脉冲激光测距时间间隔测量及误差分析

第32卷第2期 红外与激光工程 2003年4月V ol.32N o.2 In frared and Laser Engineering Apr.2003脉冲激光测距时间间隔测量及误差分析
杨成伟,陈千颂,林　彦,霍玉晶
(清华大学电子工程系,北京　100084)
摘要:在脉冲激光测距时间间隔测量系统中,传统的数字时钟计数法受限于计数时钟的频率,测量精度不高。

由于模拟插入法具有测量范围大、线性好、测量精度高的优点,广泛应用于脉冲激光测距时间间隔测量系统中。

介绍了模拟插入法时间间隔测量的原理,设计了其测量系统及相应的测试电路。

利用该系统进行了实验研究,达到了100ps的时间间隔测量精度,对应于1.5cm的测距精度。

最后,进行了测量误差分析。

关　键　词: 脉冲激光测距;　时间间隔测量;　模拟插入法;　精度
中图分类号:T N249 文献标识码:A 文章编号:100722276(2003)022*******
Measurement on time2interval in
pulsed laser ranging and error analysis
Y ANG Cheng2wei,CHE N Qian2s ong,LI N Y an,H UO Y u2jing
(Department of E lectronic Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China)
Abstract:The traditional digital counting method for time2interval measurement in pulsed laser ranging can’t achieve high precision,for it’s restricted by the frequency of counting clock.Analog interpolation time2 interval measurement has advantages of long measurement range,g ood linearity and high precision,s o it is widely applied for time2interval measurement in pulsed laser ranging.The principle of time2interval measure2 ment by analog interpolation in pulsed laser ranging is introduced.The corresponding time2interval measure2 ment system is designed and studied in experiments.The precision of time2interval measurement reaches up to 100ps,which corresponds to distance measurement precision at1.5cm.In the end,the error of analog inter2 polation time2interval measurement is analyzed theoretically.
K ey w ords: Pulsed laser ranging;　T ime interval measurement;　Analog interpolation method;　
Precision
收稿日期:2002207225;　修订日期:2002210215
作者简介:杨成伟(19772),男,山东莱阳人,博士生,主要从事全固态激光器及激光测距方面的研究工作。

1　引　言
激光测距在军事上的应用最早,技术最成熟,它的应用大大提高了火炮和武器的命中率。

其中,脉冲激光测距以其峰值功率高、探测距离远、测距精度高、对光源相干性要求低等优点,在工业、航空航天、大地测量、建筑测量和机器人等领域获得了广泛应用。

不同的应用对测量范围与精度有不同的要求,在军事上,测量范围从几百米到几十千米,相应的精度要求从几十厘米到几百米;而在航空航天方面,从航天器间的对接到飞船的着陆,精度则要求在毫米量级。

测量系统的测量精度主要依赖于接收通道的带宽、激光脉冲的上升沿、信噪比和脉冲激光传输的时间间隔测量精度,其中时间间隔的测量精度对测距精度起决定作用。

到目前为止,时间间隔的测量方法主要有3种:模拟法、数字法和数字插入法[1]。

由于模拟插入法具有测量范围大、线性好、测量精度高的优点,因此其综合性能最佳。

2　模拟插入法原理
数字法是用同步时钟脉冲对时间间隔进行计时。

其优点是结构简单、线性好、与测量范围无关。

缺点是测量精度受时钟频率限制,测时误差比较大。

数字法时间间隔测量误差主要来源于时钟脉冲的上升沿与测量开始(Start)和终止(Stop)脉冲的上升沿之间的时间差t a和t b,所导致的误差大小ΔT=nT-t m=t b -t a,其中T为时钟脉冲周期,nT为测得的时间间隔,t m为实际时间间隔。

模拟插入法就是用模拟(电容充放电模式)方法高精度测量t a与t b,从而求出ΔT,对测量结果进行修正:
t m=nT-ΔT=nT-t b+t a
模拟插入法原理如图1所示[2]。

把时间间隔t a 加入到一时间扩展模块(通常为一高精度的电容),实现k倍的时间拉伸,时间扩展模块就会产生一宽度为kt a的门脉冲,用同一时钟计数器测得为n1个时钟周期,有kt a≈n1T
,同样可以得到kt b≈n2T。

最后的时间间隔表达式为:
t m=(n1/k+n-n2/k)T
图1　模拟插入法时间间隔测量原理图
Fig.1　Schematic diagram of time2interval measurement
by analog interpolation
3　模拟插入法时间间隔测量系统设计
根据模拟插入法原理,设计了模拟插入法时间间隔测量系统,其电路框图如图2所示。

它主要由数字计数单元、模拟插入单元和处理显示单元组成。

由数字计数单元测得数字法时间间隔测量结果t0=nT,由模拟插入单元测得数字计数单元的测量误差t a和t b,
通过处理显示单元进行修正并显示得到的时间间隔测量结果t m=t0-ΔT=nT-t b+t a。

模拟插入部分T AC1和T AC2,通过恒流源对电容充放电实现[3]。

图2　模拟插入时间间隔测量系统电路框图
Fig.2　Schematic circuit diagram of time2interval measurement system by analog interpolation
4　实验研究
为进行实验研究,设计了测试电路。

利用该测试
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电路,产生两个时间间隔稳定并可精密调节(要求调节范围大,调节精度高)的窄脉冲,对模拟插入法时间间隔测量系统进行实验研究,检验其时间测量精度。

