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一种基于相关取样的激光多脉冲测距系统，涉及激光测距系统。设有时钟控制电路模块、激光脉冲发射模块、激光脉冲接收模块和时间信息处理模块；时钟控制电路模块设有2个时钟信号输出端；时钟控制电路模块设有本地振荡器、第一分频器、第二分频器、第一单稳态触发器和第二单稳态触发器；激光脉冲发射模块设有脉冲驱动电路、半导体激光器、光隔离器及准直透镜；激光脉冲接收模块设有雪崩光电二极管、前置滤波放大电路、光隔离器及聚焦透镜；时间信息处理模块设有第一抽样保持电路和第二抽样保持电路。可通过对取样信号进行倍频，减少发射脉冲与接收脉冲的采样时间，提高测距速度，提高测量的精度。解决了在短程激光测距方式下精度不高的问题。

1.  一种基于相关取样的激光多脉冲测距系统，设有时钟控制电路模块、激光脉冲发射模块、激光脉冲接收模块和时间信息处理模块；
时钟控制电路模块设有2个时钟信号输出端，其中1个时钟信号输出端接激光脉冲发射模块输入端，另1个时钟信号输出端接时间信息处理模块输入端，激光脉冲发射模块输出端输出激光照射被测物体上，激光脉冲接收模块输入端接收被测物体反射的回波脉冲，并输出到时间信息处理模块进行计算；
时钟控制电路模块设有本地振荡器、第一分频器、第二分频器、第一单稳态触发器和第二单稳态触发器；本地振荡器结合锁相环用于产生2个时钟信号，分别输入到第一分频器和第二分频器，分频后的两时钟信号分别经过第一单稳态触发器和第二单稳态触发器，分别产生主时钟脉冲和取样时钟脉冲，主时钟脉冲输至激光脉冲发射模块，取样时钟脉冲输至时间信息处理模块；
激光脉冲发射模块设有脉冲驱动电路、半导体激光器、光隔离器及准直透镜；脉冲驱动电路的输出端输出电流并接至半导体激光器的输入端，半导体激光器的光发射脉冲经过光隔离器及准直透镜后，发射出激光脉冲；
激光脉冲接收模块设有雪崩光电二极管、前置滤波放大电路、光隔离器及聚焦透镜；发射脉冲或由目标物体表面反射回来的激光脉冲，经由聚焦透镜聚焦，再经过光隔离器后，输入到雪崩光电二极管中，雪崩光电二极管输出电流至前置滤波放大电路，前置滤波放大电路输出脉冲信号至时间信息处理模块中所设的抽样保持电路的输入端；
时间信息处理模块设有第一抽样保持电路和第二抽样保持电路，第一恒比定时时刻鉴别电路和第二恒比定时时刻鉴别电路，逻辑门控制电路以及微处理器；第一抽样保持电路和第二抽样保持电路分别对发射脉冲和回波脉冲采样，得到的信号分别接至第一恒比定时时刻鉴别电路和第二恒比定时时刻鉴别电路，判断这段时间差的起止时刻，第一恒比定时时刻鉴别电路和第二恒比定时时刻鉴别电路的输出端均接到逻辑门控制电路输入端，逻辑门控制电路有1个输出端接至微处理器输入端，用于计时控制，另有2个输出端分别接回至第一抽样保持电路和第二抽样保持电路抽样保持电路输入端，作为下一次计时采样的启动信号。

一种基于相关取样的激光多脉冲测距系统
技术领域
本发明涉及激光测距系统，尤其是涉及一种基于相关取样的激光多脉冲测距系统。
背景技术
激光技术的快速发展给社会带来福利的同时，也给商家带来了巨大的市场。之所以激光可以应用到各个领域中，主要的原因在于它的方向性好、亮度高且集中、能量极大以及良好的相干性等特点。利用激光作为测距的一种手段，在实现方法上可归纳为三类：干涉法、三角法以及飞行时间法，其中飞行时间法是根据直接或者间接获取激光的飞行时间，来计算目标物体的距离。中国专利CN102901970A提出了一种单调制连续波的激光测距装置，该设计通过不断发送激光信号，同时接收模块持续接收到回波信号，通过判断发射与回波信号的起止时刻，获取时间间隔t。但连续波调制激光测距的方式功耗较大，不利于集成到系统设计中。
