脉冲激光信号

脉冲激光信号（共7篇）

脉冲激光信号 篇1

机载、星载激光测距系统具有高精度地测量地表、月球及其他行星表面的能力[1].采用脉宽1～10 ns的激光脉冲和纳秒时间分辨率的电路,在5 900 km的卫星轨道上就可以实现2～5 cm的测量精度[2].星载激光测距系统可测量地极运动、地球板块漂移等重要地理现象,并能对其他行星进行测绘[1,3].机载激光测距系统可用来测量火山、海洋和冰川表面[4].高信噪比的脉冲式激光测距系统,只需要探测单个脉冲就可以得到距离信息,而无需采用多次测量平均的方法.当然,采用多脉冲测距可以提高探测灵敏度,从而使测距能力得到很大提高,但会增加系统的复杂度[5],在具有相同激光能量的条件下,脉冲宽度越窄,脉冲的峰值功率越大,激光测距系统能够探测的距离就越远.根据信号检测中的探测概率和虚警概率理论,提出了极短脉冲激光信号探测系统最小可探测功率的计算方法,并验证了激光脉冲越窄,最小可探测光能量越小,能够探测的距离就越远.

1 原 理

设探测系统接收的信号为

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式中,s(t)为目标反射信号;ns(t)和n0(t)分别为有目标和无目标的随机噪声.设rs(t)的概率密度是fs(r),n0(t)的概率密度是φ0(t).根据信号检测理论,雷达探测概率Pd定义为,接收到目标反射信号时,正确判断到目标的概率.

Pd=∫∞Itfs(r)dr (2)

式中,It为判决阈值电流.虚警概率Pfa定义为没有接收到目标回波时,将噪声判断为目标的概率

Pfa=∫∞Itφ0(r)dr (3)

脉冲激光信号接收系统大多采用APD和跨阻抗前置放大器[6,7],其电路形式如图1所示.根据放大器的En-In噪声模型,可得到跨阻抗前置放大器的等效噪声模型,如图2所示.

图2中,is为信号电流;id为散弹噪声电流;it为源电阻热噪声电流;Rs为源电阻;Ena为运放的等效输入噪声电压;Ιna为运放的等效输入噪声电流;Vnf为反馈电阻Rf的等效输入噪声电流.

为了研究方便,先不考虑背景噪声的影响,当接收到目标回波时,接收机总的输入电流为[8]

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式(4)中

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式中,Pr是APD接收的回波信号光功率;M是APD的倍增因子;Rp是APD的灵敏度;e是电子电荷;idd是暗电流;undefined是噪声等效带宽;tr是目标回波脉冲信号上升时间;K是波尔兹曼常数;T为环境温度(K);NF为运放的噪声系数;Rs是等效源输入阻抗;Cs是APD的寄生电容;Ci是运放的输入等效电容;n是与二极管材料有关的系数,对于APD,2.3

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根据信号检测理论[9],当探测到目标回波时,接收机输入电流概率密度为

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式中,σundefined为接收到脉冲信号时噪声和的噪声方差,且

σundefined=iundefined+iundefined (8)

当无目标回波时,接收机输入电流概率密度为

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式中,σundefined为未接收到脉冲信号时噪声和的噪声方差,且

σundefined=iundefined+2eiddMnBN (10)

总的错判率包括两部分:(1)有目标回波时,把回波脉冲信号判为噪声;(2)无目标回波时,把噪声判为有回波脉冲信号.总的错判率为

TER=P(s)(1-Pa)+P(0)Pfa (11)

式中,P(s)为有目标回波信号的概率;P(0)为无目标回波信号的概率.

2 光接收机最小可探测光功率的计算

根据式(2)和式(7),得到光接收机的探测概率为

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式中,erfc代表补余误差函数,定义为

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根据式(3)和式(9),得到光接收机的虚警概率为

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令undefined,因为Pd是所要求的最小值,Pf是所要求的最大值,所以有

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由式(5)、式(8)、式(10)和式(15),整理得

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设探测系统要求探测概率至少达到99.99%,虚警概率不能超过0.1%,则最小可探测光功率为

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3 计算实例及分析

设接收的脉冲信号波长是1.06 μm,1 ns脉宽,重复频率1 MHz,探测概率至少为99.99%,虚警概率不能超过0.1%,T=343 K,Rp=0.64 A/W,n=2.4,Cs=2 pF,Ci=1 pF,undefinedns,NF=2,暗电流idd=1 nA,M=100[6,10].根据前面推导,得到最小接收光功率Prmin=1.40×10-7W.在Prmin=1.40×10-7 W时,由式(6)得到SNR=29.4.由式(15)有3.85×10-6≤It≤5.08×10-6,在此取值范围内,均能满足探测要求,即探测概率至少为99.99%,虚警概率不能超过0.1%.根据式(11),得到总的错误探测率TER与判决阈值It的关系曲线如图3所示.由图3可得到,在3.85×10-6≤It≤5.08×10-6条件下,It=5.08×10-6时,错误探测率达到最小值,因此判决阈值取为5.08×10-6.根据式(12)、式(14)得到,在It=5.08×10-6时,探测概率Pd=99.99%,虚警概率Pfa=0.000 4%满足系统要求.

APD的响应时间很短,约为0.5～1.0 ns,频率响应可达几千兆赫兹[11].在APD倍增增益100,探测概率至少为99.99%,虚警概率不能超过0.1%条件下,根据式(17),得到脉宽为0.5～10 ns激光脉冲下的最小接收光能量与脉冲宽度的关系曲线,如图4所示.由图4得到脉冲宽度越窄,光接收机所能接收的最小光能量越小,即在相同脉冲能量条件下,脉冲宽度越小,光接收机能够探测的距离就越远.

参考文献

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[10]吕晓玲.半导体激光测距接收系统研究[D].长春:长春理工大学,2006.

[11]http://www.dzsc.com/data/html/2008-12-6/74580.html.

