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1、电子测量技术第31卷第6期数据采集ELECTRONICMEASUREMENTTECHNOLOGY2008年6月一种改进的脉冲式激光测距仪的设计彭孝祥张兴敢(南京大学电子科学与工程系南京210093)摘要:脉冲式激光测距仪原理简单,集成化和小型化比较好,采用直接计数激光脉冲延迟时间方法测量距离,精度比较低。本文采用高精度电容的大充放电时间常数比的方法,将待测的微小时间放大,采用较低的时钟精确测量激光脉冲回波与主计数时钟之间小于一个周期的时间间隔,提高了脉冲式激光测距仪的测量精度。本文给出了系统设计框图,实验数据表明,此系统和普通脉冲式
2、激光测距仪相比,距离分辨率提高了20倍。关键词:激光测距;激光脉冲;距离分辨率;FPGA计数中图分类号:TH741文献标识码:ADesignofimprovedimpulselaserrangefinderPengXiaoxiangZhangXinggan(DepartmentofElectronicsScienceandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing210093)Abstract:Impulselaserrangefinderhasasimpletheory,goodintegratio
3、nandminiaturization.Butithasthebadprecision.Thisarticleusesthestimulanttechniquetozoomincapacitancepscharginganddischargingtime.Sothedurationbetweentheechoandthecountingclockcouldbemeasuredbythelowfrequencyclock,whichislessthan1clockcycle.Atlast,itdesignsasystemthatcou
4、ldlargelyimprovetheprecisionofmeasure.Theexperimentresultshowsthattherangeresolvingpowerisequalto30timesofsimpleImpulselaserrangefinder.Keywords:impulselaserrangefinder;laserimpulse;rangeresolvingpower;FPGAcounter为光传播速度。0引言传统脉冲式激光测距仪由激光发射系统,激光接受系随着技术的进步,激光测距机向着标准化、多功能、
5、高统,计数系统(数据采集及信息处理、显示)以及电源共4[3]可靠性和小型化的方向发展,追求更高的性价比,更广的部分组成。应用范围。其通常的测量过程为:按实现机理,激光测距仪可分为脉冲式和连续波相位(1)发射机发射激光脉冲,同时启动计数器开始计数。[1]式。脉冲式的优势在于测试距离远,信号处理简单,被(2)激光脉冲遇到待测物体,产生回波,并由接收机接测目标可以是非合作的,但其缺点是测量精度并不太高,收,终止计数器计数。作用距离一般为数百米至数十千米,距离分辨率在米(3)根据计数结果算出被测目标距离。量级。以脉冲式激光测距仪简单易行的工
6、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[2]图1误差产生原理示意图传统脉冲式激光测距的原理是: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,通这种方法简单易行,但是测量精度不高。其中主要误过测量光信号往返经过的时间,计算出目标的距离。测量差是因为回波脉冲与计数时钟的相对关系是随机的,最大公式为:误差为一个计数时钟周期。如图1所示。L=ct/2(1)激光脉冲在测距仪和目标之间的往返传输时间为Tm。式中:L为待测目标的距离,t为光信号往返所花的时间,c
7、·133·第31卷电子测量技术计数器输出为N,时钟信号周期为T,测得延迟时间为N×将小电流的元件参数Rb,Cb,T2,代入式(2)可以测得T。在测量过程中,结束时间Te被多加进去了。有下列电压值Vx。公式:将Vx和大电流的的元件参数Ra,Ca代入式(3)可以求Tm=N×T-Te得大电流放电的时间T1。所以,要想提高脉冲式测距仪的测距精度,最直接的电路实现如图3所示。[4]方法就是提高系统时钟频率。比如系统时钟为3GHz时,测量精度会达到5cm。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
8、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[5]由FPGA组成的数字系统的精度受系统时钟最高频图3充放电电路率的制约,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等待状态,K1,
