基于双阈值前沿时刻鉴别法的高频脉冲激光测距系统.pdf

第 卷第期光学学报 ，年月 ，基于双阈值前沿时刻鉴别法的高频脉冲激光测距系统陈瑞强江月松裴朝（北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 ）摘要百千赫兹量级测量重复频率和亚厘米量级测量精度的脉冲激光测距系统是激光测距领域的研究热点之一。分析研究了基于皮秒脉冲激光器的激光测距系统的实现原理和方法，针对激光脉宽极窄的特点，使用双阈值前沿时刻鉴别法和电压比较器输出数字信号的脉宽控制方法，并配合 高精度时间数字转换芯片，达到了设计要求。实验结果表明：测距系统工作稳定可靠，测量重复频率达到 ，单次测距精度范围为，。关键词测量；脉冲激光测距；皮秒激光器；双阈值前沿时刻鉴别法；数字信号脉宽控制；芯片中图分类号 文献标识码 ：（，），；收稿日期：；收到修改稿日期：基金项目：国家 计划（）作者简介：陈瑞强（），男，博士研究生，主要从事激光测距及三维成像等方面的研究。：导师简介：江月松（），男，教授，博士生导师，主要从事光电探测及遥感遥测等方面的研究。：引言脉冲激光测距的基本原理是，主动向目标发射激光脉冲，探测该目标上被照射点的激光回波，测量激光脉冲的飞行时间，从而计算出目标的距离信息。脉冲激光测距具有激光发射峰值功率高、探测距离远以及对光源相干性要求低等优点，在地球地貌测绘、资源调查、城市三维建模、工业测量等领域得到广泛应用。脉冲激光测距的精度主要依赖于接收通道的带宽、信噪比、回波时刻鉴别精度和时间数字转换精度等。由脉冲激光测距原理可知，激光脉宽越窄，测距精度越高，但会造成接收通道的带宽随之增大。一般脉冲激光测距系统使用的激光脉宽为纳秒量级，接收通道为百兆赫兹级带宽。本文使用的激光脉宽约为 ，接收通道需要 带宽才能满足要求，增加了恒比定时时刻鉴别法和高通容阻时刻鉴别法的实现难度，故选用双阈值前沿时刻鉴别法消除时间漂移误差，原理及实现相对简单可行。光学学报电压比较器是双阈值前沿时刻鉴别法的核心部分。一般应用中，电压比较器的阈值是固定不变的，电压比较器输出数字信号的脉宽与输入高斯脉冲信号的脉宽和幅度相关，无法满足时间数字转换器 对输入数字信号的脉宽要求。因此，提出利用电压比较器的滞回比较功能，并配合计时电路，达到控制输出数字信号脉宽的目的。本文开展了基于双阈值前沿时刻鉴别法的高频激光测距系统的研究，针对皮秒脉冲激光器特点设计了 带宽的接收通道和时刻鉴别电路，并配合高精度时间数字转换芯片 的评估板，成功达到了设计要求。脉冲激光测距系统工作原理脉冲激光测距系统工作原理如图所示，脉冲激光器在外触发信号控制下发射激光脉冲，经分束镜比例分束后，约的激光能量被 探测器接收，经光电转换产生参考信号；其余 的激光能量被雪崩光电二极管（）探测器接收，经光电转换产生回波信号。文中没有使用激光回波光学接收系统，而是通过调节线性可变中性密度（）衰减片在光路中的位置，模拟激光回波强度的变化。参考信号和回波信号送入时刻鉴别电路，经电压比较器产生开始计时数字信号与停止计时数字信号。其中时刻鉴别电路利用双阈值前沿时刻鉴别法，消除回波 时 间 漂 移 误 差，并 配 合 现 场 可 编 程 门 阵 列（）开发板控制电压比较器输出数字信号的脉宽。时间数字转换器 用来测量开始计时数字信号与停止计时数字信号之间的时间间隔，并将得到的时间间隔信息送入计算机处理得到测距结果。图中 表 示 外 部 控 制 器 接 口，为 局域网。图 脉冲激光测距系统原理图 下面详细说明原理图涉及到的双阈值前沿时刻鉴别法和电压比较器输出数字信号的脉宽控制方法。双阈值前沿时刻鉴别法激光脉冲受大气及目标散射特性的影响，激光回波强度变化很大，单阈值前沿时刻鉴别法会引起很大的时间漂移误差，这给准确确定激光回波时刻带来困难。如图所示，假设激光回波信号服从高斯分布，上升沿持续时间为，电压比较阈值设置为，则由激光回波信号强度变化引起的时间漂移误差 最大可达。