CN111273260B - 一种脉冲激光测距系统晶体管型接收电路距离测量精度提高方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种脉冲激光测距系统晶体管型接收电路测距精度提高方法，包括：(10)电路模型求解；(20)方程的数值分析；(30)方程的近似解求解；(40)约化方程组的求解；(50)关系参数标定；(60)时间误差修正及精度提高。本发明首先从原理上对接收系统电路结合了晶体管咖码‑潘模型进行了系统性建模，通过数值化简的方式对电路进行近似求解，得到了误差值与输出波形积分面积两者的近似关系。这种关系虽然也是建立在近似的基础上，但是却比一般的双阈值误差修和脉宽修正更为精准。
Description
技术领域
本发明属于激光测距技术领域，特别是一种脉冲激光测距系统晶体管型接收电路距离测量精度提高方法。
背景技术
距离的精确测量对国防建设、工程建设、国民经济的发展都有十分重要的意义。在公共交通、大地测量、工程建筑检测等领域，对距离测量的量程和精度要求都不断提高，由于激光测距具有量程大、高精度、昼夜可用、方向性好等特点，使得激光测距成为一种应用广泛的测距方式。激光测距是以激光作为光源通过发射脉冲激光或连续波激光实现目标测距或者定位的一种测量技术，涵盖了激光、光电探测、自动控制、信号处理等多个学科领域。与一般光学测距相比，激光测距具有操作方便、系统简单及全天候工作的优点。与雷达测距相比，激光测距具有良好的角分辨率和很高的测量精度，而且具有良好的抵抗电磁波干扰的能力。基于这些优势，激光测距技术在测量领域得到重视，并被迅速推广和应用，无论在国防建设还是国民经济中都发挥着极其显著的作用。
传统的基于飞行时间间隔测量会受到接收电路放大的影响而使精度降低。而随着脉冲激光测距技术对精度提高的要求，这种由接收电路形成的误差的影响已经越来越不能忽视。脉冲激光测距中时间间隔测量是整个系统的关键因素，影响脉冲激光测距系统的精度。而在测量时间间隔时，时间数字转换模块(TDC)或者高速AD的精度都可以实现测量时间间隔，高速AD还可以实现波形的读取。一般认为，激光的时间测量受到时间抖动和步行误差的影响。抖动误差一般通过提高系统的信噪比可以有效抑制，而游走误差通常有双阈值修正，脉宽修正等手段。而本发明首先对测距系统进行物理建模，而后对模型进行计算机辅助数值分析化简，最后得到游走误差与输出波形积分的关系，因此就可以做出修正，提高测距的时间精度，而且适用范围不受输入光强的动态范围影响，是一种同时适用于线性电路和非线性电路的修正方法。
然而，现有的修正方法存在的问题是：双阈值修正和脉宽修正这两张方法都是一种误差估算方法，且估算精度不高，仅用线性方法估算，无法准确推算出游走误差的大小，即是一种基本的前沿时刻鉴别技术的改良方案，未从系统理论角度分析出误差与他们之间的关系，从而无法准确求出游走误差大小，导致修正精度偏低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脉冲激光测距系统晶体管型接收电路误差修正方法，误差小，系统测量精度高。
一种脉冲激光测距系统晶体管型接收电路误差修正方法，包括如下步骤：
(10)电路模型求解：根据脉冲激光接收电路具体结构，得到电路的数学方程组；
(20)方程的数值分析：利用离散化的思想，首先将方程在在时间域上作有限分割，使其在时间域上离散化，从而将微分方程离散化化为差分方程，然后利用MATLAB等数值分析工具对差分方程进行迭代计算，得到电路方程组的数值近似解；
(30)方程的近似解求解：根据数值近似解，对方程进行约化近似，使其得到解析解的形式；
(40)简化方程组的求解：求解线性微分方程组，得到时间步行误差与波形面积的近似关系；
(50)关系参数标定：实施距离标定实验，并根据标定结果确定上一步中得到的关系中具体参数的值，得到最终标定后的步行误差与波形面积的关系；
(60)时间误差修正及精度提高：在每一次距离测量时，通过快速AD采样测得输出波形的面积积分，然后运用标定了的步行误差与波形面积的关系，来修正步行误差，并最终提高单次测量精度。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
测量精度高：先从原理上对脉冲激光测距系统存在的游走误差进行建模分析，利用数值分析工具得出近似度更高的步行误差与输出波形积分的近似关系。这一关系是非线性的，而一般的双阈值和脉宽修正仅仅只是利用高低阈值时刻值做线性修正，仍然是对游走误差的一种粗略的估算。因此，相较于传统的精度提高方法，本发明得出的关系更加接近真实的游走误差，即利用这一关系求出的游走误差更加精准，从而大大提高了脉冲激光测距的测量精度。
适用范围广：本方法是从晶体管的电学模型出发，因此不受电路线性和非线性的影响，即适用于电路的全域范围，也不受激光回波能量动态范围的影响。
附图说明
图1是本发明的主流程图。
具体实施方式
