脉冲激光测距中高精度时间间隔的测量_宋建辉

合集下载

脉冲雷达高精度测距方法研究与仿真

脉冲雷达高精度测距方法研究与仿真脉冲雷达是一种通过发射和接收电磁脉冲来实现测距的技术。

它在军事、安防、工业等领域具有重要的应用价值。

本文将对脉冲雷达的高精度测距方法进行研究与仿真。

脉冲雷达的测距原理是利用电磁波在空间传播的时间差来计算目标物体与雷达的距离。

通常，雷达首先发射一个短时脉冲信号，然后接收目标物体反射回来的信号。

通过测量发射信号和接收信号之间的时间差，可以得到目标物体与雷达之间的距离。

为了提高脉冲雷达的测距精度，研究人员提出了一些方法。

首先是超高精度脉冲雷达技术。

该技术利用超高精度的本振信号，以及精确的时钟同步技术，可以将测距精度提高到亚米级甚至毫米级。

这种技术通常用于精确测量静止的目标物体的距离。

其次是多普勒效应在脉冲雷达中的应用。

多普勒效应是由于目标物体与雷达之间的相对运动而导致的频率偏移。

通过测量多普勒频移，可以计算出目标物体的速度。

在脉冲雷达中，将多普勒频移转换为距离信息，可以实现目标物体的测距。

另外，脉冲压缩技术也是提高脉冲雷达测距精度的重要方法。

脉冲压缩技术利用信号处理算法，将发射信号的频带展宽，然后将接收信号与展宽后的发射信号进行相关处理，从而实现信号的压缩。

这种方法可以提高脉冲雷达的分辨率和测距精度。

为了验证上述方法的有效性，我们可以通过仿真来进行验证。

仿真可以复现雷达工作的环境和参数，通过控制变量的方法，研究不同方法对测距精度的影响。

例如，我们可以利用Matlab等工具进行脉冲雷达仿真。

通过设定不同的目标物体距离、速度等参数，分别采用不同的测距方法进行仿真实验。

通过比较仿真结果和真实值，评估不同方法的测距精度。

综上所述，脉冲雷达的高精度测距方法研究与仿真具有重要意义。

通过研究与仿真，我们可以深入理解脉冲雷达的测距原理和方法，进一步提高测距精度。

同时，仿真结果也可以为实际应用提供参考，指导雷达系统的优化和改进。

高精度脉冲式激光测距系统的设计

冲式激光测距系统进行了整体方案设计，由ＴＤＣ．ＧＰ２２高精度时间测量芯片、ＳＴＭ３２单片机、发射电路及接收电路等几部分构成。基于理论分析，设计实验内容和实验方案，按照实验的步骤分别设计硬件和软件，在大量实验数据分析的基础下，最终验证该方案的可行性，满足要求的技术指标。
ＴＩＡＮＨａｉｊｕｎ，ＹＡＮＧＴｉｎｇ，ＺＨＡｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔＥｌｅｃｔｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＪｉｌｉｎＪｉｌｉｎ１３２０００，Ｃｈｉｎａ）
提高脉冲激光飞行的时间测量精度，采用时间数字转换芯片ＴＤＣ．ＧＰ２２，单片机通过ＳＰＩ接口技术读取测量结果，经单片机处理后的数据传给ＬＣＤ１２８６４显示器。测试结果表明：该测量方法精度达到６５ｐｓ，可以满足工业领域的要求。
前测量距离中比较理想的仪器。在国内外，激光测距应用在激光雷达、航空遥控、数字检测通信、地形测量、跟踪导弹轨迹等领域中。在工业生产过程中，有许多地方需要对高度、宽度、距离、长度等进行精确
测量。文中采用德国ＡＣＡＭ公司生产的ＴＤＣ — ＧＰ２２芯
２０１７年２月
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯ０Ｌ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｆｅｂ．２０１７Ｖｏ１．４５Ｎｏ．３

脉冲测距原理

脉冲测距原理脉冲测距技术是一种常用的测距方法，它利用电磁波在空间中传播的特性，通过发送和接收脉冲信号来实现测距。

脉冲测距原理主要包括脉冲信号的发射、传播时间的测量和距离计算三个基本步骤。

首先，脉冲测距系统会发送一个短脉冲信号，这个信号会以光速在空间中传播。

当这个信号遇到目标物体时，部分信号会被目标物体反射回来，然后由接收器接收到。

接收到的信号会经过放大和处理，最终转化为电信号。

其次，测量传播时间是脉冲测距的关键步骤。

通过记录脉冲信号发射和接收的时间差，可以计算出信号在空间中传播的时间。

这个时间差乘以光速就可以得到信号的传播距离。

最后，根据传播距离可以计算出目标物体与脉冲测距系统的距离。

在实际应用中，通常会进行多次脉冲测距并取平均值，以提高测距的准确性和稳定性。

脉冲测距原理的关键在于精确测量信号的传播时间，因此需要高精度的时钟和快速的信号处理电路。

同时，对于不同的应用场景，脉冲测距系统的工作频率、脉冲宽度和脉冲重复频率等参数也需要进行调整和优化。

脉冲测距技术在激光测距、雷达测距、超声波测距等领域有着广泛的应用。

例如，激光测距仪利用脉冲激光进行测距，可以实现对目标物体的高精度测量；雷达系统利用脉冲雷达信号进行目标探测和距离测量；超声波测距系统则利用脉冲超声波进行测距，常用于车辆倒车雷达和无人机避障等场景。

