CN110988901A - 一种tdc结合相位激光测距方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种TDC结合相位激光测距方法及系统，实现方式简便，具有较高的测量精度，测量的距离不受激光重频影响，在实现高重频测距功能前提下，实现远距离测距，系统性能稳定、可靠。

Description

一种TDC结合相位激光测距方法及系统

技术领域

本申请涉及激光测距技术领域，特别涉及一种TDC结合相位激光测距方法及系统。

背景技术

激光探测技术是继GPS以来在遥感测绘领域的又一场技术革命。在国际上已有超过十年的发展历史，因其高速、高效、高精度的特点为各行业所青睐广泛应用于城市规划、文物与遗迹复原、数字城市以及地址灾害相关领域，正在发挥着越来越重要的作用。

目前国内市场相位式激光扫描仪多采用国外设备集成，激光测距作为激光探测技术基础，现对其重频、作用距离以及精度要求越来越高。相位式激光测距作为一种应用广泛的测距技术，具有高精度的优点。但传统相位式测距通过连续脉冲测量相位方式，使得测量远距离与高重频无法兼顾、且需要通过AD采样后进行数字算法进行鉴相，因此现有相位式测距方法电路更复杂，且测距精度受算法和采样精度影响。传统的相位式测距方式存在以下缺点：

a）激光光源发射的连续正弦波，测量远距离时对激光器自身的功率要求很高，而且波形失真严重，一般不用相位法进行远距离测距；

b）为实现远距离高精度测距，需要采用多组测量尺，分别作为粗测量和高精度测量，系统相对复杂；

c）激光器光源驱动输出正弦波不稳定性直接影响相位测距的精度；

d）采用单纯的相位测距需要用ADC采样，算法实现复杂；

因此，现有技术存在缺陷，急需改进。

发明内容

本发明实施例提供一种TDC结合相位激光测距方法及系统，结合激光相位测距和时间测距方法，利用FPGA实现TDC算法，实现了细时间间隔测量，减少了算法难度及硬件处理资源。

本发明实施例提供一种TDC结合相位激光测距方法，包括以下步骤：

由FPGA产生两路具有相同频率的高重频脉冲基准信号S1和调制脉冲信号，所述调制脉冲信号驱动激光器发射激光信号，所述激光信号被分为两路，其中能量较弱的一路为起始信号；能量较强的另一路为探测信号，所述探测信号打到待测目标经过漫反射返回为回波信号；

所述起始信号经过光电转换放大为信号S2，所述回波信号经过光电转换，并根据与所述待测目标距离的变化调整可控增益放大为信号S3；

所述信号S1，S2，S3分别经混频滤波放大，输出三路下变频正弦波信号S01，S02，S03；所述信号S01，S02，S03经过比较器延时衰减实现恒比定时，将相位信息转换为时间数据，输出带有比较相位点时刻信息的信号S11，S22，S33；

将所述信号S11，S22，S33送入FPGA，通过时钟计数结合加法器的进位延时链进行时间间隔测量，并转换为对应的距离。

本发明的TDC为时间数字转换技术，本发明通过FPGA（Field－Programmable GateArray，…，即现场可编程门阵列）实现数字时间转换。

本申请实施例提供一种TDC结合相位激光测距系统，包括：

激光器，用于发射激光信号，并将所述激光信号分为两路信号，其中能量较弱的一路为起始信号，能量较强的另一路为探测信号；

收发光路，用于使所述探测信号和所述探测信号打到待测目标经过漫反射返回的回波信号光路同轴，实现所述回波信号焦距点的位置要求；

接收模拟电路，用于接收基准信号S1、所述起始信号和所述回波信号，将所述起始信号经过光电转换放大为信号S2；将所述回波信号经过光电转换，并根据与所述待测目标距离的变化调整可控增益放大为信号S3；将所述信号S1，S2，S3分别经混频滤波放大，输出三路下变频正弦波信号S01，S02，S03；将所述信号S01，S02，S03经过比较器延时衰减实现恒比定时，将相位信息转换为时间数据，输出带有比较相位点时刻信息的信号S11，S22，S33；

