CN102621540A - 一种脉冲激光测距仪的测距方法 - Google Patents

一种脉冲激光测距仪的测距方法 Download PDF

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纪荣祎
赵长明
陈国�
李鲲
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Abstract

本发明公开了一种脉冲激光测距仪的测距方法,脉冲激光测距仪包括脉冲激光器、光电探测器、放大器、双路比较器、时间数字转换器TDC、测量控制模块;其中光电探测器与放大器相连,放大器输出端与双路比较器的两个正向输入端相连,在双路比较器的两个负向输入端分别输入两个不同的鉴别阈值电平,双路比较器的输出端与时间数字转换器TDC相连,测量控制模块与时间数字转换器TDC、脉冲激光器分别相连;使用本发明能够减小漂移误差,提高测距精度。

Description

一种脉冲激光测距仪的测距方法
技术领域
本发明涉及测量仪器领域,特别涉及激光测距仪领域和高精度时间间隔测量领域,具体是指一种脉冲激光测距仪的测距方法。
背景技术
脉冲激光测距仪使用脉冲激光器发射单个激光脉冲信号照射目标,并对由目标返回的回波脉冲激光信号进行探测,通过测量激光发射时刻和回波信号返回时刻之间的时间间隔,可获得目标到测距仪的距离。脉冲激光测距仪的测距公式为:
Figure BDA0000154404130000011
其中,R是测量距离,c是光速,Δt是激光飞行时间包括脉冲激光信号往返飞行时间。由测距公式可知,脉冲激光测距仪的测距精度由对激光飞行时间的测量精度决定。由于回波脉冲激光信号幅度的变化和波形的展宽,使得回波接收电路输出的脉冲信号的幅度和波形发生变化,带来计时点的漂移,引起激光飞行时间的测量误差。因此需要采用时刻鉴别电路对回波接收信号进行时刻鉴别,为时间测量电路提供不受脉冲信号形状变化影响的计时点,减小飞行时间测量误差,提高计时精度。
目前,时刻鉴别电路的实现方法主要有以下三种:
一、前沿鉴别法(Leading Edge Discriminator)。前沿鉴别法通过固定阈值的方式,以脉冲前沿幅度等于所设阈值的时刻作为鉴别时刻,产生计时信号。前沿鉴别法由于触发比不恒定,在信号幅度变化会引起较大的漂移误差。
二、恒定比值鉴别法(Constant Fraction Discriminator)。恒比定时法将放大电路输出的脉冲信号分为两路,一路信号进行延迟后输入到鉴别比较器的同相输入端,另一路信号进行衰减后输入到鉴别比较器的反相输入端,鉴别比较器在两路信号的幅度相等时翻转,产生计时信号。恒比定时法可以消除由信号幅度变化引起的漂移误差,但当信号形状发生变化时,仍会产生一定的漂移误差。
三、高通容阻鉴别法(CR-High pass Discriminator)。高通容阻鉴别法使用高通滤波器将回波接收放大电路输出的单极性脉冲信号转变为双极性脉冲信号输出,使得原来脉冲信号的极值点变为零点,再由过零比较器对输出的双极性信号的过零点进行鉴别。高通容阻鉴别法对输入脉冲信号的幅度变化不敏感,但要求接收通道工作在严格的线性范围内。它的误差主要来自信号脉冲在计时点附近斜率的变化。
从时刻鉴别电路的设计原则上讲,在对信号进行时刻鉴别时,应该尽量避免对信号的幅度和波形进行模拟变化,以减少在时刻鉴别中引入的额外误差。在以上介绍的时刻鉴别方法中,方法二中对输入脉冲信号的延迟过程和衰减过程以及方法三中使用高通滤波器将回波接收放大电路输出的单极性脉冲信号转变为双极性脉冲信号输出过程,均对信号进行了模拟变化,会引入新的误差。而前沿鉴别法(图1)使用一个电压比较器和一个阈值电平就可以实现,电路形式简单,除了进行电平比较之外,不对信号进行任何其他处理,不引入其他误差。
因此本发明在前沿鉴别法的基础上提出了一种提高脉冲激光测距仪的测距精度的装置。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种脉冲激光测距仪的测距方法,提高脉冲激光测距仪的测距精度。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的:
