尚君莹，田学民，陈洁萌

（河北工业大学 天津 300400）

随着科技的迅速发展，激光因为其单色性高，方向性高，相干性好，在测距方面得到了很好的发展。激光测距技术综合了激光、光学、电子学、光电子学、精密测量仪器以及计算机等知识[6]，因为它具有测量精度高、范围广，能都实验非接触测量，不易受电磁干扰等优点而被广泛应用于各领域[7]。本文主要研究基于FPGA的脉冲式激光测距系统[8]，既适长距离测量也适用于短距离测量，并且有较高的测量精度，并研究了脉冲激光测距提高测量精度的主要算法。

1 脉冲激光测距系统的基本原理

脉冲激光测距利用了激光脉冲持续时间短、瞬时功率大的特点，通过接收被测目标的反射信号，进行距离测量[4－5]。由脉冲激光器向目标发射一持续时间很短的单次激光脉冲或激光脉冲串，有一部分能量会被反射回来，被反射回来的脉冲激光称为回波，回波返回由光电探测器接收，计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收器的往返时间，由此计算目标的距离。

设C为光在空气中的传播速度，T为激光脉冲往返飞行时间，L为待测的单程距离，则结果可用下面的式子表示：L=1/2CT，由于光速很大，所以要求T的精度要很高才能提高结果的精度。

2 脉冲激光测距系统的改进方案

根据激光脉冲测距的原理，脉冲激光测距系统主要分为3部分：激光发射模块、激光接收模块、回波检测定时模块和时间间隔测量模块。如图1所示的激光脉冲测距距系统的原理框图，主要的测距流程为：由外部晶振向FPGA内提供外部输入时钟，通过FPGA内部的锁相环倍频后产生全局时钟频率，达到200～300 MHz，并将全局时钟频率作为计数模块时钟频率。系统上电后开始测距，由FPGA内部的脉冲信号发生器产生激励脉冲信号，驱动激光发射模块发射出一串脉冲激光，利用分光镜将脉冲信号分为两路，一路被取回进入回波检测定时模块，进行检测，计数器开始计数定时，作为开始时刻，另一路射向目标物，反射回来形成回波信号再进入回波检测定时模块，进行检测，计数器停止计数，作为结束时刻，然后时间间隔测量模块测量出开始时刻与结束时刻的差值，作为脉冲信号的飞行时间，利用公式计算出目标距离。

当触发信号脉冲与回波信号脉冲的上升沿或者下降沿的时间间隔小于几个纳米，传统的测量脉冲的方法不能适用，脉冲越窄所需的计数器时钟频率越高，对芯片的性能要求也越高，为了达到较高的精度，设计时采用了FPGA芯片来实现回波信号的高速采集与数据处理，有效地提高了飞行时间的测量精度。

图1 激光脉冲测距系统原理框图Fig.1 Principle diagram of laser pulse ranging

FPGA（Field Programmable Gate Arra），即现场可编程门阵列，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

随着FPGA芯片的的不断发展，系统时钟频率也在不断提高，在一定程度上帮助了激光测距系统精度的提高，本文的脉冲激光测距系统使用的是ALTERA公司的Cyclone系列de EP1C12Q240I7作为主控芯片，它具有丰富的可编程逻辑单元，采用240脚的 PQFP封装，装有173个IO接口，提供12 060个 LEs，52个 M4K RAM Block，一共可以提供239616BIT的RAM，另外芯片内还带有2个锁相环，可以提供稳定可靠的时钟信号。

3 脉冲激光测距算法的研究

激光脉冲定距算法直接影响着定距系统的精度，本文系统研究了激光脉冲测距系统的相关算法，结合 FPGA开发的特点，分模块对算法进行设计。主要研究的难点主要分为两点，一是回波检测定时模块的研究，激光脉冲信号从目标物反射回来，夹杂着很多噪音，脉冲激光测距系统在工作时会受到很多噪声的影响，如果信号较弱，很容易夹杂在噪声中分辨不出来，严重影响回波信号的信噪比，导致激光测距的精度受到影响。二是时间间隔的测量，开始信号与回波信号到达的时间间隔也是影响脉冲激光测距系统精度的重要的一方面，采用合适的算法，最大限度的提高测量精度。

3.1 回波检测定时

在回波检测中主要的噪声有背景噪声、热噪声和散粒噪声。背景噪声主要是指太阳光，当太阳光可以直接进入接收模块式，会对回波信号产生很大的影响，因此，为了正常的进行测量工作，利用激光的单色性好，在接收模块加入滤光片，将脉冲激光波长以外的所有光波进行滤除。热噪声主要是指放大电路和光电探测器等带来的噪声。散粒噪声是由光电子不规则发射引起的噪声。因此为了提高测量精度，需要对回波信号进行精确检测。回波检测的方法很多，国内常规的回波检测方法为固定阈值检测法，本课题只要检测出回波信号对其定时，确定起止时刻，所以这个方法很适用，将回波信号与设定的阈值进行比较，低于阈值的回波信号被淘汰，高于阈值的回波信号被保留，然而收到各种因素的影响，如果阈值设定的太低，在环境不好的情况下不能正常测量，因此阈值不能设定太低，本文将回波信号的脉冲幅度的二分之一作为阈值。当连续的10个回波采样点超过阈值，认为回波信号到达，再进行定时。

