CN111158007A - 一种基于fpga数字混频的脉冲-相位式激光测距方法及系统 - Google Patents

一种基于fpga数字混频的脉冲-相位式激光测距方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA数字混频的脉冲‑相位式激光测距系统，属于仪器仪表技术领域，结合脉冲测距法和相位测距法的优点，基于FPGA实现的数字电路，首先使用触发脉冲信号触发向测量目标发送的激光脉冲，再利用触发脉冲进行分频、利用回振信号的上升沿与下降沿进行分频，得到三中相位不同的主振信号，然后通过一定频率的本振信号与前面叙述的三种主振信号下混频，从而得到适合数字相位差测量的低频信号，获取时间差，从而测量得到与目标的实际距离。应用上述方法的系统只需使用单片FPGA结合简易的激光发射接受电路即可实现较远的高精度测距，系统简单易实现，且成本低廉。

Description

一种基于FPGA数字混频的脉冲-相位式激光测距方法及系统
技术领域
本发明属于仪器仪表技术领域，具体涉及一种基于FPGA数字混频的脉冲-相位式激光测距方法及系统。
背景技术
目前，激光测距的方法主要包括三角法、脉冲法、相位法和调频连续波(FMCW)法，其中三角法利用激光回波落在探测器的不同位置实现测距，但是该方法测量距离较短。相位式激光测距方法是通过测量被调制的信号与初始信号的相位差来进行测距，该方法在近距离测量中具有较高的测量精度,但远距离欠佳,脉冲式激光测距方法通过测量激光脉冲在空间中的飞行时间(ToF)来进行距离测量，但该方法主要适用于有较远的测量距离且精度较低，调频连续波测量方法是利用扫频电信号源对激光强度进行调制，测量回波信号与本地扫频信号的频率差来实现测距，虽然该方法在远距离测量中较脉冲式激光测距方法精度有所提高，但是其光发射控制电路和接收端的混频电路较为复杂，系统成本较高,还有一种方法是采用直接数字频率合成器(DDS)产生多周期正弦波激光脉冲，结合相位法，利用数字信号处理器(DSP)、计数器、差频检测器等多个器件来处理和计算回波信号和本地信号的相位差，虽然实现了较远的距离测量和较高的测量精度，但是该方法使用器件较多，系统极其复杂，而且测量速度受到器件的处理和计算速度的限制。由此可以看出，想要实现高精度全距离测距，还要降低电路复杂程度和实现成本，现有的一些方法并不合适。
发明内容
针对现有技术中存在的全距离测距电路精度不高，或精度高但系统复杂，成本高等问题，本发明提供了一种脉冲-相位测距方法，通过FPGA及激光收发电路实现，现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array FPGA)是在可编程逻辑阵列(ProgrammableLogic Array PAL)和通用逻辑阵列(Generic Logic Array)等可编程器件的基础上进一步发展而来的，作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数量有限的缺点。
本发明通过如下技术方案实现：
一种基于FPGA数字混频的脉冲-相位式激光测距系统，包括FPGA模块、脉冲激光发射电路、脉冲激光接收电路、激光二极管(LD)、雪崩光电二极管(APD)及光学镜头；所述激光二极管(LD)与脉冲激光发射电路连接发射激光脉冲，所述雪崩光电二极管(APD)与脉冲激光接收电路连接接收回波脉冲信号，所述FPGA模块对脉冲激光发射电路发送触发信号，使脉冲激光发射电路驱动激光二极管输出频率与触发信号相同的激光窄脉冲，脉冲激光接收电路对雪崩光电二极管接收到的回波信号进行放大和整形后发送到FPGA模块，FPGA模块对触发信号和回波信号进行处理得到距离数据并在数码管上显示距离信息。
本发明的另一目的在于提供一种基于FPGA数字混频的脉冲-相位式激光测距方法，具体步骤如下：
步骤1：使用FPGA片内时钟进行分频得到时钟信号Trigger，利用Trigger的上升沿作为发射指令使激光发射器发射宽度为tstart的激光窄脉冲Start，同时使用Trigger通过上升沿方式触发D触发器进行二分频得到主振信号Signal_a；
