一种用fpga提高激光测距精度的改进方法_雷志勇

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1、第３２卷第５期西安工业大学学报Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．５２０１２年０５月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ’ａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＭａｙ．２０１２文章编号：１６７３－９９６５（２０１２）０５－３６１－０６＊一种用ＦＰＧＡ提高激光测距精度的改进方法雷志勇１，李永昌１，刘星２，雷鸣１（１．西安工业大学电子信息工程学院，西安７１００３２；２．西北工业集团有限公司，西安７１００４８）摘要：为了提高脉冲激光测距系统的测距精度，文中提出了一种应用ＦＰＧＡ技术对脉冲激光测距系统的改进方法．在研究传统的激光测距技术的基础上，采用ＦＰＧＡ作为系统主控芯片，通过ＤＣＭ倍

2、频技术对系统时钟频率进行管理，控制激光发射器的脉冲发射频率，对激光探测器接收到的回波信号进行峰值检测处理．分析了时间间隔测量误差、激光脉冲宽度与Ａ／Ｄ转换速率等影响测距精度的因素．实验结果表明改进后的激光测距系统，在ＦＰＧＡ全局时钟频率为３００ＭＨｚ，测量距离为１００ｍ时，测距精度能够达到０．８ｍ．关键词：激光技术；脉冲激光测距；测距精度；ＦＰＧＡ；误差分析中图号：ＴＮ２４９文献标志码：Ａ脉冲激光测距技术是一种将激光技术、电子技快、体积小、功耗低、系统操作简单、成本低廉等特术、光学技术与通信技术相互融合为一体的综合性点，可以很好的与激光测距技术相结合．文献［４

3、－５］［１］技术．与传统测距技术相比，脉冲激光测距以其中提出的基于ＦＰＧＡ的激光定距系统信号处理方探测距离远、测距精度高、对光源相干性要求低等案设计，采用ＡＬＴＥＲＡ公司的大规模可编程门阵优点，在航空航天、大地测量、建筑测量和机器人等列ＦＰＧＡ作为控制核心，实现激光脉冲的发送控［２］领域获得了广泛应用．制、回波信号的检测、ＰＬＬ的锁相倍频以及高速的传统的脉冲激光测距技术通常由激光发射器可控制计数功能．这种利用内部ＰＬＬ的锁相倍频对准目标发射一个激光脉冲，然后由探测系统接收技术，也可以运用在脉冲激光测距系统中用来提高从目标反射回来的回波脉冲，通过测定脉冲在待测测

4、距精度．［１］距离上往返时间与光速来确定待测目标距离，测本文在汲取文献［２，４－５］脉冲激光测距法和文距脉冲在待测距离上往返时间的精度则决定着脉献［６］中峰值检测技术的基础上，提出了一种利用冲激光测距系统的测距精度．文献［２］中基于单片ＦＰＧＡ技术对脉冲激光测距系统的改进方法，并对机的脉冲激光测距系统，采用单片机作为测定脉冲新的脉冲激光测距系统误差进行了分析．在待测距离上往返时间的计数单元．但由于单片机一般使用的外部晶振时钟频率较低，所以测距精度１激光测距系统的改进受到限制．随着电子技术的快速发展，现场可编程１．１激光测距原理门阵列（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍ

5、ａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ，ＦＰＧＡ）、脉冲激光测距法的原理是利用脉冲激光发射复杂可编程逻辑器件（ＣｏｍｐｌｅｘＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ器向目标发射激光脉冲信号，利用计数器测量激光ＬｏｇｉｃＤｅｖｉｃｅ，ＣＰＬＤ）等高性能集成芯片越来越多的应用于激光测距系统中．有一些研究者提出了基脉冲到达目标并由目标返回到激光探测器的往返［３］时间，由此计算目标的距离．设ｃ为光速，ｔ为测距于ＣＰＬＤ的相位激光测距法，通过利用脉冲填充法提高了测距精度．然而ＦＰＧＡ具有运算速度时间，ｎ为计数器测得计数时钟脉冲个数，ｆ为计数＊收稿日期：２０１１－１２－１２基金资助：国家自然基金项目

6、（６１１０７０７９）作者简介：雷志勇（１９６２－），男，西安工业大学教授，主要研究方向为计算机测控、智能传感与信息融合．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｅｉｚｈｉｙｏｎｇ＠ｘａｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．３６２西安工业大学学报第３２卷器时钟频率，Ｒ为理论测量距离，则有不断进步，提供系统时钟频率根据需求也在提高，Ｒ＝ｃｔ／２（１）在一定程度上解决了激光测距精度受到时钟频率由计数器所得到的脉冲个数ｎ除以计数器时限制问题，使激光测距系统测距精度得到提高．文钟频率ｆ得到测距往返时间ｔ为中的脉冲激光测距系统采用ｘｉｌｉｎｘ公司的ｔ＝ｎ／ｆ（２）Ｓｐａｒｔａｎ－３ＡＮ系列ＦＰＧＡ作为主控芯片，通

7、过将式（２）代入式（１）中，可知计数器所得到的ＤＣＭ模块管理系统时钟频率，并控制激光发射器系统理论测量距离为的发射频率，同时对激光探测器接收到的回波信号Ｒ＝ｃｎ／２ｆ（３）进行峰值检测处理，从而提高计数器的计数准确由式（３）可知，只要得到时钟频率ｆ和计数脉性，进而提高测距系统的测距精度．脉冲激光测距冲个数ｎ，即可计算出理论测量距离Ｒ．系统主要由激光发射器、激光探测器、模拟／数字转１．２系统方案设计换（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ，Ａ／Ｄ）、驱动器、晶振和ＦＰＧＡ［７－８］模块６部分构成，如图１所示．随着ＦＰＧＡ芯片ＰＬＬ技术和ＤＬＬ技术的图１基于ＦＰＧＡ的脉冲

8、激光测距系统框图Ｆｉｇ．１Ｂｌｏｃｋｄ