一种提高脉冲激光测距中时间测量精度的方法

1、一种提高脉冲激光测距中时间测量精度的方法 第40卷第1期 2010年1月河南大学学报(自然科学版)JournalofHenanUniversity(NaturalScience)Vol.40No.1Jan.2010 虞静1,江虹1,唐丹2 (1.西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621000; 2.中国工程物理研究院,四川绵阳621000) 摘要:脉冲激光测距的应用非常广泛,其中提高测距精度是该项技术的核心之一.为实现脉冲激光测距的高精度,提出一种时间间隔测量的方法.设计采用单片机控制时间测量芯片,对发射脉冲和返回脉冲信号延迟进行测量,同时利用时间测量芯片对测量结果进行自动校准,并采用定比例时

2、点判别可减小信号变化对时点判别的影响.通过定点测量,结果表明该方法简化了器件设计,达到了较高的测距精度,最后分析了影响脉冲激光测距精度的误差的原因. 关键词:脉冲激光测距;时间测量;TDC-GP2芯片;MPS430单片机 中图分类号:TN247 文献标志码:A:-)0018-05AMethodforPrecisioninPulse anging YUJing1,JIANGHong1,TANGDan2 (1.SchoolofInformationEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,MianYang621000,China;

3、2.ChinaAcademyofEngineeringPhysics,MianYang621000,China) Abstract:Thepulselaserrangefinderiswidelyused,inwhichtoimprovetherangingaccuracyisoneofthecoretechnology.Inordertorealizethepulselaserrangefinderaccuracy,thedesignputsforwardakindofmethodoftime-intervalmeasurement.Usingsingle-chipmicrocomputer

4、controltimeoffiringpulsechipstomeasurethedelayoffiringpulseandreturnpulsesignal,thetimemeasurementresultsofchipsautomaticcalibrationisused,atthesametime,theproportionoffixedpointforjudgingcanreducethetimingsignalchanges.Throughmeasurement,dotresultsshowthatthismethodsimplifiesthedevicedesignandachie

5、vehighaccuracy,withtheanalysisoftheinfluenceofthepulselaserrangingaccuracyoferror. Keywords:PulseLaserranging;time-of-flightmeasuring;TDC-GP2chip;MPS430 0引言 激光测距技术与一般光学测距技术相比,具有操作方便、系统简单及受天气影响较小的优点.与雷达测距相比,激光测距具有良好的抗干扰性,高精度和高分辨率,无需合作目标等优点1.常用的激光测距技术2有相位激光测距;三角法激光测距;调频法测距;脉冲激光测距.提高脉冲激光测距系统测量精度关键在于提高实

6、践测量精度.传统的测时方法中采用直接脉冲计数法可通过不断提升晶振频率,提高测量精度,但该方法受晶振器件制作工艺限制,因此实用性不强;另外,采用数模转换法3-4,利用FPGA最小单元实现差分延迟线的方法5等都不能达到某些领域的测量要求. 本文对脉冲测距原理进行分析,阐述了GP2时间间隔测量原理及测量方法,在脉冲激光测距中,要求对飞行时间进行精确的测量.由于测量目标物的距离和反射率的差异,信号往往有幅度和上升时间的变化,这对使计时起点和终点的精确鉴别产生了困难,直接导致飞行时间的测量误差增大,设计采用定比例时点判别收稿日期:2009209220 基金项目:国家863资助项目(2009AA04Z16

7、6) 作者简介:虞静(1984-),女,四川绵阳人,在读硕士研究生.研究方向:通信电路与系统. . 图1系统结构简图 Fig.1Schematicdiagramofsystemstructure 1脉冲测距与时间间隔测量原理及分析 脉冲激光测距的工作过程71.,.在脉冲发射时,用来标定激光发出的起始时间.该信号、.而射向目标的光脉冲,经目标漫反射进入接收探测器,使其停止计时.由此可得激光往返时间. 系统通过测量激光器发射光脉冲与回波脉冲的时间延迟t计算目标距离.其测量公式为 (1)L=C3t/2, 式中,L为目标距离;t为光脉冲往返时间;C为光在空气中传播速度;在光速一定时,测距距离L的精度取

