CN103913749A - 一种基于激光脉冲飞行时间测量的测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光脉冲飞行时间测量的测距方法，它基于同步时钟脉冲测量法，引入自适应斜率调整斜坡发生器和差分放大电路，不仅可准确测量出激光脉冲飞行时间中与系统时钟同步部分的时间长度，而且能高精度测量出其与系统时钟不同步部分的时间长度，实现目标距离的精确测量。它将激光发射时刻与下一个系统时钟上升沿之间的时间差t_a和激光返回时刻与下一个系统时钟上升沿之间的时间差t_b，分别线性转换成电压V₁和V₂，经差分放大和AD转换后，输出与t_a-t_b成线性比例的数字量，能有效避免由于数据截断引入的计算误差，并通过斜坡发生器自适应斜率调整有效减小由于电路非线性等因素引入的测量误差，适用于高精度要求的测距场合。

Description

一种基于激光脉冲飞行时间测量的测距方法

技术领域：

本发明属于激光测距领域，具体涉及一种通过精确测量激光脉冲飞行时间实现目标距离高精度测量的方法。

背景技术：

激光脉冲由于具有瞬间功率大、平均功率小的特点，被广泛应用于基于飞行时间测量的激光测距装置中。它利用激光器对目标发射激光窄脉冲，通过直接测量激光脉冲往返飞行时间Δt，获取目标距离其中C是光速3×10⁸m/s。

测距精度是激光测距技术的最重要评估指标之一，而基于飞行时间测量的激光脉冲测距技术的测距精度主要受制于飞行时间的测量精度，例如为实现0.1m的测距精度，则激光脉冲飞行时间的总体测量误差须控制在0.67ns以内，这对飞行时间测量技术提出很高的要求。

参见附图1，可知闸门信号宽度Δt＝W+(t_a-t_b)＝NT+(t_a-t_b)。传统的飞行时间测量方法基于恒定频率时钟源，统计闸门信号高脉冲期间计数器计数值N，计算出脉冲飞行时间：t＝NT，显然这存在很大测量误差Δ＝Δt-t＝t_a-t_b，只能适用于对测距精度要求比较低的应用场合。随着时间间隔测量技术的发展，人们开始尝试基于数字计数法，通过结合不同的插入法测量出t_a和t_b，修正计数结果，提高测量精度。目前，比较成熟的插入法主要有三种：差频测相插入法、延迟插入法和模拟插入法。相比于延迟插入法和差频测相插入法，模拟插入法因其测量精度高、测距盲区小、体积小而得到更广泛的应用。但是，由于受数据末尾截断、电路非线性现象等影响，模拟插入法测量精度仍存在提升空间。

本发明引入自适应斜率调整斜坡发生器和差分放大电路，高精度测量出t_a-t_b，能有效抑制由于数据末尾截断、电路非线性现象引起的测量误差，提高模拟插入法测量精度，满足人们对测距精度越来越高的需求。

发明内容：

本发明的目的在于公开一种基于激光脉冲飞行时间测量的测距方法，它将激光脉冲飞行时间分割成时钟同步部分和时钟非同步部分，能准确测量与时钟同步部分的激光脉冲飞行时间长度，并可高精度测量出与时钟非同步部分的激光脉冲飞行时间长度，整合后可获取目标距离，实现简单，并满足高精度应用需求。

为实现上述目的，本发明方法包括以下步骤：

（1）主控制器发出发射命令，触发激光发射单元发射激光脉冲，同时触发时刻鉴别单元输出起始脉冲信号，该脉冲信号上升沿时刻对应激光脉冲往返飞行的起始时刻；

（2）激光接收单元接收激光回波脉冲，进行光电转换、滤波放大等处理后，触发时刻鉴别单元输出终止脉冲信号，该脉冲信号的上升沿时刻对应激光脉冲往返飞行的终止时刻；

（3）闸门信号发生器接收起始脉冲信号和终止脉冲信号，输出闸门信号S，该闸门信号脉冲宽度即为激光脉冲飞行时间长度Δt，具体步骤如下：

（3-1）检测起始脉冲信号上升沿，以起始脉冲信号上升沿为触发事件，触发生成闸门信号S的上升沿；

（3-2）检测终止脉冲信号上升沿，以终止脉冲信号上升沿为触发事件，触发生成闸门信号S的下降沿；

（4）闸门信号分割电路以闸门信号上升沿后的第一个时钟上升沿和闸门信号下降沿后第一个时钟上升沿为分割点，将闸门脉冲分割成三个脉冲P1、P2、P3，其脉宽分别记为t_a、W、t_b，则脉冲信号P1、P3的宽度差t_a-t_b，即为闸门信号非时钟同步部分时间长度，而脉冲信号P2的宽度W，即为闸门信号时钟同步部分时间长度，具体步骤如下：