脉冲激光信号 篇2

1 脉冲激光测距的原理

1.1 激光测距望远镜的分类

根据测距方法的不同, 激光测距望远镜可分为脉冲法激光测距望远镜和连续波激光测距望远镜两类[6]。

(1) 脉冲法测距是激光技术在测绘领域中的最早应用。激光的发散角小, 激光脉冲持续时间极短, 瞬时功率极大, 因而可以达到极远的测程。脉冲激光测距望远镜多数情况下不使用合作目标, 它是利用被测目标对激光脉冲的漫反射获得发射信号来实现测距。脉冲半导体激光测距具有结构简单、体积小、功耗低、可靠性高、价格低等特点, 但其测量精度很难达到优于1m的精度 (受采样频率的限制) 。

(2) 连续波测距采用相位法测距, 一般有多波长方法和频率调制法两种, 但因其平均发射功率较低, 测距能力比相应的脉冲激光测距机差很多 (对非合作目标, 最大测程1-3Km) , 而且结构复杂, 但精度高 (2mm) , 往往应用于合作目标测距, 如导弹初始段测距及跟踪、大地测量等。

1.2 基本原理

在激光测距中, 使用测量目标反射回来的信号作为终止信号, 利用高速数据采集的方法记录激光脉冲的回波波形, 通过对所记录的波形进行分析得出时间间隔。实际测量中, 由下式计算实际的测量距离R:

其中, c为光在大气中的传播速度, 一般用光速带入计算;Se为电路延迟时间折算的距离, t为激光往返时间;对于脉冲型激光测距望远镜, 其工作波形如图1所示:

激光测距望远镜一般由激光发射机、激光接收机和电源三大部分组成, 如图2所示。下面以脉冲激光测距望远镜为例进行说明。激光发射机由脉冲激光器、光学发射及其瞄准系统组成, 作用是将高峰值功率的激光脉冲射向目标。激光接收机由光学接收系统、光电探测器和放大器、接收电路和计数显示器组成, 作用是接收从目标漫反射回来的激光脉冲回波信号并计算和显示目标距离。激光电源由高低压电源组成, 高压电源用于驱动激光器, 低压电源用在信号处理电路[7]。

2 激光回波信号处理

2.1 采样

由于数字信号处理相对于模拟信号处理有明显的优势, 本文对激光信号的处理采用数字处理方式:将连续的模拟信号变成数字信号。要使抽样处理后的信号能够恢复原来的模拟信号, 抽样必须满足奈奎斯特采样定理, 具体描述如下:

设有一个频率带限为fH的信号f (t) , 如果以不小于fS=2fH的采样速率对f (t) 进行等间隔采样, 得到离散采样信号f (n) =f (n TS) (TS=1/fS为采样间隔) , 则原始信号f (t) 将被得到的采样值f (n) 完全确定[8]。

从奈奎斯特定理可知, 如果以不低于信号最高频率两倍的采样速率对带限信号进行采样, 所得到的离散采样信号值就能准确地还原原始信号。

2.2 滤波

激光信号在发射和接收过程中, 电路噪声会导致激光回波信号的质量下降。通常通过构造合适的滤波器来滤除噪声, 如采用高通滤波器和低通滤波器以达到滤除噪声的目的。

高通滤波器采用窗口均值滤低频的办法, 窗口中心位置的值用原有数值减去窗口平均值来代替。具体运算时先求出某区域内的均值, 然后用原序列对应的数值减去此均值, 得到一个新的数值Yj'来替代原数值Yj。用公式表达如下:

低通滤波器采用窗口均值滤高频的办法, 原窗口中心位置的值Yj用窗口平均值来代替。用公式表示如下:

2.3 相关检测

相关检测技术是信号检测领域里的一个重要工具, 它能在低信噪比的情况下提取出有用的信号, 具有较强的抗噪能力 (噪声的相关系数几乎为零) , 广泛应用于图像处理、卫星遥控、雷达以及超声探测、医学和通信工程等领域。

一维离散相关定义如下:

其中M满足:M>A+B-1, A和B分别是f (x) 和g (x) 的周期。为了避免产生交叠误差, 在离散的情况下, 要使相关及两个离散信号都具有同样的周期。

在具体应用中, 运用两个信号的相关系数来判断信号的相似程度。设x (n) 和y (n) 是两个周期为N的能量有限的确定性信号, 并假设它们是因果的, 则这两个信号的相关系数为:

为了讨论方便, 定义归一化的相关系数为:

由许瓦兹 (Schwartz) 不等式, 有:

当x (n) =y (n) 时, ρxy=1, 两个信号完全相关 (相等) , 这时rxy取得最大值;当x (n) 和y (n) 完全无关时, ρxy=0, rxy (=0;当x (n) 和y (n) 有某种程度得相似时, 在0和1之间取值, 由此可见ρxy和rxy可用来描述x (n) 和y (n) 之间的相似程度。

3 实验结果

把上述信号处理技术应用到激光测距望远镜中, 首先对采集到的数据 (本文的数据由FPGA高速采集系统对激光回波信号采样而来) 进行低频滤波和高频滤波处理, 然后通过相关运算找出信号所在的位置。实验结果如图3所示。

从图3 (a) 可知, 采集到的激光回波信号, 信噪比比较小, 尤其是在长距离的激光回波信号的采集中, 信号有可能被掩盖在噪声中, 不利于提取;经过高、低通滤波器后, 能有效地减弱低频成分和高频成分, 使信号变得更为明显, 如图3 (b) 所示;把滤波后的数据再进行相关运算, 信噪比会得到很大程度的提高, 如图3 (c) 所示。经过上述的信号处理手段, 能够有效的检测出有用信号的位置, 为设计整个激光测距望远镜系统奠定良好的基础。

为了验证本算法的速度, 还利用计算机进行仿真:假设FPGA采集到的数据经解码后是1200个整形数据, 将此数据经过24M的单片机中进行处理, 上述滤波以及相关运算的处理时间为0.183S, 处理速度快。

4 结语

本文详细地分析了激光测距望远镜的原理、分类及其发展方向和激光测距中常用的信号处理方法, 并通过实验证明了算法的有效性, 为设计商用化的手持式激光测距望远镜奠定基础。

摘要：与一般测距方法相比, 激光测距具有操作方便、精度高和昼夜可用等优点, 使其得到了广泛应用。本文首先介绍了脉冲激光测距的基本原理, 然后分析了激光测距中用到采样、滤波和相关检测等数字信号处理方法, 最后给出了激光回波信号的实验处理结果。实验表明, 该处理手段能快速、有效地提取出激光回波信号。

关键词：激光测距,数字信号处理,滤波,相关检测

参考文献

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[7]于彦梅.激光测距机及发展趋势[J].情报指挥控制系统与仿真技术, 2002, 8:19-21.

