CN109870702A - 一种基于tdc的远距离高精度激光测距装置及测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于TDC的远距离高精度激光测距装置及测距方法，以消除激光回波系统误差。测距装置包括测距控制器、发射驱动电路、激光发射电路、分光镜、光电检测器、回波处理电路和时间间隔测量电路；测距控制器同时向发射驱动电路和时间间隔测量电路发送窄脉冲信号，发射驱动电路触发激光发射电路，激光发射电路向目标物发射窄脉冲激光束，分光镜将一部分窄脉冲激光束反射入光电检测器；光电检测器接收窄脉冲激光束和目标物回波脉冲并将其输送至回波处理电路分别进行处理并输送至时间间隔测量电路；时间间隔测量电路记录接收到的窄脉冲信号、反射窄脉冲激光束和目标物回波脉冲的三个时间点输送至测距控制器，由测距控制器进行测距运算。
Description
技术领域
本发明属于脉冲激光测距技术领域，具体涉及一种基于TDC的远距离高精度激光测距装置及测距方法。
背景技术
脉冲式激光测距因其测程远、测速快、隐蔽性和安全性强的特点而在激光测距领域有着十分重要的地位。现有的脉冲式激光测距仪主要采用雪崩晶体管做发射，电路体积大，脉宽宽，在调试中容易出现脉宽变窄，电路严重过冲，使得测距精度降低，并且接收到的信号质量变差，在后期电路修改中发现电路板不管怎么修改，电路寄生电容没有变化，使得系统误差难以排除。
现有技术中，激光在待测距离上的往返时间t采用的计算方法为：t=STOP2-START-△；其中，START为测距开始时刻，STOP2为测距结束时刻，△为系统误差。而系统误差△的值通常需要通过测量比较得到，并且该值在不同的测距产品中会有不同，需要对测距产品进行调试和矫正，由人工处理得到系统误差，但是在操作上耗费精力较大，并且得不到确定的数值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于TDC的远距离高精度激光测距装置及测距方法，能够有效地消除激光回波系统误差。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于TDC的远距离高精度激光测距装置，包括测距控制器、发射驱动电路、激光发射电路、分光镜、光电检测器、回波处理电路和时间间隔测量电路；所述测距控制器用于同时向发射驱动电路和时间间隔测量电路发送窄脉冲信号，所述发射驱动电路用于在接收到窄脉冲信号后触发激光发射电路，所述激光发射电路用于经触发后向目标物发射窄脉冲激光束，所述分光镜用于将激光发射电路发出的一部分窄脉冲激光束反射入光电检测器；所述光电检测器用于接收分光镜反射的窄脉冲激光束和目标物回波脉冲并将其分别输送至回波处理电路，所述回波处理电路用于对接收到的反射窄脉冲激光束和目标物回波脉冲分别进行处理并输送至时间间隔测量电路；所述时间间隔测量电路用于记录接收到的窄脉冲信号、反射窄脉冲激光束和目标物回波脉冲的时刻并将三个时间点输送至测距控制器，由测距控制器进行测距运算。
进一步的，所述激光器发射电路采用MOS管与激光二极管集成封装。
进一步的，所述回波处理电路包括两路，分别对光电检测器输入的反射窄脉冲激光束和目标物回波脉冲进行处理；每路回波处理电路均包括依次相连的跨阻放大电路、滤波电路、主放大电路和阈值比较整形电路，所述光电检测器分别与两路跨阻放大电路相连，两路阈值比较整形电路分别与时间间隔测量电路相连。
进一步的，所述时间间隔测量电路采用时间数字转换芯片TDC-GP2。
一种基于TDC的远距离高精度激光测距方法，包括如下步骤：
（1）利用测距控制器同时向发射驱动电路和时间间隔测量电路发送一个窄脉冲信号，发射驱动电路接收到该窄脉冲信号后，触发激光发射电路向目标物发射窄脉冲激光束，时间间隔测量电路将接收到该窄脉冲信号的时刻记录为测距开始时刻START；