总之，脉冲测距原理是一种基础而重要的测距方法，它通过脉冲信号的发射、传播时间的测量和距离计算来实现对目标物体的准确测距。

随着技术的不断进步，脉冲测距技术将在更多领域得到应用，并为各行各业带来更多便利和可能性。

激光脉冲间隔

激光脉冲间隔
激光脉冲间隔是指连续激光脉冲的时间间隔。

它取决于激光器的工作频率和脉冲宽度。

激光脉冲间隔的确定是根据具体应用需求和激光器性能来确定的。

对于某些应用，较短的脉冲间隔可能有利于提高激光器的工作效率和输出功率，同时可能增加激光器组件的热量产生和稳定性要求。

对于激光器的脉冲宽度和频率有一定的关系。

脉冲宽度是指激光脉冲的时间持续长度，而频率指的是单位时间内的脉冲数。

如果要增加激光脉冲的频率，通常需要减小脉冲宽度，以保持相同的平均功率。

激光脉冲间隔对于不同的应用有不同的要求。

举例来说，在一些激光雷达和通信系统应用中，较小的脉冲间隔可能有助于提高系统的分辨率和传输速率。

而在一些材料加工和医疗应用中，脉冲间隔需要用于控制加工速度或者允许足够的时间间隔以适应生物组织的恢复。

探测低慢小目标的高精度时间间隔测量方法

第 17卷第 16期 2017年6 月 1671 — 1815(2017)16-0248-06
科学技术与工程 Science Technology and Engineering
Vol.17 No.16 Jun. 2017 © 2017 Sci.Tech.Engrg.
探测低慢小目标的高精度时间间隔测量方法
统中激光测距对时间间隔测量精度的要求。
关键词低慢小目标脉冲激光测距时间间隔测量
中图法分类号 TP216.1;
文献标志码A
内插采样
低空慢速小目标（以下简称“低慢小”> w alti- 计数系统时钟,优点是测量范围大;但受到时钟频率
tude,slow speed,small unmanned aerial vehicle) ,是指的限制，测量精度比较低 [5]。模拟法通过对电压、
要实现对低慢小的有效拦截，首先就需要对低慢小进行准确的探测与定位。低慢小探测与定位系统中关键技术是利用激光脉冲对低慢小进行实时测距;而高精度脉冲激光测距的核心技术就是对发射脉冲与回波脉冲之间时间间隔的测量。目前常见的
大的劣势，同时体现了脉冲计数法测量范围大的优点 [ M ] 。延迟线法的原理是利用信号在介质中的延迟特性，优点是测量精度高，缺点是其电路结构
时间间隔测量方法主要有脉冲计数法、模拟法、插值法和延迟线法 [4]。脉冲计数法原理十分简单，直接
1 原理分析
将时间间隔的测量分为两部分进行，采用 “大

高精度激光脉冲测距技术

展激光脉冲快速扫描测距积累了经验。关键词：激测；时间间隔测量
中图分类号：Ｎ４Ｔ２９文献标志码：Ａ文章编号：１０ — ２６２１）８１６ — ５０７２７（０１０ — ４９０
第４０卷第８期
Ｖｏ１Ｏ８．Ｎ．４０
红外与激光工程
ＩｆａｅｎｓｒＥｎｉｅｒｎｎｒｄａｄＬａｅｇｎｅｉｇｒ
２１０１年８月
Ａｕｇ．２０１１
高精度激光脉冲测距技术
李密，宋影松，虞静，李春领，唐丹
ＡｂｔａｔＬａｅｄｓａｅｓｒｃ：ｓｒｉｔｎｃｍｅｓｒｎｔｃｎｌｇｉａｉｏｔｎｉｆｕｎｅａｔｒｏｔｅｃｐｂｌｔｏａｕｇｅｈｏｏｙｓｎｍｐｒａｔｎｌｅｃｆｃｏｔｈａａｉｙｆｉｉＬＩＲ．ＩｓｅｙｍｐｒａｔｔｄｖｌｐｈｇｒｃｓｏｌｓｒｉｔｎｅＤＡｔｖｒｉｏｔｎｏｅｅｏｉｈｐｅｉｉｎａｅｄｓａｃｍｅｓｒｎｓｓｅｔｉｒｖｔｅｉａｕｇｙｔｍｏｍｐｏｅｈｉｃｐａｉｔｏＬＩａｂｌｙｆＤＡＲ．Ｔｈｅｐｒｍｅｔｆａｅｐｌｅｉｔｎｅｉｅｘｅｉｎｏｌｓｒｕｓｄｓａｃｍｅｓｒｎｗａｃｒｉｄｕ，ａｄｅｅｎａｕｇｉｓａｒｅｏｔｎｒｌｖａｔｒｓａｃｏｗｅｋｉｈｄｔｃｉｇｎｔｍｅｎｅｖａｍｅｓｒｎｔｃｎｌｇｗｅｅｔｒｅｔｅｔｅａｅｅｅｒｈｎａｌｇｔｅｅｔｎａｄｉｉｔｒｌａｕｇｅｈｏｏｙｉｒｓａｔｄｈｎｈｌｓｒｄｓａｃｅｓｒｎｅｐｒｍｅｔｐａｆｒａｄｍｅｓｒｎｑｉｍｅｔｒｅｔｂｉｈｄ．Ｈｉｈｐｅｉｉｎｌｓｒｉｔｎｅｍａｕｇｘｅｉｉｎｌｔｏｍｎａｕｇｅｕｐｉｎｓｗｅｅｓａｌｓｅｇｒｃｓｏａｅ