步骤2：使用激光接收器接收的激光回波脉冲信号Stop作为时钟驱动，使用Stop通过上升沿方式触发D触发器进行异步二分频得到主振信号Signal_b，使用Stop通过下降沿方式触发D触发器进行异步二分频得到主振信号Signal_c；
步骤3：使用锁相环方法分频FPGA内部时钟得到本振信号；将步骤1所产生的信号Signal_a，作为混频高频信号输入，将本步骤的本振信号作为低混频信号输入，接入基于D触发器的下混频器进行混频，得到输出信号Out_d；将步骤2所产生的信号Signal_b作为混频高频信号输入，将本步骤的本振信号作为低混频信号输入，接入基于D触发器的下混频器进行混频，得到输出信号Out_e；将步骤2所产生的信号Signal_b作为混频高频信号输入，将本步骤的本振信号作为低混频信号输入，接入基于D触发器的下混频器进行混频，得到输出信号Out_f；根据混频特性曲线，可通过调整本振信号频率，得到所需要的低频的输出信号，混频后信号频率被缩小N倍，相位差被同时放大N倍，使其变得易于测量，并提高精度；
步骤4：将步骤3所产生的三个输出信号输入相位差测量模块，对相位差进行时间计数，得到f放大的相位差时间Tab、Tac，除以步骤3中的放大倍数N，得到实际相位差tab、tac，所述tab为主振信号Signal_a与主振信号Signal_b的相位差，所述tac为主振信号Signal_a与主振信号Signal_c的相位差；，激光飞行时间T为激光发射脉冲脉宽中点对应时刻与接收脉冲脉宽中点对应时刻的时间间隔，即
Figure BDA0002367535390000031
即激光往返于测量目标与本测量仪器之间距离的总时间，最终测量距离为
Figure BDA0002367535390000032
其中c为光速。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、大量使用数字电路，电路结构简单；
2、由于数字下混频对相位差的时间展宽作用，提高了测距分辨率，故测量精度高，采用脉冲信号进行距离测量，测量距离远；
3、除必要的激光发射和接收电路外，本设备只使用单片FPGA实现所有逻辑与控制，故成本低廉；
4、时间测量电路全部使用FPGA内部资源实现，电路可移植性和可更改性强，开发周期短。
附图说明
图1为本发明的一种基于FPGA数字混频的脉冲-相位式激光测距系统的原理框图；
图2为异步二分频模块的原理图；
图3为下混频模块的原理图；
图4为相位差测量模块的原理图；
图5为脉冲-相位信号转换时序图；
图6为数字下混频时序图；
图7为相位差测量信号时序图；
图8为脉冲激光发射电路示意图；
图9为脉冲激光接收电路示意图；
图10为数码管显示电路示意图；
图11为开关电路示意图。
具体实施方式
以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
激光脉冲发射电路为德州仪器(TI)公司提供的商用方案，接收电路为亚德诺半导体(ADI)公司提供的商用方案，其它满足能实现收发脉冲激光功能的电路均可应用于本发明的激光测距方法。FPGA模块所实现的电路、及其功能见如下的一种基于数字相位差测量的激光测距系统的测量方法。
一种基于FPGA数字混频的脉冲-相位式激光测距系统，包括FPGA模块、脉冲激光发射电路、脉冲激光接收电路、激光二极管(LD)、雪崩光电二极管(APD)及光学镜头；所述激光二极管(LD)与脉冲激光发射电路连接发射激光脉冲，所述雪崩光电二极管(APD)与脉冲激光接收电路连接接收回波脉冲信号，所述FPGA模块对脉冲激光发射电路发送触发信号，使脉冲激光发射电路驱动激光二极管输出频率与触发信号相同的激光窄脉冲，脉冲激光接收电路对雪崩光电二极管接收到的回波信号进行放大和整形后发送到FPGA模块，FPGA模块对触发信号和回波信号进行处理得到距离数据并在数码管上显示距离信息。
