自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距飛行時(shí)間測(cè)量研究

摘要：提出一種新型脈沖激光測(cè)距方法——自觸發(fā)脈沖飛行時(shí)間激光測(cè)距方法。運(yùn)用該方法有效解決了傳統(tǒng)脈沖激光測(cè)距法中存在的提高測(cè)量精度和縮短測(cè)量時(shí)間兩者之間的矛盾。對(duì)該方法及本質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)描述和理論分析，并給出用于描述該方法的基本方程。其飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很大程度上決定了自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距的測(cè)量精度和測(cè)量速度。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于CPLD的自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)。CPLD的使用提高了測(cè)量精度，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可靠性高，非常適合高性能便攜式的激光測(cè)距儀。
關(guān)鍵詞：脈沖激光測(cè)距；自觸發(fā)；CPLD；飛行時(shí)間測(cè)量；精度

    相對(duì)于相位式激光測(cè)距等連續(xù)波測(cè)距方法，脈沖激光測(cè)距結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)程遠(yuǎn)，測(cè)量速度快，因而得到廣泛的應(yīng)用。但是脈沖激光測(cè)距的缺點(diǎn)在于單脈沖測(cè)量精度不高，目前，單脈沖激光測(cè)距精度在實(shí)際應(yīng)用中只能達(dá)到厘米量級(jí)，難以達(dá)到毫米量級(jí)。要達(dá)到更高的測(cè)量精度，只能通過(guò)對(duì)多次單脈沖激光測(cè)距結(jié)果求平均值的方法來(lái)獲取，但是這樣就會(huì)增加測(cè)量所需要的時(shí)間，降低了測(cè)量速度，不僅不便于使用，也限制了其應(yīng)用的范圍。
    為了更好的解決脈沖激光測(cè)距測(cè)量精度與測(cè)量速度之間的矛盾，提出一種新型的脈沖激光測(cè)距方法，自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距法。自觸發(fā)脈沖測(cè)距方法，可以有效克服激光測(cè)距中存在的提高測(cè)距精度和縮短測(cè)量時(shí)間兩者的矛盾。該方法比起傳統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率方法具有更高的測(cè)量精度和更快的測(cè)量速度，并且有效擺脫了時(shí)間間隔測(cè)量能力對(duì)測(cè)距精度的根本限制。自觸發(fā)脈沖飛行時(shí)間激光測(cè)距是利用激光接收單元的輸出信號(hào)自行控制激光發(fā)射單元，進(jìn)而觸發(fā)激光脈沖向測(cè)距目標(biāo)發(fā)射，即激光接收單元接收到激光脈沖之后，去觸發(fā)激光發(fā)射單元產(chǎn)生下一個(gè)激光脈沖。激光脈沖的發(fā)射和接收先后銜接，自動(dòng)循環(huán)，從而得到一個(gè)周期信號(hào)ST。測(cè)量該信號(hào)的周期就可以得到激光脈沖的飛行時(shí)間，從而可計(jì)算出距離，由統(tǒng)計(jì)理論，測(cè)量激光脈沖Ⅳ次往返的飛行時(shí)間(N個(gè)周期)，可比測(cè)量1次往返的時(shí)間精度提高N倍。與傳統(tǒng)脈沖激光測(cè)距的取N次獨(dú)立測(cè)量的平均值相比，精度提高更大，并且只要進(jìn)行一次數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)，節(jié)省了N-1次數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)時(shí)間。這樣，自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距就可以在同樣的測(cè)量時(shí)間下，達(dá)到更高的測(cè)距精度，或者達(dá)到同樣的測(cè)量精度的同時(shí)卻有更快的測(cè)量速度，從而有效的克服了傳統(tǒng)激光測(cè)距方法中存在的提高測(cè)距精度和縮短測(cè)量時(shí)間兩者之間的矛盾，有利于實(shí)現(xiàn)高速高精度測(cè)距。
    自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距的測(cè)量精度在較大程度上要取決于激光飛行時(shí)間的測(cè)量精度，要獲得較高的測(cè)量精度，就必須設(shè)計(jì)較高的飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)。文中采用CPLD(Complexprogrammable logic devices)研制出自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距的飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)，可以達(dá)到較高的測(cè)量精度。

