高精度时差测量系统

2024-08-25

高精度时差测量系统（精选3篇）

高精度时差测量系统篇1

0 引言

脉冲式激光测距峰值功率较高、探测距离远、测量速度快、结构相对简单并且对光源的相干性要求低, 故无论在军事、科学还是生产建设的领域都起着重要的作用。脉冲法测距的测程主要取决于激光二极管和APD的性能, 而测量精度主要依赖于接收通道的带宽、激光脉冲上升沿、信噪比和脉冲飞行的时间[1]间隔测量精度等, 其中时间间隔的测量对测距精度有决定性的作用。

本文基于人眼安全性, 低成本, 低功耗的标准对省电、测量远距离、精度高的激光测距仪进行了研究, 选择了低功耗芯片MSP430系列单片机为MCU, 选择高精度计时芯片TDC-GP2为计时系统的核心器件, 同时对发射和接收的电路进行优化设计, 采用时差法结合软件的均值法从而有效地提高脉冲法激光测距系统的精度和测程。

1 脉冲法激光测距原理

激光器对目标发射出脉冲, 光脉冲到达被测目标面后部分能量反射, 根据测量光脉冲从发射到返回接收检测器的时间t, 计算出测距仪与目标之间的距离, 其测距公式为:

式中, L为目标距离, c为光速。根据式 (1) 可以得出脉冲测距精度为:

由式 (2) 可知, 在光速一定的情况下, 时间间隔测量的精度直接影响到脉冲激光测距系统测距的精度, 所以实现高精度的时间间隔测量是脉冲激光测距系统的关键[2]。

图1为激光测距系统的结构。该系统由发射模块、接收模块、信号控制模块、数据显示模块和电源模块组成。

系统采用了905nm, 75W的脉冲激光二极管, 选择雪崩光电二级管进行光电检测, 测程可以提高百米。在t时刻时激光二极管被驱动发射激光脉冲, 同时单片机产生不参与测量的信号送给TDC, 该信号送至start, 表示开始进入测量状态;激光器发出的光脉冲经过一段时间加上接收后的硬件电路有一定延迟, 单片机在经过延迟后发送信号至TDC的stop1通道, 接收组件光电探测器接收到返回脉冲后产生一个终止信号, 该信号被接收模块进行放大滤波处理比较之后, 送入信号处理模块, 结束飞行时间的测量。高精度计时芯片TDC-GP2单通道的分辨率高达65ps, 测量精度因而也大大地提高, 同时采用stop1和stop2通道进行时差测量, 消除了硬件电路的延迟, 飞行时间的精确度得到进一步提高。时间间隔测量模块把所测量的结果送至数据处理和控制模块进行计算, 最终显示出被测的结果L。

2 脉冲式激光测距系统的设计与实现

2.1 时差法高精度计时原理

TDC-GP2是ACAM公司通用TDC系列的新一代产品[3]。TDC是以信号通过内部门电路的传播延迟从而进行高精度时间间隔测量。图2显示了测量绝对时间的TDC主要构架。芯片的智能电路结构、担保电路和特殊布线方法使芯片能够精确地记下信号通过门电路的个数。芯片中信号通过芯片内部门电路最短的传播延迟时间决定了TDC能够获得的最高测量精度。

TDC-GP2主要是对脉冲进行计数来进行高精度计时实现时差法测量, GP2有高速脉冲发生器, 温度测量, 停止信号使能和时钟控制等功能[4]。对于TDC-GP2而言, 芯片本身具有两个测量范围, 测量范围1和测量范围2。其中测量范围1的时间测量是0ps~1.8μs, 即距离约等于0~270m。测量范围2的测量范围是从2倍的高速时钟周期到4ms, 也就是最大的测量距离可以至25公里以外, 意味着可测量距离范围的大大提高。

Start、Stop1和Stop2口为时间间隔起止脉冲信号, EN信号接高电平。计时结束信号INIT, 低电平有效, 单片机控制, 提供读取计时结果的标志;RSET是复位信号, 低电平有效, 接单片机控制TDC-GP2的复位。SSN、SCK、SI、SO为SPI总线端口, 连到单片机的SPI端口, 实现单片机与TDC-GP2的通信。

2.2 控制电路以及发射和接收电路设计

16位超低功耗的单片机MSP430F149具有高速处理信号能力[5]。MSP430寻址范围可达64k, 统一进行中断管理, 片内具有精密硬件乘法器、两个16位的定时器、一个14路12位的模数转换器、6路P口、一个看门狗、一个比较器、两路USART的通信端口、两个外部时钟和一个DCO内部振荡器, 支持在线调试和下载。

单片机MSP430F149控制驱动信号的产生, 发出触发脉冲, 给TDC-GP2开始信号使其进入测量状态, 通过SPI与其通信, 最后将处理好的数据结果显示到液晶屏上。图3为单片机的配置电路。