（4-1）检测闸门信号的上升沿，以闸门上升沿为触发事件，触发生成第一个脉冲信号P1的上升沿；

（4-2）在闸门信号的上升沿之后的系统时钟第一个上升沿到来时刻，触发生成第一个脉冲信号P1的下降沿及第二个脉冲信号P2的上升沿；

（4-3）检测闸门信号的下降沿，以闸门下降沿为触发事件，触发生成第三个脉冲信号P3的上升沿；

（4-4）在闸门信号的下降沿之后的系统时钟第一个上升沿到来时刻，触发生成第二个脉冲信号P2的下降沿及第三个脉冲信号P3的下降沿；

（5）激光脉冲飞行时间中非时钟同步部分时间长度测量，得t_a-t_b，具体步骤如下：

（5-1）产生斜坡：P1脉冲上升沿触发充电电流对基本斜坡发生电路中高精度充电电容充电，产生线性斜坡信号，记此时充电电流和电容值分别为I_C1、C₁；

（5-2）锁存电压：P1脉冲下降沿触发将斜坡发生器输出电压V₁锁存至差分放大电路输入端，斜坡发生电路复位，充电终止，具体关系如下：

$V_1=\frac{I_{c1}}{C_1}{t}_a---\left(1\right)$

（5-3）斜坡发生器自适应斜率调整：P1下降沿还触发斜坡发生器自适应斜率调整过程，即在固定时间T_f/2内，以电流I_Cf对充电电容C_f充电，将T_f/2时刻的输出电压V_f反馈到斜率控制电路输入端，通过与基准电压V_ref比较，产生校正电压信号，控制电路中充电电流的大小，进一步调整输出斜坡信号的斜率，其中I_Cf、C_f分别为此时电路中充电电流和电容值。取T_f＝T，以系统时钟作为控制输入，控制斜坡发生器斜率调整过程，记调整后斜坡斜率为K₁，则斜坡发生器输出电压V与输入脉冲作用时间t满足如下关系：

V＝K₁×t     （2）

可近似认为：

$K_1=\frac{I_{c1}}{C_1}=\frac{I_{\mathrm{cf}}}{C_f}---\left(3\right)$

$V_1=\frac{I_{c1}}{C_1}{t}_a=K_1{t}_a---\left(4\right)$

$V_f=\frac{I_{\mathrm{cf}}}{C_f}\×\frac{T_f}{2}=K_1\×\frac{T_f}{2}=K_1\×\frac{T}{2}---\left(5\right)$

（5-4）产生斜坡：P3脉冲上升沿触发电流I_C2对基本斜坡发生电路中高精度充电电容C₂充电，产生线性斜坡信号，其中I_C2、C₂分别为此时电路中充电电流和电容值；

（5-5）锁存电压：P3脉冲下降沿触发将斜坡发生器输出电压V₂锁存至差分放大电路输入端，斜坡发生电路复位，充电终止，具体关系如下：

$V_2=\frac{I_{c2}}{C_2}{t}_b=K_1{t}_b---\left(6\right)$

（5-6）斜坡发生器自适应斜率调整：P3下降沿还触发斜坡发生器自适应斜率调整过程，同步骤（5-3）；

（5-7）差分放大电路对输入端的电压差V₁-V₂进行线性放大，输出电压V₃，具体关系如下：

V₃＝K₂(V₁-V₂)     （7）

其中K₂为差分放大倍数；

（5-8）双积分型AD转换器对V₃进行模数转换处理，输出与V₃成正比例的数字量D，具体关系如下：

D＝K₃V₃     （8）

其中T₁、T_c、V_REF分别是双积分型AD转换器的正向积分时间、计数器时钟信号周期、基准电压，所以K₃是由双积分型AD转换器确定的常量；

由上述分析可知，最后输出数字量D满足如下关系式：

D＝K₃V₃＝K₃K₂(V₁-V₂)＝K₃K₂K₁(t_a-t_b)＝K(t_a-t_b)     （9）

其中K＝K₃K₂K₁，为一常量，所以有：

$t_a-t_b=\frac{D}{K}---\left(10\right)$

可见，根据双积分型AD转换器输出的数字量D，即可求出激光脉冲飞行时间中的非时钟同步部分长度t_a-t_b；

（6）激光脉冲飞行时间中时钟同步部分时间长度测量，得W。将闸门信号分割电路输出的脉冲信号P2送入以系统时钟作为计数时钟的计数器，根据计数器计数值N，即可获得P2的脉冲宽度W=NT，其中T为系统时钟周期；