1 自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距原理及脈沖時(shí)序邏輯
    脈沖激光測(cè)距的基本單元包括激光發(fā)射單元，激光接收單元和飛行時(shí)間測(cè)量單元。在傳統(tǒng)的脈沖激光測(cè)距中，測(cè)距原理是基于測(cè)量發(fā)射的激光脈沖(START)和接收單元接收到的返回激光脈沖(STOP)之間的時(shí)間間隔△T。目標(biāo)距離D由下式給出
   
    其中C為光速，時(shí)間間隔△T由飛行時(shí)間測(cè)量單元測(cè)量給出。
    自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距方案如圖1所示。利用激光接收單元的輸出信號(hào)自行控制激光發(fā)射單元，進(jìn)而觸發(fā)激光脈沖向目標(biāo)發(fā)射，即激光接收單元接收到激光脈沖之后，去觸發(fā)激光發(fā)射單元產(chǎn)生下一個(gè)激光脈沖。

    激光脈沖的發(fā)射和接收是循環(huán)相關(guān)的，這一過(guò)程可以表示為
    TK+1=F(TK，△T)     (2)
    其中TK，TK+1分別為第K個(gè)和第K+1個(gè)激光脈沖發(fā)射時(shí)刻，函數(shù)F的具體形式和測(cè)量系統(tǒng)有關(guān)，它表示第K個(gè)和第K+1個(gè)激光脈沖之間的發(fā)射時(shí)刻關(guān)系。不同的系統(tǒng)具有不同函數(shù)形式F。
    從激光發(fā)射單元向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射的是周期激光脈沖序列，可以描述為
    TK+N=TK+NT0         (3)
    其中N為整數(shù)，T0為發(fā)射的激光脈沖序列的周期，其值由式(2)決定。自觸發(fā)脈沖飛行時(shí)間激光測(cè)距方法可由基本方程(1)，(2)和(3)描述。從這3個(gè)基本方程，可以得到被測(cè)距離的表達(dá)式：
    D=F(NT0，τ)         (4)
    其中，τ為由系統(tǒng)延時(shí)決定的時(shí)間常數(shù)，其大小由測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和帶寬等因素決定，NT0為包括N個(gè)連續(xù)周期的待測(cè)量時(shí)間間隔，函數(shù)F的形式由測(cè)量系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)決定。

    發(fā)射單元由接收單元輸出的電信號(hào)所控制，即測(cè)距脈沖是由接收單元觸發(fā)的。該過(guò)程的光電脈沖信號(hào)時(shí)序圖由圖2所示。開(kāi)始時(shí)，發(fā)射單元向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一束激光；經(jīng)過(guò)△T(光從發(fā)射單元到目標(biāo)然后返回到接收單元的傳播時(shí)間)的延時(shí)，經(jīng)被測(cè)目標(biāo)反射的光束被接收單元的光電二極管接收；光電二極管輸出的電信號(hào)經(jīng)放大和時(shí)刻鑒別后，輸出一高電平信號(hào)，作為發(fā)射單元的輸入信號(hào)，其間電路延時(shí)t11；此高電平信號(hào)使激光驅(qū)動(dòng)源終止驅(qū)動(dòng)激光器，激光發(fā)射單元停止發(fā)射激光，其間電路延時(shí)t21；而后經(jīng)過(guò)△T的延時(shí)，光電二極管從有激光接收狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)激光接收狀態(tài)；再經(jīng)過(guò)t12的電路延時(shí)，接收單元的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?；此低電平信?hào)使激光器再次發(fā)射激光，其間電路延時(shí)t22。上述過(guò)程構(gòu)成了自觸發(fā)脈沖飛行時(shí)間激光測(cè)距的一個(gè)完整周期。如此周而復(fù)始，就形成了周期激光脈沖序列。該測(cè)距信號(hào)從接收單元取出，輸入到周期測(cè)量單元獲得周期T0。根據(jù)公式(2)，函數(shù)F有如下的形式
   
    其中TN=NT0，τ=t11+t21+t12+t22，通常情況下t11≠t12，t21≠t22。在自觸發(fā)脈沖測(cè)距方法中，周期T0可以通過(guò)測(cè)量一次時(shí)間間隔TN后取平均值得到，這其中包括N個(gè)周期T0，其精度等效于用傳統(tǒng)的脈沖測(cè)距方法進(jìn)行N次單次測(cè)量后取平均的結(jié)果。因此，自觸發(fā)脈沖測(cè)距方法可以在獲得高精度測(cè)距結(jié)果的前提下極大地縮短測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量速度。與其他傳統(tǒng)脈沖測(cè)距方法相比，自觸發(fā)脈沖方法的本質(zhì)特點(diǎn)是脈沖測(cè)距信號(hào)不是單個(gè)而是連續(xù)周期性的。