基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计

第42卷　第9期2021年9月激光杂志LASER JOURNALVol.42,No.9September,2021收稿日期:2021-01-24作者简介:李龙骧(1990-),男,工程师,硕士,研究方向:光电对抗㊂Email:edwardwanzi2009@基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计李龙骧,郭俊超,马世伟,韩耀锋,张　佳,吕　祥,穆让修西安应用光学研究所,西安　710065摘　要:为了满足高精度多目标激光测距的需求,设计了一种高精度激光脉冲测距电路㊂电路采用高分辨率的时间-数字转换芯片TDC-GP22测量脉冲时间间隔,同时采用STM32F051K8U6作为主控芯片,实现了对最多三个脉冲时间间距的高精度测量㊂根据TDC-GP22的特点,设计了激光测距的硬件电路以及其软件控制流程,在试验中发现问题,通过对这些问题进行的分析,对电路做出改进,使电路达到应用要求㊂实验结果表明,该电路测距稳定性高,测量精度可以到达1ns 以内,对应的距离小于0.15m ㊂关键词:脉冲激光测距;TDC-GP22;时间间距测量;高精度中图分类号:TN249 文献标识码:A doi :10.14016/ki.jgzz.2021.09.027Design of circuit for multi -target pulsed laser range finding based on TDC -GP 22LI Longxiang,GUO Junchao,MA Shiwei,HAN Yaofeng,ZHANG Jia,LV Xiang,MU RangxiuXi ’an Institute of Applied Optics ,Xi ’an 710065,ChinaAbstract :In order to meet the requirements of multi-target laser range finding with high precision,a high-preci⁃sion circuit is designed for pulsed laser range finding.The Time-to-Digital chip,TDC-GP22,is used for time interval measurement between pulses.Meanwhile,STM32F051K8U6is used as the main control chip and finally the high-pre⁃cision time interval measurement between pulses,which has three results at most,is achieved.According to the fea⁃tures of TDC-GP22,hardware and software of the circuit used for laser range finding are designed.Then problems ofthe circuit are found in experiments.Through the analysis of these problems,the circuit is improved to meet the re⁃quirements of application.Experimental results show that the circuit has high stability on range finding and the accura⁃cy of the measurement can reach below 1ns,which is corresponding to 0.15m.Key words :pulsed laser range finding;TDC-GP22;time interval measurement;high precision1　引言脉冲激光测距是通过时间测量模块来测量激光脉冲在发射点与被测目标点之间往返的时间间隔,以此来计算出发射点与目标点之间的距离[1]㊂相对于其他两种激光测距的方法光子计数法和三角测距法,脉冲激光测距具有测距精度高㊁探测距离远㊁峰值功率高㊁对光源相干性要求低等特点,而广泛应用于工业㊁民用㊁航天㊁医疗等领域[2]㊂很多脉冲激光测距机都是对单个目标进行测量,计算激光发射时光电二极管采到的信号与探测器接收到最早到来的激光回波信号之间的时间间隔㊂本文中提到的多目标脉冲测距与单目标测距的原理基本相同,不同点在于,测距时,发射出的激光在其传播路径上,由于疏散角的影响,遇到距离不同的障碍物,而发生多次反射,被探测器接收到,探测电路把这些信号经过处理向控制端发送,即接收到的信号可以是多个脉冲,计算这些脉冲信号与发射时采集到的起始信号之间的时间间隔,经过公式换算就可以得到相应的多个目标的距离值㊂这种测距模式可以应用在对某目标的连续测距中,若目标前突然有其他小的物体出现,则可以通过这种模式进行对正确距离值的筛选,从而提高测距的准确性㊂由于脉冲激光测距是测量发射与接收脉冲信号之间的时间间隔,因此时间测量的精度决定了测距精度[3]㊂常用的测量方法有模拟法㊁数字法和数字插入法,其中延迟线数字插入法以其精度高㊁测量范围大的优点被广泛应用,这种方法可以用FPGA的内部延时单元实现,但是该单元容易受温度和工作电压的影响[4],一旦温度或者工作电压出现波动,测量的结果就会出现较大变化㊂设计时采用TDC-GP22芯片作为时间间隔测量芯片,该芯片内部采用延迟线插入技术[5],通过独特的校准及精确化技术,与利用FPGA内部延迟单元的方法相比,很好地降低了测量误差㊂2　