高精度高重频脉冲激光测距系统

第40卷第8期红外与激光工程2011年8月Vol.40No.8Infrared and Laser Engineering Aug.2011

高精度高重频脉冲激光测距系统

纪荣祎，赵长明，任学成

(北京理工大学光电学院，北京100081)

摘要：在三维激光扫描探测系统中，激光测距的测量重频和测量精度是影响整个系统性能的关键参数。介绍了三维激光扫描探测系统的工作特点，设计了一种以Nios II嵌入式软处理器为核心的高重频、高精度脉冲激光测距系统。通过分析影响测量重频和测距精度的因素，采用双阈值时刻鉴别方法进行计时起止时刻的鉴别，使用TDC-GP2高精度时间间隔测量芯片进行精密计时，设计了基于Nios II嵌入式软处理器的计时控制系统以提高测量重频。实验结果表明：实现了测量重频为20000次/s、测距精度为3cm的激光测距。与传统的单片机控制的计时系统相比,该系统不仅测量重频和测量精度高，且具有更好的可扩展性和灵活性。

关键词：脉冲激光测距；精密时间测量；三维激光扫描；Nios II

中图分类号：TN247文献标志码：A文章编号：1007-2276(2011)08-1461-04

High precision and high frequency pulse laser ranging system

Ji Rongyi,Zhao Changming,Ren Xuecheng

(School of Photoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China)

Abstract:In three-dimensional(3D)laser scanning detection system,the measurement repetition rate and measurement precision of laser ranging are the key parameters affecting the performance of the whole system.The work characteristics of3D laser scanning detection system were introduced,and a high repetition rate and high measurement precision pulse laser ranging system based on the Nios II soft-core was designed.According to the analysis of the factors which affected the repetition rate and precision of range measure,the double-threshold time discriminator was adopted to produce timing mark for the start-stop time discrimination,and the TDC-GP2high-precision interval measuring chip was used to achieve high precision on time measure.In addition,the time measure control system based on the Nios II soft-core was designed to improve the measurement repetition rate.Experimental results show that the measurement repetition rate of20000/s and the ranging precision of±3cm are https://www.360docs.net/doc/458271273.html,pared with the traditional MCU time measure control system,the designed system owns the advantages of high repetition rate and high measurement precision,furthermore,it is more expandable and flexible.

Key words:pulse laser ranging;high precision time measure;3D laser scanning;Nios II

收稿日期：2010-12-18；修订日期：2011-01-17

基金项目：国防科技工业技术基础科研项目(J172009C001)

作者简介：纪荣祎(1984-)，男，博士生，主要从事三维扫描激光探测系统的研究。Email:xiaoxiao8673@https://www.360docs.net/doc/458271273.html,。

导师简介：赵长明(1960-)，男，教授，博士生导师，博士，主要从事新型激光器件与技术、光电子信息技术与系统方面的研究工作。

Email:zhaochm1@https://www.360docs.net/doc/458271273.html,

红外与激光工程第40卷

0引言

三维激光扫描是一种基于激光精密测距的主动

式三维信息获取技术，是获取空间数据的重要技术

手段。与传统的测量手段相比，它具有独特的优势：

数据获取速度快，实时性强；数据量大，精度较高；主动性强，能全天候工作；全数字特征，信息传输、处理容易。同时，三维激光扫描技术可以深入到恶劣的环境及空间中进行扫描操作，在工业、国防、医学等领域中广泛应用[1]。

三维激光扫描仪获取目标信息需要进行以下操作：在计算机的控制下，发射激光脉冲对三维物体的表面进行扫描测距，根据获得的距离点阵信息生成被测物体表面的三维图像，快速重构出目标的三维模型以及线、面、体、空间等各种制图数据。

三维激光扫描技术具有高精度测距和快速扫描的工作特点，需要对目标表面进行大量高精度的点测距工作。因此，高精度和高重频的激光测距技术的研究是开发三维激光扫描系统的关键。

