基于游标原理的快速高精度脉冲激光测距方法

黄民双; 关在辉

doi:doi:10.3788/CJL201946.0510001

中国激光, 2019, 46 (5): 0510001, 网络出版: 2019-11-11

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A Fast and High-Precision Pulse Laser Ranging Method Based on Cursor Principle

论文大纲

黄民双 ^*关在辉

作者单位

北京石油化工学院光机电装备技术北京市重点实验室, 北京 102617

测量遥感脉冲激光测距脉冲飞行时间正弦基准游标原理 measurement remote sensing pulse laser ranging pulse flight time sinusoidal reference cursor principle

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注：本部分内容由 AI 自动生成，请您知悉。

摘要

提出一种适用于运动目标的快速高精度距离测量方法,通过结合正弦基准时间间隔测量方法与游标时钟控制脉冲发射技术,实现对运动目标的高精度测距。以正弦信号为基准,测量出激光脉冲从测距仪到目标之间的飞行时间,并将其作为估计目标距离的初值;利用游标时钟控制脉冲发射技术,选取正弦信号0点处的线性段作为定时特征点,可以得到高分辨率的测量结果;以该定时特征点对应的游标时刻为脉冲定点发射时刻,通过多脉冲测量取平均值后实现快速高精度测距。实验结果表明:当激光平均功率为1 mW时,在无合作目标的300 m测程内,测距精度为±(3 mm+2×10 -6×D)(D为测量距离),测量时间缩短至5 ms。该测量系统具有结构简单、成本低、容易实现等特点。

Abstract

This study proposes a fast and high-precision distance measurement method suitable for moving targets. By combining the sinusoidal reference time interval measurement method with the vernier clock controlled pulse emission technology, this method could achieve high-precision ranging for moving targets. The time-of-flight of a laser pulse from a range finder to a target is used as the initial value of the estimated distance; this value is measured using a sinusoidal signal as a reference. Using the vernier clock controlled pulse emission technology, the high-resolution measurement can be obtained by selecting a linear segment at zero point of the sinusoidal signal as the timing feature point. The high-accuracy ranging can be realized by averaging multi-pulse measurements based on the vernier moment corresponding to the timing feature point as the time of the fixed-point pulse emission. The experimental results show that for an average laser power of 1 mW, the range accuracy is ±(3 mm+2×10 ^-6×D), where D is the measured distance. Moreover, the measurement time is shortened to 5 ms within 300-m ranging without a cooperation target. The proposed system has a simple structure, is inexpensive, and can be easily implemented.

1 引言

无合作目标脉冲激光测距仪是利用被测目标物体表面的漫反射光,通过激光脉冲从测距仪到目标之间的飞行时间(TOF)来计算距离。与相位法测距仪相比,脉冲激光测距仪更容易实现对较远目标距离的快速测量,可用于汽车防撞、机器人导航、工业现场测量等场合^[1]。

测距精度和测量时间是衡量激光测距仪性能的主要参数指标,其中测距精度主要由定时误差和时间间隔测量误差决定^[2-3]。在脉冲激光测距仪中,回波脉冲信号的幅值是目标距离和目标物体表面漫反射系数的函数,目标距离越远,脉冲幅值越小,其幅值变化范围为1∶10000~1∶100000^[4],因此脉冲幅值变化将引起走离误差。目前,研究人员已采用脉冲峰值^[5]、脉冲上升率^[6]、脉宽^[4]等测量方法对走离误差进行补偿,其单脉冲测距精度达到厘米量级^[7-8]。2018年,本课题组提出一种高频共振的探测方法^[3],在2000 m测程内其测量精度为±(10 mm+10^-5×D)(D为测量距离),这种方法采用多脉冲测量进行平均处理,其定时误差可以达到几皮秒(1 mm目标距离对应的脉冲飞行时间为6.7 ps),但它是对直接采样的脉冲波形进行时间估算,主要存在受时间间隔测量误差的影响较大和测距时间较长的问题。

目前,高精度时间间隔测量主要采用模拟法和数字法。模拟法是利用在脉冲发射和接收这段时间间隔内对电容器充电或放电,通过测量电容器电压幅值变化来计算时间,精度可以控制在100 ps以内,但是这种方法受到电容充电的线性特性、电容漏电、线路板分散电容等因素的影响,往往需要将时间间隔测量模块制作成集成电路,以便依靠集成电路制作工艺来保证时间测量精度,因此,该方法的成本较高,不适合应用于民用测距仪。而数字方法主要是利用门电路的延时来确定时间间隔,存在分散性较大和稳定性较差等问题,实现高精度测量的难度较大。本课题组提出的利用正弦波作为基准时间间隔的测量方法^[9]具有一定优势,因为正弦波是在电路中最容易产生的波形,且具有周期性,但是时间间隔测量误差受到正弦波非线性特性的影响。