单脉冲激光散射探测研究 篇3

关键词：激光散射探测,散射辐照度,脉冲特性

激光发散角小,脉宽较窄,决定了其光斑直径通常很小,在激光探测的典型情况下,激光束一般不会直接入射到激光探测设备上,需通过接收大气对激光的散射来探测激光[1]。为了能够提高激光散射探测距离,需计算到达探测器的散射激光照度。通过传统计算散射激光能量的方法所得的结果与理论计算激光指示器回波能量进行比较,发现传统方法未考虑到激光的单脉冲特性,因此,对传统的计算方法进行了改进,提高了散射探测精度。

1 传统激光大气气溶胶散射计算

激光在大气传输的过程中,会受到气溶胶粒子的散射,为激光散射探测提供了必要的条件。光散射主要是瑞利散射和米氏散射。瑞利散射在紫外光谱和高空中起主要作用;而米氏散射则在较低的高度上起主要作用,是优先的散射源,可产生相对较大的可用信号,为激光散射探测提供必要的能量[5,6]。因此主要考虑气溶胶粒子的Mie散射,根据Mie散射理论,设气溶胶的粒径分布范围为r1～r2[7]。

1.1 低空激光大气传输模型

为了方便研究,一般假设气溶胶粒子的大小分布不随高度变化,但与地理环境和气象条件有关。假设在空气能见度为23 km,湿度为75%的都市郊区低空,在陆地上空,气溶胶粒子大小的典型分布为[7]

1.2 低空激光散射的能量分布计算

图1表示激光器和激光探测器的位置关系,其中激光器斜向下照射,激光探测器的视场朝上。其中R为激光器与探测器之间激光传输的轴向距离(以下简称激光传输距离),d为探测器的离轴距离,θ为探测器的视场角。

假设激光器的波长为λ,出射功率为Pt,根据文献[8],在离轴距离为d时到达探测器的辐射照度可以表示为

Pn(1)(cosθ)为一阶n次第一类缔合勒让德函数;

Pn(cosθ)为第一类勒让德函数。

an、bn为Mie散射系数,其计算式为

式中,z可以是χ或mχ;分别为半奇阶的第一贝塞尔函数和第二汉克尔函数;ψ'n、ζ'n为对各自变量的微商;m=m1-m2i为散射粒子的复折射率,对于1.06μm激光,在工程上,大气衰减与能见度的关系[9,10]可表示成a=2.7/V,V是km为单位的能见度。其复折射率为m=1.56-0.089i。典型激光器的输出能量为10 mJ,脉冲宽度为10 ns。探测器的视场角θ=30∘,设β1=40∘,β2=100∘。

对于1.06μm激光,粒子半径为0.1～20μm的大气气溶胶前向散射较强,在此只需考虑前向散射,因此实际取β2=90∘。在不考虑大气湍流影响下,用式(2)计算在传输距离为10 km时,不同离轴距离的探测器所接收到的大气散射激光的最大辐射照度,见表1。

图2为根据表1做的不同离轴距离的辐射照度的曲线。

同样根据式(2),文中计算了激光传输不同距离时在离轴100 m处的激光散射辐射照度,计算结果分别如表2和图3所示:

1.3 数值计算结果分析

由于上述值比较小,实际中很难进行精确的测量,为了讨论上面计算得到的结果,文中对激光器的回波辐射照度进行了计算,可表示为

其中,Pt为发射功率,ρ为目标反射系数,对于漫反射发散角Ω可取为2π,R为作用距离,Ta为单程大气透过率,Ta=exp(-aR)。那么对于1 mW的激光器,当作用距离为10 km时,其接收到的功率为

而在1.2节中计算得到的激光传输10 km时在离轴100 m处的散射辐射照度为6.635×10-3W/m2,表明在距离为10 km情况下,其探测距离将远大于100 m,不能满足精度要求。原因在于传统计算激光散射能量的计算方法,是基于连续工作方式,而对于脉冲工作方式的激光器而言,需要进行必要的改进。

2 脉冲工作方式辐射能量计算的修正

考虑激光的单脉冲特性,那么在式(2)中就不能对探测器整个视场内的激光束进行积分运算。假设

探测器视场内只有一个激光脉冲,如图4所示。

2.1 公式推导

因为考虑到激光脉冲的长度较短,如在1.1节的例子中,脉冲长度为3 m(不考虑相对论影响),那么在计算的时候可以近似认为激光为一个点源来计算,设其长度为dy,在不考虑衍射等能量损失的理想情况下,位于y处激光的辐照度(光强)为

其中,φ为激光发散角,D为出射激光直径。

先考虑单个大气分子的散射,其激光器的轴向距离为R、离轴切向距离为d的探测器,所散射的辐照度(光强)为

激光在y处占的气溶胶体积为那么该部分气溶胶产生的散射可表示为

整理后就可以得到要求的辐射照度公式为

2.2 数值计算与分析

在与1.2节中计算条件一致的情况下,根据式(12)计算得到的离轴100 m,不同β角度的辐射照度如表3所示。

由表3可以看出,激光在离轴100 m左右散射的辐射照度和激光器的回波照度大小是相当的,可以实现100 m左右的散射探测。

另外,从结果还可以看到,散射的辐射照度随散射角度β的增大先增大后减小,通过更小角度间隔,计算得到了散射辐射最大的角度约为β0=33.69∘。

图5为辐射照度随散射角度β的变化曲线。

在β=33.69∘的条件下,图6和图7分别给出了当激光传输距离为10 km时,不同离轴距离的辐射照度曲线和当离轴距离为100 m时,不同激光传输距离的辐射照度曲线。

3 结束语

利用低空激光大气传输模型,分析计算了现有文献关于激光在大气中传输时同距离条件下的激光散射能量,定量计算了不同离轴距离和不同激光传输距离时激光的辐射照度。通过与激光器的回波信号比较分析得出,传统的计算方法未考虑激光器脉冲工作方式的影响。文中对脉冲工作方式下激光散射的公式重新进行了改进,提高了激光散射探测精度,并计算了不同散射角度、不同离轴距离和不同激光传输距离情况下的激光辐射照度。

参考文献

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脉冲——相位式激光测距系统研究 篇4

research

Liu Ji Yong Zhao Lei

School of Electronics&Information Engineering Xi’an Technological University

近年来, 随着半导体激光器的出现和集成电路、信号数字化处理等领域的快速发展, 激光测距仪的设计更侧重于小型化、数字化。脉冲-相位式激光测距技术在发射端发射一束半连续正弦波, 在接收端对接收的信号同时进行相位和飞行时间的测量。设计可以分为三个模块:激光发射模块、激光接收模块、相位测量模块。激光发射模块使用可控的DDS芯片发射正弦频率4MHz重复频率10KHz半连续正弦信号, 半导体激光二极管作为激光发射器;激光接收模块使用PIN做为激光机接收器, 并完成信号放大滤波;相位测量模块使用高速A/D芯片完成4MHz的信号采样, 最后通过改进的正交测相法在FPGA中完成高精度相位差测量。课题对激光发射模块和接收模块进行理论设计和仿真, 完成了相位测量模块的硬件设计。设计划分为分为三个部分:激光发射模块、激光接收模块、信号处理模块。激光发射模块实现由电信号向光信号的转变, 并完成正弦调制;激光接收模块使用光电传感器接收反射过来的光信号并转换为电信号, 并设计合理的放大电路和滤波器;处理模块完成两路信号的相位测量和距离的显示。