TDC-GP22芯片简介TDC-GP22芯片是德国ACAM公司推出的一款专用的高分辨率时间-数字转换(Time-to-Digital Converter)芯片,其内部主要由脉冲发生器㊁数据处理单元ALU㊁时间数字转换单元TDC㊁温度测量单元㊁时钟控制单元㊁配置与结果寄存器以及SPI串口组成[6],TDC测量时间间隔时采用逻辑门延时单元来获取两个或者多个脉冲之间的精确时间间隔[7-9]㊂该芯片以其集成度高㊁尺寸小㊁功耗低以及精度高等特点,被广泛应用于水流速测量和距离测量等领域[10-15]㊂TDC-GP22有三个脉冲输入端 START,STOP1, STOP2,同时拥有两个测量模式,默认分辨率为90ps,脉宽须大于2.5ns㊂测量模式1的测量范围可以达到0~2.4μs(START与STOP上脉冲之间的时间间隔范围为3.5ns~2.4μs,两个STOP通道间的脉冲时间间隔范围为0~2.4μs,STOP上相邻两个脉冲的最小时间间隔为20ns),而实际测量范围最大到2×Tref,其中Tref为芯片参考时钟周期,同时需要确保2×Tref<2.4μs㊂在该模式下,芯片可以测量START 与STOP之间的脉冲时间间隔,也可以测量两个STOP 之间的脉冲时间间隔,还可以测量STOP1或STOP2上两个脉冲的时间间隔㊂如图1所示,为测量模式1的测量时序图,RefClk是芯片参考时钟,Cal1和Cal2是校准单元的校准值,HIT1和HIT2是芯片内部数字延时单元测量的数值,校准后写入结果寄存器的值为R,这些值的关系如式(1),实际的时间间隔等于R乘以参考时钟的周期㊂在一次测量过程中(即START 引脚收到信号时,芯片认为测量开始,STOP引脚收到脉冲的数目与设定的数目相同时或测量值超出最大测量范围时,芯片认为一次测量完成),START引脚只能接收一个脉冲,两个STOP引脚最多可以接收4个脉冲,多出的脉冲被忽略,此模式下分辨率可以设置为45ps,此时只能测量START与STOP1上脉冲之间的时间间隔㊂相比于测量模式1,测量模式2的测量范围扩大了很多,在参考时钟频率(最高为8MHz)为4MHz时,其测量范围为500ns~4096μs,但是只能测量START与STOP1上脉冲之间的时间间隔,在一次测量过程中,START引脚同样只能接收一个脉冲, STOP1引脚最多可以接收3个脉冲,多出的脉冲被忽略,在此模式下,分辨率可以设置为45ps和22ps㊂其测量时序图如图2所示,与模式1的类似,RefClk 是芯片参考时钟,Cal1和Cal2是校准单元的校准值, FC1和FC2是芯片内部数字延时单元测量的数值,Cc 是粗计数值,校准后写入结果寄存器的值为R,这些值的关系如式(2),实际的时间间隔等于R乘以参考时钟的周期㊂图1　测量模式1的测量时序图图2　测量模式2的测量时序图R=HIT1-HIT2Cal2-Cal1(1)R=Cc+FC1-FC2Cal2-Cal1(2)当TDC-GP22对外部信号测量完成后,可以对结果进行校准,最后把测量结果写入对应的32位结果寄存器中(测量到的周期个数,高16位为整数位,低16位为小数位)㊂3　测距电路设计方案由于电路应用于远距离测距,要求能够测得的两82李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计个相邻目标的距离的最小值为50m,所以TDC-GP22选择测量模式2,同时选择8MHz的晶振作为TDC-GP22的参考时钟,测量范围变为250ns~2048μs, STOP1上相邻两个脉冲的时间间隔最小为2×Tref,Tref为参考时钟周期,即最小时间间隔为250ns㊂根据公式(3),其中S为距离值,c为光速,t为时间间隔,t可由公式(4)得出,其中n为从TDC-GP22读出的32位二进制结果,T为参考时钟周期,即125ns,最终可以算出测距范围为37.5m~307.2km,相邻两物体间的最小间距为37.5m,可以满足测距需求㊂S=12ct(3)t=n×T65536(4) 3.1　硬件设计方案硬件电路设计如图3所示,采用拥有尺寸小㊁片上资源丰富㊁易于开发等特点的STM32F051K8U6作为主控芯片,通过其4线SPI通信接口与TDC-GP22通信,从而完成配置TDC-GP22以及读取其测量结果和状态等信息的功能,其中SSN为SPI使能端,低电平有效,SCK为SPI的时钟输入端,最高可以到20 MHz,SO与SI端是数据输出和输入端,分别与主控芯片SPI(主机模式)的MISO和MOSI端相连接㊂TDC-GP22的START端与光电二极管采样电路的输出端连接,用于接收激光起始信号,STOP1端与探测电路输出端连接,用于接收探测到的激光回波信号㊂EN_ START,EN_STOP1与EN_STOP2端口是TDC-GP22的START,STOP1和STOP2端口的接收使能端,高电平有效,因为电路工作在测量模式2,所以EN_START 与EN_STOP1串联电阻接3.3V,EN_STOP2悬空或者接地即可㊂TDC-GP22的INTN端与主控芯片的IO 口连接,通过该端口的状态判断TDC-GP22是否完成测量计算或者是溢出,低电平有效㊂TDC-GP22的RSTN端为硬件复位端,也是低电平有效,该端口也与STM32芯片的IO口相连,方便对TDC-GP22进行硬件复位㊂CLK32OUT与CLK32IN端是32KHz晶振接口,该晶振用于校准高频陶瓷晶振,陶瓷晶振由于其温漂大,所以需要校准,而本设计高频时钟接口采用温漂小的石英晶振,故不需要接该晶振校准, CLK32IN端接地㊂信息传递方面,主控芯片采用422通迅串口与上位机通信,上传距离信息㊂图3　测距电路硬件原理图3.2　