本发明主要针对脉冲激光测距系统的晶体管放大的接收通道电路。此部分电路承载着将回波信号无损放大的关键作用，电路的低噪声设计、带宽设计和增益设定等都关系着最终测距系统的精度。放大电路一般分为前置放大电路和主放大电路两部分，前置放大电路充当APD，PD等光电探测器的有源负载，将电流信号低噪声地转换成电压信号，供给主放大器，主放大电路实现信号的高增益放大，将回波信号放大稳定在一定电压值，供给时刻鉴别电路。后级放大之后经过阈值比较电路和时间数值转换器(TDC)或者高速AD测得输出波形，最终利用输出波形的面积积分来修正测量距离，提高精度。
如图1所示，本发明脉冲激光测距系统晶体管型接收电路误差修正方法，包括如下步骤：
(10)电路模型求解：根据脉冲激光接收电路具体结构，得到电路的数学方程组；
(20)方程的数值分析：利用离散化的思想，首先将方程在在时间域上作有限分割，使其在时间域上离散化，从而将微分方程离散化化为差分方程，然后利用MATLAB等数值分析工具对差分方程进行迭代计算，得到电路方程组的数值近似解；其中需要首先对电路方程组的每一个方程在时域上把时间变量离散化，从而将微分方程离散化化为差分方程；然后对差分方程进行迭代计算，得到电路方程组的数值近似解。
((30)方程的近似解求解：根据数值近似解，对方程进行约化近似，使其得到解析解的形式；
(40)简化方程组的求解：求解线性微分方程组，得到时间步行误差与波形面积的近似关系；
(50)关系参数标定：实施距离标定实验，并根据标定结果确定上一步中得到的关系中具体参数的值，得到最终标定后的步行误差与波形面积的关系；
(60)时间误差修正及精度提高：在每一次距离测量时，通过快速AD采样测得输出波形的面积积分，然后运用标定了的步行误差与波形面积的关系，来修正步行误差，并最终提高单次测量精度。
本发明的工作原理如下：
本发明建立在晶体管型接收系统的咖码-潘电路模型上，需要根据具体的电路结构依据结点电压和节点电流方法列出多元非线性微分方程组。然而，通常情况下，所列的电路方程形式复杂，难以求解。因此，需要借助数值分析工具比如MATLAB等对方程组进行分析。而这需要首先将微分方程的时间离散化，即约化为有限个差分方程。而且每个差分方程中的时间间隔是固定的，这样，前一个差分方程的解是后一个差分方程的初值。最后经过大量的迭代，迭代过程一般由MATLAB等数值分析工具完成，最后就可以求出非线性微分方程的数值解。根据数值解的情况，依据均方差大小来简化方程，直至得到可以求出解析解，而这个解析解被认为是更加精准的近似解。即求出输出波形的面积积分与的步行误差的关系。在得到这一关系之后，关系方程中仍然存在未知的参数，因此，需要实施具体标定实验来确定关系中的参数值。而后，通过每次距离测量AD采样得到的输出波形积分就可以反演处与之对应的步行误差大小。最终，通过减去这一步行误差就可得到更加精准的时间间隔测量值，即精度更高的距离值。
该发明方法的应用是以脉冲激光测距系统为硬件背景的。该系统一般包括激光发射模块，激光接收模块，时间间隔测量模块，以及信号控制模块。该方法主要针对测距系统的激光接收模块和时间间隔测量模块。首先需要构建以双极型晶体管为核心元件的接收放大电路，然后将它的输出与时间间隔测量模块相连，并与高速AD硬件连接。硬件系统搭建好后，便可以通过控制模块计算出输出波形的面积积分。最后应用本发明方法进行误差修正，就可以测出较为精准的距离值。
本发明首先从原理上对接收系统电路结合了晶体管咖码-潘模型进行了系统性建模，通过数值化简的方式对电路进行近似求解，得到了误差值与输出波形积分面积两者的近似关系。这种关系虽然也是建立在近似的基础上，但是却比一般的双阈值误差修和脉宽修正更为精准。由于现有的修正方法仅仅用了最基础的线性关系来修正，所以仍然存在一定较大偏差。而且，本发明是只需要AD采样即可，无需更多配置，这也大大提高了效率，减少了器件的使用，增加了电路的可靠性并在一定程度降低了噪声的干扰。
Claims (1)
1.一种脉冲激光测距系统晶体管型接收电路测距精度提高方法，其特征在于，包括如下步骤：
(10)电路模型求解：根据脉冲激光接收电路具体结构，得到电路的数学方程组；
(20)方程的数值分析：利用离散化的思想，首先将方程在在时间域上作有限分割，使其在时间域上离散化，从而将微分方程离散化化为差分方程，然后利用MATLAB数值分析工具对差分方程进行迭代计算，得到电路方程组的数值近似解；
(30)方程的近似解求解：根据数值近似解，对方程进行约化近似，使其得到解析解的形式；
(40)简化方程组的求解：求解线性微分方程组，得到时间步行误差与波形面积的近似关系；
(50)关系参数标定：实施距离标定实验，并根据标定结果确定上一步中得到的关系中具体参数的值，得到最终标定后的步行误差与波形面积的关系；
(60)时间误差修正及精度提高：在每一次距离测量时，通过快速AD采样测得输出波形的面积积分，然后运用标定了的步行误差与波形面积的关系，来修正步行误差，并最终提高单次测量精度。
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