（2）利用分光镜将激光发射电路向目标物发出的窄脉冲激光束的一部分反射入光电检测器，这部分反射窄脉冲激光束由回波处理电路处理后输送至时间间隔测量电路，时间间隔测量电路将接收到该反射窄脉冲激光束的时刻记录为脉冲发射时刻STOP1；
（3）光电检测器接收经目标物漫反射返回的目标物回波脉冲，并将该目标物回波脉冲送入回波处理电路中进行处理后，再输送至时间间隔测量电路，时间间隔测量电路将接收到此目标物回波脉冲的时刻记录为测距结束时刻STOP2；
（4）时间间隔测量电路将三个时间点测距开始时刻START、脉冲发射时刻STOP1和测距结束时刻STOP2输送至测距控制器，测距控制器据此计算出测量点与目标物与之间的距离L；
激光在待测距离上的系统误差为：t1=STOP1-START
激光在待测距离上的往返时间为：t=STOP2-t1
测距方程为：L=c*t/2。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明在激光回波方面用单探测器实现双探测的功能，用同一探测器实现了初始信号和回波信号的探测；本发明对系统时间起始时刻判断，采用了光学方式触发的，而非电路产生的信号时间间隔，减小了系统电路光路之间的转换等问题引起的误差，具有精度高、易调试的优点，既实现了体积小型化，又排除了系统对测距的误差干扰。在激光器发射电路上采用MOS管与激光器二极管集成封装，使电路能够实现1ns脉宽的激光束，通过判断半高宽的上升沿来控制高精度时间间隔测量电路TDC-GP2计时，可以实现测距1000米精度在±0.075米之间波动。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例回波处理电路的结构示意图；
图3是本发明实施例的测距算法框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1-2所示为本发明一个实施例的结构示意图，一种基于TDC的远距离高精度激光测距装置，包括测距控制器、发射驱动电路、激光发射电路、分光镜、光电检测器、回波处理电路和时间间隔测量电路；测距控制器用于同时向发射驱动电路和时间间隔测量电路发送窄脉冲信号，发射驱动电路用于在接收到窄脉冲信号后触发激光发射电路，激光发射电路用于经触发后向目标物发射窄脉冲激光束，分光镜用于将激光发射电路发出的一部分窄脉冲激光束反射入光电检测器；光电检测器用于接收分光镜反射的窄脉冲激光束和目标物回波脉冲并将其分别输送至回波处理电路，回波处理电路用于对接收到的反射窄脉冲激光束和目标物回波脉冲分别进行处理并输送至时间间隔测量电路；时间间隔测量电路用于记录接收到的窄脉冲信号、反射窄脉冲激光束和目标物回波脉冲的时刻并将三个时间点输送至测距控制器，由测距控制器进行测距运算。
激光器发射电路采用MOS管与激光二极管集成封装，使得电路能够实现1ns脉宽的激光束。
回波处理电路包括两路，分别对光电检测器输入的反射窄脉冲激光束和目标物回波脉冲进行处理；每路回波处理电路均包括依次相连的跨阻放大电路、滤波电路、主放大电路和阈值比较整形电路，光电检测器分别与两路跨阻放大电路相连，两路阈值比较整形电路分别与时间间隔测量电路相连。
时间间隔测量电路采用时间数字转换芯片TDC-GP2。测距控制器采用单片机STM32F103R8T6。光电检测器采用APD探测器。
本发明激光测距装置的测距方法，包括如下步骤：
（1）利用测距控制器同时向发射驱动电路和时间间隔测量电路发送一个窄脉冲信号，发射驱动电路接收到该窄脉冲信号后，触发激光发射电路向目标物发射窄脉冲激光束，时间间隔测量电路将接收到该窄脉冲信号的时刻记录为测距开始时刻START。
（2）利用分光镜将激光发射电路向目标物发出的窄脉冲激光束的一部分反射入光电检测器，这部分反射窄脉冲激光束由回波处理电路进行放大并且比较整形后输送至时间间隔测量电路，时间间隔测量电路将接收到该反射窄脉冲激光束的时刻记录为脉冲发射时刻STOP1。
（3）光电检测器接收经目标物漫反射返回的微弱的目标物回波脉冲，并将该目标物回波脉冲送入回波处理电路中进行放大并且比较整形后，再输送至时间间隔测量电路，时间间隔测量电路将接收到此目标物回波脉冲的时刻记录为测距结束时刻STOP2。