测距电路软件设计软件控制流程如图4所示,上电复位TDC-GP22,然后开始配置TDC-GP22,通过SPI串口(主机模式)发送写命令以及配置内容来设定其内部配置寄存器的内容㊂主要配置TDC-GP22工作在测量模式2,参考时钟为8MHz,配置STOP1接收脉冲个数为3,开启自动校准,开启自动计算功能(只有测量模式2有,即计算完成后自动将结果写入相应的结果寄存器中),使能计算完成中断,开启溢出时强制写入0xFFFFFFFF功能(此时也算计算完成),设置分辨率为4倍默认分辨率,即22ps㊂配置完成后,初始化TDC-GP22,开始时间间隔的测量㊂然后等待INTN 端口被拉低,即等待TDC-GP22计算完成㊂当INTN 端口变低,发送读取命令,读取所有的计算结果,乘以参考时钟周期就是脉冲时间间隔,带入公式1可以得到距离值㊂读取完结果,发送初始化TDC-GP22的命令,将INTN端口置高,内部状态寄存器相应的位清零,使其准备下一次测量㊂3.3　存在的问题设计完毕,将电路的STRAT端和STOP1端与信号发生器的两个输出端相连,用信号发生器的两个输出信号模拟光电二极管采样信号和接收到的探测信号㊂在TDC-GP22的测量范围内,并且信号也能满足前文提到的限制条件时(测试时计算时间向上发送),可以得到三个误差很小的结果㊂当STOP1端接收到的脉冲中,有一个或者两个脉冲由于超出测量范围,或者两个脉冲时间间隔太短,而被TDC-GP22芯片忽略,亦或是只有一个或者两个信号时,得到的三个数92李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计据都是0xFFFFFFFF对应的时间值,由此可知,测量模式2下TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数小于寄存器中配置的数时,TDC-GP22会溢出,此时开启的溢出强制写入0xFFFFFFFF功能,会将所有数据写成0xFFFFFFFF㊂实际应用中,遇到脉冲丢失的情况,希望得到未丢失信号的时间间隔,这种状态不希望出现㊂图4　TDC-GP22软件控制流程图当关闭溢出强制写入0xFFFFFFFF功能,使能溢出中断时,继续模拟上文提到的脉冲丢失的情况㊂当发生溢出时,读取状态寄存器会发现,指向结果寄存器的指针保持为0,若有数据写入结果寄存器,该指针应该大于0,由此可以发现在测量模式2下,TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数小于寄存器中配置的数时,TDC-GP22溢出,其ALU数据处理单元不工作㊂3.4　改进方案为了得到正确的测量数据,必须要使TDC-GP22不发生溢出,即要保证TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数大于等于寄存器中配置的数目,同时还要避免影响已接收到的脉冲信号㊂考虑到该应用中的激光测距范围不会超过75km,对应的时间间隔为500μs,而本设计里,TDC-GP22的测量范围可以到2048μs,所以考虑在接收到SATRT信号后500μs到2048μs之间,在STOP1端产生至少3个脉冲(相邻脉冲的间隔要大于250ns),作为探测信号的补偿信号,以保证TDC-GP22不发生溢出㊂硬件电路的改进如图5所示,光电二极管采样电路的输出端信号START分为两路,除了与TDC-GP22的START端相连外,另一路与STM32的一路IO相连,当STM32接收到START信号,则输出一组符合条件的多脉冲信号,该多脉冲信号输出端Pulse与逻辑或门芯片74LVC1G32的输入端A相连,同时逻辑或门的另外一个输入端B与探测电路的输出端STOP 连接,输出端Y与TDC-GP22的STOP1端连接,由于探测电路的输出信号与START信号之间的间隔小于500μs,而START信号与Pulse端的输出信号之间的间隔大于500μs,故在START信号到的500μs内, STM32的多脉冲信号输出端Pulse保持低电平,Y输出的就是探测电路的输出端的输出信号,在START 信号到来的500μs后,探测电路的输出端保持低电平,Y输出的就是Pulse端的输出信号,这样便可以保证TDC-GP22的STOP1端可以接收到足够的脉冲数,同时也不影响真正探测到的信号,从而得到正确的测量值㊂图5　测距电路硬件改进原理图软件上需配置STM32,设计时设置STM32的TIM1工作在OnePulse模式,同时配置TIM1的重复计数寄存器的内容为2,这样配置可以另STM32在使能TIM1之后,运行三个设定好的时钟周期自动失能停止㊂配置TIM1为触发模式,TIM1的Channel2为PWM输出,模式为PWM2模式,Channel1配置成输入触发源TI1FP1,即Channel1接收START信号作为触发使能TIM1㊂最后,设置TIM1的计数周期为510μs (510μs×3=1530μs,小于2048μs),由于在PWM2模式下,当计数器中的数值小于比较寄存器中的数值时,PWM输出端输出低电平,否则输出为高电平,所03李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计以设置比较寄存器的数值为509μs对应的值㊂此时,如图6所示,当TIM1的Channel1接收到START 信号被使能后,STM32的PWM输出端Pulse在延时509μs后,输出脉宽为1μs的3个脉冲,相邻的两个脉冲的间隔为509μs㊂这样便可自动完成对TDC-GP22的STOP1端的输入脉冲补充㊂图6　START与Pulse信号时序图保持对TDC-GP22的配置不变,完成上述的改进,接入信号发生器再次模拟前文提到的脉冲丢失的情况㊂当出现脉冲丢失的情况时,TDC-GP22没有发生溢出,读出的数值与理论值接近㊂最后,在软件上加入判断,判断测量值是否大于500μs,如果有数值大于500μs,则说明有脉冲丢失,向上位机发送0,代表有目标超过量程,或是两个目标太近,亦或是未接收到回波㊂4　