一种基于激光脉冲飞行时间测量的测距方法

摘要

本发明公开了一种基于激光脉冲飞行时间测量的测距方法，它基于同步时钟脉冲测量法，引入自适应斜率调整斜坡发生器和差分放大电路，不仅可准确测量出激光脉冲飞行时间中与系统时钟同步部分的时间长度，而且能高精度测量出其与系统时钟不同步部分的时间长度，实现目标距离的精确测量。它将激光发射时刻与下一个系统时钟上升沿之间的时间差t_a和激光返回时刻与下一个系统时钟上升沿之间的时间差t_b，分别线性转换成电压V₁和V₂，经差分放大和AD转换后，输出与t_a-t_b成线性比例的数字量，能有效避免由于数据截断引入的计算误差，并通过斜坡发生器自适应斜率调整有效减小由于电路非线性等因素引入的测量误差，适用于高精度要求的测距场合。

主权项

一种基于激光脉冲飞行时间测量的测距方法，其特征在于包括以下步骤：（1）主控制器发出发射命令，触发激光发射单元发射激光脉冲，同时触发时刻鉴别单元输出起始脉冲信号，该脉冲信号上升沿时刻对应激光脉冲往返飞行的起始时刻；（2）激光接收单元接收激光回波脉冲，进行光电转换、滤波放大等处理后，触发时刻鉴别单元输出终止脉冲信号，该脉冲信号的上升沿时刻对应激光脉冲往返飞行的终止时刻；（3）闸门信号发生器接收起始脉冲信号和终止脉冲信号，输出闸门信号S，该闸门信号脉冲宽度即为激光脉冲飞行时间长度Δt，具体步骤如下：（3‑1）检测起始脉冲信号上升沿，以起始脉冲信号上升沿为触发事件，触发生成闸门信号S的上升沿；（3‑2）检测终止脉冲信号上升沿，以终止脉冲信号上升沿为触发事件，触发生成闸门信号S的下降沿；（4）闸门信号分割电路以闸门信号上升沿后的第一个时钟上升沿和闸门信号下降沿后第一个时钟上升沿为分割点，将闸门脉冲分割成三个脉冲P1、P2、P3，其脉宽分别记为t_a、W、t_b，则脉冲信号P1、P3的宽度差t_a‑t_b，即为闸门信号非时钟同步部分时间长度，而脉冲信号P2的宽度W，即为闸门信号时钟同步部分时间长度，具体步骤如下：（4‑1）检测闸门信号的上升沿，以闸门上升沿为触发事件，触发生成第一个脉冲信号P1的上升沿；（4‑2）在闸门信号的上升沿之后的系统时钟第一个上升沿到来时刻，触发生成第一个脉冲信号P1的下降沿及第二个脉冲信号P2的上升沿；（4‑3）检测闸门信号的下降沿，以闸门下降沿为触发事件，触发生成第三个脉冲信号P3的上升沿；（4‑4）在闸门信号的下降沿之后的系统时钟第一个上升沿到来时刻，触发生成第二个脉冲信号P2的下降沿及第三个脉冲信号P3的下降沿；（5）激光脉冲飞行时间中非时钟同步部分时间长度测量，得t_a‑t_b，具体步骤如下：（5‑1）产生斜坡：P1脉冲上升沿触发充电电流对基本斜坡发生电路中高精度充电电容充电，产生线性斜坡信号，记此时充电电流和电容值分别为I_C1、C₁；（5‑2）锁存电压：P1脉冲下降沿触发将斜坡发生器输出电压V₁锁存至差分放大电路输入端，斜坡发生电路复位，充电终止，具体关系如下：$V_1=\frac{I_{c1}}{C_1}{t}_a---\left(1\right)$（5‑3）斜坡发生器自适应斜率调整：P1下降沿还触发斜坡发生器自适应斜率调整过程，即在固定时间T_f/2内，以电流I_Cf对充电电容C_f充电，将T_f/₂时刻的输出电压V_f反馈到斜率控制电路输入端，通过与基准电压V_ref比较，产生校正电压信号，控制电路中充电电流的大小，进一步调整输出斜坡信号的斜率，其中I_Cf、C_f分别为此时电路中充电电流和电容值。取T_f＝T，以系统时钟作为控制输入，控制斜坡发生器斜率调整过程，记调整后斜坡斜率为K₁，则斜坡发生器输出电压V与输入脉冲作用时间t满足如下关系：V＝K₁×t     （2）可近似认为：$K_1=\frac{I_{c1}}{C_1}=\frac{I_{\mathrm{cf}}}{C_f}---\left(3\right)$$V_1=\frac{I_{c1}}{C_1}{t}_a=K_1{t}_a---\left(4\right)$$V_f=\frac{I_{\mathrm{cf}}}{C_f}\times \frac{T_f}{2}=K_1\times \frac{T_f}{2}=K_1\times \frac{T}{2}---\left(5\right)$（5‑4）产生斜坡：P3脉冲上升沿触发电流I_C2对基本斜坡发生电路中高精度充电电容C₂充电，产生线性斜坡信号，其中I_C2、C₂分别为此时电路中充电电流和电容值；（5‑5）锁存电压：P3脉冲下降沿触发将斜坡发生器输出电压V₂锁存至差分放大电路输入端，斜坡发生电路复位，充电终止，具体关系如下：$V_2=\frac{I_{c2}}{C_2}{t}_b=K_1{t}_b---\left(6\right)$（5‑6）斜坡发生器自适应斜率调整：P3下降沿还触发斜坡发生器自适应斜率调整过程，同步骤（5‑3）；（5‑7）差分放大电路对输入端的电压差V₁‑V₂进行线性放大，输出电压V₃，具体关系如下：V₃＝K₂(V₁‑V₂)     （7）其中K₂为差分放大倍数；（5‑8）双积分型AD转换器对V₃进行模数转换处理，输出与V₃成正比例的数字量D，具体关系如下：D＝K₃V₃     （8）其中T₁、T_c、V_REF分别是双积分型AD转换器的正向积分时间、计数器时钟信号周期、基准电压，所以K₃是由双积分型AD转换器确定的常量；由上述分析可知，最后输出数字量D满足如下关系式：D＝K₃V₃＝K₃K₂(V₁‑V₂)＝K₃K₂K₁(t_a‑t_b)＝K(t_a‑t_b)     （9）其中K＝K₃K₂K₁，为一常量，所以有：$t_a-t_b=\frac{D}{K}---\left(10\right)$可见，根据双积分型AD转换器输出的数字量D，即可求出激光脉冲飞行时间中的非时钟同步部分长度t_a‑t_b；（6）激光脉冲飞行时间中时钟同步部分时间长度测量，得W。将闸门信号分割电路输出的脉冲信号P2送入以系统时钟作为计数时钟的计数器，根据计数器计数值N，即可获得P2的脉冲宽度W=NT，其中T为系统时钟周期；（7）整合出激光脉冲飞行整体时间，具体关系是：$\mathrm{\Delta t}=W+(t_a-t_b)=\mathrm{NT}+\frac{D}{K}---\left(11\right)$进而可获取目标物距离测量装置的距离其中C是光速3×10⁸m/s。