脉冲激光测距法是在测距点向被测目标发射一束持续时间短，高峰值功率的激光脉冲，同时启动时间间隔测量，光脉冲投射到目标以后，有一小部分的激光反射回测距点被探测器所接收，并停止时间间隔测量。连续波激光测距法在实现方法上分为相位调制连续波激光测距和调频连续波激光测距，其中相位调制连续波测距是用连续调制的激光光束照射被测目标，通过测量光束往返过程中的相位变化换算出被测目标的距离；调频连续波激光测距主要是通过发射一个频率连续可调的激光测量接收到激光的频率来推算距离。
所谓激光飞行时间是指激光在某一介质中传输一段距离所用的时间，这与激光的频率以及传输介质的材料有很大的关系。脉冲激光测距系统是通过计算激光脉冲在测距点与被测目标来回传输所用的时间t，从而得出测距点距离被测目标的距离L＝c·t/2，其中c为激光在介质中的传播速度。因此如何计算得到高精度的时间t，会直接影响到所测距离的精度，这是衡量一个激光测距系统是否优良的关键。
相关取样是利用相关原理，通过自相关或者互相关运算，达到对取样的有效信号进行放大和噪声信号的抑制作用。在激光测距系统中，可以将某一特定频率的相干光，对另一个相干光进行采样，可以得到一个相干波形，根据光的相干性，该波形存在波峰和波谷，从而我们可以得到时刻鉴别电路所需要的采样波形。
目前时刻鉴别的方法主要有三种：前沿鉴别(Leading Edge Discriminator/LED)、恒比定时鉴别(Constant Fraction Discriminator/CFD)和高通容阻鉴别(CR High Pass Discriminator)。前沿鉴别法是通过固定阈值方式来确定起止时刻，即以脉冲前沿当中强度等于所设阈值的点到达的时刻作为起止时刻。由脉冲幅度与形状变化引起的漂移误差为Δt，其大小还与阈值的大小有关，最大值可能接近脉冲上升时间t_r。因此，前沿鉴别法的测量误差是很大的。恒比定时鉴别法首先对输入信号分别进行线性衰减和延迟处理，再通过比较器判断过阈时间，然后以恒比定时(如50％，即取脉冲上升沿半高电平点)获得不受幅度变化影响的计时信号。恒比定时鉴别法能有效消除由脉冲幅度变化带来的误差。另外为了有效地克服波形畸变和噪声带来的误差，提出了高通容阻时刻鉴别方法，接收通道输出的起止信号脉冲通过一个高通容阻滤波线路，原来的极值点转变为零点，以此作为起止时刻点，它的误差主要受信号脉冲在极大值附近斜率的影响。总体来说，前沿鉴别法简单而快捷，一般适用于精度要求不高的情况；而恒比定时鉴别法以及高通容阻鉴别法均可以有效消除漂移误差，但需要对输入信号作复杂的处理，从而限制了接收通道的动态范围。文献[2]“An integrated optical receiver with wide-range timing discrimination characteristics”(作者：Kurtti，S.；Kostamovaara，J.出处：Proceedings of ESSCIRC.2005年9月，第435页～第438页)又提出了一种基于前沿鉴别法的自动增益控制结构(AGC)，通过获取脉冲信号幅度的变化量，调节脉冲幅度避免其发生形变，从而良好地判断脉冲的时刻点。但是采用这种结构会使得接收模块的处理更加复杂，并且由于要获取脉冲幅度的信号，从而导致测量时间增长。