3.2 时间间隔测量

前面主要研究的回波检测的算法，接着就是时间间隔的测量也就是数字脉冲宽度的测量，时间间隔测量主要是开始信号的脉冲激光的上升沿或下降沿与回波信号的上升沿与下降沿的时间间隔。最传统最简单的方法就是计数法，但是会存在着很大的误差，脉冲激光测距的时序图如图2所示。

图2 脉冲激光测距的时序图Fig.2 Schematic diagram of pulsed laser randing

设脉冲激光测距系统的始终周期为T0，计数器测定的脉冲个数为N，T为待测的时间间隔，T1、T2分别是开始时刻和结束时刻的误差，简单的计数法会忽略T1、T2的值，产生一个Δ=T1－T2的误差，因此得到的时间间隔为：

产生这种误差的原因主要是技术脉冲的上升沿或下降沿与待测脉冲的上升沿或下降沿不一致，造成这种量化误差。为了提高测量精度，解决量化误差的问题，本文主要讨论几种解决方法，一是提高系统的时钟频率；二是对T1、T2两个误差进行量化。

提高系统的时钟频率，主要是利用FPGA内部的PLL，对原始晶振频率进行倍频，由原来的50 MHz提高到200～300 MHz，大大的提高了系统的时钟频率，测量精度也会得到提高。因此，系统的时钟频率率与时间间隔测量精度成正比，频率越低，精度越低。

对T1、T2进行量化，本文主要采用的是数字插值法，数字插值法主要是将时间间隔的测量分为粗测量和细测量两个部分。如图2所示，由于待测脉冲飞行时间和系统时钟是异步的，首先采用粗测量的时钟计数的方法求出N，然后将待测脉冲起始和结束端的随机量分离出来，采用细测量算法进行测量，最后把结果插入到粗测量结果中进行补偿，粗测量决定了测量系统的量程，精测量决定了测量的精度。精测量所采用的差值补偿法主要有模拟内插法、Vernier法、时间数字转换法。

模拟内插法主要是利用对电容充放电对T1、T2进行放大，再进行时钟计数，但也由于电容的充放电不稳定，非线性因素影响大，导致实际的测量不稳定。

Vernier法也叫游标法，主要是利用游标卡尺的原理对T1、T2进行测量。设游标振荡器周期为TS，且TS比系统时钟周期T0稍低，开始信号到达，游标振荡器开始计数，经过n个脉冲后，与粗测量的脉冲上升沿同步，那么得到 T1=n×（TS-T0），同理，结束信号到达，与粗测量的脉冲信号同步时，经过m个脉冲，得到 T2=m×（TS-T0）。

Vernier法虽然也能提高测量精度，分辨率为TS-T0，显然降低了，但是它对系统的时钟频率要求很高，又有很高的精准度和稳定性，实际应用性差。

时间数字转换法又名为延迟线内插法，也是将T1、T2重新测量，为全数字化测量，在FPGA中很容易实现，随着数字电路中延迟线的发展，时间数字转换法在高精度测量中开始广泛应用。一连串的输出逻辑状态随输入改变的逻辑缓冲门作为基本元件，延迟器件一般采用非门，与下面的D触发器构成一个延迟单元，理想状态下每个延迟单元都有相同的延迟Tb，当脉冲信号到达时启动缓冲门，当时钟信号到达时，输出D触发器记录的通过的缓冲门的个数n，得到：T1=n×Tb，同理通过记录缓冲门 m，得到：T2=m×Tb。

图3为时间数字转换原理图，每个缓冲门的输出端都连接着D触发器的一个输入端，以便记录逻辑缓冲门的输出状态。所有的D触发器的C输入端都并联在一起，接收同一个结束信号。当结束信号到达时，D触发器立即锁存此时的输出结果。测量结束，编码电路接收了所有D触发器的输出信息，通过编码电路得到测量结果。

图3 延迟线法的原理框图Fig.3 Principle diagram of relay puls method

目前时间数字转换法主要是利用德国ACAM公司生产的时间数字转换芯片TDC-GP2，单次测量分辨率为典型65ps，功耗超低，集成度高，测量灵活性高，是脉冲式激光测距非常理想的选择。

4 结束语

文中简单介绍了脉冲激光测距的原理，利用FPGA模块化的原理，提出了改进方案，并研究了时间间隔测量的几种算法，找到最有效的时间数字转换法，充分利用FPGA的平台，提高了测量的精度，这种方法不但适用于脉冲激光测距，也适合于其他高精度时间间隔测量系统。

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