实验结果将电路的脉冲输入端START和STOP接入信号发生器的两个信号输出端,与START连接的信号每次触发输出一个脉宽500ns的脉冲,与STOP连接的信号每次触发输出三个脉冲,相邻两脉冲间的间隔均为1μs,脉宽500ns,相对于START的触发延时可调㊂测得不同延时下的数据(计算的时间值),如表1所示㊂表1　不同延时条件下测量的时间间隔延时/μs10次平均测量值/ns间隔1间隔2间隔35 10 20 30 40 50 60 70 80 905004.3710004.6420005.2430005.7740006.3150006.8760007.4670008.0480008.6190009.176004.4411004.6821005.3031005.8441006.3751006.9361007.5571008.1081008.6791009.217004.4812004.7622005.3932005.8942006.4352006.9962007.5672008.1782008.7292009.29测量的误差主要来源于电路的传输延时以及TDC-GP22的测量误差㊂从表1的数据可知,TDC-GP22的测量误差随着测量间隔的增大而变大,可以绘制出实际值与误差值的关系图,其变化近似线性,对其进行直线拟合,如图7所示,横轴为实际值r,纵轴为误差值e,单位都为ns,最终可以得到e=0.000056×r+4.085㊂由于测量值t等于误差值加实际值,即t=e+r,因此可以得到测量值与实际值的关系为t=1.000056×r+4.085,从而可以对测量值校准,得到比较准确的结果㊂图7　实际值与误差值关系图电路的测量精度可通过对固定时间间隔的两个脉冲重复测量来得到,如图8,实验重复测量时间间隔为5μs的两个脉冲,绘出测量的波动图㊂由于误差在某点是相对稳定的,从图8可以发现测量值的波动在1ns以内,对应的距离值小于0.15m,故说明该电路稳定性好,精度高㊂为验证实际应用中,收到的激光回波信号数目不等于3的情况下,测距电路测得的数据是否正常,用信号发生器仿真该情况㊂STOP连接的信号每次触发输出数目可变的脉冲,STOP相对于START的触发延时设定为10μs,可以得到如表2的数据,其中,间隔1-4分别代表STOP上第一个到第四个回波脉冲与START上起始脉冲的时间间隔㊂从表2的数据可知,当出现脉冲丢失的情况,即接收到的回波脉冲数小于3时,测距电路得到的数据正常,当回波数目大于等于3时,也可以得到相应的结果,但是不会超过3个,多余的回波被忽略㊂图8　时间间隔为5000ns的测量结果分布图13李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计表2　不同回波脉冲数条件下测量的结果回波脉冲个数信号发生器设定的间隔/μs测量结果/ns间隔1间隔2间隔3间隔41230----000 110---10004.7200 21020--10004.6720005.270 3102030-10004.6520005.3030005.70 41020304010004.7020005.3330005.725　结论为了满足远距离㊁高精度㊁多目标测距的应用需求,设计了一种高精度测距电路,该电路基于分辨率小于100ps的专用时间间隔测量芯片TDC-GP22,可以实现最多三个高精度的脉冲时间间隔测量㊂相对于传统的测距电路,该设计缩小了电路的尺寸,并且软件设计也得到了简化,降低了设计的复杂程度,同时还具有测量范围大㊁精度高㊁分辨率高等优点㊂参考文献[1]　陈超,叶桦,陈晓涛.TDC-GP21在激光测距中的应用[J].工业控制计算机,2017,30(6):127-128. [2]　张彬彬,崔永俊,杨兵.基于TDC-GP21的高精度时间间隔测量系统设计[J].电子器件,2016,39(5):1108-1112.[3]　纪荣祎,赵长明,任学成,等.脉冲激光测距高精度计时系统的设计[J].工矿自动化,2010(8):18-22. [4]　李瑞艳,张春熹,王鹏,等.基于TDC-GP22的脉冲激光测距系统设计[J].半导体光电,2018,39(6):848-852.[5]　李巍.脉冲式激光测距系统的设计及研究[D].北京:北京化工大学,2014.[6]　周宇.脉冲式激光测距仪的研究与设计[D].武汉:华中师范大学,2016.[7]　莫朗,朱建良,薄煜明.基于TDC-GP22的室内定位系统的设计及实现[J].电子设计工程,2017,25(18):168-171.[8]　陈玉.TDC-GP22时间数字芯片关键编程算法研究与实现[J].软件工程,2018,21(8):4-6.[9]　孟宏峰,张浩钧,唐琳,等.高精度时间测量芯片在激光成像系统中的应用[J].制导与引信,2018,39(3):40-42.[10]闫德立,王伟明,靳邵云,等.基于FPGA与TDC-GP22的连续脉冲测距系统研究[J].国防交通工程与技术,2016(4):14-17.[11]余浩,赵旭,苏中.脉冲激光测距中高精度时间测量时钟信号误差补偿[J].激光杂志,2020,41(7):23-26. [12]白雪菲,冯迪,秦川,等.高精度脉冲激光测距系统设计与实验研究[J].激光杂志,2019,40(10):6-10. [13]黄民双,刘晓晨,马鹏.脉冲飞行时间激光测距系统中周期误差补偿[J].红外与激光工程,2018,47(3):229-233.[14]田海军,杨婷,赵杨辉.脉冲激光测距中高精度时间间隔系统设计[J].现代电子技术,2017,40(4):155-158. [15]岱钦,毛有明,吴凯旋,等.脉冲激光测距中高速精密时间间隔测量研究[J].液晶与显示,2015,30(1):83-87.23李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计。