时间间隔测量技术在通信、雷达、卫星及导航定位等领域都有着非常重要的作用，因此，如何高精度测量出时间间隔是测量领域一直关注的问题。常用的时间间隔测量方法有：电子计数法、模拟内插法、游标法等。现阶段发展起来的许多测距算法，虽然有所改变，但是总体上仍是由它们衍生改进而来的。测距算法的主要研究重点在于测量精度，在某些情况下甚至是通过牺牲测量距离、测量速度或者是硬件设备精度等方法来提高测量精度。其中电子计数法是大部分测量方法的基础，在测量精度要求不高的情况下，电子计数法是一种非常好的测量方法。它的原理比较简单，用一个量化的时钟(频率为f₀，周期为T₀)去统计两个待测脉冲之间的时钟个数M、N，可以得到时间间隔T_X为：T_X＝(N-M)·T₀。这种方法比较快速，但误差较大。中国专利CN101976037A提出了一种基于模拟内插法的时间间隔测量方法，模拟内插法是在电子计数法的基础上，通过电容充放电的方法，对时间间隔T₁，T₂进行电容充放电扩时，精确得到T₁-T₂的值，从而求出。模拟内插法的优点是理论测量精度高，但是这一技 术实现的基础是对T₁和T₂的扩展，在较T₁和T₂长K倍数的时间内，电容的充放电会带来较大的非线性效应，所以K值实际上也不可能太大。在该设计中利用了32位循环计数器对被测时刻进行计数，同时用时间扩展器对被测时间间隔进行n次展宽，虽然测量精度比较高，但是测量速度与成本的代价都比较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主要主要用于解决短程回波时间短，难以精确测量的问题，以实现高精度、非接触式的基于相关取样的激光多脉冲测距系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于相关取样的激光多脉冲测距系统，设有时钟控制电路模块、激光脉冲发射模块、激光脉冲接收模块和时间信息处理模块；
时钟控制电路模块设有2个时钟信号输出端，其中1个时钟信号输出端接激光脉冲发射模块输入端，另1个时钟信号输出端接时间信息处理模块输入端，激光脉冲发射模块输出端输出激光照射被测物体上，激光脉冲接收模块输入端接收被测物体反射的回波脉冲，并输出到时间信息处理模块进行计算；
时钟控制电路模块设有本地振荡器、第一分频器、第二分频器、第一单稳态触发器和第二单稳态触发器；本地振荡器结合锁相环用于产生2个时钟信号，分别输入到第一分频器和第二分频器，分频后的两时钟信号分别经过第一单稳态触发器和第二单稳态触发器，分别产生主时钟脉冲和取样时钟脉冲，主时钟脉冲输至激光脉冲发射模块，取样时钟脉冲输至时间信息处理模块；
激光脉冲发射模块设有脉冲驱动电路、半导体激光器、光隔离器及准直透镜；脉冲驱动电路的输出端输出电流并接至半导体激光器的输入端，半导体激光器的光发射脉冲经过光隔离器及准直透镜后，发射出激光脉冲；
激光脉冲接收模块设有雪崩光电二极管、前置滤波放大电路、光隔离器及聚焦透镜；发射脉冲或由目标物体表面反射回来的激光脉冲，经由聚焦透镜聚焦，再经过光隔离器后，输入到雪崩光电二极管中，雪崩光电二极管输出电流至前置滤波放大电路，前置滤波放大电路输出脉冲信号至时间信息处理模块中所设的抽样保持电路的输入端；
时间信息处理模块设有第一抽样保持电路和第二抽样保持电路，第一恒比定时时刻鉴别电路和第二恒比定时时刻鉴别电路，逻辑门控制电路以及微处理器；第一抽样保持电路和第二抽样保持电路分别对发射脉冲和回波脉冲采样，得到的信号分别接至第一恒比定时时刻鉴 别电路和第二恒比定时时刻鉴别电路，判断这段时间差的起止时刻，第一恒比定时时刻鉴别电路和第二恒比定时时刻鉴别电路的输出端均接到逻辑门控制电路输入端，逻辑门控制电路有1个输出端接至微处理器输入端，用于计时控制，另有2个输出端分别接回至第一抽样保持电路和第二抽样保持电路抽样保持电路输入端，作为下一次计时采样的启动信号。
与现有技术比较，本发明有益效果如下：
