一種基于激光脈沖飛行時(shí)間測(cè)量的測(cè)距方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于激光脈沖飛行時(shí)間測(cè)量的測(cè)距方法，它基于同步時(shí)鐘脈沖測(cè)量法，引入自適應(yīng)斜率調(diào)整斜坡發(fā)生器和差分放大電路，不僅可準(zhǔn)確測(cè)量出激光脈沖飛行時(shí)間中與系統(tǒng)時(shí)鐘同步部分的時(shí)間長度，而且能高精度測(cè)量出其與系統(tǒng)時(shí)鐘不同步部分的時(shí)間長度，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離的精確測(cè)量。它將激光發(fā)射時(shí)刻與下一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘上升沿之間的時(shí)間差ta和激光返回時(shí)刻與下一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘上升沿之間的時(shí)間差tb，分別線性轉(zhuǎn)換成電壓V1和V2，經(jīng)差分放大和AD轉(zhuǎn)換后，輸出與ta-tb成線性比例的數(shù)字量，能有效避免由于數(shù)據(jù)截?cái)嘁氲挠?jì)算誤差，并通過斜坡發(fā)生器自適應(yīng)斜率調(diào)整有效減小由于電路非線性等因素引入的測(cè)量誤差，適用于高精度要求的測(cè)距場(chǎng)合。
【專利說明】一種基于激光脈沖飛行時(shí)間測(cè)量的測(cè)距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于激光測(cè)距領(lǐng)域，具體涉及一種通過精確測(cè)量激光脈沖飛行時(shí)間實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離高精度測(cè)量的方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]激光脈沖由于具有瞬間功率大、平均功率小的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于基于飛行時(shí)間測(cè)量的激光測(cè)距裝置中。它利用激光器對(duì)目標(biāo)發(fā)射激光窄脈沖，通過直接測(cè)量激光脈沖往
返飛行時(shí)間Λ t，獲取目標(biāo)距離L = CxΔt/2，其中C是光速3X 108m/s.




[0003]測(cè)距精度是激光測(cè)距技術(shù)的最重要評(píng)估指標(biāo)之一，而基于飛行時(shí)間測(cè)量的激光脈沖測(cè)距技術(shù)的測(cè)距精度主要受制于飛行時(shí)間的測(cè)量精度，例如為實(shí)現(xiàn)0.1m的測(cè)距精度，則激光脈沖飛行時(shí)間的總體測(cè)量誤差須控制在0.67ns以內(nèi)，這對(duì)飛行時(shí)間測(cè)量技術(shù)提出很高的要求。
[0004]參見附圖1，可知閘門/[目號(hào)寬度Δ t = W+(ta_tb) =NT+(ta_tb)。傳統(tǒng)的飛行時(shí)間測(cè)量方法基于恒定頻率時(shí)鐘源，統(tǒng)計(jì)閘門信號(hào)高脈沖期間計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值N，計(jì)算出脈沖飛行時(shí)間:t = NT，顯然這存在很大測(cè)量誤差Λ = At-t = ta_tb，只能適用于對(duì)測(cè)距精度要求比較低的應(yīng)用場(chǎng)合。隨著時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，人們開始嘗試基于數(shù)字計(jì)數(shù)法，通過結(jié)合不同的插入法測(cè)量出1和tb，修正計(jì)數(shù)結(jié)果，提高測(cè)量精度。目前，比較成熟的插入法主要有三種:差頻測(cè)相插入法、延遲插入法和模擬插入法。相比于延遲插入法和差頻測(cè)相插入法，模擬插入法因其測(cè)量精度高、測(cè)距盲區(qū)小、體積小而得到更廣泛的應(yīng)用。但是，由于受數(shù)據(jù)末尾截?cái)?、電路非線性現(xiàn)象等影響，模擬插入法測(cè)量精度仍存在提升空間。