以及，主控板，其分别连接到所述激光器和接收模拟电路；用于产生所述激光器的驱动信号，基准信号S1和固定频率的正弦信号，接收信号S11，S22，S33；

其中， 所述主控板采用时钟粗计数和加法器进位延时链细计数的方式对信号S11，S22，S33进行测量，并转换为对应的距离。

本发明实施例提供的一种TDC结合相位激光测距方法及系统实现方式简便，具有较高的测量精度，且其测量距离不受激光重频影响，在实现高重频测距功能前提下，实现远距离测距，系统的性能稳定、可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一些实施例中的TDC结合相位激光测距方法流程图。

图2是本发明一些实施例中的FPGA进位延迟链示意图。

图3是本发明一些实施例中的相位信息转化为时间信息原理图。

图4是本发明一些实施例中的高精度时间间隔测量时序图。

图5是本发明一些实施例中的各信号波形图。

图6是本发明一些实施例中的TDC结合相位激光测距系统框图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

本申请的说明书和权利要求书以及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，这样描述的对象在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤的过程、方法或包含了一系列模块或单元的装置、终端、系统不必限于清楚地列出的那些步骤或模块或单元，还可以包括没有清楚地列出的步骤或模块或单元，也可以包括对于这些过程、方法、装置、终端或系统固有的其它步骤或模块或单元。

参考图1，图1为本发明一些实施例中的TDC结合相位激光测距方法，包括以下步骤：

S101、由FPGA产生一路高重频脉冲基准信号S1和一路调制脉冲信号，该调制脉冲信号载波为测量频率，该测量频率为测距的频次，由FPGA根据测量距离可调；调制脉冲与高频脉冲频率相同；由FPGA产生两路具有相同频率的高重频脉冲基准信号S1和调制脉冲信号，该调制脉冲信号驱动激光器发射激光信号，该激光信号被分为两路，其中一路能量较弱的为起始信号START；另一路能量较强的为探测信号，该探测信号打到待测目标经过漫反射返回为回波信号STOP。

在该步骤中，FPGA（Field－Programmable Gate Array，…，即现场可编程门阵列），它是专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路，激光信号由激光器发射，该激光信号经分光器分为两路，该分光器为现有技术，在此不再赘述。

S102、起始信号START经过光电转换放大为信号S2，回波信号STOP经过光电转换，并根据与待测目标距离的变化调整可控增益放大为信号S3。

在该步骤中，起始信号START经过PIN光电二极管转换放大，S2信号带有相位信息；回波信号STOP经APD雪崩光电二极管光电转换。

S103、信号S1，S2，S3分别经混频滤波放大，输出三路下变频正弦波信号S01，S02，S03；该信号S01，S02，S03经过比较器延时衰减实现恒比定时，将相位信息转换为时间数据，输出带有比较相位点时刻信息的信号S11，S22，S33。

在该步骤中，比较器为现有技术，如MAX9601。信号S1，S2，S3分别经混频滤波放大，信号经下变频提高了相位等效时间差，而相位等效时间差直接影响激光距离测量精度。恒比定时通过衰减与延时方式实现，其中延时方式通过固定相位延时放大电路完成，保证三路前沿比较点固定，即实现了各路信号在相同相位点进行比较，根据相位和时间转换公式，将相位信息转换为时间数据，输出带有比较点的时刻信息的脉冲信号S11，S22，S33。

S104、将信号S11，S22，S33送入FPGA，通过时钟计数结合加法器的进位延时链进行时间间隔测量，并转换为对应的距离。

在该步骤中，将比较器输出的三路信号S11，S22，S33送入FPGA，采用FPGA加法器进位延时链进行细时间间隔测量，采用时钟计数进行粗时间测量，利用两者结合的方式对比较器输出的带有时间前沿的信号S11，S22，S33进行测量计算。

FPGA进位延时链内部流程如图2所示，延时链输出结果直接被D触发器采样，采样时钟Clk为粗计数时钟。通过时钟计数，实现了粗时间测量，粗时间与上述测量的相位差对应的高精度细时间时间间隔数据进行运算得出时间间隔，并转换为对应的距离。使该相位式测距方式的测量距离不受脉冲频率的影响。

在一些优选的实施方式中，步骤S101中，脉冲信号的调制频率与基准信号S1频率相同。具体的，在一些优选的实施方式中，步骤S103还包括信号S1，S2，S3与DDS芯片产生的固定频率正弦波混频滤波放大，输出三路连续的下变频正弦波信号S01和断续的正弦波信号S02，S03，该正弦波信号S01，S02，S03频率相同，相位不同；信号S01，S02，S03通过比较器进行恒比定时比较，输出带有比较相位点时刻信息的信号S11，S22，S33，如图3所示。比较器恒比定时通过衰减与延时方式实现，延时方式通过固定相位延时放大电路完成，具体实现方式为本领域技术人员公知常识，在此不再赘述。

