1比特激光飞行时间测量方法

郭俊钊

（东莞新创力盈富电子有限公司，广东 东莞 523700）

1.引言

脉冲激光测距法以其电路结构简单、功率大等优点，在长距离激光测距仪(Laser Rangefinder)中得到广泛的应用。

脉冲激光测距系统的基本原理是测量激光飞行时间(TOF，Time-of-Flight)。常用的时间测量方法有直接测量法和等效测量法。直接测量法即直接精确测量脉冲发射瞬间和脉冲回波到达瞬间的时间间隔。这类方法通常简单、明确，但是对硬件电路的要求高，往往由于精度要求太高而需要使用昂贵的物料。等效测量法即通过各种等效的手段，以低成本、低精度的测量电路实现高精度的测量精度。这类方法相对复杂而且往往是通过牺牲测量的速度性能而获得高精度。

本文提出一种适合大批量手持式激光测距仪使用的结合1比特技术和多次平均技术的直接测量方法。在低成本的硬件结构下，又保持测量的精度和测量的速度。

2.脉冲激光测距原理

脉冲激光测距原理是测量激光飞行时间，通过测量激光回波到达时刻点与发射时刻点之间的间隔即可以得出激光飞行距离。

飞行一次的时间。分析上式可知D的精度和误差完全取决于对T测量的精度和误差。

对于数字式直接测量法

其中Fclk为数字式计数器的计数频率，N为T时间内测出的时钟个数。由式(2)可以知数字式直接测量法的测量精度、误差以及最大量程，由计数器的计数频率、频率稳定度和最大计数值确定。以精度为1米、量程为1000米计算，要求计数频率为150MHz、最大计数值1000。

根据上面的讨论可知实现廉价而可靠的数字式直接测量法需要解决以下两个主要问题：

(1)在较低的功耗下尽量提升测量频率。

(2)提升信号信噪比，减少误判。

3.1比特激光飞行时间测量方法

3.1 测量方法原理

如图1描述，信号检测电路将激光回波的光信号转变为电信号并进行约10万倍的放大；信号积分电路产生回波电信号的背景参考电平。两路信号同时输入高速比较器后，当回波信号偏离背景参考电平时就产生回波数字脉冲。调节信号积分电路使背景参考电平与回波信号背景真值非常接近时，高速比较器进入高灵敏状态，即使很弱的光信号都可以被检测出来。

图1 1比特测量方法原理框图

3.2 高速直接测量

图1所示的数据处理电路部分由高速低功耗FPGA实现。在现有技术下，200MHz左右的数字电路已经可以用廉价的低功耗FPGA实现。数据处理电路以150MHz的速率记录高速比较器的输出信号并储存在内部SRAM中，稍后通过处理器进行数据分析。整个数据处理电路的功耗可以控制在15mW左右。

3.3 数值平均方法

当高速比较器处在高灵敏状态是，很弱的光信号可以被检测出来的同时，很弱的电噪声信号也会被检测出来，这样导致输出信号的信噪比恶化甚至使有效信号被淹没在电噪声产生的脉冲之中。

使用多次平均法，可以有效提升信号的信噪比，使系统有更强的抗干扰能力。对输入信号进行N次采样求平均后获得输出信号，其信噪比为输入信号的。实现的前提是输入信号携带的噪声为随机噪声，其数学期望为0。

4.测试结果分析

4.1 等效采样精度

实测中在设计量程0－1000m上，分别在10－20m，100－110m，200－210m，300－310m以1m为间隔分别对测距仪的测量精度进行测试，平均误差为0.5m。下图为200－210m上的误差曲线。

图2 等效采样精度测试结果

4.2 多次平均技术对信噪比的改善

下图给出了分别在30db信号和10db信号下多次平均技术对信号信噪比的改善，可以看到信号得到了明显改善。

4.3 扫描速度

1比特技术最大的优势是扫描速度，在10db信号下获取500米外墙体目标的平均时间是0.5秒，较等效采样技术提升约3倍的时间。

5.结论

本文在利用廉价低功耗FPGA硬件平台下以直接测量方式实现了激光飞行时间测量系统。在保持了1米的测量精度的前提下，将系统的最小可检测信噪比从15－20dB压缩到5dB，而平均测量速度提升3倍。本文所做工作已经通过实验室测试和实地测试并已经投入量产。

图3 多次平均技术对信噪比的改善

[1]郭俊钊. 等效采样与数值平均相结合的激光飞行测量方法[J].电脑与电信，2009，4：68-71.

[2]A.Kilpel，J.Kostamovaara.A laser pulser for a TOF laser radar.Review of Scientific Instruments[J].1997，68(6)：2253-2258.