[0005]本發(fā)明引入自適應(yīng)斜率調(diào)整斜坡發(fā)生器和差分放大電路，高精度測(cè)量出ta_tb，能有效抑制由于數(shù)據(jù)末尾截?cái)?、電路非線性現(xiàn)象引起的測(cè)量誤差，提高模擬插入法測(cè)量精度，滿足人們對(duì)測(cè)距精度越來越高的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本發(fā)明的目的在于公開一種基于激光脈沖飛行時(shí)間測(cè)量的測(cè)距方法，它將激光脈沖飛行時(shí)間分割成時(shí)鐘同步部分和時(shí)鐘非同步部分，能準(zhǔn)確測(cè)量與時(shí)鐘同步部分的激光脈沖飛行時(shí)間長度，并可高精度測(cè)量出與時(shí)鐘非同步部分的激光脈沖飛行時(shí)間長度，整合后可獲取目標(biāo)距離，實(shí)現(xiàn)簡單，并滿足高精度應(yīng)用需求。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明方法包括以下步驟:
[0008](I)主控制器發(fā)出發(fā)射命令，觸發(fā)激光發(fā)射單元發(fā)射激光脈沖，同時(shí)觸發(fā)時(shí)刻鑒別單元輸出起始脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)上升沿時(shí)刻對(duì)應(yīng)激光脈沖往返飛行的起始時(shí)刻；
[0009](2)激光接收單元接收激光回波脈沖，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、濾波放大等處理后，觸發(fā)時(shí)刻鑒別單元輸出終止脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)的上升沿時(shí)刻對(duì)應(yīng)激光脈沖往返飛行的終止時(shí)刻；[0010](3)閘門信號(hào)發(fā)生器接收起始脈沖信號(hào)和終止脈沖信號(hào)，輸出閘門信號(hào)S，該閘門信號(hào)脈沖寬度即為激光脈沖飛行時(shí)間長度At，具體步驟如下:
[0011](3-1)檢測(cè)起始脈沖信號(hào)上升沿，以起始脈沖信號(hào)上升沿為觸發(fā)事件，觸發(fā)生成閘門信號(hào)S的上升沿；
[0012](3-2)檢測(cè)終止脈沖信號(hào)上升沿，以終止脈沖信號(hào)上升沿為觸發(fā)事件，觸發(fā)生成閘門信號(hào)S的下降沿；
[0013](4)閘門信號(hào)分割電路以閘門信號(hào)上升沿后的第一個(gè)時(shí)鐘上升沿和閘門信號(hào)下降沿后第一個(gè)時(shí)鐘上升沿為分割點(diǎn)，將閘門脈沖分割成三個(gè)脈沖P1、P2、P3，其脈寬分別記為ta、W、tb，則脈沖信號(hào)P1、P3的寬度差ta-tb，即為閘門信號(hào)非時(shí)鐘同步部分時(shí)間長度，而脈沖信號(hào)P2的寬度W，即為閘門信號(hào)時(shí)鐘同步部分時(shí)間長度，具體步驟如下:
[0014](4-1)檢測(cè)閘門信號(hào)的上升沿，以閘門上升沿為觸發(fā)事件，觸發(fā)生成第一個(gè)脈沖信號(hào)Pl的上升沿；
[0015](4-2)在閘門信號(hào)的上升沿之后的系統(tǒng)時(shí)鐘第一個(gè)上升沿到來時(shí)刻，觸發(fā)生成第一個(gè)脈沖信號(hào)Pl的下降沿及第二個(gè)脈沖信號(hào)P2的上升沿；
[0016](4-3)檢測(cè)閘門信號(hào)的下降沿，以閘門下降沿為觸發(fā)事件，觸發(fā)生成第三個(gè)脈沖信號(hào)P3的上升沿；
[0017](4-4)在閘門信號(hào)的下降沿之后的系統(tǒng)時(shí)鐘第一個(gè)上升沿到來時(shí)刻，觸發(fā)生成第二個(gè)脈沖信號(hào)P2的下降沿及第三個(gè)脈沖信號(hào)P3的下降沿；
[0018](5)激光脈沖飛行時(shí)間中非時(shí)鐘同步部分時(shí)間長度測(cè)量，得ta_tb，具體步驟如下:
[0019](5-1)產(chǎn)生斜坡:P1脈沖上升沿觸發(fā)充電電流對(duì)基本斜坡發(fā)生電路中高精度充電電容充電，產(chǎn)生線性斜坡信號(hào)，記此時(shí)充電電流和電容值分別為IvC1 ；
[0020](5-2)鎖存電壓:P1脈沖下降沿觸發(fā)將斜坡發(fā)生器輸出電壓V1鎖存至差分放大電路輸入端，斜坡發(fā)生電路復(fù)位，充電終止，具體關(guān)系如下:
[0021]