图4为发射接收部分的主要电路, 发射部分主要由单片机控制发射信号, 通过MOSFET驱动芯片MIC4452驱动脉冲二极管, 发射激光脉冲。接收部分主要是对微弱的信号通过前置放大和主放大[6]后, 进行快速比较得出的信号可用于后续计时得出结果。

2.3 软件设计

图5为该系统的单次测量软件流程。开始, 上电, 用户需要发送代码Init初始化, 使用按键来确认是否触发测量, 若不按键则进入休眠状态, 以降低功耗。按键开始测量, 选择测程模式, GP2进行寄存器配置, 单片机开始发送Start、Stop1信号, ALU按照设定模式计算出Start脉冲和Stop1、Stop2脉冲间的时间间隔后产生测量结束中断, 若接收到Start信号超时但未收到Stop信号, 则TDC-GP2会产生溢出中断, 通过读取TDC-GP2状态寄存器来分辨这两种中断, 对正常测量产生的中断, 继续读取结果寄存器中的数据并发送至上位机, (在实际测量中默认进行200次循环测量后进行均值) 并把结果转换成十进制显示在液晶屏上, 结束一次测量, 否则重新进行测程选择, 准备下一次测量。

2.4 数据结果分析

测量距离为300m, 在结合TDC-GP2特性和通道分辨率后, 结合使用时差法, 得到以下实验数据分析结果, 精度达到0.1m, 通过软件对200次测试的结果进行平均后, 精度大大地提高。图6-7两个图分别为平均前和平均后的数据图, 通过对比可以明显看出得到的精确度。

3 结束语

系统采用的时差法测距法, 通过TDC-GP2的高精度计时结合低功耗单片机的均值处理, 使得测距系统不仅精度较大地提高, 功耗更低, 在便携式高精度测距仪中会有较好的应用前景。

参考文献

[1]纪荣祎, 赵长明, 任学成.高精度高重频脉冲激光测距系统[J].红外与激光工程, 2011, 40 (8) :1462-1464.

[2]Kalisz J.Review of methods for time interval measurement with picosecond resolution[J].Institute of Physics Metrologia, 2004, 41:17-32.

[3]Szplet R, Kalisz J, Szymanowski R.Interpolating time counter with100ps resolution on a single FPGA device[J].IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, 2000, 49 (4) :879-883.

[4]湛洪然.基于TDC-GP1的激光测距系统[D].天津:天津工业大学, 2006.

[5]曹磊.MSP430单片机C语言程序设计与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.

[6]付宝臣.高精度激光测距仪硬件电路研究[D].南京:南京理工大学, 2007.

高精度时差测量系统篇2

文章简要介绍了现代测量技术的发展,对航天器精度测量中的可靠性问题进行了初步探讨,给出了精度测量系统的可靠性框图及数学模型,并对精度测量工作过程进行了故障模式,影响及危害性分析,最后对测量系统的不确定度进行了分析.

作者：刘建新王伟仝志民作者单位：刘建新,王伟(北京卫星环境工程研究所,北京,100094)

仝志民(哈尔滨工业大学自动化测试与控制系,哈尔滨,150001)

双站方位时差定位系统精度分析篇3

关键词：时差,方位,示向线,几何稀释

0 引言

无源定位技术按照观测站的数目可分为2类:多站无源定位和单站无源定位。多站无源定位因其具有全覆盖快速的优点得到广泛应用。其中最常见的2种是测向交叉无源定位和时差无源定位。

时差定位体制的定位精度与时差测量精度以及各站布局有关,通常站点数目大于目标位置维数,在平面模型下,需要采用3站同时观测实现单次定位。时差定位对站间时统要求较高。测向定位是最常见的定位体制,定位精度主要受测向精度的限制,在平面模型下,采用双站即可实现定位,不过定位精度偏低,一般采用多次连续测向定位。

方位和时差联合定位通过双站实现高精度的单次定位,定位精度要优于单纯的测向定位,而且站点数目要少于单纯的时差定位,并具有测向定位体制设备成本低、时差定位体制定位精度高、不需要站间时统的优点,具有良好的应用前景。

1 定位模型建立

测向定位一般指根据方位角测量值做交会定位,方位角定义在水平面内。平面模型下需要至少2次测向结果或2个站的测向结果实现交会。时差定位分3站平面定位和4站空间定位,该文主要考虑3站平面定位的情况。当目标到测量站的距离较小时,可以不考虑地球曲率的影响;当目标到测量站之间的距离远大于目标和测量站的高度时,可以不考虑目标高度的影响。因此平面模型包括2个关键因素,一是不考虑地球曲率,二是忽略高度影响。该文仅仅考虑平面模型,目标的位置用二维直角坐标表征,引入地球模型以及考虑高度后的定位处理不属于该文的讨论范围。