陈瑞强等：基于双阈值前沿时刻鉴别法的高频脉冲激光测距系统图回波时间漂移误差 为了消除时间漂移误差，常用的激光回波时刻鉴别方法主要有恒定比值鉴别法、高通容阻鉴别法和误差补偿鉴别法 。恒定比值鉴别法以激光回波信号前沿半高点到达的时刻作为激光回波的停止时刻；高通容阻鉴别法利用高通容阻滤波电路的微分效应，将激光回波信号的峰值点转变为零点，以此作为激光回波的停止时刻；误差补偿法使用多个阈值测量同一激光回波信号，利用标定的误差补偿关系，补偿单个阈值引起的时间漂移误差，得到准确的激光回波停止时刻。激光回波信号的前沿持续时间很短（比如皮秒量级），会增大恒定比值鉴别法和高通容阻鉴别法的电路设计及加工难度。更糟糕的是，这两种方法都要求回波信号不能出现饱和，难以适应回波强度剧烈变化的场合。相比之下，误差补偿鉴别法不存在这两方面问题。双阈值前沿时刻鉴别法属于误差补偿鉴别法，其工作原理如图所示。结合图可知：参考信号经阈值 产生开始计时数字信号。回波信号同时经 和 （）产生两个停止计时数字信号。使用虚线和实线分别表示强度不同的回波信号，同一回波信号可以测量得到两个飞行时间和（和）。通过实验可以标定（或）与时间漂移误差 的关系，利用标定好的误差补偿曲线，消除由单阈值引起的时间漂移误差。图双阈值前沿时刻鉴别示意图 电压比较器输出数字信号的脉宽控制方法电压比较器的工作原理如图所示，输入的模拟信号 与阈值 做比较，当模拟信号 的电压值超过阈值 时，电压比较器输出数字信号 跳变为高电平；当模拟信号 的电压值低于阈值 时，电压比较器输出数字信号 跳变为低电平。假设数字信号 的脉宽为高电平的持续时间，由图可知，数字信号 的脉宽由模拟信号 高于阈值 的部分决定，造成数字信号 的脉宽随模拟信号 强度的变化而变化。文中使用的模拟信号为光电探测器输出的高斯脉冲信号，其脉宽（上升沿半高点到下降沿半高点间的时间）约为 ，因此电压比较器输出数字信号图电压比较器工作原理 光学学报无法满足 对输入数字信号的脉宽要求。因此，利用电压比较器的滞回比较功能，并配合外围电路控制电压比较器输出数字信号的脉宽，以满足脉宽要求。图（）显示了电压比较器的滞回传递函数，滞回比较阈值 的电压值由滞回控制电阻 决定。输入信号电压差（）从阈值 向阈值 方向变化时，只有输入信号电压差（）超过阈值，输出数字信号才跳变为高电平；输入信号电压差（）从阈值 向阈值 方向变化时，只有输入信号电压差（）低于阈值，输出数字信号才跳变为低电平。图电压比较器输出数字信号脉宽控制原理。（）滞回传递函数；（）脉宽控制系统示意图 （）；（）图（）显示了电压比较器输出数字信号的脉宽控制系统示意图。探测器输出的模拟信号可近似为正高斯电压信号，由于电压比较器负输入端接地，输入信号电压差就等于。当模拟信号的上升沿电压值超过阈值 时，数字信号 跳变为高电平。由于模拟信号的电压值不会低于阈值，数字信号 会一直保持高电平。数字信号 跳变为高电平时，计时电路开始计时，达到预设时长后，控制模拟开关导通，将复位信号源提供的幅值小于阈值 的直流电压信号加到电压比较器的正向输入端，数字信号 跳变为低电平，达到控制数字信号 脉宽的目的。硬件实现 脉冲激光器与光电探测器脉冲激光器使用的是 公司的 皮秒激光器，波长 ，半峰全宽（）约为 ，通过外触发信号同步产生频率可调（）的 激 光 脉 冲。探 测 器 和 探测器均为铟镓砷光电探测器，波长响应范围为 ，带宽 ，可以很好地响应 发射的激光脉冲。时刻鉴别电路结合图与图可知，时刻鉴别电路主要由三路电压比较通道组成，分别产生 、和 三路数字信号，作为 的输入信号。三路电压比较通道的电路设计完全相同，图显示了其中一路电压比较通道的电路图，图中电阻默认单位为，表示。高速电压比较器 为核心部分，输入带宽为，输出 类型数字信号，脚为滞回比较端，调节可调电阻可以设置合适的滞回比较阈值；电阻分压网络产生约 的直流电压信号 ，并通过运放 提高驱动能力；模拟开关 的脚为控制端，控制信号 为高电平时，的脚（信号输入端）和脚（信号输出端）导通，否则断开；黑金公司的 开发板（）实现计时功能，通过插件分别连接 的输出端（和）和 的控制端。