在该步骤中，该DDS芯片为现有技术，如AD9850等，在此不再赘述。

在一些优选的实施方式中，步骤S104还包括分别测量得出起始信号START与信号S11的相位差对应的高精度细时间时间间隔数据，以及S33与信号S11的相位差对应的细时间高精度时间间隔数据。根据时钟测量所述信号S11到信号S33的粗时间，该粗时间与高精度时间间隔数据进行运算得出时间间隔，并转换为对应的距离。

具体的，如图4和5所示，设

为S11与S22的相位差，

为S11与S33的相位差，

为S1与S2的相位差，

为S1与S3的相位差，根据相位式测距原理可以得到，

等于

，

等于

。Tn为激光从起始到回波信号时间内经过的整数倍激光发射调制周期。设S1的周期为T0，则探测的飞行时间T计算公式为：T=Tn + (

-

)*T0，相位差计算可以等效为计算被测信号与基准信号的时间间隔，其计算公式为：

，其中

为测量的相位等效时间差，从上式可以得出时间间隔的测量精度，影响鉴相精度。本发明通过采用FPGA加法器进位链对信号进行精细插入，可实现32ps的时间间隔测量分辨率，50倍下变频后测量误差小于100ps，则鉴相误差可控制到5ps以下。

在一些优选的实施例中，如图6所示，图６为一种TDC结合相位激光测距系统，包括：

激光器100，用于发射激光信号，并将其分为两路信号，其中一路能量较弱的为起始信号START，另一路能量较强的为探测信号；

收发光路200，用于使探测信号和该探测信号打到待测目标经过漫反射返回的回波信号STOP光路同轴，实现焦距点位置要求；

接收模拟电路300，用于接收基准信号S1和起始信号START，将该起始信号START经过光电转换放大为信号S2；将回波信号STOP经过光电转换，并根据与待测目标距离的变化调整可控增益放大为信号S3；将信号S1，S2，S3分别经混频滤波放大，输出三路下变频正弦波信号S01，S02，S03；将该信号S01，S02，S03经过比较器延时衰减实现恒比定时，将相位信息转换为时间数据，输出带有比较相位点时刻信息的信号S11，S22，S33；

以及，主控板400，其分别连接到激光器100和接收信号模块300；用于产生激光器100的驱动信号、基准信号S1和固定频率的正弦信号，接收信号S11，S22，S33；

其中， 主控板400采用时钟粗计数和加法器进位延时链细计数的方式对信号S11，S22，S33进行测量，并转换为对应的距离。

在实际应用中，激光器100接收到主控板400产生的驱动信号，发射激光信号，该激光信号经过分光器被分为两路信号，其中一路能量较弱的为起始信号START，传输至接收模拟电路300；另一路能量较强的为探测信号。该探测信号经收发光路200打到待测目标经过漫反射返回，该返回信号为回波信号STOP，该回波信号STOP经收发光路200，该收发光路200通过设计调节结构装置，实现探测信号和回波信号STOP同轴度及焦距点位置要求，即实现回波信号STOP在接收模拟电路300进行光电转换时，其焦距点落在APD有效光敏面的位置要求。

接收模拟电路300接收主控板400产生的基准信号S1、起始信号START和回波信号STOP；该基准信号S1与激光器驱动信号频率相同；该起始信号START经过光电转换放大为信号S2，该光电转换通过PIN实现；将回波信号STOP经过光电转换，该光电转换通过APD实现，并根据与待测目标距离的变化调整可控增益放大为信号S3，此可控增益功能通过变增益放大器实现，如AD8367；将信号S1，S2，S3分别经混频滤波放大，混频通过混频器件实现，如AD835，输出三路下变频正弦波信号S01，S02，S03；将该信号S01，S02，S03经过比较器延时衰减实现恒比定时，该比较器可以为MAX9601，将相位信息转换为时间数据，输出带有比较相位点时刻信息的信号S11，S22，S33。

在一种优选的实施方式中，该接收模拟电路300由混频器件AD835，可变增益放大器AD8367，高速比较器MAX9601以及放大器AD8009搭建的全通延时滤波电路组成 。