本发明在进行相关取样时，一是可通过对取样信号进行倍频，减少发射脉冲与接收脉冲的采样时间，提高测距速度；二是可将发射脉冲与接收脉冲调制信号，利用与发射光和接收光周期相差极小且相关的取样信号进行采样，对两信号时间的时间间隔进行扩展放大，确定其起止时刻，提高测量的精度。本发明解决了在短程激光测距方式下精度不高的问题，适用于短程精密工程测量。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构组成及工作原理框图。
图2为本发明实施例的时钟控制模块的电路原理图。
图3为本发明实施例的激光脉冲发射模块的原理图。
图4为本发明实施例的激光脉冲接收模块的原理图。
图5为本发明实施例的时间信息处理模块的原理图。
图6为本发明实施例的抽样保持电路的原理图。
图7为本发明实施例的恒比定时鉴别电路的原理图。
图8为本发明实施例的整体测距的时序图。
具体实施方式
参见图1，本实施例所述一种基于相关取样的激光多脉冲测距系统，设有时钟控制电路模块1、激光脉冲发射模块2、激光脉冲接收模块3和时间信息处理模块4；图1中，标记5表示分光片；标记P表示被测物体。
时钟控制电路模块1设有两个时钟信号输出端，其中一个时钟信号输出端接激光脉冲发射模块2输入端，另一个时钟信号输出端接时间信息处理模块4输入端，激光脉冲发射模块2输出端输出激光照射被测物体P上，激光脉冲接收模块3输入端接收被测物体P反射的回波脉冲，并输出到时间信息处理模块4进行计算。
参见图2，时钟控制电路模块设有本地振荡器101、第一分频器D1、第二分频器D2、第 一单稳态触发器DIFFA和第二单稳态触发器DIFFB；本地振荡器101经过分频器103后，结合锁相环中的鉴相器104、低通滤波器105以及压控振荡器102，用于产生两个时钟信号，分别输入到第一分频器D1和第二分频器D2，分频后的两时钟信号分别经过第一单稳态触发器DIFFA和第二单稳态触发器DIFFB，分别产生主时钟脉冲M和取样时钟脉冲S，主时钟脉冲M输至激光脉冲发射模块2，取样时钟脉冲S输至时间信息处理模块4；
参见图3，激光脉冲发射模块设有脉冲驱动电路10、半导体激光器20、光隔离器30及准直透镜40；主脉冲信号M经过脉冲驱动电路后，输出电流I并接至半导体激光器20的输入端，半导体激光器的光发射脉冲经过光隔离器30及准直透镜40后，发射出激光脉冲；
参见图4，激光脉冲接收模块设有雪崩光电二极管70、前置滤波放大电路80、光隔离器60及聚焦透镜50；发射脉冲或由目标物体表面反射回来的激光脉冲，经由聚焦透镜50聚焦，再经过光隔离器60后，输入到雪崩光电二极管70中，雪崩光电二极管70输出电流I至前置滤波放大电路80，前置滤波放大电路80输出脉冲信号P至时间信息处理模块中所设的抽样保持电路的输入端；
参见图5和6，时间信息处理模块设有第一抽样保持电路201和第二抽样保持电路203，第一恒比定时时刻鉴别电路202和第二恒比定时时刻鉴别电路204，逻辑门控制电路GATE以及微处理器MPU；第一抽样保持电路201和第二抽样保持电路203分别对发射脉冲P1和回波脉冲P2采样，得到的信号分别接至第一恒比定时时刻鉴别电路202和第二恒比定时时刻鉴别电路204，判断这段时间差的起止时刻，第一恒比定时时刻鉴别电路202和第二恒比定时时刻鉴别电路204的输出端均接到逻辑门控制电路GATE输入端，逻辑门控制电路有一个输出端接至微处理器输入端，用于计时控制，另有两个输出端分别接回至第一抽样保持电路201和第二抽样保持电路抽样保持电路203输入端，作为下一次计时采样的启动信号。
下面给出工作原理说明：