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光脈沖飛行時(shí)間測(cè)量的測(cè)距方法，其特征在于包括以下步驟: (1)主控制器發(fā)出發(fā)射命令，觸發(fā)激光發(fā)射單元發(fā)射激光脈沖，同時(shí)觸發(fā)時(shí)刻鑒別單元輸出起始脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)上升沿時(shí)刻對(duì)應(yīng)激光脈沖往返飛行的起始時(shí)刻； (2)激光接收單元接收激光回波脈沖，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、濾波放大等處理后，觸發(fā)時(shí)刻鑒別單元輸出終止脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)的上升沿時(shí)刻對(duì)應(yīng)激光脈沖往返飛行的終止時(shí)刻； (3)閘門信號(hào)發(fā)生器接收起始脈沖信號(hào)和終止脈沖信號(hào)，輸出閘門信號(hào)S，該閘門信號(hào)脈沖寬度即為激光脈沖飛行時(shí)間長度Δt，具體步驟如下: (3-1)檢測(cè)起始脈沖信號(hào)上升沿，以起始脈沖信號(hào)上升沿為觸發(fā)事件，觸發(fā)生成閘門信號(hào)S的上升沿； (3-2)檢測(cè)終止脈沖信號(hào)上升沿，以終止脈沖信號(hào)上升沿為觸發(fā)事件，觸發(fā)生成閘門信號(hào)S的下降沿； (4)閘門信號(hào)分割電路以閘門信號(hào)上升沿后的第一個(gè)時(shí)鐘上升沿和閘門信號(hào)下降沿后第一個(gè)時(shí)鐘上升沿為分割點(diǎn)，將閘門脈沖分割成三個(gè)脈沖P1、P2、P3，其脈寬分別記為ta、W、tb，則脈沖信號(hào)P1、P3的寬度差ta-tb，即為閘門信號(hào)非時(shí)鐘同步部分時(shí)間長度，而脈沖信號(hào)P2的寬度W，即為閘門信號(hào)時(shí)鐘同步部分時(shí)間長度，具體步驟如下: (4-1)檢測(cè)閘門信號(hào)的上升沿，以閘門上升沿為觸發(fā)事件，觸發(fā)生成第一個(gè)脈沖信號(hào)Pl的上升沿； (4-2)在閘門信號(hào)的上升沿之后的系統(tǒng)時(shí)鐘第一個(gè)上升沿到來時(shí)刻，觸發(fā)生成第一個(gè)脈沖信號(hào)Pl的下降沿及第二個(gè)脈沖信號(hào)P2的上升沿； (4-3)檢測(cè)閘門信號(hào)的下降沿，以閘門下降沿為觸發(fā)事件，觸發(fā)生成第三個(gè)脈沖信號(hào)P3的上升沿； (4-4)在閘門信號(hào)的下降沿之后的系統(tǒng)時(shí)鐘第一個(gè)上升沿到來時(shí)刻，觸發(fā)生成第二個(gè)脈沖信號(hào)P2的下降沿及第三個(gè)脈沖信號(hào)P3的下降沿； (5)激光脈沖飛行時(shí)間中非時(shí)鐘同步部分時(shí)間長度測(cè)量，得ta-tb，具體步驟如下: (5-1)產(chǎn)生斜坡:P1脈沖上升沿觸發(fā)充電電流對(duì)基本斜坡發(fā)生電路中高精度充電電容充電，產(chǎn)生線性斜坡信號(hào)，記此時(shí)充電電流和電容值分別為Ic1、C1 ； (5-2)鎖存電壓:P1脈沖下降沿觸發(fā)將斜坡發(fā)生器輸出電壓V1鎖存至差分放大電路輸入端，斜坡發(fā)生電路復(fù)位，充電終止，具體關(guān)系如下: V1=IC1/C1 ta(1) (5-3)斜坡發(fā)生器自適應(yīng)斜率調(diào)整:P1下降沿還觸發(fā)斜坡發(fā)生器自適應(yīng)斜率調(diào)整過程，即在固定時(shí)間Tf/2內(nèi)，以電流Icf對(duì)充電電容Cf充電，將Tf/2時(shí)刻的輸出電壓Vf反饋到斜率控制電路輸入端，通過與基準(zhǔn)電壓VMf比較，產(chǎn)生校正電壓信號(hào)，控制電路中充電電流的大小，進(jìn)一步調(diào)整輸出斜坡信號(hào)的斜率，其中Icf、Cf分別為此時(shí)電路中充電電流和電容值。取Tf = T，以系統(tǒng)時(shí)鐘作為控制輸入，控制斜坡發(fā)生器斜率調(diào)整過程，記調(diào)整后斜坡斜率為K1，則斜坡發(fā)生器輸出電壓V與輸入脈沖作用時(shí)間t滿足如下關(guān)系: V = K1×t (2) 可近似認(rèn)為:
【文檔編號(hào)】G01S17/08GK103913749SQ201410120997
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】岳娟, 葛軍, 李范鳴, 黃猛, 張馳, 岳振 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所