主控板400包括FPGA，驱动信号以及基准信号S1由FPGA产生，同时FPGA控制DDS芯片产生正弦波信号，FPGA内部实现时钟粗计数和加法器进位延时链细计数的方式对信号S11，S22，S33进行测量，并转换为对应的距离。

以上对本申请实施例所提供的详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (5)

1.一种TDC结合相位激光测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

由FPGA产生两路具有相同频率的高重频脉冲基准信号S1和调制脉冲信号，所述调制脉冲信号驱动激光器发射激光信号，所述激光信号被分为两路，其中一路能量较弱的一路为起始信号；能量较强的另一路为探测信号，所述探测信号打到待测目标经过漫反射返回为回波信号；

所述起始信号经过光电转换放大为信号S2，所述回波信号经过光电转换，并根据与所述待测目标距离的变化调整可控增益放大为信号S3；

所述信号S1，S2，S3分别经混频滤波放大，输出三路下变频正弦波信号S01，S02，S03；所述信号S01，S02，S03经过比较器延时衰减实现恒比定时，将相位信息转换为时间数据，输出带有比较相位点时刻信息的信号S11，S22，S33；

将所述信号S11，S22，S33送入FPGA，通过时钟计数结合加法器的进位延时链进行时间间隔测量，并转换为对应的距离。

2.根据权利要求1所述的TDC结合相位激光测距方法，其特征在于，所述信号S1，S2，S3分别经混频滤波放大，输出三路下变频正弦波信号S01，S02，S03；所述S01，S02，S03信号经过比较器延时衰减实现恒比定时，将相位信息转换为时间数据，输出带有比较相位点时刻信息的信号S11，S22，S33的步骤包括：

所述信号S1，S2，S3与DDS芯片产生的固定频率正弦波混频滤波放大，输出三路连续的下变频正弦波信号S01和断续的正弦波信号S02，S03，所述正弦波信号S01，S02，S03频率相同，相位不同；

所述信号S01，S02，S03通过比较器进行恒比定时比较，输出带有比较相位点时刻信息的信号S11，S22，S33；所述恒比定时是通过衰减与延时方式实现的，所述延时是通过固定相位延时放大电路完成。

3.根据权利要求1所述的TDC结合相位激光测距方法，其特征在于，将所述信号S11，S22，S33送入FPGA，通过时钟计数结合加法器的进位延时链进行时间间隔测量，并转换为对应的距离的步骤包括：

通过所述FPGA加法器的进位延时链测量得出所述起始信号S22与所述信号S11的相位差对应的小于一个时钟周期的高精度细时间间隔数据，以及所述信号S33与所述信号S11的相位差对应的小于一个时钟周期的高精度细时间间隔数据；

根据时钟技术测量所述信号S11到所述信号S33的整时钟周期的粗时间，所述粗时间与所述高精度细时间间隔数据进行运算得出时间间隔，并转换为对应的距离。

4.根据权利要求1所述的TDC结合相位激光测距方法，其特征在于，所述信号S01，S02，S03采用三路比较器MAX9601，通过延时衰减实现恒比定时。

5.一种TDC结合相位激光测距系统，其特征在于，包括：

激光器，用于发射激光信号，并将所述激光信号分为两路信号，其中能量较弱的一路为起始信号，能量较强的另一路为探测信号；

收发光路，用于使所述探测信号和所述探测信号打到待测目标经过漫反射返回的回波信号光路同轴，实现所述回波信号焦距点的位置要求；

接收模拟电路，用于接收基准信号S1、所述起始信号和所述回波信号，将所述起始信号经过光电转换放大为信号S2；将所述回波信号经过光电转换，并根据与所述待测目标距离的变化调整可控增益放大为信号S3；将所述信号S1，S2，S3分别经混频滤波放大，输出三路下变频正弦波信号S01，S02，S03；将所述信号S01，S02，S03经过比较器延时衰减实现恒比定时，将相位信息转换为时间数据，输出带有比较相位点时刻信息的信号S11，S22，S33；

以及，主控板，其分别连接到所述激光器和接收模拟电路；用于产生所述激光器的驱动信号，基准信号S1和固定频率的正弦信号，接收信号S11，S22，S33；

其中， 所述主控板采用时钟粗计数和加法器进位延时链细计数的方式对信号S11，S22，S33进行测量，并转换为对应的距离。

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