第３１卷第５期 光电技术应用 Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．５ ２０１６年１０月 ＥＬＥＣＴＲ０．ＯＰＴＩＣ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１ ６ ·激光技术· 高精度远距离激光测距系统设计 刘宗新，刘景鹏 （中国电子科技集团公司光电研究院，天津３００３０８） 摘 要：针对目前激光测距系统时间测量误差大、测距精度低、测量范围小等缺点，设计一种基于延迟线插入法的高精度远 距离激光测距系统。分析了系统的工作原理，叙述了系统的硬件设计和软件算法设计，详细介绍了高精度时间测量单元，并研制 出了高精度远距离激光测距系统。实验结果验证了测距系统的可行性，系统运行稳定可靠，有广阔的应用前景。 关键词：激光测距；延迟线插入法；时间计量 中图分类号：ＴＮ２４９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３。１２５５（２０１６）一０５—０００１·０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｌｏｎｇ Ｒａｎｇｅ Ｌａｓｅｒ Ｒａｎｇ－ｆｉｎｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩＵ Ｚｏｎｇ－ｘｉｎ，ＬＩＵ Ｊｉｎｇ—ｐｅｎｇ ｆＡｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｏｐｔｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｌＡＯＥ ＣＥＴＣ）．Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３０８．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｔｉｍｅ ｍｅａｓｕｒｅ，ｌｏｗ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｒａｎｇｅ—ｉｆｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｒａｎｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅ—ｉｆｎｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ａ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｒａｎｇｅ ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅ—ｉｆｎｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ ｄｅｌａｙ ｌｉｎｅ ｉｎ— ｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏ￣ｗａｒｅ ａｌｇｏ— ｒｉｔｈｍ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｔｉｍｅ ｍｅａｓｕｒｅ ｕｎｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎｄ ａ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｒａｎｇｅ ｌａｓｅｒ ｒａｎｇ—ｉｆｎｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ，ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔｅｒ ｐｒｏｓｐｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅ—ｆｉｎｄｉｎｇ；ｄｅｌａｙ ｌｉｌｆｅ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ；ｔｉｍｅ ｍｅａｓｕｒｅ 激光测距分为脉冲式激光测距和连续波激光 距离激光测距系统，系统采用基于延迟线插入法的 测距，脉冲式激光测距适用于长距离高精度测距系 时间测量方法计量时间，计量时间可达到皮秒级， 统，时间测量精度直接决定脉冲式激光测距精度， 不但提高测距系统的测距精度，而且提高了测量范 目前有两种方式计量时间，第一种以时钟计时方式 围，测距范围可达到几百公里。文中着重介绍基于 计量时间口１，其时间测量精度取决于时钟精度和时 延迟线插入法的时间测量方法。 钟频率，一般误差均在几个纳秒以上，第二种以 ＣＰＬＤ或者ＦＰＧＡ内部构建延迟线测量时间 。 ，其理 １系统工作原理 论精度可以达到皮秒级，但是因硬件内部布线不均 匀，会造成不可预测的时间测量误差，并且器件随 激光测距系统由激光发射模块、激光接收模 温度漂移而产生相应测量误差，而且基于延迟线方 块、时间测量模块和电源模块组成，系统组成框图 法计量时间超过毫秒以上时，由于硬件容量有限， 如图１所示。