在时钟控制电路中，本实施例中的两个时钟信号差别微小，要求这两个频率的稳定度高，主时钟与取样时钟采用相关时钟形成电路设计。因此关键在于产生周期差极小的两个时钟。在本实施例中通过一个精度较高的晶体振荡器，产生一个较为稳定的取样时钟信号。混频器对产生的两个时钟信号作差，产生一个稳定频差信号进入锁相环中，最终压控振荡器输出一个与取样时钟有固定频差的主时钟信号，具体实施方法如下：首先选择频率为60MHz，稳定度在10^-6量级的温补晶体振荡器101，压控振荡器102中心频率调整到60.001MHz。两个振荡器输出的时钟信号送到混频器106，产生0.001MHz的差频，然后与60M晶振信号经60000分频器103产生的0.001MHz信号进行鉴相，鉴相器104输出的电压经过环路滤波器105后， 控制压控振荡器102，保证压控振荡器102输出的时钟频率是60.001MHz。这两个时钟信号再通过20分频器D1、D2产生频率为3MHz和3.00005MHz的时钟，其中3.00005MHz的时钟作为主时钟，3MHz时钟作为取样时钟，两时钟的周期差为5.56ps。同时这两个时钟信号再经过单稳态触发器DIFFA和DIFFB后，输出主时钟脉冲M和取样时钟脉冲S。本发明的两个时钟由于频率相近，稳定度高，同时还要求互不干扰，这是本发明中采用游标计数法，作为时间间隔测量方法的一个重要基础。
本实施例中的半导体激光器考虑到激光需要在大气中传播，选择采用InGaAs材料制成的半导体激光器，输出波长为905nm的激光。
半导体激光器属于电流器件，因此在设计过程中，脉冲驱动电路的作用是将输入信号转化为电流信号，驱动半导体激光器。而光隔离器类似于一个二极管，具有单向导通的特性，确保光信号不会返回而影响输出光功率。时钟控制模块输出的主时钟脉冲信号M进入激光脉冲发射模块，脉冲信号输入到脉冲驱动电路10中，脉冲驱动电路将输入的电压信号，转换成大电流信号I输出给半导体激光器20，调节电流信号I会影响到激光器的发射功率。在脉冲驱动电路中一般需要有偏置电路，保证产生足够大的电流来驱动激光器。之后再经过一个光隔离器30，保证发射激光脉冲不受其反射光的影响。最后通过准直透镜40发射出激光。
一般从被测物体返回的脉冲信号在经过传播介质后，信号的衰减很大，因此APD雪崩光电二极管可以通过“倍增效应”，将微弱的光信号转化较大的电流信号。前置滤波电路具有放大和I-V转换的作用，电流信号经过前置滤波放大电路，能产生幅度较大且较为干净的电压信号。激光脉冲接收模块结构参见图4，一部分发射脉冲或者从被测目标反射回来的回波脉冲经过聚焦透镜50，再耦合到光隔离器60中，输出的微弱信号为雪崩光电二极管70所接收。一般来说光电检测器，分为APD和PIN，两者的区别在于是否需要高压供电。APD具有雪崩增益，且它的接收灵敏度比较高，但相对于PIN来说，它需要增加高压供电部分，功耗相对PIN也较大。本发明中采用的是APD雪崩光电二极管，能将回波脉冲或者发射脉冲的微弱信号检测出来，然后输出电流信号到放大电路80。放大电路包括前置放大器和滤波电路两部分，前置放大器的作用主要进行I-V变换和放大功能；而滤波电路主要是针对放大后的噪声。最后从放大电路中输出脉冲信号P，接到时间信息处理模块中进行时刻判别。在实际应用中，接收模块有两路，一路用于接收发射脉冲，一路用于接收回波脉冲，图4只给出其中一路，两者是相似的。
取样脉冲经过倍频后，在同一个时钟周期内可使得采样得到的波形增多，从而提高测距速度。由于取样脉冲的周期与原有的主脉冲信号具有固定的频差，根据相关取样的原理，我 们可以得到一个具有波峰波谷的周期性信号。此时恒比定时鉴别电路会通过一定的比例关系如50％，来判断发射脉冲和回波脉冲的时刻，确定最终的起止时间。时间信息处理模块的结构参见图5，首先取样脉冲S经过一个倍频器200，将脉冲频率增加一倍，用于采样发射脉冲P1或者回波脉冲P2，利用相干波叠加原理，得到对应的脉冲波形，这样可以使得测量速度在原有基础上大大加快。该取样脉冲连同发射脉冲或者回波脉冲，一起送到抽样保持电路201和203中进行扩时展宽，然后恒比定时鉴别电路202和204分别通过对抽样保持得到的信号进行时刻判别，将获取的起止时刻与取样脉冲一起给到逻辑门控制电路GATE中，确定扩展后的时间，最后由微处理器MPU判断其扩展系数K，计算得到激光实际的飞行时间。