如图1所示,在二维场景下展开讨论,假定两接收站的位置分别为P1(x1,y1)、P2(x2,y2),目标辐射源位于T(xT,yT)。其中P1站作为主站,P2作为辅站。主站实现测向与测时差处理,辅站负责信号接收并将数据传递给主站,假定2站距离记为d。主站测量的示向线是一条从主站出发的射线,相对于双站的时差线是一条以双站为焦点的双曲线,时差线与示向线的交点即为辐射源的位置。双曲线一般包括2条曲线,由于时差测量值要么是正数要么是负数,因此实际的时差线只是一条曲线。

理论上,时差和方位角分别表示为:

$τ = \frac{r_{1} - r_{2}}{c}$ , (1)

$θ = \tan^{- 1} \frac{y_{Τ} - y_{1}}{x_{Τ} - x_{1}}$ 。 (2)

式(1)表示时差测量方程,式(2)表示方位角测量方程,其中r1和r2分别表示目标到主站和辅站的距离。式(1)即双曲线方程,式(2)即直线方程。联合求解时差测量方程和方位角测量方程即可得到目标位置。

双站和目标构成一三角形,根据余弦定理有:

$r_{1} = \frac{d^{2} - c^{2} τ^{2}}{2 d c o s θ - 2 c τ}$ , (3)

从而可得目标位置的解析解:

xT=x1+r1cos θ , (4)

yT=y1+r1sinθ 。 (5)

图2给出等时差线与等方位线交会示意图,等时差线用虚线表示,等方位线用实线表示。等时差线是以双站为焦点的一簇双曲线,等方位线是以主站为起点的一簇射线。其中实心圆圈表示双站位置。从图中可以得知,一个时差对应一条双曲线,一个方位角对应一条射线,射线与双曲线的交点就是目标的位置。

测向定位是直线交会,当2条直线正交时,具有最小定位误差;时差定位是双曲线交会,当2条双曲线在交点处的切线相互正交时,具有最小定位误差;测向与时差联合定位也有此特征,如图2所示,在主辅两站的连线上,示向线与时差线接近正交,定位误差最小,在主辅两站连线的延长线上,双曲线接近于直线,与示向线几乎平行,定位误差最大。

2 误差分布规律

定位误差主要由2个因素决定:测量因子和几何因子。测量因子指方位角测量精度和时差测量精度;几何因子指基线长度、目标相对于双站的位置。测向精度越高、时差测量精度越高,定位精度越高。其中时差测量精度对定位的影响与具体的时差值大小有关,基线距离越大,时差理论值越高,同等测量误差引入的定位误差越小。

考察几何因子对定位精度的影响能够对实际布站提供理论支撑。能够调整布站效果到最佳的几何因子。假定地面2站之间相距30 km,测向精度1°,时差测量精度100 ns。绝对定位误差分布如图3所示。其中2站位置用实心圆表示,呈现8字形的曲线表示等定位误差线,从最外面到最里面的8字形曲线,分别表示8 km、4 km和2 km等误差线。

观察图3等误差线的形状可知,方位时差联合定位体制的误差分布具有如下特点:

① 距离双站越远,定位误差越大。不论目标正对着双站连线或是在双站连线的斜上方或斜下方,目标到双站中心的距离越远,定位误差越大。对于正对着双站连线的目标,随着距离的增大,定位误差从2 km逐渐增加到8 km。这一点类似于测向定位与时差定位;

② 定位误差相对于双站连线成线性对称分布。在双站连线前后呈现出相同的误差分布,从几何的角度分析,是因为前后目标和双站组成的三角形呈对称分布,相当于具有相同的几何因子。这一点类似于测向定位。3站不共线的时差定位,误差分布是非对称分布;

③ 等误差线是一条呈现8字形的闭合曲线。类似于测向定位和时差定位,不过测向定位是对称的8字,时差定位是不对称的8字。要注意的是,当目标非常接近主站甚至和主站重合时,示向线失去意义,此时不可定位;

④ 双站连线之间具有最小定位误差,双站连线的延长线上不可定位。双站连线上时差线与方位线正交,双站连线的延长线上,时差线与方位线平行,不可定位。对于测向定位,在双站连线以及延长线上,2条示向线平行,不可定位;对于时差定位,在3站两两连线以及延长线上,时差线退化为直线,并相互平行,不可定位。在双站连线之间达到最小定位误差是方位时差联合定位的一个显著的特点。