脉冲式激光测距系统设计.

脉冲式激光测距系统设计摘要本文通过对高精度脉冲式激光测距系统的研究，并在参照课题技术指标的基础上，旨在提供一种高精度脉冲式激光测距系统的解决方案，并对脉冲式激光测距仪系统设计中所涉及的脉冲读取与放大电路、时刻鉴别、时间间隔测量等关键技术进行了深入的研究和探讨。

本论文详细讨论了一种可实现高速激光测距的接收电路和计时电路。

实验系统采用APD作为光电传感器，将激光脉冲信号转变为微弱电流脉冲，经过两级放大后，信号变为幅度较大的电压脉冲，经过时点鉴别电路分别确定计时起点和终点后，由计时电路来精确测量两个时间点之间的时间间隔。

关键词:脉冲激光测距，时刻鉴别，TDC-GP2，传递延时，APDPulse laser rangefinder system designAbstract：A high-precision pulse laser rangefinder solution is proposed in this paper through the research of high-precision pulsed laser rangefinder system on the basis of referring to the subject technical indexes. Besides, some key technology involved in pulse laser range finder system design such as pulse reading, amplifying circuit, timing discrimination, time-interval measurement, etc, have been researched and discussed in depth.A type of receiver circuit and timing circuit which can be applied in high-speed laser range- finder is discussed in this paper. After two-level amplification we got a voltage pulse that had a enough amplitude to be applied，the timing point was discriminated by the constant-fraction timing discriminator circuit.Key words: Pulsed Laser Rangefinder,Timing Discrimination,TDC-GP2,Propagation delay,APD目录1 绪论 (1)1.1 课题研究的背景意义 (1)1.2 激光测距机的发展状况 (1)1.3 论文研究的目的、内容 (2)2 脉冲激光测距及测距方程 (3)2.1 脉冲激光测距基本原理 (3)2.2 脉冲激光测距性能方程 (3)2.2.1 脉冲激光测距的测距方程 (3)2.2.2脉冲激光测距的信噪比方程 (7)2.2.3 脉冲激光测距仪的测距性能指标 (10)2.3 激光脉冲飞行时间法的关键技术 (13)2.3.1 时间间隔的测量 (13)2.3.2 起止时刻时间鉴别技术 (13)2.3.3 回波信号探测技术 (14)2.4 激光测距系统结构 (16)2.5 本章总结 (17)3 脉冲激光测距系统激光发射、接收电路设计 (18)3.1 半导体激光器简介 (18)3.2 发射单元电路图 (18)3.3 光电检测传感器的选择 (19)3.4 PD接收单元电路设计 (21)3.5 APD接收单元电路设计 (22)3.5.1 APD反向偏压发生电路 (22)3.5.2 电压控制反馈电路 (25)3.5.3 APD反向偏压发生电路整体 (26)3.5.4 放大电路 (26)3.5.5 定比例时点判别法的原理 (27)4 脉冲激光测距计时电路 (29)4.1 时间数字转换法 (29)4.2 基于 TDC-GP2 高精度时间间隔测量模块设计 (29)4.2.1 TDC 工作原理及功能描述 (29)4.2.2 TDC-GP2 硬件电路设计 (30)4.2.3 TDC-GP2 系统硬件程序设计 (32)4.2.4 TDC-GP2 测量控制流程 (33)5 总结 (36)参考文献 (37)致谢 (40)1 绪论1.1 课题研究的背景意义在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

第17卷第5期2009年5月

光学精密工程

OpticsandPrecisionEngineering Vol.17 No.5

May2009

收稿日期:2008-07-28;修订日期:2008-09-24. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.50275040)

文章编号 1004-924X(2009)05-1046-05脉冲激光测距中高精度时间间隔的测量

宋建辉,袁峰,丁振良(哈尔滨工业大学自动化测试与控制系,黑龙江哈尔滨150001)

摘要:考虑时间间隔测量对脉冲激光测距系统的意义,提出了一种新的高精度时间间隔测量方法。该方法在现场可编程门阵列(FPGA)中实现了脉冲计数法、多相采样法和延迟链法的结合。采用脉冲计数法对被测时间间隔进行/粗值0测量,保证大的动态测量范围。利用FPGA内部锁相环产生N路同频率,相位均匀分布的时钟信号作为计数时钟,基于等精度测频原理,将被测时间间隔的测时分辨率提高到Tclk/N。利用FlipFlop锁存器形成延时链,对被测信号与相邻计数时钟的时间间隔进一步量化。该方法解决了传统多相采样技术中由于倍频次数高导致相移分辨率降低的问题,在不增加计数时钟和有限延迟链数量的前提下,得到较高测时分辨率。测试结果表明,该时间间隔测量模块的动态测量范围为163.8Ls,测时过程相对较短,当进行多次重复测量时,测量的标准误差在71ps以内,基本满足实际应用的精度要求。关键词:激光测距;时间间隔测量;多相采样;延迟链中图分类号:TN247 文献标识码:A