为此,本文提出一种基于游标原理的高精度脉冲激光测距方法,该方法以正弦波作为时间测量基准,利用正弦波在零点附近的线性关系进行1000倍以上时间细分,并采用脉冲定点发射技术实现快速距离测量。

2 脉冲发射游标测距方法

2.1 技术方案

基于游标原理的测距方法是一种可同时实现高精度和大量程的测量方法,可以解决精确测量中不同的被测信号幅值差别大而各自变化幅度小,对分辨率要求高的问题,因此适合于对不同距离目标的测量。其基本原理是:采用正弦信号作为主时钟(基准信号),用于对发射脉冲和接收脉冲的时间间隔进行测量;同时,以该时钟为基准产生游标时钟控制脉冲发射时刻;选取正弦信号0点作为游标读数特征点,利用该点附近的线性关系提高测时精度,从而提高距离测量的精度。

如图1所示,将频率为f₀的正弦信号周期划分为N个游标刻度,两相邻刻度的间隔为1/(Nf₀)。在每个游标刻度发射一个脉冲,共发射N个脉冲,假设游标变量n=0,1,2,3,…,N-1,其中n=0对应正弦信号的0相位点。经过游标测量后,取回波信号t_stop在正弦基准0点的采样值作为定时特征点,对应的脉冲发射时刻为t_start,即对n=n_fine的游标点进行计算,测距仪与目标之间的距离可表示为

\begin{matrix} d = \frac{c}{2 N f_{0}} (N \cdot n_{coar} - n_{fine} + Δn), (1) \end{matrix}

式中:c为真空中的光速;n_coar为从n=0时刻到t_stop时刻基准时钟的整周期数,称为粗计数;n_fine和Δn为游标读数(细计数),n_fine为游标数(整数部分);Δn为不足一个游标数的小数部分。

图 1. 基于游标测量的脉冲激光测距原理

Fig. 1. Pulsed laser ranging principle based on vernier measurement

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与现有的游标测距原理不同的是,该方法将一个基准正弦信号同时作为脉冲发射和时间间隔测量基准,并且将控制脉冲发射时刻设置为游标时钟。这样不仅可以避免两个时钟在跟踪过程中产生的相位误差,简化电路结构,而且可以利用正弦波在0点的线性关系对游标刻度的间距作进一步细分,实现1000倍以上的高精度细分测量。

2.2 游标函数重构

脉冲激光发射频率受激光器产品性能和测程的限制,现有的激光测距仪光源主要为半导体激光二极管(LD),这主要是因为LD的价格便宜、稳定性较高。脉冲LD的最大重复频率可超过100 kHz,而正弦基准频率由温度补偿晶体振荡器(TCXO)的性能和电路性能决定,一般在数十兆赫兹,这意味着激光发射周期远大于正弦基准信号周期,不能在一个周期内实现游标测量。考虑到正弦波的周期性,可以通过求模运算来重构游标函数,选取的激光脉冲发射时间间隔为

\begin{matrix} T_{tran} = (L + \frac{1}{N}) \cdot T_{0}, (2) \end{matrix}

式中:L、N均为整数,L为整周期数,N为一个周期内的游标刻度数;T₀=1/f₀为正弦基准信号的周期。

在(2)式中,游标时间间隔对应于正弦基准信号的L+1/N个周期,对N进行求模运算,得到等效的激光脉冲发射间隔:

\begin{matrix} Δ T_{tran} = \frac{1}{N} \cdot T_{0} 。 (3) \end{matrix}

实际上,将激光脉冲发射过程看作是一个狄拉克δ脉冲调制过程,则通过一次发射N个连续脉冲就可以重构出一个周期内的游标函数:

\begin{matrix} a (n) = \overset{N - 1}{\sum_{n = 0}} δ (t - n T_{tran}) = \overset{N - 1}{\sum_{n = 0}} δ (nΔ T_{tran}) 。 (4) \end{matrix}

