CN202182717U

CN202182717U - 一种基于tdc技术的激光测距装置

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Publication number: CN202182717U
Application number: CN2011203220503U
Authority: CN
Inventors: 李万才; 陈建永; 沈冬青; 吴轶轩; 梅林�
Original assignee: Third Research Institute of the Ministry of Public Security
Current assignee: Third Research Institute of the Ministry of Public Security
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2021-08-30

Abstract

本实用新型公开了一种基于TDC技术的激光测距装置，该装置包括单片机FPGA、时间数字转换器TDC-GP2、激光发射装置、光电探测器以及光学元件，所述单片机FPGA连接于时间数字转换器TDC-GP2，所述时间数字转换器TDC-GP2与光电探测器相接，所述光电探测器和激光发射装置连接于光学元件。本实用新型可作为一种多学科综合的监控、测量方案，在距离测量、定位，二维的轮廓测量、速度测量、区域监控，三维空间定位等都有很好的应用前景。

Description

一种基于TDC技术的激光测距装置

技术领域

本实用新型属于激光测距领域，尤其涉及一种基于TDC技术的激光测距装置。

背景技术

在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。在很多领域，电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，***，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房地产，休闲/户外运动等都可以用到激光测距仪。激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法脉冲式激光测距仪是通过测量激光从发射到返回之间的时间来计算距离的。因此时间测量对于脉冲式激光测距仪来说是非常重要的一个环节。由于激光的速度特别快，所以发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔非常小。例如要测量1公里的距离，分辨率要求1cm，则时间间隔测量的分辨率则要求高达67ps。德国acam公司的时间数字转换器TDC-GP2单次测量分辨率为典型65ps，功耗超低，集成度高，测量灵活性高，是脉冲式激光测距仪时差(TOF)测量非常理想的选择。

激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定(又称激光测距)的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点，这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收***的信噪比、保证测量精度等都是非常关键的，因此激光测距仪日益受到重视。在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距，而且还可以测目标方位、运运速度和加速度等。激光测距仪具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积小、重量轻等优点，它应用领域广、行业需求众多，其市场需求空间大。

激光测距技术主要有三个发展方向：一是在应用领域的扩展比如将测距***与扫描机构结合起来，构成激光三维形貌测绘***或者激光雷达；二是研究如何提高激光测距***在保证测程的情况下的测距精度；三是使用中对人眼安全的激光测距仪。

激光测距仪是激光、精密机械、嵌入式技术及光电子学等多学科技术的综合应用。随着激光技术、嵌入式技术和集成光学的发展，激光测距仪正朝着数字化、自动化、低成本、小型轻便化的方向发展，其应用范围也越来越广。通常，脉冲激光测距***关键技术主要为强脉冲的发射与接收技术以及高精度时间间隔测量技术。

1、光脉冲发射和接收技术

脉冲激光测距的基本原理是通过测量接收激光脉冲和发射脉冲之间的时间差，计算出在该时间内激光传播的距离。为了准确地产生发射及接收激光脉冲基准，要求激光发射脉冲要尽可能的窄，由于激光器及调制器件阻容参数的限制，目前激光发射的窄脉冲宽度可以达到10-20ns。半导体激光测距的接收***是一种典型的直接探测***，***中的光电探测器直接把接收到的光信号转换为电信号，然后其解调电路可以检测出光信号所携带的信息。该***中探测器的选择一般情况下使用雪崩二极管。通常，待测目标表面为漫反射，返回到光探测器上的光信号其功率是非常小的，尤其是对远距离的测量中，反射回的信号只有被充分放大和经过整型、去噪等处理后才能被记录，计算和结果显示。因此，光电探测***中信号的放大与提取电路是其重要组成部分，其主要目的是最大程度地抑制噪声，并放大信号，尽可能的提高信噪比，以便获取返回信号中所携带的有用信息。整个接收***的所有功能是将探测器接收到的低电平窄脉冲信号，通过放大、限制带宽、分离信息，再送到下一级的信号处理单元。激光发射和接收脉冲成高斯型，波形通过比较器形成基准信号，随着电脉冲的变化，基准信号前沿位置会发生微小变化，尤其是当测量距离越远，接收信号幅度变化较大时，造成的测距误差就越大。