其中电源模块提供整机电源；激光发 无法长时间计量时间，未能应用于远距离测距。以 射模块发射测距激光；激光接收模块接收出射激光 上两种方式无法满足高精度远距离激光测距系统 和经目标漫反射返回的激光，并输出光采样信号和 要求。设计了一款基于延迟线插入法的高精度远 回波信号至时间测量模块；时间测量模块计算光采 收稿日期：２０１６—０９ １１ 作者简介：刘宗新（１９７３．），男，本科，研究方向为光电工程技术；刘景鹏（１９８７一），男，硕士，研究方向为光电工程技术 ２ 光电技术应用 第３１卷 样信号与回波信号时间长度，并输出距离信息。 目标 图１激光测距系统框图 图３探测器内部放大电路图 工作原理：激光发射模块发射测距激光，出射 激光中部分激光经分光片进入激光接收模块，激光 接收模块进行光电转换输出光采样信号至时间测 量模块，出射激光经目标漫反射后返回到激光接收 （２）鉴时电路 激光经光电探测器转换为模拟信号，需转换成 数字脉冲信号触发时间计量，一般采用阈值比较 法，将输人模拟信号与固定的阈值信号比较，分辨 模块，激光接收模块将光信号转变为电信号，并输 出回波信号至时间测量模块，时间测量模块计算时 间长度，根据光速计算目标距离，参照距离测量误 输人信号是否有效，由于激光脉冲不是规则的方 形，而是钟形脉冲，采用单一阈值鉴别方法影响激 光鉴时精度，采用鉴时电路可以有效避免激光脉宽 带来的测量误差。 差值修正测距值，输出最终测距数据。 ２系统硬件设计 ２．１ 激光接收模块设计 激光接收模块完成光电转换，并输出光采样信 号和回波信号。激光接收模块由光学系统、光电探 测器、信号放大电路和鉴时电路等组成。 （１）光电探测器 ２．２时间测量模块设计 时间测量模块计算光采样信号与回波信号时 间长度，并输出最终距离数值，时间测量精度越高， 测距精度越高，若采用时钟计量时间，由于时钟精 度以及时钟频率等多方面因素影响ｉ贝０量精度。采 用基于延迟线方法测量时间，测量精度可达到皮秒 级，其应用内部逻辑门延迟实现高精度时间测量， 为了使测距系统具有远距离测量能力，在激光 器能量固定的基础上，需要提高激光接收模块的接 收灵敏度，选用雪崩光电二极管作为光电探测器， 其具有响应快、灵敏度高等特点，是激光测距中广 泛采用的探测器，响应波长从４００～１ １００ ｎｍ，响应 其测量精度取决于内部信号通过逻辑门的传播时 间，其测量原理图如图４所示。 曲线如图２所示。同时探测器内部还集成了前置放 大器，具体电路如图３所示。 童 图４延迟线测量原理框图 罾 外部输入光采样信号至Ｓｔａｒｔ接口，信号经过每 个延迟门的时间固定，直到回波信号输入到Ｓｔｏｐ接 图２探测器光谱响应曲线图 口，停止计时，时间计时模块计算信号所经过的延 迟门个数，根据每个延迟门延迟时间计算时间。对 于毫秒级时间测量范围，因延迟线内部结构，无法 第５期 刘宗新等：高精度远距离激光测距系统设计 构建大容量硬件延迟系统，测量时间范围较小，无 法满足长时间计时要求。 延迟线方法可精确测量时间，如果进行长时间 计时，延迟线整体硬件结构及逻辑数量较大，采用 计算Ｆｉｎｅｃｃｕｎｔｌ和Ｆｉｎｅｃｏｕｎｔ２之间的时钟周期个数 Ｃｏａｒｓｅｃｏｕｎｔ，从起始信号到停止信号总的时间由公 式ｉ可得 ×Ｃｏａｒｓｅｃ０ｕｎｔ０ｕｎｔ＋Ｆｉｎｅｃｏｕｎｔｌ—Ｆｉｎｅｃｏｕｎｔ２ 延迟线插入法技术可解决高精度时间计量问题和 宽范围时问计量问题。延迟线插人法时间测量单 元内部包含延迟线计时模块和时钟计时模块，延迟 线计时模块用于计量小于时钟 的时间长度，时钟 （１） 延迟线插入法计时技术不但解决了延迟线无 法长时间计时问题，而且提高了时钟计量时间的计 时精度，具有延迟线的高计时精度和时钟计时宽范 围优点。 时间测量模块采用德国ＡＣＡＭ公司基于ＣＭＯＳ 模块用于计量大于单个时钟 的时间长度。其测 量原理图如图５所示。 工艺设计的～种高精度时间数字转换芯片 ＴＤＣ．ＧＰ２１，其采用简单逻辑门的传播延迟来精密量 化时间间隔，即延迟线插入法技术，其时间测量精 度达到了皮秒级别。此款芯片可对两个或多个脉冲 之间的时间间隔精确测量，时间测量精度可达４５ ｐｓ， 测距精度可以达到厘米级，其分为两个测量范围， 测量范围１为０—１．８ ｓ，测量范围２为５００ ｎｓ～４ ｍｓ，可 图５延迟线插人法测量原理框图 对０—６００ ｋｍ距离范围进行精确测量。 ＴＣＤ．ＧＰ２１内部包含时间测量模块ＴＤＣ、数据处 延迟线不测量整个时间长度，分别测量从 ＳＴＡＲＴ信号和ＳＴＯＰ信号到相邻基准时钟 上升沿 之间的时间Ｆｉｎｅｃｃｕｎｔｌ和Ｆｉｎｅｃｏｕｎｔ２，时钟计时模块 理模块和通信模块，时间模块完成时间计量，数据处 理模块存储计量数值和配置参数，通信模块采用４线 ＳＰＩ与外部通信。其内部组成框图如图６所示。 ｕｐ 图６ ＴＣＤ－ＧＰ２１组成框图 ３系统软件设计 以整体流程图方式进行软件设计的说明，系统 软件流程图如图７所示。系统初始化并白检，待机 等待，当接收到上位机发送测距使能指令后，启动 ＴＤＣ计时模块，激光器发射激光，接收到回波信号 后计算光采样信号与回波信号时间长度，根据光速 计算目标距离，并上报距离值。 ４ 光电技术应用 第３１卷 图７系统软件流程图 ４实验测试 为了测试时间计量的精确度，采用脉冲信号发 生器输出多个不同时间间隔脉冲对测距系统的时 间测量模块进行测试，时间测量模块最终输出时间 计量精度可达到９６ ｐｓ，测距精度达到１．４４ ｅｍ，验证 了采用延迟线插入法技术测量时间的精确性与可 行性，测试结果如表１所示。 表１时间计量测量结果表 对整机进行实验，对不同距离目标测距，时间 计时精度可达到皮秒级，测距精确可达到３０ ｅｍ以 内，分析原因为激光器输出激光脉宽为７个纳秒，导 致回波最窄脉宽为２个纳秒，所以不能达到几厘米 的测距精度，若采用更窄脉宽激光，可实现更高精 度测距功能。 ５结论 设计了一款基于延迟线插入法的高精度激光 测距系统，通过采用高精度时钟与延迟线相结合的 方法计量时间，降低了激光测距系统中时间计量所 带来的误差，有效地提高了激光测距系统时间测量 精度和测量范围。实验证明，采用延迟线插入法测 量时间，时间测量精度可达到皮秒级，时间测量误 差小于９６ ｐｓ，测距误差小于１．４４ ＣＢ；时间测量范围 达到４ ｍｓ，测距范围达到６００ ｋｍ，基于延迟线插入 法的时间测量系统解决了高精度长时间计量时间 问题，满足高精度测距系统要求。 参考文献 【１１ １孙杰，潘继飞．高精度时间间隔测量方法综述［Ｊ】．计算机 测量与控制，２００７，１５（２）：１４５．１４８． ［２】 吴刚，李春来，刘银年，等．脉冲激光测距系统中高精度 时间间隔测量模块的研究『Ｊ１．红外与毫米波学报， ２００７，２６（３）：２１３—２１６． ［３］ 余向东，张在宣，王剑锋．一种小型高精度脉冲式半导体 激光测距仪［Ｊ】．激光与红外，２００８，３８（５）：４５８。４６１． 【４］ 丁建国，沈保国，刘松强．基于数字延迟线的高分辨率 ＴＤＣ系统［Ｊ１．核技术，２００５，２８（３）：１７３．１７５． ［５］ Ａｒｔｈｕｒ Ｊａｍｅｓ Ｌｏｗｅｒｙ，Ｍａｌｉｎ Ｐｒｅｍａｒａｔｎｅ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｍｕ— ｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅｆｉｎｄｅｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ—ｄｅｔｅｃｔｏｒ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，２００５，１３ ｆ１０１：３６４７·３６５２． ［６］ Ｖｉｎｃｅｎｔ Ｄｅｌａｙｅ，Ｐｉｅｒｒｅ Ｌａｂｅｙｅ．Ｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｅｙｅ ｓａｆｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅ ｆｉｎｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＳＰＩＥ， ２０００，４０３５：２１６—２２５． ［７］ Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ ＡＬ，Ｓａｎｄｅｒｓ Ａ Ａ．Ｔｒａｎｓ￣ｒ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｆｏｒ ｅｎｅｒ— ｇＹ ａｎｄ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｌｏｗ·ｌｅｖｅｌ １．０６４ ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｌａｓｅｒ ｐｏｗｅｒ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉ— ｎｅｅｒｉｎｇ，１９８６，２５（２）：２７７—２８０． 『８１ Ｋｏｓｔｉｎｖａ Ｓｙｓｉｎｖｅ．Ｔｉｋｈｏｍｉｒｏｖ Ｓ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｌｏｗ ｌｅｖｅｌｓ ｏｆ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ａ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ『Ｊ１． Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，１９８３，２６（９）：７６３—７６５． ［９】 霍玉晶，陈千颂，潘志文．脉冲激光雷达的时间间隔测量 综述［Ｊ］．激光与红外，２００１，３１（３）：１３６—１３９． ［１０］肖洪梅，苏心智，陈长庚．微弱激光脉冲信号的相关检测 实验 激光技术，２００４，２８（３）：６５．６７． ［１１］胡以华，舒嵘．地面目标激光回波特征实验研究［Ｊ１．红外 与激光工程，２００２，３１（２）：３１—３３．
