TDC-GP2在激光测距传感器中的应用

　　0　引言

　　脉冲激光测距以其峰值功率高、探测距离远、测距精度高、对光源相干性要求低等优点,在工业、航空航天、大地测量、建筑测量和机器人等领域获得了广泛应用。它一般搭载在空基上,通过分析激光发射单脉冲和回波脉冲之间的往返时间得到传感器和探测目标之间的距离值。因此,要实现高精度的测量,就需要对激光飞行时间间隔进行精确测量。

　　目前,在激光测距上,常用的时间间隔测量方法主要有3种:纯计数法、模拟内插法、数字内插法。纯计数法电路简单,测程长,但精度低,因此一般不单独采用;而模拟内插法可把计数精度提高到ps级别,但由于是基于电容的充放电技术,线性度差,测量时间长,受温度和电磁辐射干扰很大,不适合测距传感器系统的高实时性和恶劣的工作环境;数字内插法基于延时线插入法技术,其单脉冲测量精度高、测量范围大,并可进行高重复测量,因此很适合激光测距传感器[1-3]。

　　由德国ACAM公司基于CMOS工艺设计的一种高精度时间数字转换芯片———TDC-GP2采用的就是延迟线插入法技术,它利用简单逻辑门的传播延迟来精密量化时间间隔,达到了ps级别。它可对两个脉冲或多个脉冲之间的时间间隔进行精确测量,在脉冲激光测距中,精度可以达到1 cm之内,功能也比TDC-GP1多,但价格却低。因此,在应用中有优势[4]。它有两种测量范围: 0~1·8μs(0~270 m)和2Tref~4 ms(75 m~25 km, 4MHz晶振)。每个通道的典型分辨率为65 ps,两种测量范围中,每个单通道分别能响应4个和3个Stop脉冲信号,并具有噪声过滤能力[5]。因此,其不但测距精度高,测量范围也很大。

　　文中基于TDC-GP2芯片,在激光测距传感器中的应用,设计了单通道的时间间隔测量模块,其电路集成度高、功耗低、实现方便、系统稳定,有利于提高脉冲激光测距的测量精度。

　　1　脉冲激光测距传感器系统结构

　　图1为基于TDC-GP2的激光测距传感器结构框图。发射激光器采用Spl pl90半导体激光二极管,波长为905 nm,峰值功率25W.

　　由单片机控制激光驱动电路触发激光器,并通过光学系统聚焦发射激光脉冲,该激光脉冲有一小部分能量透过分光镜直接送到接收系统,作为计时的起始点;大部分光脉冲能量射向待测目标,经目标物漫反射回来的回波信号被接收望远镜接收,接收光直接汇聚在窄带滤波片上,滤波后的接收光在高速雪崩光电二极管(APD)上产生电信号并经过放大整形,作为终止计时的信号;窄带滤光片作用是减少背景光及杂闪光的影响,降低探测器输出信号中的背景噪声。被测目标的距离L可以表示为：

　　由式(2)可知,时间间隔模块的测距精度Δt直接决定了脉冲激光测距传感器的精度ΔL.因此,高精度的时间间隔测量模块已成为脉冲激光测距的关键组成部分[6]。