高精度高重频脉冲激光测距系统

第40卷第8期红外与激光工程2011年8月Vol.40No.8Infrared and Laser Engineering Aug.2011

高精度高重频脉冲激光测距系统

纪荣祎，赵长明，任学成

(北京理工大学光电学院，北京100081)

摘要：在三维激光扫描探测系统中，激光测距的测量重频和测量精度是影响整个系统性能的关键参数。介绍了三维激光扫描探测系统的工作特点，设计了一种以Nios II嵌入式软处理器为核心的高重频、高精度脉冲激光测距系统。通过分析影响测量重频和测距精度的因素，采用双阈值时刻鉴别方法进行计时起止时刻的鉴别，使用TDC-GP2高精度时间间隔测量芯片进行精密计时，设计了基于Nios II嵌入式软处理器的计时控制系统以提高测量重频。实验结果表明：实现了测量重频为20000次/s、测距精度为3cm的激光测距。与传统的单片机控制的计时系统相比,该系统不仅测量重频和测量精度高，且具有更好的可扩展性和灵活性。

关键词：脉冲激光测距；精密时间测量；三维激光扫描；Nios II

中图分类号：TN247文献标志码：A文章编号：1007-2276(2011)08-1461-04

High precision and high frequency pulse laser ranging system

Ji Rongyi,Zhao Changming,Ren Xuecheng

(School of Photoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China)

Abstract:In three-dimensional(3D)laser scanning detection system,the measurement repetition rate and measurement precision of laser ranging are the key parameters affecting the performance of the whole system.The work characteristics of3D laser scanning detection system were introduced,and a high repetition rate and high measurement precision pulse laser ranging system based on the Nios II soft-core was designed.According to the analysis of the factors which affected the repetition rate and precision of range measure,the double-threshold time discriminator was adopted to produce timing mark for the start-stop time discrimination,and the TDC-GP2high-precision interval measuring chip was used to achieve high precision on time measure.In addition,the time measure control system based on the Nios II soft-core was designed to improve the measurement repetition rate.Experimental results show that the measurement repetition rate of20000/s and the ranging precision of±3cm are pared with the traditional MCU time measure control system,the designed system owns the advantages of high repetition rate and high measurement precision,furthermore,it is more expandable and flexible.

Key words:pulse laser ranging;high precision time measure;3D laser scanning;Nios II

收稿日期：2010-12-18；修订日期：2011-01-17

基金项目：国防科技工业技术基础科研项目(J172009C001)

作者简介：纪荣祎(1984-)，男，博士生，主要从事三维扫描激光探测系统的研究。Email:xiaoxiao8673@。

导师简介：赵长明(1960-)，男，教授，博士生导师，博士，主要从事新型激光器件与技术、光电子信息技术与系统方面的研究工作。

Email:zhaochm1@

红外与激光工程第40卷

0引言

三维激光扫描是一种基于激光精密测距的主动

式三维信息获取技术，是获取空间数据的重要技术

手段。与传统的测量手段相比，它具有独特的优势：

数据获取速度快，实时性强；数据量大，精度较高；主动性强，能全天候工作；全数字特征，信息传输、处理容易。同时，三维激光扫描技术可以深入到恶劣的环境及空间中进行扫描操作，在工业、国防、医学等领域中广泛应用[1]。

三维激光扫描仪获取目标信息需要进行以下操作：在计算机的控制下，发射激光脉冲对三维物体的表面进行扫描测距，根据获得的距离点阵信息生成被测物体表面的三维图像，快速重构出目标的三维模型以及线、面、体、空间等各种制图数据。

三维激光扫描技术具有高精度测距和快速扫描的工作特点，需要对目标表面进行大量高精度的点测距工作。因此，高精度和高重频的激光测距技术的研究是开发三维激光扫描系统的关键。

1测距原理

脉冲激光测距利用测量脉冲激光的飞行时间来测量目标的距离，其原理如图1所示[2]。

图1脉冲激光测距系统简图

Fig.1Main configuration of pulse laser ranging system

图中，激光发射机向目标发射激光脉冲，同时由光学方式(探测发射的脉冲信号)或电学方式(LD驱动信号)确定发射时间，生成起始信号，开启TDC计时。探测器接收被目标反射回的激光脉冲，在接收通道生成停止信号，停止TDC计时。TDC模块测量起止信号的时间间隔t，可得目标距离R为：

R=1

2

ct(1)由公式式1可知，目标距离R的测量精度由时间间隔t的测量精度决定。

2系统组成

2.1系统整体设计

为了实现高精度和高重频的激光测距，文中设计了基于Nios II处理器的激光测距系统，其硬件结构如图2所示。

在Nios II控制系统中，由脉冲产生模块产生驱动脉冲信号，驱动脉冲发射机发射激光脉冲信号，同时，由驱动信号产生计时开始信号，启动TDC芯片开始计时。目标返回的脉冲回波信号由接收通道接收，经过放大和时刻鉴别，产生计时停止信号，结束时间间隔测量。Nios II控制系统的SPI接口模块控制计时芯片工作，读取计时数据并进行数据格式转换，并把处理过后的数据通过USB接口模块传递给上位PC机。

控制系统中使用的Nios II处理器是ALTERA 公司开发的基于SOPC嵌入式系统的32位RISC处

图2系统结构及Nios II内核设计框图

Fig.2System structure and kernel design of Nios II 1462