2、高精度时间间隔测量技术

在飞行时间测距方法中和很多瞬态过程的研究中精密时间测量技术都是其中最为核心技术。鉴于该技术的重要性国内外的很多公司、研究所和大学都开展过这方面的研究。目前已经成形了一些不同精度、不同体积质量、不同成本的精密时间测量装置。总结起来主要有三种时间测量方法：

(1)模拟法，其优点是测量精度高，可达量级，但是由于电容的充放电并不是绝对的，即存在非线性效应，所以其测量误差约为其测量范围的万分之一，这种方法受温度的影响也较大。

(2)数字法，数字法是用同步时钟脉冲对时间间隔进行计时。数字法具有良好的线性，并且不受测量范围的影响。其测量的精度主要与时钟频率有关，它的测量精度是正负一个时钟周期。一般使用几百兆赫兹的时钟，其精度为量级。即使时钟频率高达，其测量精度也只有，与它对应的距离是分米量级，由此看来测距精度显然不高。但是也可以通过采用多次测量取平均的方法以提高测量精度。

(3)数字***法，数字***法是采用数字法结合各种不同的***方法来实现精确测量的，可以同时提高单脉冲测量的精度和线性，应用范围和领域更广阔，能够适应高速、大测量范围和高精度的测量。

实用新型内容

本实用新型为了解决以上问题而提供一种基于TDC技术的激光测距装置。该装置可作为一种多学科综合的监控、测量方案，在距离测量、定位，二维的轮廓测量、速度测量、区域监控，三维空间定位等都有很好的应用前景。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

一种基于TDC技术的激光测距装置，所述激光测距装置包括单片机FPGA、时间数字转换器TDC-GP2、激光发射装置、光电探测器以及光学元件，所述单片机FPGA连接于时间数字转换器TDC-GP2，所述时间数字转换器TDC-GP2与光电探测器相接，所述光电探测器和激光发射装置连接于光学元件。

在本实用新型的优选方案中，所述单片机FPGA与时间数字转换器TDC-GP2之间通过SPI串口相接。

进一步的，所述时间数字转换器TDC-GP2的触发脉冲宽度大于2.5ns。

进一步的，所述光电探测器为基于CFD技术的接收电路。

再进一步的，所述激光测距装置还包括一现场实时显示屏。

又进一步的，所述激光测距装置设置有屏蔽电磁干扰的金属外壳。

根据上述方案得到的本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

(1)本实用新型采用TDC技术，TDC(Time-to-Digital Converter)是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的一种测量方式；

(2)采用一种基于均方差的数据处理方法，使得时间测量精度达到皮秒量级，测距精度达厘米量级，另外对***的电磁抗干扰也进行了屏蔽设计；

(3)收发电路的设计，本装置采用基于CFD技术接收电路设计，使测距的频率达到一千赫兹；

(4)采用FPGA的控制并进行数据处理，解决高精度时隙测量的问题，实现芯片级的控制及其算法流程控制；

(5)采用高速串口和USB联合传输方式，针对不同的应用需求，本装置提供两种不同的数据传输接口；

(6)本装置是一种便携设备，配备本地显示屏功能。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。

图1为本实用新型的原理图；

图2为本实用新型实施的流程框图；

图3为本实用新型的测量原理图；

图4为未处理前的测量数据；

图5为处理后的测量数据。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参见图1，本实用新型提供的基于TDC技术的激光测距装置100包括单片机FPGA101、时间数字转换器TDC-GP2102、激光发射装置103、光电探测器104以及光学元件105。