一、脉冲-相位式激光测距系统原理

综合脉冲法和相位法信号调制的方式, 通过发射和接收一种半连续的波形, 在接收端同时进行飞行时间和相位差的测量, 这种测距方法可以实现量程和精度的统一。脉冲-相位法测距示意图如图所示:

图中1-参考信号, 2-发送信号, 3-接收信号, δ-发送信号和接收信号的相位差, RBF-脉冲序列的重复频率。

参考信号1是一个频率为f的高频正弦信号, 经过脉冲信号f1调制后生成半连续的正弦波对激光半导体进行调制, 这样在发射信号中就同时包含了飞行时间的信息和信号相位的信息。因此在距离测量中要测量两个量, 一个是飞行时间的测量, 我们称之为粗侧;另外一个是相位差的测量我们称之为精测。

设计中f取值为4MHz, f1取值为10KHz, f和f1的取值直接影响到了测距的精度和距离。设计中使用FPGA来设计脉冲计数器, FPGA内部嵌入PLL倍频器, 可以把计数器的频率做的很高, 设定计数器频率为100MHz, 则由式2.2得到粗测部分精度△σ=1.5m。这就要求由相位差确定的最大距离要大于△σ, 根据式2.6, 相位测量的最大距离为c/2f, 计算得37.5m, 满足要求。测距的最终精度由精测部分所决定, 由式2.6得精测部分的精度由测量的相位差所决定, 为此设计中提出了一种改进的时域数字鉴相器, 在不加入接收噪声情况下, 测距精度达到0.0004rad, 在接收信号噪比为15d B的情况下, 误差不大于0.0032rad。

按照模块的设计思想将设计划分为分为三个部分:激光发射模块、激光接收模块、信号处理模块。激光发射模块实现由电信号向光信号的转变, 并完成正弦调制;激光接收模块使用光电传感器接收反射过来的光信号并转换为电信号, 并设计合理的放大电路和滤波器;处理模块完成两路信号的相位测量和距离的显示。激光发射模块由正弦信号发生器、半导体激光器及驱动电路组成。这里使用高精度DDS芯片产生正弦信号, 半导体激光器经调制信号调制后生成半连续正弦激光信号。

激光接收模块由PIN及其信号放大滤波电路组成。激光接收模设计的好坏是决定测量精度的一个重要因素, 在进行信号放大和过滤噪声的同时尽量减小正弦信号相位的偏移。

信号处理模块是设计部分的核心模块也是本课题中完成硬件设计的模块。使用FPGA作为控制芯片, 周围配置DDS正弦信号发生器芯片、两块高频A/D转换芯片、比较器、及LCD12864显示模块, 实现信号的数字测相及距离的显示[14]。

二、硬件主要芯片功能

EP2C8Q208C8:这款FPGA芯片拥有8256的LE, 208个管脚, 36M4K RAM blocks, 内嵌36个9bit乘法器, 2个PLL, 182个I/O引脚。EP2C8Q208C8是一款性价比很高的FPGA芯片, 8526的LE满足了鉴相器和信号控制所用的逻辑资源, 内嵌的36个乘法器简化了相位测量中乘法器的设计, 182个I/O管脚满足了A/D采样芯片、DDS芯片和显示模块对大量I/O口的要求。

AD9850:AD9850是AD公司生产的可编程DDS芯片, 其最高工作时钟为125 MHz。AD9850有40位控制字, 32位的频率控制字和5位的相位控制字可以灵活的完成输出信号频率和相位的控制。在设计中使用AD9850产生4MHZ的正弦激励信号。

RLD65MPT3:RLD65MPT3是一款半导体激光发射器, 其阈值电流为20m A, 中心波长为655nm, 最大输出功率为7m W, 水平与垂直发射角分别为8°与27°, 波长与输出功率保证的使用时的安全性以及调试的方便, 同时较小的发射角保证了较高的光照效率。

PD204-6C:PD204-6C是一款PIN型光电转换器, 它具有较宽的波长响应范围 (400~1100nm) , 极小的反向暗电流 (一般为10n A) , 在加入5V反向电压后, 其反向结电容仅为5p F。

AD9225:AD9225是ADI公司生产的单电源, 12位高速A/D转换器, 其最大采样频率为25MHz, 片内数据处理4级流水线结构。为了满足后期数字鉴相器的需要, 信号的抽样速率要等于发射信号频率的5倍, 在设计中信号发生器输出信号的频率为4Mhz, 需要一个高速的转换器来完成20MHZ的抽样。

通过对分析激光测距系统不同方法的优缺点, 设计中提出一种脉冲-相位式激光测距系统, 该测距方式综合了脉冲法测距和相位法测距的优点, 解决了精度和距离的矛盾。

三、系统发射模块的整体设计

激光调调制的重点是将高精度的正弦信号加在稳定的偏置电流上, 因此将激光的发射模块分为三个部分:正弦信号发生电路、直流偏置电路和加法器电路。整体硬件设计电路图如图所示:

LM7905和LM317是两片电源稳压芯片分别提供稳定±5V电压, 这里介绍一下LM317的使用。在进行信号调制的过程中, 需要稳定的直流偏置电流, 尤其是温度对电流的影响要低。LM317是一款可调电源芯片, 具有良好的温度稳定系数, 在正常工作环境下其温度稳定系数可以达到1%, 温度的变换引起的电流的抖动约为0.5m A, 满足LD对直流偏置信号稳定性的要求。

其输出电压式:V0=VREF (1+R2/R1) +IADJR2

VREF为一端口和三端口之间电压, 稳定在1.25V左右。IADJ一般小于100u A, 可以忽略不计。根据式3.3, 经过计算当取R1=1K, R2=3K时, 输出电压稳定在+5V左右, 在实际应用中R1和R2值的选择不必非常精确, 只需要保证输出电压的高稳定性即可。为了提供50m A的偏置电流, 选取输出端串联的电阻R7为100Ω。

2.加法器模块

设计中使用高速运放L M7171完成了调制信号和直流信号的叠加功能, 电路图如图3.9所示。LM7171工作带宽可以达到200MHz, 其谐波失真也较小, 在±5V电压下, 输入信号频率为5MHz时二次谐波失真仅为-70d B, 低谐波失真运放有利于获得纯净的正弦信号, 能够大大增加接收信号的信噪比。