HighprecisiontimeintervalmeasurementinpulsedlaserrangingSONGJian-hui,YUANFeng,DINGZhen-liang(DepartmentofAutomaticTestingandControl,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Thehighaccuracytimeintervalmeasurementisakeytechniquetoapulsedlaserranging.Inthispaper,anewhighprecisiontimeintervalmeasurementmethodcombiningwithapulsecountingmethod,amult-iphasesamplingandadelaymethodisproposedtouseinthemult-ileveltimeintervalmeasurementinaFieldProgrammingGateArray(FPGA).Theplusecountingmethodisusedtorea-lizethecoarsecountertoguaranteealargedynamicrange,andaPhaseLockedLoop(PLL)intheFP-GAisusedtogeneratetheNclockpulseswiththesamefrequencyanduniformdistributionphaseascountingclocks.Basedontheequalprecisionfrequencymeasuring,theresolutionofthetimeconver-sionisimprovedtoTclk/N.Moreover,alatchFlipFlopsisusedtoformadelaychaintomeasurethefinetimeinterval.Experimentsshowthattheproposedmethodhassolvedtheproblemofthetrad-itionalmult-iphasesamplingapproach,towhichphaseshiftresolutionisdecreasedwiththefrequencyincreasing,sothatthefineresolutioncanbeobtainedbylimitingdelaylinesandnoincreaseofcount-ingclocks.Thetestresultsshowthatthemaximummeasuringtimeofthemoduleis163.8Ls,theconversiontimeisshortandthestandarderrorofthemeasurementislessthan71pswhenrepeatedmeasurementsarecarriedout,whichcansatisfytherequirementsofhigherprecisionsystems.Keywords:laserranging;timeintervalmeasurement;mult-iphasesampling;delayline1 引言脉冲激光测距具有测距精度高、测量速度快、重复频率高等优点[1-2],在现代军事及航空航天等领域具有非常广泛的应用,时间间隔的测量精度对激光测距系统有着重要的决定作用[3]。脉冲计数法是高分辨测时最简单、有效的方法,这种方法具有测量范围大、线性好的优点,但是测时分辨率较低。模拟内插法如时间幅度转化法[4]和双扩展内插法[5]可以实现高分辨率,但测量过程耗时较长,且易受系统噪声影响。多相采样技术利用N路同频率,相位均匀分布的时钟信号作为计数时钟,结合等精度测频的原理,可以实现在不增加测量转换时间的前提下,将测量分辨率提高到参考时钟Tclk的1/N,但该方法在FPGA中实现较高倍频时会导致相移分辨率的降低,无法实现较高的精度[6]。延迟链法可以实现对微小时间间隔的测量,测量过程耗时相对较短,适用于连续测量[7-8],缺点是随着测量分辨率的提高,要求延迟线长度越来越短,当测量较大时间间隔时,延迟线数量将大大增加。针对以上几种方法的优缺点,本文提出了一种将脉冲计数法、多相采样法和延迟链法相结合的时间间隔测量方法。该方法可以在FPGA中实现,具有动态测量范围大,测量过程耗时相对较短,以及测时精度较高的优点。2 脉冲激光测距原理脉冲激光测距系统通过脉冲激光器向被测目标发射脉冲宽度极窄的光脉冲,当光脉冲到达被测目标表面后部分能量被反射,根据测量光脉冲从发射到返回接收机的时间t,可以计算出测距机与待测目标之间的距离。其测距公式为:L=ct/2,(1)式中,L为目标距离,c为光速。根据式(1)可以得到脉冲测距精度$L为:$L=c$t/2.(2)由式(2)可知,在光速一定的情况下,时间间隔的测量精度直接影响着激光测距系统的测距精度。因此,实现高精度时间间隔测量成为脉冲激光测距的关键。3 时间间隔测量原理如图1所示,异步信号Start与Stop之间的时间间隔Tx可以表示为整数部分T12和非整数部分T1,T2。并且有以下关系式:Tx=T1+T12-T2.(3)

图1 测时时序图Fig.1 Timingdiagramofconversion

整数部分T12由参考时钟Tclk通过脉冲计数法测得。高精度时间间隔测量的关键在于非整数部分T1,T2。本文采用多相采样技术分别对T1,T2继续测量,将分辨率提高到Tclk/N,然后将被测信号与相邻计数时钟的时间间隔通过延迟链法进一步量化,结构如图2所示。

图2 原理图Fig.2 Schematicdiagram

多相采样器结构图如图3所示,通过FPGA内部相移时钟,得到与参考时钟信号同频的N-1个计数时钟信号,然后在同一计数闸门下对多个计数时钟计数,相当于在两个连续的参考时钟上升沿内插入N-1个同频且相位均匀分布的时钟脉冲,实现将脉冲周期Tclk细分为N等份,每份相当于1个脉冲,其周期为tf=Tclk/N.(4)以信号Start为例,此时Start与相邻参考时钟clk0之间的时间间隔T1被分成整数部分t1和非整数部分ta。如图4所示。

1047第5期宋建辉,等:脉冲激光测距中高精度时间间隔的测量图3 多相采样器结构Fig.3 Architectureofmult-iphasesampler

图4 多相采样时序图Fig.4 Timediagramofmult-iphasesampler

为了得到相邻计数时钟与Start的关系,用Start上升沿采样计数时钟clk0,clkN-1,D0,D1,DN-1是N个两位计数器,当Start信号上升沿位于clki与clki+1之间时,采样结果Di为逻辑-1.,Di+1为逻辑-0.,Si为逻辑-1.,ta为Start与相邻计数时钟clki+1之间的时间间隔,输入到下一级的Clkc是clki+1在Start后的第一个时钟上升沿经整形得到。逻辑控制图如图5所示。此时Start与相邻clk0之间的时间间隔的整数部分t1=(N-i-1)#tf=(N-i-1)#T/N.(5)同样的过程也被应用在测量Stop与相邻计数时钟clk0上升沿之间的时间间隔T2。图5 逻辑控制Fig.5 LogiccontrolStart与Clkc间时间间隔由延迟链进一步量化,如图6所示,本文利用FPGA中FlipFlop锁存器来形成基本逻辑延迟单元,时间测量分辨率由锁存器的延迟时间决定。图6 游标延迟线Fig.6 Vernierdelayline4 测量转换时间分析测量转换时间TM由脉冲计数时间Tpulse、多相采样时间Tmult-iphase、逻辑控制时间Tlogic、延迟链测量时间Tdelay几部分组成。由于多相采样测时与脉冲计数同时进行,因此多相采样时间可以忽略。与脉冲计数时间相比,逻辑控制时间和延迟链测量时间都很小,也可以忽略不计。此时,测量转换时间TM为TM=Tpulse+Tmult-iphase+Tlogic+Tdelay=kTclk+Tlogic+tf=kTclk+Tlogic+Tclk/NUkTclk,(6)式中,k为参考时钟计量个数,与被测时间间隔成线性比例。由式(6)可知,本文提出的时间间隔测量方法与基本脉冲计数法相比并没有增加测量转换时间。

5 测试结果及分析由于计数器的频率受到FPGA的限制,只能实现几百MHz,本文将100MHz参考时钟通过FPGA内部锁相环4倍频后得到400MHz系统时钟。采用16位二进制计数器,最大时间测量范围为163.8Ls。选择4路相移时钟,此时测时分辨率提高到625ps。为了确定测时模块的最小测时分辨率,需要对FPGA中FlipFlop锁存器延时时间进行标定。改变系统时钟周期,同时从输出的编码信

1048 光学精密工程第17卷