自觸發脈沖激光測距飛行時間測量研究

摘要：提出一種新型脈沖激光測距方法——自觸發脈沖飛行時間激光測距方法。運用該方法有效解決了傳統脈沖激光測距法中存在的提高測量精度和縮短測量時間兩者之間的矛盾。對該方法及本質特點進行了詳細描述和理論分析，并給出用于描述該方法的基本方程。其飛行時間測量系統的設計很大程度上決定了自觸發脈沖激光測距的測量精度和測量速度。設計并實現了基于CPLD的自觸發脈沖激光測距飛行時間測量系統。CPLD的使用提高了測量精度，并且結構簡單，體積小，可靠性高，非常適合高性能便攜式的激光測距儀。
關鍵詞：脈沖激光測距；自觸發；CPLD；飛行時間測量；精度

相對于相位式激光測距等連續波測距方法，脈沖激光測距結構簡單，測程遠，測量速度快，因而得到廣泛的應用。但是脈沖激光測距的缺點在于單脈沖測量精度不高，目前，單脈沖激光測距精度在實際應用中只能達到厘米量級，難以達到毫米量級。要達到更高的測量精度，只能通過對多次單脈沖激光測距結果求平均值的方法來獲取，但是這樣就會增加測量所需要的時間，降低了測量速度，不僅不便于使用，也限制了其應用的范圍。
為了更好的解決脈沖激光測距測量精度與測量速度之間的矛盾，提出一種新型的脈沖激光測距方法，自觸發脈沖激光測距法。自觸發脈沖測距方法，可以有效克服激光測距中存在的提高測距精度和縮短測量時間兩者的矛盾。該方法比起傳統脈沖重復頻率方法具有更高的測量精度和更快的測量速度，并且有效擺脫了時間間隔測量能力對測距精度的根本限制。自觸發脈沖飛行時間激光測距是利用激光接收單元的輸出信號自行控制激光發射單元，進而觸發激光脈沖向測距目標發射，即激光接收單元接收到激光脈沖之后，去觸發激光發射單元產生下一個激光脈沖。激光脈沖的發射和接收先后銜接，自動循環，從而得到一個周期信號ST。測量該信號的周期就可以得到激光脈沖的飛行時間，從而可計算出距離，由統計理論，測量激光脈沖Ⅳ次往返的飛行時間(N個周期)，可比測量1次往返的時間精度提高N倍。與傳統脈沖激光測距的取N次獨立測量的平均值相比，精度提高更大，并且只要進行一次數據讀取存儲，節省了N-1次數據讀取存儲時間。這樣，自觸發脈沖激光測距就可以在同樣的測量時間下，達到更高的測距精度，或者達到同樣的測量精度的同時卻有更快的測量速度，從而有效的克服了傳統激光測距方法中存在的提高測距精度和縮短測量時間兩者之間的矛盾，有利于實現高速高精度測距。
自觸發脈沖激光測距的測量精度在較大程度上要取決于激光飛行時間的測量精度，要獲得較高的測量精度，就必須設計較高的飛行時間測量系統。文中采用CPLD(Complexprogrammable logic devices)研制出自觸發脈沖激光測距的飛行時間測量系統，可以達到較高的測量精度。

1 自觸發脈沖激光測距原理及脈沖時序邏輯
脈沖激光測距的基本單元包括激光發射單元，激光接收單元和飛行時間測量單元。在傳統的脈沖激光測距中，測距原理是基于測量發射的激光脈沖(START)和接收單元接收到的返回激光脈沖(STOP)之間的時間間隔△T。目標距離D由下式給出

其中C為光速，時間間隔△T由飛行時間測量單元測量給出。
自觸發脈沖激光測距方案如圖1所示。利用激光接收單元的輸出信號自行控制激光發射單元，進而觸發激光脈沖向目標發射，即激光接收單元接收到激光脈沖之后，去觸發激光發射單元產生下一個激光脈沖。