三、FPGA系统硬件设计

FPGA系统主要包括AS模块、JTAG模块、电源模块、FPGA芯片、SDRAM、晶振模块。JTAG口为FPGA提供在线调试, AS将程序固化到EPCS中, 上电后加载到FPGA上, 电源模块提供稳定的3.3V和1.2V的电压, SDRAM为外置的数据模块。

AS口电路图如下图所示:AS为10口接口, 可以将FPGA程序固化在EPCS16中, EPCS16为8管脚16M串行程序存储器。由于FPGA内部逻辑的编程上电丢失, 需要将程序固化在EPCS16中。JTAG口外形上同AS口相同, 区别是JTAG口不支持程序的下载, 其功能为FPGA的在线调试。JTAG模块和AS模块的硬件电路图如图所示:

四、结语

(1) 通过分析现有激光测距仪的优缺点提出了一种脉冲-相位式激光测距系统, 并对其整体设计进行了详细的介绍。

(2) 设计了激光发射、接收、和控制部分硬件电路。通过设计前仿真和设计后调试来对电路进行改进。

(3) 完成了测相系统软硬件的设计, 通过matlab和modelsim软件的对不同噪声下测相误差进行分析。

(4) 对实验过程中的误差进行分析, 并通过查阅资料提出了一些设计改进方案。

参考文献

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[6]张慧.提高相位激光测距精确度的研究[J].精密制造与自动化, 2007, 1 (3) :24-26.

脉冲激光信号 篇5

激光-电弧热源作为一种新型复合焊接热源具有焊接效率高、焊接质量好以及能源消耗低的特性, 因此成为国内外焊接领域研究的热点[1,2,3]。近年来, 研究者围绕激光-电弧复合热源焊接技术开展了大量的研究工作。然而, 目前较多的工作集中在焊接装置设计和焊接工艺开发方面, 而对于焊接热源的物理状态和物理机制的研究相对较少[4,5]。从已有的研究结果来看, 激光和电弧在焊接过程中的耦合效应已经得到了广泛的认同。耦合效应认为:电弧对材料的预热效应可以大幅提升激光的吸收率;激光等离子体对电弧的吸引和压缩作用既稳定了电弧的放电过程, 又提高了电弧的能量密度。这些相互增强作用提高了复合热源整体的热穿透能力和焊接稳定性[6,7,8]。

然而, 不同类型的电弧等离子体其放电特性不尽相同, 在焊接过程中其与激光之间的相互作用的差异较大[9]。如激光-TIG电弧复合热源和激光-MAG电弧复合热源是较为常见的两种复合焊接热源[10], 而TIG电弧和MAG电弧在焊接时放电极性完全相反[11], 同时在电弧成分、温度和质量传递等方面差异巨大, 而已有机制难以对此进行分析。这一结果导致不同类型的电弧与激光复合构建的复合热源在进行焊接时的指导机制不清楚、无法统一, 甚至出现混乱。解决此问题的有效、可靠方法是对不同类型的复合热源的物理机制分别进行研究, 并提取相关物理过程和物理机制的共性特征, 进而得到适用于不同类型激光-电弧复合热源的通用型物理机制。

本论文主要针对激光-交流TIG电弧复合热源焊接过程中物理过程和物理机制进行研究, 通过考察激光作用时电弧的形态特征、光辐射特性、焊缝表面成型以及焊缝熔化深度, 以及着重分析激光作用于交流电弧正、负半波期间与电弧相互作用的物理过程。在本研究中, 交流电弧的负半波与MIG/MAG电弧的放电特性相同, 因此本研究结果也可以为激光-MIG/MAG电弧复合热源焊接的相关物理机制研究提供现象参考。

1 实验材料与方法

如图1所示, 本研究采用脉冲式Nd:YAG激光与交流TIG电弧复合, 构建脉冲式激光-TIG电弧复合热源。复合方式为旁轴复合, 且在焊接方向上电弧在前、激光在后。激光束垂直照射板材, 电弧焊枪与板材表面呈45°角。激光束轴线与钨极间断的水平距离定义为激光-电弧间距, 且实验中可调。采用激光脉冲-交流电弧波形匹配控制系统, 实现激光脉冲作用于交流电弧放电的不同阶段的控制。交流电弧放电的周期为76ms, 放电波形如图2所示。实验材料为6mm厚AZ31B镁合金板, 采用平板堆焊的焊接方式, 焊接速度为600mm/min。焊接过程中采用高速摄像机对复合热源等离子体动态行为进行观察, 采集方向垂直于焊接方向以获得焊接等离子体的侧面图像。高速摄像机的采集速度为2000帧/秒, 曝光时间0.5ms。采用光谱分析仪对等离子体中镁原子的光辐射强度进行采集和分析, 采用的分光光栅为300 groove/mm。焊后, 观察焊缝的表面形貌, 并对焊缝进行切割取样, 经过抛光、腐蚀 (HCl浓度为5%的酒精溶液) , 观察焊缝的横截面状态, 以确定热源的熔化深度。实验所用的主要参数见表1。

2 实验结果

2.1 焊缝特征

2.1.1 焊缝表面粉末

控制激光脉冲作用于交流电弧的波形的不同位置, 并进行焊接。焊接结束后不清理试板, 直接对焊后焊接试板的表面状态进行观察, 结果如图3所示。从图中可以看出, 焊后的焊缝表面有一层粉末覆盖, 但是激光作用于交流电弧的正、负半波时, 表面覆盖粉末的状态不同。激光作用于电弧正半波时, 焊后焊缝表面粉末呈黑色, 且粉末覆盖致密;激光作用于电弧负半波时, 焊缝表面颜色略浅, 呈灰色。X-射线衍射分析结果表明粉末为纳米级氧化镁和纯镁颗粒。

2.1.2 焊缝形貌

采用钢丝刷将焊接过后的焊缝表面粉末进行清理, 对比观察激光脉冲作用于电弧正、负半波时焊缝表面形貌, 结果如图4所示。从图中可以看出, 在同样的焊接参数下, 激光脉冲作用于电弧正半波时, 焊缝表面存在均匀细致的鱼鳞纹;而激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 焊缝表面纹路不规则, 表面起伏较大, 且略显粗糙。

2.1.3 焊接熔深

本研究对不同焊接参数下, 激光脉冲作用于电弧放电波形正、负半波时的熔化深度进行采集, 结果如图5所示。由图中可以看出, 激光脉冲作用于电弧正、负半波时的焊缝熔深略有不同。激光脉冲作用于电弧放电负半波时的熔化深度略大于正半波。从结果可以看出, 相对于激光脉冲作用于电弧放电波形的位置, 激光束与电弧在空间上的相对位置对焊接熔化深度的影响更大。

