时幅转换技术及其在激光测距系统中的应用

　　1　引　言

　　众所周知,激光测距广泛采用的方法之一是飞行时间法,它是首先通过发射出光信号,然后测量光信号在被测路程上往返飞行所需的时间Td来测量距离的。因此,被测距离可以表示为

　　式中,c为光速。不难看出,距离测量的精度取决于飞行时间Td的测量精度。飞行时间法一般可以分为三类[2]:脉冲飞行时间法、相移法和线性调频法。在脉冲飞行时间法中,Td是脉冲由发射器发出时刻与回波返回接收器的时刻之间的时间差;在相移法中,Td是由发射器发出的连续周期信号与接受器接受到的回波信号间的相位差换算而来的;线性调频法则是通过发射相对时间线性调频的信号,再测量接受到的信号与发射信号的频差来换算出信号的飞行时间Td。其中脉冲飞行时间法在测量环境适应性、抗干扰能力以及测量速度等方面有许多独特之处,但是它也是测量精度较难提高的方法之一。

　　传统的脉冲测距系统中,通常采用时钟脉冲充填法来测量飞行时间Td。其具体过程为:激光脉冲发射机发出光脉冲(称为主波脉冲),再由接收机接收并放大回波脉冲。在发射和接收过程中,由触发器生成门脉冲,用来控制计数器计数,如图1所示。由于计数时钟的频率f0事先已经知道,换算出周期T0后,只要与计数器中得到的周期数相乘即可得出被测时间间隔。这种方法的测时过程相对简单,但是测量精度和分辨率不易提高。从图1中可以看到,由于主波脉冲的前沿和回波脉冲的前沿相对于时钟的位置是随机的,它们不可能总是正好落在时钟信号的边沿上。而且被测时间间隔随被测距离的变换是连续变化的,它的准确值应该是:

　　而实际测量到的T′d是系统时钟周期的整数倍数nT0,是一个离散的数值。实测值与真实值之间存在一个误差:

　　这个误差是一个随机数,它的取值在-T0～+T0之间。由此不难看出,脉冲填充的方法要想提高测距的精度和分辨率,则必须提高系统内的时钟频率。例如,若要达到±0.5 m的精度和分辨率,则时钟频率需要达到300 MHz。虽然这一精度早在20世纪的70～80年代就已经达到,但是为了进一步提高精度和分辨率,伴随而来的是系统时钟的频率需急剧提高,而当时的技术条件是无法做到的。随着现代微电子技术的发展,特别是20世纪90年代后期出现的基于硅芯片的一些新工艺,以及0.18μm乃至0.1μm超细线宽技术的实用化,虽然可以进一步将脉冲填充法的时钟频率提高到3 GHz,从而使精度和分辨率提高至5 cm,但是,伴随而来的电路板的布线、材料选择、加工等问题和器件本身的价格,都会使系统的成本过高。若按此方法进一步提高精度,从工程和经济角度都将很成问题。因此,单纯靠提高时钟频率提高精度已经不能满足对测量精度日益提高的要求。于是,从20世纪70年代开始,有人另辟蹊径,开始研究对计数周期的细分方法[3～5],也就是本文要介绍的时幅转换法。