（7）整合出激光脉冲飞行整体时间，具体关系是：

$\mathrm{\Δt}=W+(t_a-t_b)=\mathrm{NT}+\frac{D}{K}---\left(11\right)$

进而可获取目标物距离测量装置的距离其中C是光速3×10⁸m/s。

附图说明

图1：信号波形图。

图2：基于激光脉冲飞行时间测量的测距方法框图。

具体实施方式：

下面根据附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

图1所示是信号波形图，由图可知，闸门信号宽度Δt＝NT+(t_a-t_b)，其中NT可以通过数字计数准确获得。本发明的显著特点就是引入斜率自调节斜坡发生电路和差分放大电路，实现对t_a-t_b的精确测量。

图2所示是基于激光脉冲飞行时间测量的测距方法框图。

（1）主控制器发出发射命令，触发激光发射单元发射激光脉冲，同时触发时刻鉴别单元输出起始脉冲信号，该脉冲信号上升沿时刻对应激光脉冲往返飞行的起始时刻；

（2）激光接收单元接收激光回波脉冲，进行光电转换、滤波放大等处理后，触发时刻鉴别单元输出终止脉冲信号，该脉冲信号的上升沿时刻对应激光脉冲往返飞行的终止时刻；

（3）闸门信号发生器接收起始脉冲信号和终止脉冲信号，输出闸门信号S，该闸门信号脉冲宽度即为激光脉冲飞行时间长度Δt，具体步骤如下：

（3-1）检测起始脉冲信号上升沿，以起始脉冲信号上升沿为触发事件，触发生成闸门信号S的上升沿；

（3-2）检测终止脉冲信号上升沿，以终止脉冲信号上升沿为触发事件，触发生成闸门信号S的下降沿；

（4）闸门信号分割电路以闸门信号上升沿后的第一个时钟上升沿和闸门信号下降沿后第一个时钟上升沿为分割点，将闸门脉冲分割成三个脉冲P1、P2、P3，其脉宽分别记为t_a、W、t_b，则脉冲信号P1、P3的宽度差t_a-t_b，即为闸门信号非时钟同步部分时间长度，而脉冲信号P2的宽度W，即为闸门信号时钟同步部分时间长度，具体步骤如下：

（4-1）检测闸门信号的上升沿，以闸门上升沿为触发事件，触发生成第一个脉冲信号P1的上升沿；

（4-2）在闸门信号的上升沿之后的系统时钟第一个上升沿到来时刻，触发生成第一个脉冲信号P1的下降沿及第二个脉冲信号P2的上升沿；

（4-3）检测闸门信号的下降沿，以闸门下降沿为触发事件，触发生成第三个脉冲信号P3的上升沿；

（4-4）在闸门信号的下降沿之后的系统时钟第一个上升沿到来时刻，触发生成第二个脉冲信号P2的下降沿及第三个脉冲信号P3的下降沿；

（5）激光脉冲飞行时间中非时钟同步部分时间长度测量，得t_a-t_b，具体步骤如下：

（5-1）产生斜坡：P1脉冲上升沿作用在传输门控制电路D1输入端时，传输门控制电路输出信号Q=1，触发跨导电路输出的电流开始对基本斜坡发生电路中高精度充电电容充电，输出线性斜坡信号，记此时充电电流和电容值分别为I_C1、C₁；

（5-2）锁存电压：P1脉冲下降沿作用在传输门控制电路D1输入端时，传输门控制电路输出信号Q=0，触发充电终止，并将斜坡发生器输出电压V₁锁存至差分放大电路输入端，斜坡发生电路复位，具体关系如下：

$V_1=\frac{I_{c1}}{C_1}{t}_a$

（5-3）斜坡发生器斜率自适应调节：P1下降沿还触发闭合开关K1,使参考时钟接入D2。K1闭合后，从参考时钟第一个上升沿开始，参考时钟每一个上升沿将触发I_C对基本斜坡发生电路中电容C充电，而参考时钟每一个下降沿将触发可控开关K2闭合，从而将斜坡发生器输出电压V_f反馈到斜率控制电路输入端，通过与基准电压V_ref比较，产生校正电压信号，控制充电电流I_C的大小，进一步调整输出斜坡信号的斜率，具体关系有：

$V_f=\frac{I_{\mathrm{cf}}}{C_f}\×\frac{T_f}{2}$

$V_{\mathrm{ref}}=\frac{I_{c0}}{C_0}\×\frac{T_f}{2}$

I_c＝g_m(V_ref-V_f)