2.2 电弧形态

采用高速摄像机对焊接过程激光脉冲与电弧不同匹配条件下的复合电弧形态进行观察, 期间采用中心波长为518nm的窄带滤光片, 观察到的为电弧中镁原子的发光状态, 结果如图6所示。从图6中可以看出, 激光脉冲作用于电弧放电波形不同位置时, 电弧形态均发生变化。激光脉冲作用于电弧放电正半波期间, 电弧体积发生膨胀, 但电弧外形轮廓较规则。激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 电弧体积剧烈膨胀, 形状不规则。同时, 在实验中还发现, 激光脉冲对放电电流较小的电弧形状影响较大, 这可能与电弧弧柱区宽度以及电弧自身的挺度有关。当电弧电流较大时, 电弧弧柱直径较大, 同时电弧自身挺度也较大。激光脉冲穿过电弧等离子体作用于材料上以后形成的高速等离子体蒸汽对电弧的冲击作用相对较弱。

2.3 光谱特征

采用直读电弧光谱分析仪对激光-TIG电弧复合焊接过程中激光脉冲作用时电弧等离子体的光辐射进行分析。光谱采集位置为电弧轴线上钨极附近区域。首先对激光作用于电弧正、负半波时复合等离子体光谱进行采集, 实验结果如图8所示, 从图中可以看出, 激光作用于电弧正负半波时在200~1000nm波长范围内光辐射谱线位置基本相同, 表明两种焊接过程的电弧等离子体中粒子的种类区别不大, 均主要由氩原子、氩离子、镁原子和镁离子组成。

激光脉冲作用于材料上时, 板材元素 (以镁元素为主) 迅速熔化、蒸发, 并进入到电弧等离子体中。镁元素在电弧中的含量会以镁原子辐射谱线的强度定性反映出来。因此, 考察电弧中镁原子谱线518.362nm的辐射强度可以定性说明激光对电弧放电状态的影响程度。在实验中, 采用等同有效值的直流正、反接来分别近似电弧放电正、负半波的情形, 且只考察激光脉冲作用后谱线强度的变化值, 结果为5组重复实验结果的平均值。实验中发现, 激光脉冲作用于后电弧放电正、负半波时镁原子谱线强度均增加, 但增加的程度不同, 如图8所示。激光脉冲作用于电弧正半波时谱线强度增加程度高于作用于负半波时。该结果表明, 激光脉冲作用于电弧放电正半波时有大量的镁原子进入到电弧中, 电弧中镁原子浓度大幅提升, 而激光脉冲作用于负半波时电弧中镁原子浓度变化不大。

3 分析与讨论

在焊接过程中, 激光束穿过电弧等离子体放电空间的过程中激光与电弧之间的相互作用极其微弱, 二者的相互作用主要发生在激光束作用于材料上之后的过程。激光束对材料的剧烈加热使得材料瞬间被熔化、蒸发、电离, 形成的激光等离子体蒸汽高速冲入电弧等离子体的放电空间。而两种等离子体之间的相互作用是激光与电弧相互作用的本质。

由于电弧放电极性和放电强度的周期性改变, 电弧放电空间的电学特性完全不同。当电弧放电处于正半波时, 钨极作为等离子体的阴极发射电子, 而板材作为阳极接收电弧弧柱中的电子。此时, 从板材向上方冲入电弧放电空间的激光等离子体中的电子立刻收到电场力的减速作用, 并向板材运动。相反, 激光等离子体中的正离子在电弧放电空间向钨极移动。电弧等离子体中能量的载体主要是电子。激光等离子体中的电子在离开板材表面很小的距离内就减速至零并被重新加速向板材运动。因此其从电场中获得的能量较少, 返回板材时携带的能量也较少。在电弧放电负半波时, 电弧电场方向的改变导致粒子的反向运动。激光等离子体中的电子在电场的加速作用下向钨极运动, 期间获得的能量通过碰撞最终传递给钨极。从这个角度来看, 激光脉冲作用于电弧正、负半波时粒子对材料的能量输入差异不大。但是, 在激光脉冲作用于电弧放电负半波期间, 板材作为发射电子的阴极。激光作用点高密度的电子群将成为电弧放电的电子发射源, 因此电弧放电的位置集中于板材上的激光作用点, 此处具有极大的电流密度。而激光作用于电弧放电正半波时, 这种对电弧放电点的固定和放电电流的汇聚作用较弱。因此, 在实验中我们发现激光脉冲作用于电弧放电负半波时焊缝的熔化深度略大于正半波。

在激光脉冲作用于电弧正半波期间, 激光等离子体中的正离子 (以镁离子为主) 在电场作用下大量进入到电弧中, 因此电弧等离子体中的镁元素含量急剧增加, 表现为光谱中Mg原子的辐射强度大幅提高。同时, 从电弧中扩散出去的镁原子数量增加, 导致焊后焊缝周围存在大量的呈部分团聚状态的纳米镁粉。而当激光脉冲作用于电弧负半波时, 电场的作用导致镁离子向电弧空间扩散的难度较大, 因此, 镁原子辐射强度较低, 焊后焊缝周围的镁粉末较少。

4 结论

本论文研究了在激光-电弧复合焊接镁合金过程中, 激光脉冲作用于交流电弧放电正、负半波时焊接特性的差异, 并分析了其机制。通过本论文的研究, 得到如下结论:

1) 与激光脉冲作用于电弧放电的正半波相比, 激光脉冲作用于交流电弧放电的负半波时, 复合热源对焊缝的熔化深度较大, 焊缝附近的黑色镁粉末较少, 电弧等离子体体积剧烈膨胀, 且电弧中镁原子的光谱辐射强度较小。

2) 激光脉冲作用于电弧放电正、负半波时的差异主要来自电弧等离子体电场对激光等离子体作用的差异。激光脉冲作用于电弧正、负半波时, 激光等离子体中带电粒子对材料的熔化贡献均不大。但是, 激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 激光等离子体的存在可以提高电弧等离子体的能量密度, 有利于提高热源的热穿透能力。

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脉冲激光信号 篇6

1 LabVIEW简介

LabVIEW是一种编译型图形化的编程语言[2],使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面,使用图标表示功能模块,使用图标之间的连线表示各模块间的数据传递,利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器,LabVIEW是一个面向最终用户的工具,使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时,可以大大提高工作效率.

该软件分为前面板和程序面板两部分[3].前面板即用户界面是操控和显示面板,以便输入各种需要的参数,以及显示最后所产生的波形.而程序面板就是前面板的后台程序,包含用于定义VI功能的图形化源代码,主要用于编程和检查流程等一些内部操作.