8、决于t.图2为脉冲激光测距的时序图.脉冲飞行时间的公式8如下: (2)t=Ta+NT-Tb, 其中,Ta是开始脉冲上升沿与计数时钟上升沿之间的时间间隔,Tb是结束脉冲上升沿与计数时钟上升沿之间的时间间隔.测量误差即为(Ta-Tb),其最大值为T.用传统方法测时精度较低.因此本文采用TDC2GP2芯片,以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量,图3显示了这种测量绝对时间TDC的主要构架. 此外由于激光回波光脉冲的相位、幅度都会改变,而测量时成形单稳态的阈值和激光取样电脉冲的形状、幅值是基本固定的,这必然会导致误差.这个误差可以通过采用合适的前沿鉴别技术降低,本文采用定点比例判别电路

9、消除误差. 2时间间隔测量的实现 2.1TDC2GP2 输入触发 图2脉冲激光测距的时序图 Fig.2Schematicdiagramofpulsedlaserranging 在本设计中将TDC2GP2芯片作为时间间隔测量芯片,其每一个信号输入端都可以被单独设置成上升沿、下降沿或上下沿触发有效.通过设置register0的bit022(NEG_START,NEG_STOP1,NEG_STOP2) 20河南大学学报(自然科学版),2010年,第40卷第1期和register2的bit19&20,来选择上升沿触发 . 图3TDC的主要构架 Fig.3Themainstructure

10、ofTDC 2.2计算方法选择 TDC单元的测量通道每一次测量可以检测4组脉冲信号,通过对register1的Bit16219(HIT1)以及20223(HIT2)进行设置可定义ALU计算哪两个信号之间的时差.本文选择计算进入两个通道的第一个信号之间的时间差. 2.3测量校准选择 TDC2GP2有两个测量范围,其测量工作全部由1,采用4M时钟作为基准时钟,选用gp2的start.(32位)或者非校准结果16位(测量范围),计算公式如式(3)-(5). ),内部基准时钟等于外部基准时钟除以DIV_CL=1、2、4,寄存器0中第12-13位).校准值由16位整数和16位小数组成.因此一个校准值占用

11、一个结果寄存器.串行输出从最高位(215)开始,以最低位(2216)结束,其中RES_X为测量结果. (3)Time=RES_X×Tref×2ClkHSDiv=RES_X×Tref×N,withN=1,2or4 Time<2×Tref×2ClkHSDiv(4) 如果不进行校准(Calibrate=0),非校准值以16位值的形式被存储在结果寄存器的高字单元.结果寄存器的低字单元被设为0,LSB为单位门电路的延时. (5)Time=RES_X×LSBRES_X×65ps 2.4前沿鉴别电路 由于TDC2G

12、P2I/O口电压范围在1.85.5V,受距离的影响,经过光电转换后达电压不到该幅度9,于是在测量前加入了放大整形电路,但这必然会给测量带来误差.其中在测量过程中上升沿的快慢会直接影响测量部分的精度10.因此在这里采用了延时线路式定点比例判别原理11212,消除了漂移误差,加快输入测量芯片的脉冲信号上升沿.电路图如图4所示.定比例时点鉴别 器将输入信号分成两路,其中一路经过衰减变小,另一路则不衰 减振幅大小,但是经过一段时间延迟,然后将这两路分别送入电 压比较器MAX913的正负输入端,比较器的转态发生于两输入 端信号的相对大小改变的时刻,而且转态的时点受原始输入信号 振幅和上升沿改变的影响较小

13、. 2.5单片机控制测量的程序设计 测量芯片通过其自身的4个SPI接口与单片机进行串行通 信.单片机对其寄存器进行配置,从而选择测量范围和测量算法等.单片机在从gp2读取数据后,可以对数据进一步处理. 单片机是系统的控制核心.设计选用MPS430F135单片机13,该单片机功耗低,运算速度快,并采用C语言对其开发.流程图如图5所示,首先对芯片寄存器进行配置,初始化芯片后,等待测量;测量完成或者测量溢出后单片机都会向芯片读取一组测量数据进行处理,最后返回等待下一次测量.图4前沿鉴别电路Fig.4Constant-fractiontimingdiscriminator 图5单片机程序流程图 Fig