其中T_f＝T，I_C0、C₀是初始时刻充电电流、电容值，g_m是跨导电路跨导值。通过反复调整，可实现V_f无限接近于V_ref，从而可认为斜坡信号斜率即斜率基本保持为一定值。且引入参考时钟作为斜率调整控制信号，能实现在每次斜坡信号输出之后对斜率进行调整，所以可近似认为斜波发生电路每次生成的斜坡信号具有相同斜率K1，进而有：

$V_1=\frac{I_{c1}}{C_1}{t}_a=K_1{t}_a$

（5-4）产生斜坡：P3脉冲上升沿作用在传输门控制电路D1输入端时，传输门控制电路输出信号Q=1，触发跨导电路输出的电流I_C开始对基本斜坡发生电路中高精度电容C充电，产生线性斜坡；

（5-5）锁存电压：P3脉冲下降沿作用在传输门控制电路D1输入端时，传输门控制电路输出信号Q=0，触发充电终止，并将斜坡发生器输出电压V₂锁存至差分放大电路输入端，斜坡发生电路复位，具体关系如下：

$V_2=\frac{I_{c_2}}{C_2}{t}_b=K_1{t}_b$

（5-6）斜坡发生器斜率自适应调节：P3下降沿还触发斜坡发生器斜率自调节过程，同步骤（5-3）；

（5-7）差分放大电路对输入端的电压差V₁-V₂线性放大，输出电压V₃，具体关系如下：

V₃＝K₂(V₁-V₂)

其中K₂为差分放大倍数；

（5-8）双积分型AD转换器对V₃进行模数转换处理，输出与V₃成正比例的数字量D，具体关系如下：

D＝K₃V₃

其中T₁、T_c、V_REF分别是双积分型AD转换器的正向积分时间、计数器时钟信号周期、基准电压，所以K₃是由双积分型AD转换器确定的常量；

有上述分可知，最后输出数字量D满足如下关系式：

D＝K₃V₃＝K₃K₂(V₁-V₂)＝K₃K₂K₁(t_a-t_b)＝K(t_a-t_b)

其中K＝K₃K₂K₁，为一常量，所以有：

$t_a-t_b=\frac{D}{K}$

可见，根据双积分型AD转换器输出的数字量D，可求出激光脉冲飞行时间中的非时间同步部分长度t_a-t_b；

（6）激光脉冲飞行时间中时钟同步部分时间长度测量，得W。将闸门信号分割电路输出的脉冲信号P2送入以系统时钟作为计数时钟的计数器，根据计数器计数值N，即可获得P2的脉冲宽度W=NT，其中T为系统时钟周期；

（7）整合出激光脉冲飞行整体时间，具体关系是：

$\mathrm{\Δt}=W+(t_a-t_b)=\mathrm{NT}+\frac{D}{K}$

进而可获取目标物距离测量装置的距离其中C是光速3×10⁸m/s。

Claims (1)

1.一种基于激光脉冲飞行时间测量的测距方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）主控制器发出发射命令，触发激光发射单元发射激光脉冲，同时触发时刻鉴别单元输出起始脉冲信号，该脉冲信号上升沿时刻对应激光脉冲往返飞行的起始时刻；

（2）激光接收单元接收激光回波脉冲，进行光电转换、滤波放大等处理后，触发时刻鉴别单元输出终止脉冲信号，该脉冲信号的上升沿时刻对应激光脉冲往返飞行的终止时刻；

（3）闸门信号发生器接收起始脉冲信号和终止脉冲信号，输出闸门信号S，该闸门信号脉冲宽度即为激光脉冲飞行时间长度Δt，具体步骤如下：

（3-1）检测起始脉冲信号上升沿，以起始脉冲信号上升沿为触发事件，触发生成闸门信号S的上升沿；

（3-2）检测终止脉冲信号上升沿，以终止脉冲信号上升沿为触发事件，触发生成闸门信号S的下降沿；

（4）闸门信号分割电路以闸门信号上升沿后的第一个时钟上升沿和闸门信号下降沿后第一个时钟上升沿为分割点，将闸门脉冲分割成三个脉冲P1、P2、P3，其脉宽分别记为t_a、W、t_b，则脉冲信号P1、P3的宽度差t_a-t_b，即为闸门信号非时钟同步部分时间长度，而脉冲信号P2的宽度W，即为闸门信号时钟同步部分时间长度，具体步骤如下：