每一个前面板都有一个程序框图与之对应.程序框图用图形化编程语言编写,可以把它理解成传统编程语言程序中的源代码,用图形而不是传统的代码进行编程是LabVIEW最大的特色.

2 激光脉冲编码样式

2.1 脉冲间隔(PCM)码

考虑到激光目标指示信号的时间一般只有20～30 s,而激光脉冲信号的频率又较低(10～20 PPS),所以很复杂的编码技术将不可能被采用.由于PCM编码具有简单、易实现、易识别的特点,是目前激光目标指示信号使用最广泛的编码样式.PCM码[4]的生成机理是在一固定位数的循环移位寄存器内设置好起始码型,然后在一固定的时钟驱动下循环移位,其原理如图1所示.激光脉冲编码的周期,等于寄存器循环移位1周产生1组激光编码所用的时间.

2.2 逻辑反馈函数输入伪随机码

这种伪随机编码是在一固定的有限位的移位寄存器内设置好起始码型,而各位码的输出再经过一设定好的逻辑函数F反馈到寄存器的输入端,其原理如图2所示.

该种编码方式[5]由于反馈函数的存在,使其重复周期大幅度扩展,对于几十秒的攻击过程,甚至可能不会出现重复,只要8位的移位寄存器就可以满足在制导过程中不产生重复编码的要求.所以对于信息处理而言,要想解析出函数F几乎是不可能的.

2.3 插入随机脉冲的伪随机码

这种伪随机码实际上是在PCM码的基础上,在2个脉冲之间插入1个或数个干扰脉冲,干扰脉冲插入的时间是随机的,个数也是随机的,目的是干扰激光告警装置识别其编码,如图3所示.由于激光导引头不接收干扰脉冲,这种编码的优点是不需要对激光导引头进行改造,只需对激光指示器的电路进行小的改动就可以实现.

3 激光脉冲编码的仿真实现

设计要求实现PCM码,逻辑反馈函数输入的伪随机码以及插入随机脉冲的伪随机码3种仿真,因为插入随机脉冲的伪随机码和逻辑反馈函数输入的伪随机码分别是在PCM码的基础上增加输入逻辑函数和插入随机脉冲的方法来实现,即PCM码是其余2种编码的基础,因此,设计方案定为先完成PCM码的流程仿真,然后在此基础上,设计完成其余2种编码的仿真.

3.1 PCM码的程序流程

图4的程序流程图可以看出信号由前面板输入控件输入,运行后数据先进入寄存器寄存,然后同时输入给波形显示器显示和循环的后沿以便数据的返回再利用.接着时间延迟单元根据频率控制单元输入的频率进行时间延迟,实现给编码赋予周期.如此循环,实现PCM码的仿真.

从图5中可以清楚地看到以8位为1组的,很有规律性的几组编码信号,这就是采用最简单的PCM码的激光脉冲编码.从图5中看到,该制导脉冲编码为二进制编码为01 001 100 .

3.2 逻辑反馈函数输入的伪随机码的程序流程

数组先进入移位寄存器,然后通过一维数组移位单元和布尔运算产生新的数组并在波形图显示.同时新的数组再由WHILE循环的后沿重新赋给前沿的寄存器,这样就实现了数组的替换.如此循环,就实现了逻辑反馈函数输入伪随机码的仿真,程序流程如图6所示.

从图7中可以看出在一个比较长的时间段内,制导信号没有出现重复,从而使激光告警装备很难在短时间内识别出编码使用的逻辑反馈函数,这正是逻辑反馈函数输入伪随机码的特点和优势.

通过研究发现,即使对于8位移位寄存器来说,能够产生满足要求的逻辑反馈函数和起始输入码约有百万种,因此对于激光告警而言,要想在短时间内解析出逻辑反馈函数基本上是不可能的.

3.3 插入随机脉冲的伪随机码的程序流程

插入随机脉冲的伪随机码的信息流程与PCM码的信息流程基本一致,只是在此处,加入了8个随机脉冲,分别有8个随机脉冲发生器产生,为了不让8个脉冲有所重复,分别将8个创建波形单元中的dt属性依次递增了1,然后通过创建波形单元转换成波形.最后与由初始数组通过创建波形单元产生波形,然后与8个随机脉冲产生的波形相合并,最终产生插入随机脉冲的伪随机码,流程如图8所示.

图9是在一个周期的插入随机码冲的伪随机码的仿真结果,从图中可以看出在PCM码10 001 100的脉冲间隔内随机插入了8个脉冲,从而使激光告警装备很难在短时间内识别出真正编码序列,这是插入随机脉冲伪随机码的特点和优势.

4 结 束 语

通过LabVIEW软件,模拟仿真了3种激光脉冲编码的产生流程,通过仿真结果可以发现伪随机码编码方式具有很好的保密性和抗干扰识别能力的优势.

参考文献

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一种提高脉冲激光测距精度的方法 篇7

测距精度是激光测距机的重要技术指标之一,在对精度要求不高的情况下,比如米量级,不需要采取任何技术手段,只需采用普通的直接计数法就可以实现,其精度取决于计数的时钟频率。在时钟频率已经很高的情况下,要使测距精度进一步提高,比如到厘米量级以下,则必需采取一些技术手段方可实现。文中就其中比较重要的问题和解决方法进行了探讨。

1 脉冲激光测距的基本原理

脉冲激光测距的过程一般是用激光器向待测目标发射激光脉冲,并用一个探测器对发射的激光脉冲进行采样,以触发测距机的时间测量系统开始计时,光脉冲到达目标后经漫反射返回到激光测距机的探测器,产生信号停止计时,然后根据光速计算出目标距离的方法。基本公式为

式中,D为探测器到探测目标之间的距离;t为激光脉冲往返经过的时间;c为光速。可以看出,脉冲式激光测距中距离测量的问题转化为激光脉冲飞行时间测量的问题。

2 影响脉冲激光测距精度的主要因素

2.1 脉冲时刻鉴别误差因素

对于脉冲激光测距系统,影响测量精度的因素可以分为外部因素和内部因素两类。外部因素主要是指大气折射率的变化等,这部分因素不可控;内部因素主要是指由于测距系统自身的因素,包括系统带宽、脉冲时刻鉴别[1,2]、时间测量精度等,这些因素可以通过合理的设计,避免或消除其影响,从而提高测距精度。

在激光测距机的信号处理系统中,用来确定计时开始和结束的信号是光电转换器的输出信号,是模拟量,需转换成数字电路中的脉冲信号才能用来触发计时系统工作。通常采用的转换方法是单一阈值法,即把输入信号与一个固定的阈值进行比较,以阈值点作为脉冲时间的参考点。由于激光脉冲是钟形脉冲,而且受激光传输距离和目标反射率等影响有较大的幅度变化,采用的单一阈值的鉴别方法会在激光脉冲幅度变化时产生误差Δt,对测量精度造成很大的影响,见图1。在高精度的激光测距中,脉冲时刻的鉴别是一个必需考虑的问题。