图3　时间间隔测量单元测试电路原理框图
　Fig.3　Schematic diagram of test circuit for time 2interval
measurement unit
图3为测试电路的原理框图。

采用单稳态触发器来
产生两个脉冲(同一个脉冲触发),用不同长度的同轴线延时调整两个脉冲的时间间隔,再用单稳态触发器重新触发对脉冲整形,从而获得两个时间间隔可调的脉冲信号,模拟脉冲激光测距的Start 和Stop 信号。

实验中采用的同轴线型号为SY V50Ω-3,特性阻抗50Ω,电磁波传播速率2/3C 。

通过调节两路延时同轴线的长度差,可以对测试电路所产生的两个脉冲的时间间隔进行精密调整,并可以对时间间隔测量电路的性能进行测试。

由于同轴线长度的限制,测试电路产生的Start 和Stop 信号的时间间隔不可能很大,并且模拟插入法时间间隔测量的精度取决于模拟插入部分,因此,主要对模拟插入部分的时间测量精度进行了实验研究。

当延时同轴线长度差间隔为20cm ,即Start 和Stop 信号时间间隔以1ns 为间距递增时,得到的实验
结果如图4(a )所示。

测量的时间间隔与两路延时同轴线的长度差呈线性关系,表明时间间隔测量的分辨率<1ns ,相当于测距仪测距分辨率<15cm 。

(a )延时同轴线长度差间隔20cm
(a )The length difference interval of coaxial cable is 20cm
(b )延时同轴线长度差间隔2cm
(b )The length difference interval of coaxial cable is 2cm
图4　测量的时间间隔t 与两路延时同轴线长度差的对应关系
Fig.4　The relation of the time 2interval measurement value and the length
difference between the tw o coaxial cables for time delay
进一步减小延时同轴线长度差间隔为2cm ,即Start 和Stop 信号时间间隔以100ps 为间距递增时,得到
的实验结果如图4(b )所示。

实验结果表明,对于该时间间隔测量电路,测时分辨率低于100ps ,即测距仪的测距分辨率低于1.5cm 。

由此可以得出结论:该时间间隔测量电路单脉冲测量精度达到了100ps ,将其用于脉冲激光测距仪,其精度达1.5cm 。

5　误差分析
假设计数时钟的周期为T 0,要测量的真实时间间隔为t m ,发射波产生的Start 信号前沿与第一个有效计数脉冲之间的时间差为t a ,反射波产生的Stop 信号前沿与最后一个计数脉冲之间的时间差为t b ,计数结果为n ,则t m 为:
t m =nT 0+t a -t b
式中,t a -t b 的值是随机变化的,它的极限是±T 0,从而引起测距的最大误差:
ΔR max =±cT 0/2=±c/2f 0
式中　c ———大气中光传播速度;
f 0———计数时钟频率。

由于f 0不可能无限大,存在测距误差是难免的。

模拟插入方法的核心是用电容充放电的方式将
t a 、t b 扩展K 倍,再用同样的T 0对扩展后的t a 、t b 计
5
21第2期 杨成伟等:脉冲激光测距时间间隔测量及误差分析
数,其结果分别为:
n a =Kt a /T 0±1/2n b =Kt b /T 0±1/2
式中　±1/2———计数误差,所以得到:
t m =
T 0{n +[(n a -n b )±1]/K}
ΔR max =±c/2K f 0
可见,与数字法相比,模拟插入法测距误差只是原来的1/K ,测距精度提高了K 倍。

方案中,对于t a 、t b 的测量采用模数转换技术,即通过ADC 将电容上的充电电压转化为数字量读出。

采用模数转换技术,可以克服电容充放电带来的较大的非线性,提高t a 、t b 的测量精度。

对于模数转换技术,插入部分t a 、t b 的测量结果可用下式表示:
t ’=(C/I )g (V cm N/2m )
式中　t ’———模拟插入部分的测量结果(即t a 、t b );
C ———充电电容值;I ———充电电流;
V cm ———最高充电电压,即ADC 最大输入电
压;
N ———ADC 读出的模数转换结果;m ———ADC 的位数。

利用此方法的测时误差为:
δT ≈T 0/2m
该方法可以将数字法测时误差减小到原来的1/2m ,即将脉冲激光测距的测量精度提高了2m 倍。

参考文献:
[1]　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):1362139.
[2]　Turko B.A picosecond res olution time digitizer for laser ranging[J ].
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[4]　卢泽民.时间间隔测量系统用于激光测距及其误差浅析[J ].红
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[5]　胡以华,魏庆农,刘建国,等.采用模数转换技术提高脉冲激光测
距的测时精度[J ].激光技术,1997,21(3):1892192.
(上接第117页)
4　结　论
采用F 2P 标准具作为谱分析仪可以探测由大气分子或气溶胶散射产生的多普勒信号,其特点是结构简单,具有可探测分子散射信号的优点。

系统采用单腔实现双通道F 2P 干涉仪的结构,可以消除由于环境变化引起的干涉仪中心频率间隔漂移。

对于分子散射的直接探测多普勒测风激光雷达,在一定积分时间
内(1min ),测量精度优于3m/s ,垂直作用距离可达10km 。

参考文献:
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621红外与激光工程 第32卷。