3 定位精度分析

定位误差与时差测量精度、测向精度以及目标与双站的相对位置关系有关。时差测量精度与测向精度构成测量因子,目标与双站位置关系、双站距离构成几何因子。定位误差由测量因子和几何因子共同决定。一般是定位方程组两边对各个测量量分别求偏导数,并通过适当的变形,将目标坐标的微分量表示成关于测量量微分的等式,通过矩阵运算求解数学期望,最后得到理论定位精度的几何稀释(Geometric Dilution of Precision,GDOP)。

对时差方程和方位角方程两边分别求微分,并转换为矩阵形式,从而有:

$[\begin{matrix} c Δ τ \\ Δ θ \end{matrix}] = Η [\begin{array}{l} Δ x_{Τ} \\ Δ y_{Τ} \end{array}]$

。 (6)

其中,

$Η = [\begin{array}{l} \frac{\partial τ}{\partial x_{Τ}} \frac{\partial τ}{\partial y_{Τ}} \\ \frac{\partial θ}{\partial x_{Τ}} \frac{\partial θ}{\partial y_{Τ}} \end{array}]$

。 (7)

式中,τ和θ的表达式分别见式(1)和式(2)。

记:

$Φ = E {[\begin{array}{l} Δ x_{Τ} \\ Δ y_{Τ} \end{array}] [Δ x_{Τ} Δ y_{Τ}]}$

, (8)

于是定位误差可表示为:

$G D Ο Ρ = \sqrt{t r a c e (Φ)}$ , (9)

式中,trace(Φ)表示求矩阵Φ的迹,即对角元素之和。

矩阵H将测量量精度与目标位置精度联系起来,矩阵H是否可逆直接影响能否定位。

当目标位于双站连线的外延长线上时,有:

$θ = \tan^{- 1} \frac{y_{Τ} - y_{1}}{x_{Τ} - x_{1}} = \tan^{- 1} \frac{y_{Τ} - y_{2}}{x_{Τ} - x_{2}}$ 。 (10)

此时矩阵H第1列为全零,不可逆,不可定位。

从几何角度分析,当目标位于双站连线上时,示向线为一直线,等时差线也和双站连线重合,此时出现无数个交点,无唯一解,不可定位。

当目标位于双站连线之间时,有:

$θ = \tan^{- 1} \frac{y_{Τ} - y_{1}}{x_{Τ} - x_{1}} = - \tan^{- 1} \frac{y_{Τ} - y_{2}}{x_{Τ} - x_{2}}$ ; (11)

矩阵H可逆,此时示向线和等时差线正交,具有最高的定位精度,这一点和前面分析的结果一致。

4 定位性能对比

设定具体的定位场景,通过仿真说明3种定位体制的优缺点。假定地面2站之间相距30 km,测向精度1°,时差测量精度100 ns。地面双站的位置坐标分别记为(-15,0)km,(15,0) km,设定第3个站位于(0,-20) km。表1给出3种定位体制下,对不同位置辐射源的定位精度。

表1提供了3个典型位置在不同定位体制下的定位误差分析,从表1可以得到如下几项结论:

① 从目标点(0,0)的定位结果可知,在双站连线上测向定位与时差定位不可定位,测向时差联合定位具有最高定位精度;

② 从目标点(0,15)的定位结果可知,在双站连线的正前方,3种体制均可以定位,测向时差联合定位性能优于测向定位;

③ 从目标点(20,20)的定位结果可知,在双站连线的侧面,测向与时差联合定位效果比测向定位差。

除在各站连线上不可定位外,时差定位具有最高精度。在双站连线以及双站连线正前方,测向与时差定位要优于测向定位。

根据误差分布规律以及表1给出的数据,可以根据感兴趣的区域设定双站位置。如果目标和双站共面,可以考虑使双站连线正对目标,或者使双站连线尽可能的接近目标。如果双站位于机载平台,而且目标距离飞机很远时,并不考虑高度影响时,可以按照平面模型处理,此时双机连线的侧面具有较高定位精度,双机过顶时具有最高的定位精度。

5 结束语

双站方位时差联合定位体制利用数目较少的平台实现了较高精度的定位,融合了单纯测向定位设备简单以及时差定位高精度的优点,避免了测向定位精度低、时差定位平台数目多、时统要求高的缺点。通过理论分析和仿真,得到理论定位精度,并分析双站方位时差联合定位的误差分布规律,发现在双站连线上以及双站连线正前方或正后方,具有较高的定位误差,从而为实际布站提供理论依据。

参考文献

[1]李剑峰.无源时差(TDOA)定位技术及其应用研究[D].成都理工大学硕士学位论文,2004,50-68.

[2]刘嘉佳.无线电测向定位算法的研究及其应用[D].四川大学硕士学位论文,2004,19-21.

[3]陈永光,李昌锦,李修和.三站时差定位的精度分析与推算模型[J].电子学报,2004,32(9):1452-1455.

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