2 基于CPLD的飛行時(shí)間測(cè)量單元實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
    CPLD具有集成度高，工作速度快，編程方便和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。與FPGA(Field programmable gate array)相比，CPLD內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連線(xiàn)相對(duì)固定，延時(shí)小且可以預(yù)測(cè)，更有利于器件在高頻下工作，特別適合產(chǎn)品樣品的開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn)。
    本設(shè)計(jì)采用ALTERA公司MAX II系列CPLD器件實(shí)現(xiàn)自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距的飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)。MAX II系列器件是在A(yíng)LTERA公司的第三代MAX結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的COMSEEPROM技術(shù)制造的高密度，高性能的可編程器件。MAX II系列器件采用0．18μm Flash工藝，邏輯單元數(shù)(LE)240個(gè)、宏單元數(shù)192個(gè)、最大用戶(hù)I／O管腳80個(gè)、用戶(hù)Flash存儲(chǔ)器8 k，引腳到引腳的延時(shí)為3．5 ns，計(jì)數(shù)器頻率可以高達(dá)300 MHz。MAX II系列器件內(nèi)置JTAG BST電路，通過(guò)JTAG接口可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)編程，從而可以靈活修改設(shè)計(jì)，縮短了開(kāi)發(fā)周期。圖3是利用CPLD實(shí)現(xiàn)的自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)的電路框圖。

    如圖所示，CPLD完成飛行時(shí)間計(jì)數(shù)測(cè)量的功能，單片機(jī)讀取計(jì)數(shù)結(jié)果并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終的結(jié)果顯示在液晶顯示屏上。CPLD內(nèi)的電路主要由兩個(gè)計(jì)數(shù)器組成，Counter1為9bit的計(jì)數(shù)器，對(duì)自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距的周期信號(hào)ST進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到首尾相接的N個(gè)測(cè)距周期對(duì)應(yīng)的起止時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔TN=NT0，系統(tǒng)中可以自己設(shè)定N的值。Counter2為16bit計(jì)數(shù)器，對(duì)N個(gè)測(cè)量周期的時(shí)間間隔NT0進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量，輸出計(jì)數(shù)結(jié)果Nm。采用50 MHz晶振通過(guò)鎖相環(huán)6倍頻獲得300MHz的時(shí)鐘頻率，作為時(shí)間測(cè)量計(jì)數(shù)的基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率。單片機(jī)讀入計(jì)數(shù)結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將最后的結(jié)果顯示出來(lái)。單片機(jī)采用Cygnal公司的C8051F系列，與8051的指令集兼容，單數(shù)據(jù)處理速度更快，有利于脈沖激光測(cè)距儀的高速度應(yīng)用。
    如圖3所示，假設(shè)時(shí)間測(cè)量的計(jì)數(shù)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期為T(mén)m，則：

    其中fm=1／Tm為飛行時(shí)間測(cè)量計(jì)數(shù)基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率。
    任意取N=256，fm=300 MHz代入，忽略電路延時(shí)τ，可以計(jì)算得到Dmax=64 M，δD=0．98 mm。即該設(shè)計(jì)通過(guò)運(yùn)用CPLD可以得到的飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)的理論計(jì)算值可達(dá)到最大量程64M，測(cè)量精度0．98mm。

3 結(jié)論
    自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距是一種新型的脈沖激光測(cè)距方法。該方法克服了傳統(tǒng)脈沖激光測(cè)距測(cè)量精度和測(cè)量速度之間的矛盾，容易獲得高精度的測(cè)距結(jié)果。文中講述自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距原理及其光電脈沖的時(shí)序邏輯，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于CPLD的自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)。理論計(jì)算表明利用CPLD設(shè)計(jì)自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距飛行時(shí)間測(cè)量電路是一種很好的方案。它可以使計(jì)數(shù)時(shí)鐘工作在較高的頻率，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，體積小，功耗低，成本低廉。在測(cè)量距離64 M的范圍內(nèi)可以達(dá)到0．98 mm的測(cè)量精度，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的激光測(cè)距，尤其適合便攜式，高精度激光測(cè)距應(yīng)用。