脉冲激光测距仪包括脉冲激光器、光电探测器、放大器、双路比较器、时间数字转换器TDC、测量控制模块;其中光电探测器与放大器相连,放大器输出端与双路比较器的两个正向输入端相连,在双路比较器的两个负向输入端分别输入两个不同的鉴别阈值电平,双路比较器的输出端与时间数字转换器TDC相连,测量控制模块与时间数字转换器TDC、脉冲激光器分别相连;在测量控制模块中预存有公式(5)与公式(6);
Δt 1 = = V thh - V thl V in 1 × t r + [ ln ( 1 - V thl V in 1 ) - ln ( 1 - V thh V in 1 ) ] × RC Δt 2 = = V thh - V thl V in 2 × t r + [ ln ( 1 - V thl V in 2 ) - ln ( 1 - V thh V in 2 ) ] × RC - - - ( 5 )
Δt p = ( 1 V in 1 - 1 V in 2 ) × V thl × t r + [ ln ( 1 - V thl V in 2 ) - ln ( 1 - V thl V in 1 ) ] × RC - - - ( 6 )
Vin2为量程最小时输入的脉冲信号的幅值,Vin1为与Vin2不同幅度的输入脉冲信号的幅值,Vthh和Vthl为大小不同的鉴别阈值,Vthl小于Vthh,tr为信号的上升时间,RC为比较器输出传输延迟常数;Δt1为由鉴别阈值的电平Vthh和Vthl分别触发输入脉冲信号Vin1得到的时间间隔,Δt2为由鉴别阈值的电平Vthh和Vthl分别触发输入脉冲信号Vin2得到的时间间隔,Δtp为不同幅度的输入脉冲信号Vin1和Vin2的幅度变化引起的漂移误差变化;
该方法具体为:
第1步,首先通过移动目标的远近设置最小量程:脉冲激光器发出激光脉冲信号,将目标从相对激光测距仪的方向由远及近移动,观察放大器输出信号的电压,当放大器输出信号的电压不变时,为该脉冲激光测距仪的最小量程,将目标放置在该位置;
第2步,脉冲激光器对第1步确定好的目标发出激光脉冲信号,测量控制模块将脉冲激光器发出激光脉冲信号时获知的起始计时信号输入到时间数字转换器TDC;
光电探测器接收目标的回波激光脉冲信号并将目标的回波激光脉冲信号转换为电脉冲信号,所述电脉冲信号经放大器放大后为Vin2,将Vin2分成两路,分别输入双路比较器的正向输入端;
第3步,双路比较器中的2路比较器分别采用各自的鉴别阈值电平与输入脉冲信号Vin2比较,当输入信号大于鉴别阈值电平时,触发时间数字转换器TDC输出计时信号;
第4步,时间数字转换器TDC获得由鉴别阈值电平Vthh和Vthl触发输入脉冲信号Vin2得到的两个计时信号,进而得到二者的时间间隔Δt2,输入给测量控制模块;测量控制模块根据Δt2和公式(5)求出输入脉冲信号Vin2并将脉冲信号Vin2预存在测量控制模块中;
当实际测量时,直接进行第5步;
第5步,测量控制模块将发出激光时获知的起始计时信号输入到时间数字转换器TDC;
第6步,光电探测器接收目标的回波激光脉冲信号并将目标的回波激光脉冲信号转换为电脉冲信号,所述电脉冲信号经放大器放大后为Vin1,将Vin1分成两路,分别输入双路比较器的正向输入端;
第7步,双路比较器中的2路比较器分别采用各自的鉴别阈值电平与输入脉冲信号Vin1比较,当输入信号大于鉴别阈值电平时,触发时间数字转换器TDC输出计时信号;
第8步,时间数字转换器TDC获得由鉴别阈值电平Vthh和Vthl触发输入脉冲信号Vin1得到的两个计时信号,进而得到二者的时间间隔Δt1,输入给测量控制模块;
同时时间数字转换器TDC将第5步获得的起始计时信号与本步骤低阈值电平触发的计时信号相减得到激光飞行时间Δt,输入到测量控制模块中;
第9步,测量控制模块根据Δt1和公式(5)求出输入脉冲信号Vin1
第10步,将输入脉冲信号Vin1和预存的Vin2代入公式(6)得到由输入脉冲信号幅度变化引起的漂移误差Δtp
第11步,将第8步得到的激光飞行时间Δt减去漂移误差变化Δtp就得到修正后的激光飞行时间。
本发明的有益效果:
通过选用双路比较器,输入不同鉴别阈值电平,触发目标回波脉冲信号得到时间间隔测量进而得到不同幅度的输入脉冲信号的幅度变化引起的漂移误差变化,减小漂移误差,提高测距精度。