(4)式所构建的函数a(n)相当于将一个正弦波周期划分为N个游标刻度。

2.3 测距精度改善

距离分辨率由(1)式的测量分辨率Δn决定,在利用正弦波作为测量基准时,由回波脉冲返回时刻触发模拟数字转换器(ADC),采集正弦基准信号的幅值,然后通过反三角函数的运算求出该点的相位,从而得到Δn。ADC的位数N_ADC 决定了正弦信号的幅值细分倍数,距离分辨率Δd可表示为

\begin{matrix} Δd = \frac{c T_{0}}{2} \cdot \frac{1}{2^{NADC + 1}} 。 (5) \end{matrix}

(5)式说明ADC的位数越多,距离分辨率越高,例如正弦时钟频率f₀=15 MHz,若要求距离分辨率Δd=2 mm,由(5)式可知,ADC的位数为12。

实际上,增加ADC的位数并不能提高正弦幅值细分倍数,因为正弦波幅值分辨率还受到正弦波幅值噪声的限制。在测量过程中,光学噪声、电路噪声等都会叠加到被测数据中,导致测量数据具有较大的随机波动性。随机噪声引起的时间抖动如图2所示,正弦信号y(t)在定时点t_P处的斜率可表示为y'(t_P)= $\begin{matrix} {\frac{dy (t)}{dt}|}_{t = tP} \end{matrix}$ ,t为时间,设幅值噪声概率密度是均值等于零、均方根等于σ_N的正态分布,则噪声引起的定时抖动可近似为

\begin{matrix} σ_{t} \approx \frac{σ_{N}}{y' (t_{P})} 。 (6) \end{matrix}

特别地,当t_P点在正弦波的0点或π点时,y'(t_P)=±1;在其他点处,y'(t_P)∈(-1,1)。定时抖动误差σ_t在0点或π点时最小,将定时特征点设置在0点附近,可以获得最大的时间细分倍数。在测距仪电路设计中,正弦基准产生电路通常由晶振电路和简单的RLC(resistance inductance capacitance)并联滤波电路组成,正弦电压幅值信噪比R_SNR只能达到50,噪声将高达0.02(假设信号为1),这个噪声值要比距离分辨率为2 mm时对应的ADC分辨率大20倍左右。可通过多次测量取平均值的方法来提高信噪比,由于信噪比的改善与测量次数的平方根成正比,因此需要对P点进行400次测量,才能将信噪比提高20倍。

图 2. 正弦幅值噪声产生的时间抖动

Fig. 2. Time jitter due to sinusoidal amplitude noise

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正弦基准波形的畸变将σ_N直接转化为系统误差而导致测量精度降低,它是由电路或器件非线性以及其他高频信号的干扰耦合作用产生的,在相位法测距仪中被称为周期误差,需要通过误差补偿^[10]等方法来消除。周期误差具有不确定性,这主要是因为电路参数受温度漂移的影响,将随时间发生变化,但是在很短的时间内,周期误差是确定的,因此在本技术方案中,这一误差可以通过设置参考光路来消除。

2.4 脉冲定点发射

测量精度的提高是以增加测量时间为代价,例如,假设脉冲发射频率f_c=100 kHz,一个周期等分数N=100,对P点的测量次数为400次,则意味着需要游标测量400次,相应的脉冲发射个数为40000个,可计算出单次测量过程需要的数据采集时间为0.4 s,这非常不利于其在诸如机器人导航等领域的应用。因此,基于传统游标原理的方法难以兼顾测距精度和时间的要求,可以通过将测量过程分为两个步骤来解决。

1) 脉冲游标发射。通过一次游标过程测量,确定游标数n_fine。

2) 脉冲定点发射。以游标数为n_fine的延时时间对发射脉冲进行测量,设发射脉冲数为N_pulse,则测量时间为

\begin{matrix} t_{time} = (N + N_{pulse}) \cdot \frac{1}{f_{c}} + t_{proc}, (7) \end{matrix}

式中:等号右边第一项为数据采集时间,第二项t_proc为信号处理时间。

仍然假设f_c=100 kHz,N=100,一次游标测量过程需要发射N个脉冲才能重构一个完整周期的正弦信号,从而确定P点,并在与P点对应的时刻发射400个脉冲。若忽略t_proc,则可计算出测量时间仅为5 ms。