抽样保持电路基于相关取样的原理，在取样脉冲信号和测距启动信号同时有效时，表示测距正式开始，此时才对发射脉冲或回波脉冲进行取样。在输入脉冲信号时要进行放大，避免因信号幅度太低造成采样有误，同时我们还要保证采样得到的信号要平滑输出。抽样保持电路结构参见图6，发射脉冲或者接收脉冲经过放大器A1后，由控制开关K将信号连接到放大器A2上，A2接成电压跟随器。控制开关K由取样脉冲信号S和测距启动信号C两者一起控制，当S和C同时有效时，控制开关K闭合，此时输出跟随输入变化；当S或者C两者之一无效时，控制开关K断开，此时输出处于保持状态，不随输入变化而变化。
恒比定时时刻鉴别法主要是通过一定的比例关系，精确地判断起止时刻。实现确定的比例关系需要经过延时处理，与原有的信号进行对比，确定相应的比例关系。另外为了避免由于噪声信号引起时刻误判，我们需要添加一个比较器，减小误差。恒比定时鉴别电路结构参见图7，抽样保持电路输出的信号进入到恒比定时鉴别电路的输入端中分为三路，其中两路IN2、IN3主要是用于确定发射脉冲(回波脉冲)的起始时刻(结束时刻)，其中一路IN2经过延迟，另一路IN3通过衰减，在实际电路中，延迟波形和衰减波形的交汇点选择衰减信号的顶点和延迟信号的上升沿，以保证比较器A4准确高速翻转，精确鉴别脉冲信号时刻。在脉冲信号没有输入到时刻鉴别电路的情况下，高速比较器A4的同相端和反相端的电压是相等的，这会使得比较器处于一个不定状态。但由于存在噪声的原因，高速比较器的输出会处于连续变化的状态。因此需要在一端加入偏置电压，在没有输入信号的情况下，保证输出的是低电平。另外一路IN1同阈值V_th进入到阈值比较器A3中，输入IN1超过V_th的阈值后，输出选通。该比较器的作用主要是为了防止电路中的噪声脉冲误触发高速比较器，给出不准确的定时信号。
标准取样的时序图如图8，图8中，x轴对应时间t，y轴对应幅值，主时钟与游标时钟周期分别是T₁、T₂，发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔t为激光飞行时间。通过游标时钟 去相关采样发射脉冲及回波脉冲，可以得到两个相干波形，经过恒比定时鉴别电路，输送到GATE逻辑门控制电路，输出一个方波，然后MPU计算得到在这个方波中游标时钟T2的计数值，得到扩展系数K，从而t＝K·(T₂–T₁)，进而算出目标距离。在本发明中，我们进一步改进，将游标时钟进行倍频，得到周期为T₂`＝T₂/2的取样时钟。取样时钟按照出现顺序分为奇数取样信号和偶数取样信号，在标准取样的时间内，奇数取样信号和偶数取样信号分别进行一次采样，并且奇数取样信号(偶数取样信号)与回波信号的周期差是ΔT＝T₂–T₁，相当于在标准取样的一半时间中进行一次类标准取样。因此在同样时间内进行了两次标准取样，测距速度提高一倍。至于测量距离与测量精度，假设发射脉冲与接收脉冲之间刚好相差脉冲的一个周期，测量距离在百米范围；设取样脉冲信号频率为M1，发射脉冲的信号为M2，另外由于取样时钟脉冲和发射时钟脉冲周期差为ΔT＝1/(M2－M1)，可以得到它的测量精度为ΔL＝1/2×C×ΔT，其中C为光速。那么将M1＝3MHz，M2＝3.001MHz代入可得，测距的精度为1.668mm。