其中，单片机FPGA101连接于时间数字转换器TDC-GP2102，时间数字转换器TDC-GP2102与光电探测器104相接，且光电探测器104和激光发射装置103连接于光学元件105。

在本实用新型中，激光发射装置103为主要由激光驱动器和脉冲式激光二极管组成的发射电路。

对于光电探测器104其为基于CFD技术的接收电路。

在上述方案的基础上，本实用新型在激光测距装置中设置有一现场实时显示屏，用于实现本地的显示。

为了进一步提高本实用新型的测量精度，本实用新型在激光测距装置上设置有屏蔽电磁干扰的金属外壳。

根据上述方案得到的本实用新型，其工作过程如下：

参见图1，激光发射装置发射出光脉冲同时将发射脉冲输入到TDC-GP2的start端口，触发时差测量。一旦从物体200传回的反射脉冲达到了光电探测器(接收电路)则给TDC产生一个Stop信号，这个时候时差测量完成。那么从Start到Stop脉冲之间的时差被TDC-GP2精确记录下来，用于计算所测物体与发射端的距离。

在这个原理中，FPGA对于TDCGP2进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量结果传回给FPGA通过算法进行距离的精确计算，同时如果有显示装置的话，将距离显示出来。

在这个原理当中距离的测量除了与TDC-GP2的时差测量精度有关外还与很多其他因素有关系：

1、激光峰值功率；

2、激光束发散程度；

3、光学元件部分；

4、光传输的媒体(空气，雨天，雾天等)；

5、物体的光反射能力；

6、光接收部分的灵敏程度等等。

被测物体特性以及传输媒介的特性一般是由应用的条件给出的，那么可以根据应用的条件来选择激光的发射器(波长，驱动条件，光束的特性等)和接收器(类型，灵敏度，带宽等)。测量的范围在激光峰值功率更高以及信噪比更高的情况下也会相应增加。那么时差测量的精度除了与TDC-GP2芯片本身测量精度有关系外还与激光的脉冲特性有关，比如脉冲的形状(宽度，上升下降沿的时间)，以及探测器带宽和信号处理电路。对于tdc-gp2而言，脉冲信号的速度越快，带宽越宽，则测量精度相应得会越高。

TDC-GP2芯片的测量工作全部是由TDC高速测量单元完成的。GP2的start通道，stop1，stop2通道都可用。每个stop通道有4个脉冲的测量能力。在这个测量范围下，测量结果可以选择校准结果(32位)或者非校准结果16位。推荐使用32位的校准结果，也就是每次测量都对TDC测量单元进行一次校准。需要引起注意的问题：

1、对于TDC-GP2来讲触发它的脉冲宽度必须要大于2.5ns。

2、在start通道的触发边沿与第一个stop通道的脉冲边沿之间的时间间隔要大于3.5ns。

3、推荐自动校准结果，并且选择每次测量完成后进行自动校准。这个功能通过设置寄存器0的自动校准位为0来开启。

4、如果计算stop1和stop2通道的脉冲时差的话，脉冲的时差范围可以降低到0。Start到最后一个stop脉冲的距离不能够超过1.8us，这是由于硬件本身所限制的。在这个测量模式下测量流程以及典型的寄存器设置如图2所示：

FPGA与tdc-gp2的通信是通过spi串口完成的，那么对于测量范围1的一个典型的测量过程为：

那么FPGA在从gp2读取完数据之后，可以对数据进行处理，来计算脉冲来回的距离。在上面的测量过程中如果gp2在被初始化之后，并没有接受到任何start信号，测量将不会发生。也不会产生中断。只有start信号被接受后，测量才被触发，那么无论是测量正常还是在规定时间内没有接受到stop脉冲，在gp2的INTN管脚都会有中断信号产生，通过判断状态寄存器的内容来判断测量是否正常。