2.2 时间间隔测量精度因素

对于脉冲信号时间间隔的测量[3,4,5,6,7],普通的测量系统中主要采用直接计数法,提高测量精度的方法是提高计数时钟频率。但电路的工作频率并不能无限提高,目前普通电路只能达到纳秒级的精度,若要在更高的时钟频率下工作,由于电路分布参数效应的影响,准确性难以保证。要想进一步提高测量精度,就要采用一定的技术手段,来达到与提高时钟频率相当的效果。如图2所示,总的时间t=n T-ts+te。式中,n是计数值;T是时钟周期;ts是由于把第一个计数周期都看作完整周期而多出来的时间;te是在结束前被计数系统丢掉的时间。要想进一步提高测量精度,就要把ts和te精确测量出来。因为t=n T+(T-ts)-(T-te),(T-ts)和(T-te)都是以探测器信号为起点的信号,便于数字电路处理,所以可以先测量(T-ts)和(T-te),然后计算出ts和te。

3 提高脉冲激光测距精度的措施

3.1 高通容阻时刻鉴别法

激光脉冲经远距离传输和反射后,脉冲的幅值会改变,但脉冲峰值点的时刻不变,为了消除单一阈值脉冲时刻鉴别所带来的误差,可以选用一种检测脉冲峰值点的方法,高通容阻鉴别法就是这样一种方法。如图3所示,接收通道输出的脉冲信号通过一个高通的容阻滤波电路,由于微分效应,钟形脉冲变成近似正弦波,极值点变为零点,以此作为起止时刻点,将不受脉冲幅值的影响。采用此方法时,由于时刻鉴别所带来的误差大约为±3.5 ps(对应0.5 mm的测距精度)。

此外还有恒定比值鉴别法,其原理主要是利用在脉冲波形状不变时,脉冲上升沿相同幅度比例点对应的时间不变原理,获取脉冲的固定比值点来定时,从而提高测距精度[2]。

3.2 差分延迟线法

差分延迟线法是随着近年来大规模集成电路的发展而产生出来的精确测时方法之一。在早期,用导线来实现延迟,为了实现高精度测量,需要很长的导线,以至于这个技术无法推广。随着大规模集成电路的发展,这种方法被移植到集成电路里,能够采用内部的某些电路元件作为延迟线,才使得这种方法具有实用性。得到迅速推广。此外还有抽头延迟线法,也是可以在大规模集成电路内实现的一种高精度时间测量方法,由于只使用一种延迟线对时间进行细分,因此精度较低。差分延迟线法的工作原理类似于游标法,也称作游标延迟线法,采用两种延迟线的差来对时间进行细分,因此可以达到更高的测量精度。

经过高通容阻时刻鉴别所确定的脉冲时间间隔,可以采用时序分割电路把开始和结束两个时间段(T-ts)和(T-te)分割出来,中间部分仍用直接计数法进行测量,(T-ts)和(T-te)段采用差分延迟线法进行测量,以提高测量精度。

如图4所示,两组延迟线分别由一组缓冲器BUF1~BUFn和一组D触发器DFF1~DFFn构成,缓冲器的延时为τ1,D触发器的延时为τ2,τ2>τ1,结束信号的传输速度大于开始信号的传输速度。在测量过程中,开始信号的上升沿和结束信号的下降沿分别在两条延迟线上传输,在经过若干级传输以后,结束信号超过开始信号,后面的D触发器不再翻转,开始信号停止传输。D触发器的另一个作用是输出采样结果。如果有m个D触发器翻转,即可计算出开始到结束信号之间时间间隔为m×(τ2-τ1),延迟线级数n满足n×(τ2-τ1)=T。可见时间测量系统的分辨率由T提高到了τ2-τ1=T/n。

由于CPLD和FPGA结构上的不同,采用CPLD和FPGA来实现这样的延迟线时有所区别,CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的、可预测的,而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性[8]。在采用FPGA时,为了减小逻辑单元连线所带来的延迟,这部分电路需要采取人工布局、布线并锁定的手段来实现。不同速度等级的器件,其基本单元的延迟也不一样,因此在选用一种逻辑器件后,要先测出其基本单元的延时参数,再根据主计数时钟确定差分延迟线的级数。

4 试验验证

时间测量部分采用Altera公司的MAX II系列CPLD EPM570T100I5进行试验。经测定,LCELL缓冲器的延迟为280 ps,D触发器的延迟为1 ns,τ1采用3级LCELL,可得τ2-τ1=160 ps,可使测距精度达到2.4 cm。因为不同型号的器件的延时参数不相同,因此在选取某些更高速的器件时,可以获取更小的τ,从而达到更高的精度。如果采用ASIC器件,时间分辨率可达到20~30 ps,可使激光测距机的精度达到0.3~0.45 cm。试验表明,使用高通容阻时刻鉴别和差分延迟线法时间测量两项关键技术,可以在不提高时钟频率、不增加额外定时芯片的情况下,使脉冲激光测距的精度大幅提高。

5 结束语

对于时间测量,目前已出现了基于延迟线原理的专用高精度计时芯片TDC-GPx,分辨率可达到65 ps,使用这种芯片,可使测距精度达到0.98 cm。除了上面介绍的差分延迟线法和抽头延迟线法外,还有时间间隔扩展法、时间幅度转换法、游标法等,也都可达到20~30 ps的时间测量精度,但其实现过程均比较复杂。时间间隔扩展法采用电容充放电原理,精度高的采用恒流源,但都存在非线性大,转换时间长,受温度、电压等的影响较大,已不常用,时间幅度转换法采用A/D转换代替了时间间隔扩展法中的放电过程,使测量时间缩短,但仍存在非线性难以消除的问题。游标法采用了游标卡尺的工作原理,需要两个高精度的可启动的振荡器,实现难度很大,其应用也很少。还有一种称作并行计数法的方法,其实质是抽头延迟线法。在实际设计中应根据系统需求选用合适的方法。

摘要：在介绍脉冲激光测距原理的基础上,分析了影响脉冲激光测距精度的两种主要原因,脉冲时刻鉴别误差和时间间隔测量误差对测距精度的影响。指出了针对这两种原因的解决措施,介绍了采用高通容阻时刻鉴别法和差分延迟线法时间测量等技术,实现较高的测距精度的方法,对其工作原理作了介绍。

关键词：脉冲激光测距,时间间隔测量,高通阻容时刻鉴别,差分延迟线

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