附图说明
图1为前沿鉴别法的波形示意图;
图2为前沿鉴别法漂移误差组成示意图;
图3为本发明的框图;
图4为本发明的时刻鉴别波形示意图;
图5为本发明的双路比较器结构框图;
图6为本发明的部分结构框图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
如图3,脉冲激光测距仪包括脉冲激光器、光电探测器、放大器、双路比较器、时间数字转换器TDC、测量控制模块;其中光电探测器与放大器相连,放大器输出端与双路比较器的两个正向输入端相连,在双路比较器的两个负向输入端分别输入两个不同的鉴别阈值电平,双路比较器的输出端与时间数字转换器TDC相连,测量控制模块与时间数字转换器TDC、脉冲激光器分别相连;在测量控制模块中预存有公式(5)与公式(6);
Δt 1 = = V thh - V thl V in 1 × t r + [ ln ( 1 - V thl V in 1 ) - ln ( 1 - V thh V in 1 ) ] × RC Δt 2 = = V thh - V thl V in 2 × t r + [ ln ( 1 - V thl V in 2 ) - ln ( 1 - V thh V in 2 ) ] × RC - - - ( 5 )
Δt p = ( 1 V in 1 - 1 V in 2 ) × V thl × t r + [ ln ( 1 - V thl V in 2 ) - ln ( 1 - V thl V in 1 ) ] × RC - - - ( 6 )
Vin2为量程最小时输入的脉冲信号的幅值,Vin1为与Vin2不同幅度的输入脉冲信号的幅值,Vthh和Vthl为大小不同的鉴别阈值,Vthl小于Vthh,tr为信号的上升时间(在设置发射的脉冲激光信号的脉冲宽度时,根据脉冲激光信号的上升沿能够得知信号的上升时间),RC为比较器输出传输延迟常数;Δt1为由鉴别阈值的电平Vthh和Vthl分别触发输入脉冲信号Vin1得到的时间间隔,Δt2为由鉴别阈值的电平Vthh和Vthl 分别触发输入脉冲信号Vin2得到的时间间隔,Δtp为不同幅度的输入脉冲信号Vin1和Vin2的幅度变化引起的漂移误差变化;
公式(5)与公式(6)推导过程如下:
如图2所示,漂移误差由两部分组成:第一部分tg,由输入脉冲信号过阈值时间点的变化引起,称作几何漂移误差;第二部分tRC,由比较器的输出传输延迟引起,称作RC延迟误差。
使用脉冲信号线性化模型对漂移误差进行估算。当输入信号为Vin,鉴别阈值幅度为Vth,信号的上升时间为tr时,有几何漂移误差为
t g = V th V in × t r - - - ( 1 )
当比较器的输出传输延迟常数为RC时,有输出信号波形Vout的表达式为
V out = V in × ( 1 - e - t RC ) - - - ( 2 )
则有RC延迟误差为
t RC = - ln ( 1 - V th V in ) × RC - - - ( 3 )
由式(2)和(3)可知,漂移误差tp可表示为
t p = t g + t RC = V th V in × t r - ln ( 1 - V th V in ) × RC - - - ( 4 )
由式(4)可知,当鉴别阈值Vth、信号的上升时间tr和比较器的传输延迟RC确定时,漂移误差tp的大小与输入脉冲信号Vin幅度的大小密切相关。
如图4所示,不同幅度的脉冲信号对应不同的上升沿斜率,则可将对脉冲信号幅度的测量转换为对上升沿斜率的测量。当使用两个大小不同的鉴别阈值Vthh和Vthl对输入信号的上升沿进行鉴别时,不同幅度的输入脉冲信号Vin1和Vin2在双阈值之间的时间间隔分别为
Δt 1 = = V thh - V thl V in 1 × t r + [ ln ( 1 - V thl V in 1 ) - ln ( 1 - V thh V in 1 ) ] × RC Δt 2 = = V thh - V thl V in 2 × t r + [ ln ( 1 - V thl V in 2 ) - ln ( 1 - V thh V in 2 ) ] × RC - - - ( 5 )