注：在接受start，stop脉冲之前，必须要将gp2的管脚en_start，en_stop置高平，否则start，stop通道则不会被选通，测量也不会被触发！

应用平均提高精度的方法：上面所说的情况为，激光start脉冲给tdc-gp2的start通道，激光的返回脉冲给tdcgp2的stop通道的情况。在这种情况下，gp2的单次测量精度为65ps。当测量的输出频率并不是非常重要的情况下，比如每秒钟输出1到2次结果，那么这个时候为了提高测量精度，可以通过多次测量平均的方法来消除***误差。为了使gp2能够通过平均的方法来大大的减少误差，那么下面推荐的测量设计是非常有效的，可以将***误差的峰值降低到10ps一下。

如图3所示，在这个情况下本实用新型使用的是测量范围1，激光的发射和接收脉冲信号是给到stop1和stop2的，而在tdc-gp2的start通道，start信号是由FPGA给出的一个不参与测量的start信号。测量过程如下：

首先由FPGA发出一个不参与测量的但是要触发测量用的dummy start.需要这个信号是因为start通道的这个信号是告诉gp2现在开始进入测量状态了。那么在至少50ns后，FPGA触发激光器产生发射信号同时将这个信号输入到stop1通道。那么接收到的laser脉冲信号则输入到stop2通道。也就是说用stop1和stop2来测量激光发射和接收的时间差，而start信号是由FPGA给出来触发gp2的。

那么之所以这样的原因是在tdc-gp2的内部，有一个噪声单元，通过寄存器设置可以触发这个噪声单元。噪声单元将会在gp2的start通道脉冲上加任意分布噪声，那么这样做的目的是为了在平均的时候，可以大大消除量化误差和***误差。那么这个一位的设置为寄存器5中的EN_STARTNOISE设置。

在没有平均的情况下，测量所得到的结果如图4所示，对测量结果进行500次平均后的测量结果如图5所示。***的优化特点是：

1.stop1和stop2的时间间隔测量可以最低到0。

2.通过这个测量之后如果平均gp2的测量结果，可以大大消除***误差，跟据平均的次数不同，最多可以使gp2的精度提高至小于6ps.

3.对于温度变换是相当稳定的那么需要注意的是由FPGA给的start信号与激光的start信号(也就是stop1信号)的时间要在50ns以上，这个时间是为了给start信号加噪声。在这个情况下的测量过程中需要将上面的寄存器1的配置稍作修改：SPIwrite(0x81194900)；；//stop1和stop2通道分别接受一个脉冲，定义计算方法，用stop2的第一个脉冲减去stop1的第一个脉冲。在应用gp2评估测量***测试情况，测量1us时间间隔在平均1000次后，噪声曲线如下：在平均1000次的情况下，输出的峰峰值噪声降低到10ps以内，相当于分辨1mm的距离。那么通过这种平均的方式提高测量精度，对于测量频率不高的激光测距应用是非常有帮助的。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种基于TDC技术的激光测距装置，其特征在于，所述激光测距装置包括单片机FPGA、时间数字转换器TDC-GP2、激光发射装置、光电探测器以及光学元件，所述单片机FPGA连接于时间数字转换器TDC-GP2，所述时间数字转换器TDC-GP2与光电探测器相接，所述光电探测器和激光发射装置连接于光学元件。

2.根据权利要求1所述的一种基于TDC技术的激光测距装置，其特征在于，所述单片机FPGA与时间数字转换器TDC-GP2之间通过SPI串口相接。

3.根据权利要求1所述的一种基于TDC技术的激光测距装置，其特征在于，所述时间数字转换器TDC-GP2的触发脉冲宽度大于2.5ns。

4.根据权利要求1所述的一种基于TDC技术的激光测距装置，其特征在于，所述光电探测器为基于CFD技术的接收电路。

5.根据权利要求1所述的一种基于TDC技术的激光测距装置，其特征在于，所述激光测距装置还包括一现场实时显示屏。

6.根据权利要求1所述的一种基于TDC技术的激光测距装置，其特征在于，所述激光测距装置设置有屏蔽电磁干扰的金属外壳。