14、.5Flowchartofmainprograminmicrochip 3实验结果及分析 3.1 定点时间晃动测量分析 图6示波器测量数据 Fig.6Testingdatafrom Oscilloscopes 图7时间抖动测量数据Fig.7Testingdataoftimeinterval 通过对Start与Stop1通道中信号进行实时时间间隔测量,得到测量数据.在测量过程中,应考虑温控,尽量减小电压回路与纹波系数,并加快脉冲上升或下降沿.本测试平台电压采用纹波较低的3.6V锂电池供电.首先采用电缆产生固有延迟测量,如图6所示,示波器延迟读数为104.6ns.Start与Stop通道中脉冲幅度

15、分别是3.2V与2.8V(其中ch2为Start1通道,ch3为Stop通道).测量结果见图7.图中横坐标为测量次数,纵坐标为时间间隔读数,时间间隔测量值中最大值为104.67ns,最小值为104.53ns,平均值为104.58ns,最大测量抖动在100ps左右(测量抖动=测量最大值-测量最小值),标准方差为29ps.3.2测距结果 对该时间间隔测量系统进行实测分析.每组测量15次,取平均值,所得数据见表1. 表1时间间隔测量数据 Tab.1Testingdataoftimeintervalmeasurement 时间间隔/ns测量距离/m 测量距离平均数据/m平方误差测量值偏差 101.51

16、.5400.0400.021 152.252.2390.0110.005 2033.0180.0180.015 253.753.7750.0250.010 304.54.4850.0150.032 355.255.2340.0160.041 4066.0120.0120.011 22河南大学学报(自然科学版),2010年,第40卷第1期测距精度是测量值和真实值之间的偏差,其定义为: =(xmi-x)2 NN2,(6) 式中x为真实值(期望值);xmi为第i个测量值.实验数据中的最大均方差为0.041m,则该脉冲激光测距系统单次测距精度为4cm,导致测量精度下降的原因主要有以下几种:(1)由于系

17、统测量通过脉冲的上升沿进行时间间隔测量,如果上升沿慢就会导致测量精度的下降;(2)系统的光接受单元和脉冲整形单元电路所带来的晃动导致精度下降;(3)测量芯片温度和电源纹波系数对测量精度有较大的影响.精度的改进将是本文后续研究的重点. 4结论 本文提出一种提高时间测量精度的方法,利用单片机控制TDC2GP2芯片,并通过芯片门电路延迟单元与高速测量单元进行时间间隔测量.实验结,具有一定的应用价值. 参考文献: 1ZHANGL,QIN,SS,usedinintelligentvehiclesJ.LaserTechnology. 2005,25():-2.激光测距仪M.北京:煤炭工业出版社,1982:

18、64-101,235-259. 3胡以华,魏庆农刘建国,等.采用数模转换技术提高脉冲激光测距的测时精度J.激光技术,1997(3):189-192. 4KaliszJ,PawlowskiM,PelkaR.ErroranalysisanddesignoftheNutttime-intervaldigitizerwithpicosecondresolution JJ.Phys.Sci.Instrum,1987:201330-201341. 5黄震,刘彬.脉冲激光测距中时间间隔测量的新方法J.光电子激光,2006,17(9):1153-1155. 6任明冰.半导体脉冲激光测距机的硬件电路设计D.南京:南京理工大学,2004. 7付宝臣.高精度激光测距仪硬件电路研究D,南京:南京理工大学,2007. 8陈佳夷,伊小素.基于CPLD和单片机的激光测距时间间隔测量J.激光技术,2008,32(4):363-365. 9安毓英,曾晓东.光电探测原理M.第1版.西安:西安电子科技大学出版社,2004. 1