本实施例所使用的FPGA芯片为Altera公司的Cyclone IV，EP4CE40F23C8N，该FPGA完成信号的处理和距离数据的计算，在FPGA内部设计所有与测量和计算相关的逻辑模块，具体包括同步50分频模块、同相异步2分频模块、反相异步2分频模块、锁相环模块、下混频模块、同步100分频模块、相位差测量模块、数码管驱动模块。
本实施例的具体实施步骤如下：
一种基于FPGA数字混频的脉冲-相位式激光测距方法，具体步骤如下：
步骤1：
本步骤所有信号的处理过程如图2所示，其对应时序如图5所示。在图1中，使用同步50分频模块将50MHz时钟信号分频为1MHz的触发信号(Trigger)，触发信号驱动脉冲激光发射电路，激光二极管发射长度为tstart的脉冲激光，脉冲激光在测量目标上产生反射，雪崩光电二极管产生光电流送入脉冲激光接收电路,产生回波信号(Stop)送入FPGA内的同相异步2分频模块和反相异步2分频模块得到主振信号b和主振信号c。另外，触发信号(Trigger)也送入同相异步2分频模块得到主振信号a。
步骤2：
如图1所示，50MHz的时钟信号经过倍频系数为99/100的锁相环(PLL)得到信号频率为49.5MHz，经过倍频系数为101/100的锁相环(PLL)得到信号频率为49.995MHz，另外使用一个同步100分频模块得到499.95KHz的本振信号。
步骤3：
步骤1中图5所示的相位差信号tab和tac都非常小，直接使用计数器计数测量其时间精度将非常低，这里我们使用D触发器实现数字下混频对信号的相位差进行展宽，即实现时间“放大”的作用。如图1所示，使用3个图3所示的下混频模块将信号a、b、c作为主振信号和步骤2中得到的499.95KHz的本振信号进行混频得到信号d、e、f。以信号a和信号b为例，如原理时序如图6所示，信号a、b及混频后得到信号d、e之间的时序关系。信号a、b的相位差为tab，信号d、e的相位差为Tab，相位差从tab展宽为Tab，展宽系数N表示为：
Figure BDA0002367535390000051
其中fMaster为主振信号的频率，这里为信号a、b、c的频率，即500KHz，fLocal为本振信号的频率，这里为499.95KHz，则展宽系数N＝10000。本步骤总结为：使用下混频模块将信号a、b、c转换为信号d、e、f。tab和tac展宽为Tab和Tac。
步骤4：
测量步骤3中的信号d与e、f之间的相位差，即Tab和Tac，除以展宽系数N即可得到信号a与b、c之间的相位差tab和tac。如图1所示，这里使用相位差测量模块来获取Tab和Tac，图4为相位差测量模块的原理框图，图7为对应的测量时序图。图4中的测试信号(Test)连接到外部开关，当Test高电平时图4的3个D触发器锁存信号d、e、f的上升沿，两个计数器开始计数，计数时钟使用外部晶振产生的50MHz时钟。计数器计数值为Dab和Dac，即对应Tab和Tac，则测量时间可由下式表示：
Figure BDA0002367535390000052
其中Dref为线路延迟产生的延迟时间对应的数值，Tref为对应该数值的延迟时间，即线路延迟时间，如图7所示。该值在电路确定后为一固定值，需要在测距试验中进行校准，见步骤6。Dout为测量得到时间间隔对应的数据，除以计数频率得到时间T：
Figure BDA0002367535390000061
其中fXTAL为外部晶振频率，即50MHz。最终测量距离可以表示为：
Figure BDA0002367535390000062
其中展宽系数N＝10000，c为光速，tstart为步骤1发射的激光脉冲宽度。
相应的测距分辨率为：
Figure BDA0002367535390000063
步骤5：
步骤3中的相位差测量模块得到时间差数据后，送入到图1中数码管驱动模块中，数码管驱动模块将数据换算为距离信息驱动数码管，在数码管上显示距离信息。
步骤6：
此步骤用于对步骤4中电路内部中的线路延迟时间Tref进行校准。操作如下：使用以上步骤搭建好的电路测量一已知距离d，调整步骤4中的Dref大小，令L＝d，其中L为步骤5中数码管显示距离。至此电路完成校准，实施完毕。