1测距原理

脉冲激光测距利用测量脉冲激光的飞行时间来测量目标的距离，其原理如图1所示[2]。

图1脉冲激光测距系统简图

Fig.1Main configuration of pulse laser ranging system

图中，激光发射机向目标发射激光脉冲，同时由光学方式(探测发射的脉冲信号)或电学方式(LD驱动信号)确定发射时间，生成起始信号，开启TDC计时。探测器接收被目标反射回的激光脉冲，在接收通道生成停止信号，停止TDC计时。TDC模块测量起止信号的时间间隔t，可得目标距离R为：

R=1

2

ct(1)由公式式1可知，目标距离R的测量精度由时间间隔t的测量精度决定。

2系统组成

2.1系统整体设计

为了实现高精度和高重频的激光测距，文中设计了基于Nios II处理器的激光测距系统，其硬件结构如图2所示。

在Nios II控制系统中，由脉冲产生模块产生驱动脉冲信号，驱动脉冲发射机发射激光脉冲信号，同时，由驱动信号产生计时开始信号，启动TDC芯片开始计时。目标返回的脉冲回波信号由接收通道接收，经过放大和时刻鉴别，产生计时停止信号，结束时间间隔测量。Nios II控制系统的SPI接口模块控制计时芯片工作，读取计时数据并进行数据格式转换，并把处理过后的数据通过USB接口模块传递给上位PC机。

控制系统中使用的Nios II处理器是ALTERA 公司开发的基于SOPC嵌入式系统的32位RISC处

图2系统结构及Nios II内核设计框图

Fig.2System structure and kernel design of Nios II 1462

第8期

理器；选用ALTERA公司的Cyclone II EP2C8作为实现Nios II系统设计和生成的硬件芯片；利用SOPC Builder设计软件生成SOPC系统。

2.2高精度时间测量的实现

由脉冲激光测距原理可知，测距误差源于飞行时间的测量误差，飞行时间的测量是由起止信号控

制的时间间隔测量电路完成的。因此，减小起止时刻的鉴别误差和时间间隔测量误差，是提高测距精度的主要途径。

使用传统的前沿时刻鉴别法时，由于漂移效应，给前沿定时带来较大的定时误差[3]。降低鉴别阈值是减少漂移误差的有效措施，但鉴别阈值的减少会引起噪声误触发。为此，系统使用一种双阈值鉴别方法，如图3所示[4]。低阈值用来做定时鉴别，高阈值用来排除噪声信号。为了使高、低阈值鉴别出来的信号能产生正确的时刻鉴别信号，将低阈值鉴别输出信号延迟，使得在符合电路中，高阈值信号能“包住”低阈值信号，输出时刻鉴别信号。

图3双阈值鉴别方法原理图

Fig.3Principle of double-threshold leading edge discriminator

利用双阈值时刻鉴别方法，选择合适的高、低阈值，可以最大限度地消除幅度效应引起的时间游动和噪声引起的时间抖动。通过实验，当前放输出信号幅度为3.2~0.5V时，设置高阈值为400mV，低阈值为80mV，得到时刻鉴别的漂移误差和时间抖动误差约为70ps。

实现时间间隔测量的方法主要有脉冲计数法、时间-模拟量转化法和插入法[5]。插入法的时间间隔测量精度最高，其中，延迟线插入法是通过信号在延迟线上的固定时延实现时间间隔的精确测量，同时得到高测量精度和高线性，具有测量范围大、线性好、测量精度高以及测量速度快的优点，综合性能最好[6]。

TDC-GP2芯片是德国ACAM公司设计的高精度时间数字转换芯片，采用延迟线插入法技术，其主要构架如图4所示。

图4TDC-GP2芯片计时部分内部结构图

Fig.4Measurement unit framework of TDC-GP2

该芯片有两种测量模式：测量模式1的测量范围为3.5ns~1.8μs，两个Stop通道共用一个Start通道，每个通道的典型分辨率为65ps，可进行4次采样，均可选择上升沿或下降沿触发；测量模式2的测量范围为2×T ref~4ms，只有Stop1通道对应Start通道，典型分辨率为65ps，有3次采样能力，可选择上升沿或下降沿触发[7]。

