高到2/＝1mm。但是，發(fā)射電路、目標特性、探測電路等都對定時誤差有貢獻，這些因素產生的時間抖動還會包含未知的、可變的系統(tǒng)誤差或周期誤差[12]，另外正弦基準信號是采用簡單的RC濾波器得到，電路或器件的非線性將導致正弦波發(fā)生畸變，最終也會對測距誤差有貢獻。

圖6 激光測距系統(tǒng)總體框圖

圖7 測量系統(tǒng)實物圖

圖8 固定目標距離下外光路測量誤差

將研制的測距系統(tǒng)裝配在全站儀上，與精度±(3mm＋2ppm)的測距儀進行對比測試，其測距誤差如圖9所示，這個誤差為標準偏差，即對目標點測量10次計算標準偏差，然后以最大標準偏差作為評價指標，從圖9可以看出，在無合作目標35m測程內，距離誤差僅在±2.5mm內。經過測試，在300m的測程內，測距系統(tǒng)測距精度±(5mm＋3ppm)。說明本文所提出的脈沖激光測距技術方案是可行的。

圖9 在1.5～35m內不同目標距離的誤差測量曲線

4 結論

本文研究一種基于正弦波幅值時間轉換的高精度激光測距方法，其原理是通過控制脈沖發(fā)射延時，以0～p/4區(qū)間的值作為定時特征點，對這一區(qū)間進行分段線性插值處理，實現(xiàn)高精度測距，測距精度達到±(5mm＋3ppm)，可用于大型工程結構（如公路、橋梁）、建筑結構、工業(yè)現(xiàn)場等方面測量。該方法采用正弦信號作為量化時鐘，該信號同時作為激光脈沖發(fā)射控制信號和時間間隔測量基準，與傳統(tǒng)的利用電容充放電的幅值時間轉換方法相比，電路結構簡單、容易實現(xiàn)，并且不存在時間測量盲區(qū)問題。今后的工作需要解決定時誤差影響或正弦基準信號畸變的問題，進一步提高精度。

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Pulse Laser Ranging Using Sinusoidal Amplitude Time Conversion

HUANG Minshuang，GUAN Zaihui，JIANG Bo

(,,102617,)

In this study, a high-precision pulse laser ranging method, employing sinusoidal amplitude time conversion, is proposed. The method uses a sinusoidal signal as a time reference, and frequency doubling and the clock phase separation technique to control the echo pulse timing by adjusting the pulse emission delay. The signal falls within the 0-p/4 interval of the reference sine wave, and then effects piecewise linear interpolation for the given interval to convert the variation of the sinusoidal amplitude into the time required for achieving high-precision ranging. The underlying principle of the method is simple and easy to implement. The experimental results show that when the average power of laser emission is 1 mW, the range accuracy is ± (5mm + 3ppm) within 300m without a cooperation target.

laser ranging, pulse flight time, sinusoidal reference, amplitude time conversion, timing error

TN247

A

1001-8891(2020)05-0483-05

2019-08-16；

2020-05-04.

黃民雙（1964-），男，博士，教授，主要從事光纖傳感與智能結構、大地測量儀器等方面研究。E-mail: huangminhsuang@bipt.edu.cn。