以上步骤主要侧重于FPGA中信号处理和数据计算，对于脉冲激光发射电路和脉冲激光接收电路，不是本发明所独有的，只要具备脉冲激光发射和脉冲激光接收的电路都可以应用于本发明。附图8给出了本实施例所使用的脉冲激光发射电路，U4、U5、U6、U7采用德州仪器(TI)的单逻辑门芯片构成脉冲变窄电路，U3为德州仪器的高速栅极驱动器LMG1020驱动氮化镓(GaN)N沟道MOS管EPC2019(宜普能源转换公司)，EPC2019连接激光二极管发出脉冲激光。U2为德州仪器的开关电源芯片LM3478，该芯片实现升压，为激光二极管提供电源。
附图9给出了本实施例所使用的脉冲激光接收电路，U1为亚德诺半导体(ADI)的跨阻放大器LTC6560，将APD的光电流转换为电压，U2为德州仪器的高速比较器TLV3501A-Q1对跨阻放大器的输出脉冲进行整形，U3为亚德诺半导体的开关电源芯片LTC3863，产生APD高压偏置。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (2)

1.一种基于FPGA数字混频的脉冲-相位式激光测距系统，其特征在于，包括FPGA模块、脉冲激光发射电路、脉冲激光接收电路、激光二极管(LD)、雪崩光电二极管(APD)及光学镜头；所述激光二极管(LD)与脉冲激光发射电路连接发射激光脉冲，所述雪崩光电二极管(APD)与脉冲激光接收电路连接接收回波脉冲信号，所述FPGA模块对脉冲激光发射电路发送触发信号，使脉冲激光发射电路驱动激光二极管输出频率与触发信号相同的激光窄脉冲，脉冲激光接收电路对雪崩光电二极管接收到的回波信号进行放大和整形后发送到FPGA模块，FPGA模块对触发信号和回波信号进行处理得到距离数据并在数码管上显示距离信息。
2.如权利要求1所述的一种基于FPGA数字混频的脉冲-相位式激光测距系统的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：使用FPGA片内时钟进行分频得到时钟信号Trigger，利用Trigger的上升沿作为发射指令使激光发射器发射宽度为tstart的激光窄脉冲Start，同时使用Trigger通过上升沿方式触发D触发器进行二分频得到主振信号Signal_a；
步骤2：使用激光接收器接收的激光回波脉冲信号Stop作为时钟驱动，使用Stop通过上升沿方式触发D触发器进行异步二分频得到主振信号Signal_b，使用Stop通过下降沿方式触发D触发器进行异步二分频得到主振信号Signal_c；
步骤3：使用锁相环方法分频FPGA内部时钟得到本振信号；将步骤1所产生的信号Signal_a，作为混频高频信号输入，将本步骤的本振信号作为低混频信号输入，接入基于D触发器的下混频器进行混频，得到输出信号Out_d；将步骤2所产生的信号Signal_b作为混频高频信号输入，将本步骤的本振信号作为低混频信号输入，接入基于D触发器的下混频器进行混频，得到输出信号Out_e；将步骤2所产生的信号Signal_b作为混频高频信号输入，将本步骤的本振信号作为低混频信号输入，接入基于D触发器的下混频器进行混频，得到输出信号Out_f；根据混频特性曲线，可通过调整本振信号频率，得到所需要的低频的输出信号，混频后信号频率被缩小N倍，相位差被同时放大N倍，使其变得易于测量，并提高精度；
步骤4：将步骤3所产生的三个输出信号输入相位差测量模块，对相位差进行时间计数，得到f放大的相位差时间Tab、Tac，除以步骤3中的放大倍数N，得到实际相位差tab、tac，所述tab为主振信号Signal_a与主振信号Signal_b的相位差，所述tac为主振信号Signal_a与主振信号Signal_c的相位差；，激光飞行时间T为激光发射脉冲脉宽中点对应时刻与接收脉冲脉宽中点对应时刻的时间间隔，即
Figure FDA0002367535380000021
即激光往返于测量目标与本测量仪器之间距离的总时间，最终测量距离为
Figure FDA0002367535380000022
其中c为光速。
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