脉冲激光测距基本原理

脉冲激光测距是一种以测量激光飞行时间差而获得测量距离的一种测距手段。其优点在于测距原理简单，测量距离远。即使测距目标是非合作的也能很好地完成测距[1]。因此目前市场上民用的手持式和便携式测距仪基本上都使用这种原理，如图1。

图1   脉冲激光测距原理图

脉冲激光测距系统主要由四个部分组成：激光发射模块、激光接收模块、光机结构和计时处理模块。首先由驱动电路驱动激光二极管发射激光，经准直系统后射向目标，同时用分光器取出一部分脉冲信号送入接收系统作为参考。光电探测器将激光脉冲转化为电脉冲信号，这时启动计数器开始计时。经过一段时间后，通过光学系统将回波信号汇聚在探测器上；在接收电路中使用AD8367构建自动增益控制（AGC）前置放大器，为高通阻容时刻判别法提供稳定的信号输入。经过处理后的脉冲信号进入计时电路，计时停止。测距公式如式（1）所示，式中d表示距离，v表示光速，t表示激光飞行的时间 [1]。

 ( 1 )

在脉冲激光测距系统中，测距的精度除了与计时的方法、时间差测量模块有关外，还和光学器件的灵敏度、目标的反光能力、光传输媒介、激光峰值功率、激光发散度等因素有关。在应用条件中，被测目标和传输媒介一般是确定的，那么我们就可以根据应用条件来优选发射器（波长，光束能量，驱动条件等）和接收器（灵敏度，带宽，响应等）[2]。提高激光脉冲的峰值功率和接收系统的信噪比，测距工作距离会相应增加，同时也会提高计时精度。

回波信号AGC电路的设计

由于高通阻容法在实际应用中受到众多的限制，因此本文应AD8367构建回波信号自动增益控制电路，改善计时信号输出的稳定性。AD8367是基于AD公司X-AMP专利架构，从低频到几百兆赫兹，45dB线性可调的高性能放大器。它可以配置成50dB增益的传统压控增益放大器（VGA），也可以通过内置的平方率检波器配置成AGC放大器，如图2，AD8367在此模式下应用了内部精确的平方率检波器。输出控制信号的极性取决于检波输出与内部“设定点”354 mV的比较[3]。

图2   AD8367 AGC电路原理图

脉冲激光测距时刻判别

高通阻容时刻判别法

在脉冲测距中存在两大难题：计时精度和判别时刻的选定。随着TDC系列计时芯片[4]的发展，计时精度已经得到了较好的解决。在不同的系统中，判别时刻的选择对测距精度起着至关重要的作用。目前脉冲激光测距的判别法主要有以下三种：前沿时刻判别法、恒比定时法和高通阻容法[5]。

前沿时刻判别法电路设计简单，适用于精度要求不高的场合；恒比定时法电路设计复杂，在较苛刻的条件下难以保证稳定性；因此，现在主流使用高通阻容法，其工作原理[5]如图3所示。

图3   高通阻容法的原理图

高通定时法是将放大电路输出单极性的起止信号脉冲通过高通滤波器，将原来的极值点转变为零点，双极性输出信号的过零点即为定时点。脉冲信号经传输和反射后，随着距离的改变和外界条件的不同，其信号幅度会改变，但其峰值却是不会改变的。将接收回来的信号经过一个高通阻容滤波电路，由于微分效应，钟形回收信号转化为近似正弦信号，其峰值转化为零点，因此接收信号不再和信号幅度相关，使用该方法的漂移误差在3.5ps(对应0.5mm的测距精度)。

基于LD振荡统计的时刻判别法

高通阻容法虽然能够很好地控制微分漂移，但这是在输入信号可靠的前提下，才能为计时系统提供可靠的判决。在实际应用中，由于外界环境和电路等因素的影响，会使高通阻容电路的输入信号发生一定的漂移、抖动和畸变等。这些都制约了脉冲激光测距精度的提高。如图4接收器信号（绿色），这样的输入信号将严重制约高通阻容电路的可靠工作。为此将接收信号通过AGC电路提高稳定性，改善信噪比。很明显AGC输出信号（黄色）得到了很大的改善。图5 阐述的是AGC提供的输入信号（黄色）经过高通阻容，得到了稳定的、漂移小的输出判别时刻信号（绿色）。计时电路中的起始信号和结束信号为相对应的脉冲。

图4   LD振荡信号的输出波形   

图5  连续信号高通阻容法输出波形

上述AGC电路虽然改善了信号的漂移，提高了稳定性，但是单周期高斯脉冲的漂移、抖动和畸变等都会影响到AGC电路的输出。因此本文在研究半导体激光器振荡发射激光的基础上，提出多周期统计补偿的方案来提高计时分析的稳定性和可靠性。理论上说，激光器每个单独的振荡周期是高斯分布的离散信号，以单个周期进行计时势必会引入离散误差。因此可以通过多个周期的累加统计来减少离散误差。

本设计使用TDC-GP2作为计时电路，单次工作周期可以4次计时。因此可以在多周期计时中，对指定的4个周期计时，将它们统计平均后作为输出，一定程度上提高了计时精度。

实验验证

图6为未经统计平均计时输出的结果，由图可看出测试的结果存在2ns左右的离散误差，因此还是存在一定的缺陷与不足。

图6  单周期未统计平均计时输出结果

单次测距存在2ns左右的误差，这在一定程度上限制了脉冲激光测距仪的性能，影响了测距精度和应用范围。为了克服这一不足，本文采用多周期统计平均的方法。图7是多周期4次统计平均计时输出的结果，从图中可以看出该方法能够很好地将计时离散误差减小到1ns，往返程的误差只有0.5ns(15cm)。这样已经能够应用到某些工业测距控制上。

图7   四次统计平均计时输出结果

利用LD振荡，应用统计平均算法，消除了一定的计时离散误差，提高了测距精度。为短距离、低成本的测距应用提供了一种可行的设计方案。

2014年福建省产业技术联合创新专项《物联网芯片的研发及应用产业化》(闽发改高技[2014]514号)

（作者单位：福建师范大学）

参考文献：
 [1] 吴刚, 李春来, 刘银年等. 脉冲激光测距系统中高精度时间间隔测量模块的研究[J]. 红外与毫米波学报, 2007, 26(3).
 [2] 史芪纬. 脉冲式激光测距系统的研究[D]. 南京理工大学, 2013.
 [3] AD8367 数据手册.
 [4] AC AM Inc．TDC-GP2用户手册.
 [5] 张春燕. 提高脉冲激光测距的测程研究[D]. 南京理工大学, 2008.

《中国自动识别技术》2015年第6期