（4-1）检测闸门信号的上升沿，以闸门上升沿为触发事件，触发生成第一个脉冲信号P1的上升沿；

（4-2）在闸门信号的上升沿之后的系统时钟第一个上升沿到来时刻，触发生成第一个脉冲信号P1的下降沿及第二个脉冲信号P2的上升沿；

（4-3）检测闸门信号的下降沿，以闸门下降沿为触发事件，触发生成第三个脉冲信号P3的上升沿；

（4-4）在闸门信号的下降沿之后的系统时钟第一个上升沿到来时刻，触发生成第二个脉冲信号P2的下降沿及第三个脉冲信号P3的下降沿；

（5）激光脉冲飞行时间中非时钟同步部分时间长度测量，得t_a-t_b，具体步骤如下：

（5-1）产生斜坡：P1脉冲上升沿触发充电电流对基本斜坡发生电路中高精度充电电容充电，产生线性斜坡信号，记此时充电电流和电容值分别为I_C1、C₁；

（5-2）锁存电压：P1脉冲下降沿触发将斜坡发生器输出电压V₁锁存至差分放大电路输入端，斜坡发生电路复位，充电终止，具体关系如下：

$V_1=\frac{I_{c1}}{C_1}{t}_a---\left(1\right)$

（5-3）斜坡发生器自适应斜率调整：P1下降沿还触发斜坡发生器自适应斜率调整过程，即在固定时间T_f/2内，以电流I_Cf对充电电容C_f充电，将T_f/₂时刻的输出电压V_f反馈到斜率控制电路输入端，通过与基准电压V_ref比较，产生校正电压信号，控制电路中充电电流的大小，进一步调整输出斜坡信号的斜率，其中I_Cf、C_f分别为此时电路中充电电流和电容值。取T_f＝T，以系统时钟作为控制输入，控制斜坡发生器斜率调整过程，记调整后斜坡斜率为K₁，则斜坡发生器输出电压V与输入脉冲作用时间t满足如下关系：

V＝K₁×t     （2）

可近似认为：

$K_1=\frac{I_{c1}}{C_1}=\frac{I_{\mathrm{cf}}}{C_f}---\left(3\right)$

$V_1=\frac{I_{c1}}{C_1}{t}_a=K_1{t}_a---\left(4\right)$

$V_f=\frac{I_{\mathrm{cf}}}{C_f}\×\frac{T_f}{2}=K_1\×\frac{T_f}{2}=K_1\×\frac{T}{2}---\left(5\right)$

（5-4）产生斜坡：P3脉冲上升沿触发电流I_C2对基本斜坡发生电路中高精度充电电容C₂充电，产生线性斜坡信号，其中I_C2、C₂分别为此时电路中充电电流和电容值；

（5-5）锁存电压：P3脉冲下降沿触发将斜坡发生器输出电压V₂锁存至差分放大电路输入端，斜坡发生电路复位，充电终止，具体关系如下：

$V_2=\frac{I_{c2}}{C_2}{t}_b=K_1{t}_b---\left(6\right)$

（5-6）斜坡发生器自适应斜率调整：P3下降沿还触发斜坡发生器自适应斜率调整过程，同步骤（5-3）；

（5-7）差分放大电路对输入端的电压差V₁-V₂进行线性放大，输出电压V₃，具体关系如下：

V₃＝K₂(V₁-V₂)     （7）

其中K₂为差分放大倍数；

（5-8）双积分型AD转换器对V₃进行模数转换处理，输出与V₃成正比例的数字量D，具体关系如下：

D＝K₃V₃     （8）

其中T₁、T_c、V_REF分别是双积分型AD转换器的正向积分时间、计数器时钟信号周期、基准电压，所以K₃是由双积分型AD转换器确定的常量；

由上述分析可知，最后输出数字量D满足如下关系式：

D＝K₃V₃＝K₃K₂(V₁-V₂)＝K₃K₂K₁(t_a-t_b)＝K(t_a-t_b)     （9）

其中K＝K₃K₂K₁，为一常量，所以有：

$t_a-t_b=\frac{D}{K}---\left(10\right)$

可见，根据双积分型AD转换器输出的数字量D，即可求出激光脉冲飞行时间中的非时钟同步部分长度t_a-t_b；

（6）激光脉冲飞行时间中时钟同步部分时间长度测量，得W。将闸门信号分割电路输出的脉冲信号P2送入以系统时钟作为计数时钟的计数器，根据计数器计数值N，即可获得P2的脉冲宽度W=NT，其中T为系统时钟周期；

（7）整合出激光脉冲飞行整体时间，具体关系是：

$\mathrm{\Δt}=W+(t_a-t_b)=\mathrm{NT}+\frac{D}{K}---\left(11\right)$

进而可获取目标物距离测量装置的距离其中C是光速3×10⁸m/s。