（4）时间间隔测量电路将三个时间点测距开始时刻START、脉冲发射时刻STOP1和测距结束时刻STOP2输送至测距控制器，测距控制器据此计算出测量点与目标物与之间的距离L；
激光在待测距离上的系统误差为：t1=STOP1-START
激光在待测距离上的往返时间为：t=STOP2-t1
测量点与目标物与之间的距离L为：L=c*t/2；其中c为光速。
本发明的逻辑框图如图3所示，系统上电，自动初始化完成后，发射脉冲激光TTL也就是START信号，经过APD双跨阻电路接收回来的信号为STOP1和STOP2，通过脉冲累加、滑窗形心法的多次测量，然后统计求平均，测量出来结果做显示计算。
Claims (5)
1.一种基于TDC的远距离高精度激光测距装置，其特征在于：包括测距控制器、发射驱动电路、激光发射电路、分光镜、光电检测器、回波处理电路和时间间隔测量电路；
所述测距控制器用于同时向发射驱动电路和时间间隔测量电路发送窄脉冲信号，所述发射驱动电路用于在接收到窄脉冲信号后触发激光发射电路，所述激光发射电路用于经触发后向目标物发射窄脉冲激光束，所述分光镜用于将激光发射电路发出的一部分窄脉冲激光束反射入光电检测器；所述光电检测器用于接收分光镜反射的窄脉冲激光束和目标物回波脉冲并将其分别输送至回波处理电路，所述回波处理电路用于对接收到的反射窄脉冲激光束和目标物回波脉冲分别进行处理并输送至时间间隔测量电路；所述时间间隔测量电路用于记录接收到的窄脉冲信号、反射窄脉冲激光束和目标物回波脉冲的时刻并将三个时间点输送至测距控制器，由测距控制器进行测距运算。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDC的远距离高精度激光测距装置，其特征在于：所述激光器发射电路采用MOS管与激光二极管集成封装。
3.根据权利要求1所述的一种基于TDC的远距离高精度激光测距装置，其特征在于：所述回波处理电路包括两路，分别对光电检测器输入的反射窄脉冲激光束和目标物回波脉冲进行处理；每路回波处理电路均包括依次相连的跨阻放大电路、滤波电路、主放大电路和阈值比较整形电路，所述光电检测器分别与两路跨阻放大电路相连，两路阈值比较整形电路分别与时间间隔测量电路相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于TDC的远距离高精度激光测距装置，其特征在于：所述时间间隔测量电路采用时间数字转换芯片TDC-GP2。
5.一种基于TDC的远距离高精度激光测距方法，其特征在于：所述测距方法包括如下步骤：
（1）利用测距控制器同时向发射驱动电路和时间间隔测量电路发送一个窄脉冲信号，发射驱动电路接收到该窄脉冲信号后，触发激光发射电路向目标物发射窄脉冲激光束，时间间隔测量电路将接收到该窄脉冲信号的时刻记录为测距开始时刻START；
（2）利用分光镜将激光发射电路向目标物发出的窄脉冲激光束的一部分反射入光电检测器，这部分反射窄脉冲激光束由回波处理电路处理后输送至时间间隔测量电路，时间间隔测量电路将接收到该反射窄脉冲激光束的时刻记录为脉冲发射时刻STOP1；
（3）光电检测器接收经目标物漫反射返回的目标物回波脉冲，并将该目标物回波脉冲送入回波处理电路中进行处理后，再输送至时间间隔测量电路，时间间隔测量电路将接收到此目标物回波脉冲的时刻记录为测距结束时刻STOP2；
（4）时间间隔测量电路将三个时间点测距开始时刻START、脉冲发射时刻STOP1和测距结束时刻STOP2输送至测距控制器，测距控制器据此计算出测量点与目标物与之间的距离L；
激光在待测距离上的系统误差为：t1=STOP1-START
激光在待测距离上的往返时间为：t=STOP2-t1
测距方程为：L=c*t/2。
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