将鉴别阈值Vthl设置为计时触发电平,则不同幅度的输入脉冲信号Vin1和Vin2的幅度变化引起的漂移误差变化为:
Δt p = ( 1 V in 1 - 1 V in 2 ) × V thl × t r + [ ln ( 1 - V thl V in 2 ) - ln ( 1 - V thl V in 1 ) ] × RC - - - ( 6 )
由式(5)和(6)可知,输入脉冲信号幅度的变化和漂移误差的变化之间有确定的数值关系,通过双阈值时刻鉴别测量得到的与输入信号幅度相关的时间间隔也与输入脉冲的幅度有确定的数值关系。因此,可通过测量双阈值之间的时间间隔来对由信号幅值的不同产生的漂移误差进行修正。
该方法具体为:
第1步,首先通过移动目标的远近设置最小量程:脉冲激光器发出激光脉冲信号,将目标从相对激光测距仪的方向由远及近移动,观察放大器输出信号的电压,当放大器输出信号的电压不变时,为该脉冲激光测距仪的最小量程,将目标放置在该位置;
第2步,脉冲激光器对第1步确定好的目标发出激光脉冲信号,测量控制模块将脉冲激光器发出激光脉冲信号时获知的起始计时信号输入到时间数字转换器TDC;
光电探测器接收目标的回波激光脉冲信号并将目标的回波激光脉冲信号转换为电脉冲信号,所述电脉冲信号经放大器放大后为Vin2,将Vin2分成两路,分别输入双路比较器的正向输入端;
第3步,双路比较器中的2路比较器分别采用各自的鉴别阈值电平与输入脉冲信号Vin2比较,当输入信号大于鉴别阈值电平时,触发时间数字转换器TDC输出计时信号;
第4步,时间数字转换器TDC获得由鉴别阈值电平Vthh和Vthl触发输入脉冲信号Vin2得到的两个计时信号,进而得到二者的时间间隔Δt2,输入给测量控制模块;测量控制模块根据Δt2和公式(5)求出输入脉冲信号Vin2并将脉冲信号Vin2预存在测量控制模块中;
当实际测量时,直接进行第5步;
第5步,测量控制模块将发出激光时获知的起始计时信号输入到时间数字转换器TDC;
第6步,光电探测器接收目标的回波激光脉冲信号并将目标的回波激光脉冲信号转换为电脉冲信号,所述电脉冲信号经放大器放大后为Vin1,将Vin1分成两路,分别输入双路比较器的正向输入端;
第7步,双路比较器中的2路比较器分别采用各自的鉴别阈值电平与输入脉冲信号Vin1比较,当输入信号大于鉴别阈值电平时,触发时间数字转换器TDC输出计时信号;
第8步,时间数字转换器TDC获得由鉴别阈值电平Vthh和Vthl触发输入脉冲信号Vin1得到的两个计时信号,进而得到二者的时间间隔Δt1,输入给测量控制模块;
同时时间数字转换器TDC将第5步获得的起始计时信号与本步骤低阈值电平触发的计时信号相减得到激光飞行时间Δt,输入到测量控制模块中;
第9步,测量控制模块根据Δt1和公式(5)求出输入脉冲信号Vin1
第10步,将输入脉冲信号Vin1和预存的Vin2代入公式(6)得到由输入脉冲信号幅度变化引起的漂移误差Δtp
第11步,将第8步得到的激光飞行时间Δt减去漂移误差变化Δtp就得到修正后的激光飞行时间。
由于测距使用的激光脉冲信号的上升沿在3ns左右,应当选用响应速度快、传输延时小的电压比较器进行设计;因此双路比较器,选用型号为MAX9601,具有极快的响应速度(0.25ns)和极短的传输延迟时间(0.5ns)。将由回波接收电路输出的脉冲信号分为两路,分别输入比较器MAX9601的两个正输入端,两个负输入端连接阈值产生电路输出两个幅值不同的高低阈值。MAX9601的输出为ECL差分电平输出,需要进行端接。
其中MAX9601输出信号电平为ECL差分电平,与时间间隔测量单元采用的TTL电平不兼容,需进行电平转换。电平转换电路可使用ON-Semi公司的MC100ELT21电平转换芯片进行设计。MC100ELT21为5V差分PECL电平转TTL电平芯片,具有3.5ns的传输延迟。将时刻鉴别电路产生的高低阈值鉴别输出ECL信号分别输入两个电平转换芯片,经过转换,输出TTL电平的时刻鉴别信号。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种脉冲激光测距仪的测距方法,其特征在于,脉冲激光测距仪包括脉冲激光器、光电探测器、放大器、双路比较器、时间数字转换器TDC、测量控制模块;其中光电探测器与放大器相连,放大器输出端与双路比较器的两个正向输入端相连,在双路比较器的两个负向输入端分别输入两个不同的鉴别阈值电平,双路比较器的输出端与时间数字转换器TDC相连,测量控制模块与时间数字转换器TDC、脉冲激光器分别相连;在测量控制模块中预存有公式(5)与公式(6);