3 实验结果

3.1 实验装置

利用游标原理的脉冲激光测距系统框架如图3所示。该系统主要包括脉冲激光发射、接收通道、定时甄别、时间间隔测量以及控制等部分。TCXO产生正弦信号,该信号经过频率综合器后,一路以固定频率时钟f₀作为时间间隔测量基准输入到采样器,另一路经过倍频、时钟分相和高精度延时器后形成游标时钟,控制激光脉冲发射器所发射的激光,经过目标漫反射后,由接收通道将返回的脉冲激光转化为光脉冲电流,采用高频共振预探测方法将光脉冲电流信号转化为衰减振荡电压输出,然后经过定时甄别器获得精确的定时信号,触发采样器对基准正弦信号进行采样,同时由粗时间测量单元测得基准时钟的整周期数n_coar。

图 3. 脉冲激光测距系统框图

Fig. 3. Block diagram of pulsed laser ranging system

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游标时钟设计是所提脉冲激光测距系统的关键,现有的游标测量方法是将游标时钟频率设计成与基准时钟相差很小的固定频率信号,以这两个频率信号的相位差作为游标刻度。为了实现脉冲定点发射,结合利用时钟分相技术和现场可编程逻辑器件(FPGA)中的专用进位链延时技术来获得游标时钟,具体方法是先对正弦基准频率进行N_doub倍频,利用时钟分相技术获得4N_doub个游标刻度,然后再将每一刻度通过FPGA中的专用进位连线延时细分N_delay倍,一个正弦基准周期划分的刻度数为

\begin{matrix} N = 4 N_{doub} \cdot N_{delay} 。 (8) \end{matrix}

N_doub的取值受到FPGA最高工作频率的限制,而N_delay应选取10以内的数值,以避免进位链太长产生额外误差,在本实验中取N=100,可计算出每刻度延时约0.67 ns,例如美国Altera公司FPGA产品的进位链延时仅0.1 ns左右,通过优化所提系统的设计可以满足游标刻度细分要求。通过游标时钟设计来实现游标测量,从而实现脉冲定点发射,极大地缩短测量时间,这也是本设计不同于现有游标时间测量的又一特点。

在脉冲激光测距光路中设置了参考光路:一是为了消除脉冲在电路中传输时受到的温度漂移影响;二是为了消除周期误差的影响。

在脉冲激光测距仪设计中,选取的关键器件参数如表1所示。

表 1. 关键器件参数

Table 1. Parameters for key components

Class	Parameter	Value
	Oscillation frequency f_nom /MHz	15
TCXO	Frequency stability f_tol /10^-6	±0.5
	Phase noise at 1 kHz offsetR_NF /(dBc·Hz^-1)	-130
	Central wavelength λ_p /nm	870
	Rise time t_r /ns	2
LD	Peak power Φ_ep /W	10
	Maximum repetition rate f_rep /kHz	100
	Capacitance C_d /pF	2
	Resolution /bit	12
	Sampling frequencyf_SAMPLE /MHz	5
ADC	Sample-and-hold aperturedelay time t_AP /ps	-250
	Ample-and-hold aperture delaytime jitter t_jitter /ps	0.6

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3.2 实验验证

为了验证脉冲发射游标原理重构正弦基准信号的可行性,将重构出的正弦基准信号波形与原始基准波形进行比较。图4所示为用美国Agilent公司生产的54642A示波器观测到的正弦基准波形,示波器带宽为500 MHz,采样率为2 GSa/s。图5所示为通过一次游标测量过程重构出的正弦基准波形,在测量过程中,回波脉冲经过定时甄别器得到准确的定时特征点,以此点作为ADC采样时刻点,对正弦基准信号进行采样。可以看出,图5与原始正弦基准波形基本相同。从图4和图5还可看出,正弦基准波形相对于理想的正弦波有较大的随机噪声和波形畸变。

图 4. 用示波器观测到的正弦基准信号波形

Fig. 4. Sinusoidal reference signal waveform observed with oscilloscope

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图 5. 1次游标过程重构的正弦基准信号波形

Fig. 5. Sinusoidal reference signal waveform reconstructed by one vernier process

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图6所示为对50次游标测量过程取平均后重构出的正弦基准波形,与图5所示的结果相比,其信噪比得到显著改善。图6中游标读数值n_fine=6和Δn=0.231,其目标距离为39.4231 m。以脉冲定点发射的方法对同一目标进行测量,其结果与游标方法得到的结果一致。

图 6. 50次游标过程重构的正弦基准信号波形

Fig. 6. Sinusoidal reference signal waveform reconstructed by fifty vernier processes

