一种改进的脉冲式激光测距仪的设计

　　0　引　　言

　　随着技术的进步,激光测距机向着标准化、多功能、高可靠性和小型化的方向发展,追求更高的性价比,更广的应用范围。

　　按实现机理,激光测距仪可分为脉冲式和连续波相位式[1]。脉冲式的优势在于测试距离远,信号处理简单,被测目标可以是非合作的,但其缺点是测量精度并不太高,作用距离一般为数百米至数十千米,距离分辨率在米量级。

　　以脉冲式激光测距仪简单易行的工作原理为基础,本文提出了一种改进方案,提高了它的测量精度和系统的综合性能。

　　1　传统脉冲式激光测距仪的工作原理

　　传统脉冲式激光测距的原理[2]是:由激光器对被测目标发射一个光信号,然后接收目标反射回来的光信号,通过测量光信号往返经过的时间,计算出目标的距离。测量公式为:

　　L = ct/2 (1)

　　式中:L为待测目标的距离,t为光信号往返所花的时间,c为光传播速度。传统脉冲式激光测距仪由激光发射系统,激光接受系统,计数系统(数据采集及信息处理、显示)以及电源共4部分组成[3]。

　　其通常的测量过程为:

　　(1)发射机发射激光脉冲,同时启动计数器开始计数。

　　(2)激光脉冲遇到待测物体,产生回波,并由接收机接收,终止计数器计数。

　　(3)根据计数结果算出被测目标距离。

　　这种方法简单易行,但是测量精度不高。其中主要误差是因为回波脉冲与计数时钟的相对关系是随机的,最大误差为一个计数时钟周期。如图1所示。激光脉冲在测距仪和目标之间的往返传输时间为Tm。

　　计数器输出为N,时钟信号周期为T,测得延迟时间为N×T。在测量过程中,结束时间Te被多加进去了。有下列

　　公式:

　　Tm= N×T-Te

　　所以,要想提高脉冲式测距仪的测距精度,最直接的方法就是提高系统时钟频率[4]。比如系统时钟为3 GHz时,测量精度会达到5 cm。但是,高频带来的电路设计,印刷板的制作难度和成本的急剧提高,使得直接提高系统频率来提高测量精度的方法变得不可取。

　　2　加入模拟处理模块提高测距精度

　　由FPGA[5]组成的数字系统的精度受系统时钟最高频率的制约,为了以较低的系统时钟频率达到较高的测量精度,我们在传统脉冲式激光测距仪的计数系统部分加入了模拟处理模块。

　　电容器件充放电周期稳定,精度高。随着充放电电流大小的改变,达到阈值电平的时间便会相应的变短变长。利用这一特性,采用模数转换技术A/D电路方法来提高激光测距仪的精度[6]。为了测得一个很短时间的值,采用这段短时间内大电流放电,然后以小电流慢慢充电的方法,会使得充电时间对应比例的延长,以较低频率的数字系统的计数器,便可以轻松测得此放大过的时间值,再由对应比例关系求得短时间充电的时间,从而提高测距系统的精确度。