Δt 1 = = V thh - V thl V in 1 × t r + [ ln ( 1 - V thl V in 1 ) - ln ( 1 - V thh V in 1 ) ] × RC Δt 2 = = V thh - V thl V in 2 × t r + [ ln ( 1 - V thl V in 2 ) - ln ( 1 - V thh V in 2 ) ] × RC - - - ( 5 )
Δt p = ( 1 V in 1 - 1 V in 2 ) × V thl × t r + [ ln ( 1 - V thl V in 2 ) - ln ( 1 - V thl V in 1 ) ] × RC - - - ( 6 )
Vin2为量程最小时输入的脉冲信号的幅值,Vin1为与Vin2不同幅度的输入脉冲信号的幅值,Vthh和Vthl为大小不同的鉴别阈值,Vthl小于Vthh,tr为信号的上升时间,RC为比较器输出传输延迟常数;Δt1为由鉴别阈值的电平Vthh和Vthl分别触发输入脉冲信号Vin1得到的时间间隔,Δt2为由鉴别阈值的电平Vthh和Vthl分别触发输入脉冲信号Vin2得到的时间间隔,Δtp为不同幅度的输入脉冲信号Vin1和Vin2的幅度变化引起的漂移误差变化;
该方法具体为:
第1步,首先通过移动目标的远近设置最小量程:脉冲激光器发出激光脉冲信号,将目标从相对激光测距仪的方向由远及近移动,观察放大器输出信号的电压,当放大器输出信号的电压不变时,为该脉冲激光测距仪的最小量程,将目标放置在该位置;
第2步,脉冲激光器对第1步确定好的目标发出激光脉冲信号,测量控制模块将脉冲激光器发出激光脉冲信号时获知的起始计时信号输入到时间数字转换器TDC;
光电探测器接收目标的回波激光脉冲信号并将目标的回波激光脉冲信号转换为电脉冲信号,所述电脉冲信号经放大器放大后为Vin2,将Vin2分成两路,分别输入双路比较器的正向输入端;
第3步,双路比较器中的2路比较器分别采用各自的鉴别阈值电平与输入脉冲信号Vin2比较,当输入信号大于鉴别阈值电平时,触发时间数字转换器TDC输出计时信号;
第4步,时间数字转换器TDC获得由鉴别阈值电平Vthh和Vthl触发输入脉冲信号Vin2得到的两个计时信号,进而得到二者的时间间隔Δt2,输入给测量控制模块;测量控制模块根据Δt2和公式(5)求出输入脉冲信号Vin2并将脉冲信号Vin2预存在测量控制模块中;
当实际测量时,直接进行第5步;
第5步,测量控制模块将发出激光时获知的起始计时信号输入到时间数字转换器TDC;
第6步,光电探测器接收目标的回波激光脉冲信号并将目标的回波激光脉冲信号转换为电脉冲信号,所述电脉冲信号经放大器放大后为Vin1,将Vin1分成两路,分别输入双路比较器的正向输入端;
第7步,双路比较器中的2路比较器分别采用各自的鉴别阈值电平与输入脉冲信号Vin1比较,当输入信号大于鉴别阈值电平时,触发时间数字转换器TDC输出计时信号;
第8步,时间数字转换器TDC获得由鉴别阈值电平Vthh和Vthl触发输入脉冲信号Vin1得到的两个计时信号,进而得到二者的时间间隔Δt1,输入给测量控制模块;
同时时间数字转换器TDC将第5步获得的起始计时信号与本步骤低阈值电平触发的计时信号相减得到激光飞行时间Δt,输入到测量控制模块中;
第9步,测量控制模块根据Δt1和公式(5)求出输入脉冲信号Vin1
第10步,将输入脉冲信号Vin1和预存的Vin2代入公式(6)得到由输入脉冲信号幅度变化引起的漂移误差Δtp
第11步,将第8步得到的激光飞行时间Δt减去漂移误差变化Δtp就得到修正后的激光飞行时间。
2.如权利要求1所述的一种脉冲激光测距仪的测距方法,其特征在于,所述双路比较器,选用型号为MAX9601。
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