时间数字转换器和测距控制软件使用德国 公司的 评估板测量激光脉冲飞行时间，其核心硬件是 时间数字转换芯片。该芯片利用电信号在介质中传播延迟 原 理，支持 双 测 量 通道，每 个测量通道最高 测量精度，最高 的测量重复频率以及最大的测量范围（不考虑系统延迟的情况）。上位机运行的测距控制软件在语言编译环境下编译完成，采用多线程编程技术，线程之间采用委托代理方式传递数据，一方面提高了软件的运行 陈瑞强等：基于双阈值前沿时刻鉴别法的高频脉冲激光测距系统图电压比较通道电路图 效率，缩短了数据采集与处理的周期，另一方面增强了软件的人机交互能力。实验结果及分析 激光脉冲飞行时间测量精度参考高速电压比较器 的 数 据手册，改变与滞回比较端相连电阻的阻值，设定图中电压比较器的滞回比较阈值为，电压比较器的滞回比较阈值为，电压比较器的滞回比较阈值为。图显示了不同回波信号强度下两个测量通道测量得到的激光脉冲飞行时间分布图。回波信号强度 时，测量通道（）测量得到的激光脉冲飞行时间的平均值为 ，测量精度（标准方差）为 ；测量通道（）测量得到的激光脉冲飞行时间的平均值为 ，测 量 精 度 为 。回 波 信 号 强 度 时，测量通道（）测量得到的激光脉冲飞行时间的平均值为 ，测量精度为 ；测量通道（）测量得到的激光脉冲飞行时间的平均值为 ，测量精度为 。图显示了测量通道和测量通道测量得到的激光 脉冲 飞 行 时 间 测量精度 与 回 波 信 号 强 度 之间的关系，从图可以得出如下结论。）回波信号强度 处是飞行时间测量精度的拐点。系统信噪比和时间数字转换精度是影响飞行时间测量精度的主要因素：提高回波信号强度，系统的信噪比增大，飞行时间测量精度相应提高；信噪比提高到一定程度后，时间数字转换精度成为主要影响因素，而时间数字转换精度是基本不变的，飞行时间测量精度会维持在一个很小的变化区间内，即 ，。）回波信号强度 处也是测量通道之间飞行时间测量精度差异化的拐点。参考图和图，回波信号一开始缓慢上升，然后快速达到峰值。当回波信号强度很小时，两个测量通道都处于回波信号的缓慢上升区，测量通道的阈值 小于测量通道的阈值 ，系统噪声对测量通道的 光学学报图激光脉冲飞行时间测量数据。（），；（），；（），；（），（），；（），；（），；（），图激光脉冲飞行时间测量精度与回波模拟信号强度的关系 影响大于对测量通道的影响，因此测量通道的飞行时间测量精度就低于测量通道的飞行时间测量精度；当回波信号强度提高到一定程度后，两个测量通道都处于回波信号的快速上升区，系统噪声对测量通道的影响和对测量通道的影响近似相同，因此测量通道与测量通道的飞行时间测量精度近似相等。系统测距精度根据图所示的脉冲激光测距原理，设 探测器的光敏面与分束镜的距离是（对应激光脉冲飞行时间）。测量通道测量得到的激光脉冲飞行时间为，测量通道测量得到的激光脉冲飞行时间为，令。为获取准确的时间误差补偿关系，和都是相同回波信号强度下多次（次）测量结果的平均值。图显示了与需要补偿的时间漂移误差 之间的关系，二项式曲线拟合得到的表达式为 （）图时间误差补偿曲线 利用误差补偿表达式（）式，最终得到脉冲激光 陈瑞强等：基于双阈值前沿时刻鉴别法的高频脉冲激光测距系统测距公式为 （）（）（），（）式中表示光在真空中的传播速度。图 显示了使用单阈值前沿时刻鉴别法与双阈值前沿时刻鉴别法得到的测距结果对比图，其中 和 分别表示相同回波强度下测距结果的均值及标准方差。图 单阈值前沿时刻鉴别法与双阈值前沿时刻鉴别法测距结果对比。（）单阈值测距均值；（）单阈值测距标准方差；（）双阈值测距均值；（）双阈值测距标准方差 （）；（）；（）；（）从图 可以得出以下结论：）双阈值前沿时刻鉴别法很好地克服了单阈值前沿时刻鉴别法引起的时间漂移误差。回波信号强度为 时，根据测定的系统固定延迟，标定测量距离为 。随着回波信号强度的增大，单阈值前沿时刻鉴别法的测距均值逐渐偏离标定距离，