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在测距仪基线上对所研制的测距系统进行测试,基线上设置了从4 m到50 m的多个目标,目标距离经过测距精度±(1 mm+2×10^-6×D)的相位测距仪进行了校准,同时对测距系统进行校正,并对大气折射率误差进行修正,其测量误差曲线如图7所示。

图 7. 测得的距离误差曲线

Fig. 7. Measured distance error curve

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将研制的测距系统应用于室外测试,测试时的气象条件为低强度阳光、没有热闪烁,以白色柯达灰度尺为目标。在4~300 m范围内设置了多个目标,利用高精度的测距仪进行对比测试,精度评价方式为:对目标点进行5次测量并计算标准偏差,以所有被测目标点中最大标准偏差作为评价精度的指标。测试结果表明:在无合作目标300 m测程内,测距精度为±(3 mm+2×10^-6×D),说明所提出的基于游标原理的脉冲激光测距技术方案是可行的。

5 结论

提出一种基于游标原理的脉冲激光测距方法,其测距原理是通过控制脉冲发射时刻获得游标时钟,并以正弦波为测量基准,其单次测量时间仅为5 ms,测距精度为±(3 mm+2×10^-6×D),该方法既可广泛用于机器人导航、汽车防撞、设备装调等动态测量领域,也可用于大型工程结构(如公路、桥梁)、建筑结构、工业现场等静态测量领域。在高精度脉冲激光测距仪原理样机的研制中,通过结合利用时钟分相技术和FPGA中的专用进位连线延时技术,得到精确的游标时钟;利用正弦波在0点处的线性关系对一个游标刻度作进一步细分,可实现对正弦信号周期进行1000倍以上的时间细分;采用采样频率为5 MHz的ADC芯片,利用欠采样技术对频率约为15 MHz的基准信号进行采样,根据采样信号可重构出正弦基准信号,其测距系统具有结构简单、成本低等优点。对于工业应用来说,需要进一步提高测距精度,以满足设备装调等现场测量的需求。

参考文献

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1 引言

2 脉冲发射游标测距方法

2.1 技术方案

图 1. 基于游标测量的脉冲激光测距原理

Fig. 1. Pulsed laser ranging principle based on vernier measurement

2.2 游标函数重构

2.3 测距精度改善

图 2. 正弦幅值噪声产生的时间抖动

Fig. 2. Time jitter due to sinusoidal amplitude noise

2.4 脉冲定点发射

3 实验结果

3.1 实验装置

图 3. 脉冲激光测距系统框图

Fig. 3. Block diagram of pulsed laser ranging system

表 1. 关键器件参数

Table 1. Parameters for key components

3.2 实验验证

图 4. 用示波器观测到的正弦基准信号波形

Fig. 4. Sinusoidal reference signal waveform observed with oscilloscope

图 5. 1次游标过程重构的正弦基准信号波形

Fig. 5. Sinusoidal reference signal waveform reconstructed by one vernier process

图 6. 50次游标过程重构的正弦基准信号波形

Fig. 6. Sinusoidal reference signal waveform reconstructed by fifty vernier processes

图 7. 测得的距离误差曲线

Fig. 7. Measured distance error curve

5 结论

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1 引言

2 脉冲发射游标测距方法

2.1 技术方案

图 1. 基于游标测量的脉冲激光测距原理

Fig. 1. Pulsed laser ranging principle based on vernier measurement

2.2 游标函数重构

2.3 测距精度改善

图 2. 正弦幅值噪声产生的时间抖动

Fig. 2. Time jitter due to sinusoidal amplitude noise

2.4 脉冲定点发射

3 实验结果

3.1 实验装置

图 3. 脉冲激光测距系统框图

Fig. 3. Block diagram of pulsed laser ranging system

表 1. 关键器件参数

Table 1. Parameters for key components

3.2 实验验证

图 4. 用示波器观测到的正弦基准信号波形

Fig. 4. Sinusoidal reference signal waveform observed with oscilloscope

图 5. 1次游标过程重构的正弦基准信号波形

Fig. 5. Sinusoidal reference signal waveform reconstructed by one vernier process

图 6. 50次游标过程重构的正弦基准信号波形

Fig. 6. Sinusoidal reference signal waveform reconstructed by fifty vernier processes

图 7. 测得的距离误差曲线

Fig. 7. Measured distance error curve

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