综上所述，TDC-GP2芯片可实现分辨率为65ps 的时间间隔测量，是实现脉冲激光测距时间间隔测量的理想器件。

2.3高重频测距的实现

使用TDC-GP2进行激光脉冲测距时间间隔测量，需要通过SPI接口与TDC-GP2通讯，进行控制命令和计时数据的读写操作。由SPI接口的读写时序和计时测量时序可知，进行一次时间间隔测量，各步骤操作使用的时钟周期如图5所示。

图5TDC-GP2时间间隔测量工作流程

Fig.5Flow chart of timing measure by TDC-GP2

使用MSP430单片机作为控制器，通过SPI接口控制TDC-GP2计时，当主时钟Mclk为8MHz时，由图5可知，从初始化到数据读取，最少共需要83μs。而使用MSP430单片机通过串口与上位机进行数据传输时，串口最大波特率为115.2Kbps，则传输一次计时数据所需时间约为340μs。由以上分析可知，使用MSP430单片机控制TDC-GP2完成一次完整的测量时间最少为430μs，1s可测量约2000次，测量重频较低。

纪荣祎等：高精度高重频脉冲激光测距系统1463

红外与激光工程第40卷

使用Nios II控制系统进行计时控制，当系统时钟为50MHz时，SPI接口模块的传输波特率可达15Mbps；TDC-GP2的SPI接口读写传输的最大波特率为10Mbps，则SPI接口的传输速率可设置为10Mbps。根据时序分析计算，当SPI接口的传输速率为10Mbps 时，TDC-GP2的计时工作从初始化到完成测量并读取数据，最少需要10.76μs。同时，在50MHz系统时钟的驱动下，使用USB2.0接口进行数据上传，数据传输速率设置为20Mbps，则一次完整的测量所需时间约为20μs。留出一定的时间余量，则可实现20000次/s 的测量重频，既能满足TDC芯片与外界通信的时序要求，又可达到高重频测距的要求。

3实验与数据分析

使用VC++编写上位机控制软件，使用USB2.0接口传输控制命令和测量结果数据。由上位机软件定时控制测距系统的测量重频对1000ns的时间间隔进行测量，得到如下测量结果。测量重频：设置测量时间为1~6s，得到的测距次数如表1所示。计时误差：对计时结果进行统计计算，计时数据的平均值为1000074ps，标准差为87.42ps。由误差定义可得，系统误差为1000074ps-1000000ps=74ps；用所测数据减去平均值，计时数据的随机误差分布如图6所示。

表1计时测量次数

Tab.1Sample size of time measure

图6随机误差分布直方图

Fig.6Histogram of random error

图6中，随机误差大部分分布在-100~+100ps范围内，即在1000ns的时间间隔内，时间间隔测量系统的精度可达±100ps。

由实验可知，测距系统可实现±100ps的计时精度，对应3cm的测距精度，同时，可达到20000次/s 的测量重频。

4结论

根据三维激光扫描技术的工作特点，设计了一种基于Nios II处理器控制的脉冲激光测距系统。通过对起止时刻鉴别方法和时间间隔测量方法进行改进，使用双阈值时刻鉴别方法和TDC-GP2时间间隔测量芯片可获得±100ps的时间测量精度，对应3cm 的测距精度。同时，通过对计时过程的分析，使用Nios II处理器进行计时流程的控制，减小了单次测量的时间，提高了测量重频，可实现20000次/s的时间测量。实验结果表明：采用Nios II处理器系统控制TDC-GP2芯片进行时间间隔测量，不仅测量精度高，同时能够大大提高测量重频。高重频、高精度脉冲激光测距系统不仅可应用于三维激光扫描成像系统，而且可应用于脉冲激光测速等需要高重频、高精度距离测量的系统。

参考文献：

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Measure time/s123456 Sample size20002400036000580002100007120008 1464