自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距飛行時(shí)間測(cè)量研究

摘要：提出一種新型脈沖激光測(cè)距方法——自觸發(fā)脈沖飛行時(shí)間激光測(cè)距方法。運(yùn)用該方法有效解決了傳統(tǒng)脈沖激光測(cè)距法中存在的提高測(cè)量精度和縮短測(cè)量時(shí)間兩者之間的矛盾。對(duì)該方法及本質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)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(shí)間測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很大程度上決定了自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距的測(cè)量精度和測(cè)量速度。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于CPLD的自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)。CPLD的使用提高了測(cè)量精度，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可靠性高，非常適合高性能便攜式的激光測(cè)距儀。
關(guān)鍵詞：脈沖激光測(cè)距；自觸發(fā)；CPLD；飛行時(shí)間測(cè)量；精度

相對(duì)于相位式激光測(cè)距等連續(xù)波測(cè)距方法，脈沖激光測(cè)距結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)程遠(yuǎn)，測(cè)量速度快，因而得到廣泛的應(yīng)用。但是脈沖激光測(cè)距的缺點(diǎn)在于單脈沖測(cè)量精度不高，目前，單脈沖激光測(cè)距精度在實(shí)際應(yīng)用中只能達(dá)到厘米量級(jí)，難以達(dá)到毫米量級(jí)。要達(dá)到更高的測(cè)量精度，只能通過對(duì)多次單脈沖激光測(cè)距結(jié)果求平均值的方法來獲取，但是這樣就會(huì)增加測(cè)量所需要的時(shí)間，降低了測(cè)量速度，不僅不便于使用，也限制了其應(yīng)用的范圍。
為了更好的解決脈沖激光測(cè)距測(cè)量精度與測(cè)量速度之間的矛盾，提出一種新型的脈沖激光測(cè)距方法，自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距法。自觸發(fā)脈沖測(cè)距方法，可以有效克服激光測(cè)距中存在的提高測(cè)距精度和縮短測(cè)量時(shí)間兩者的矛盾。該方法比起傳統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率方法具有更高的測(cè)量精度和更快的測(cè)量速度，并且有效擺脫了時(shí)間間隔測(cè)量能力對(duì)測(cè)距精度的根本限制。自觸發(fā)脈沖飛行時(shí)間激光測(cè)距是利用激光接收單元的輸出信號(hào)自行控制激光發(fā)射單元，進(jìn)而觸發(fā)激光脈沖向測(cè)距目標(biāo)發(fā)射，即激光接收單元接收到激光脈沖之后，去觸發(fā)激光發(fā)射單元產(chǎn)生下一個(gè)激光脈沖。激光脈沖的發(fā)射和接收先后銜接，自動(dòng)循環(huán)，從而得到一個(gè)周期信號(hào)ST。測(cè)量該信號(hào)的周期就可以得到激光脈沖的飛行時(shí)間，從而可計(jì)算出距離，由統(tǒng)計(jì)理論，測(cè)量激光脈沖Ⅳ次往返的飛行時(shí)間(N個(gè)周期)，可比測(cè)量1次往返的時(shí)間精度提高N倍。與傳統(tǒng)脈沖激光測(cè)距的取N次獨(dú)立測(cè)量的平均值相比，精度提高更大，并且只要進(jìn)行一次數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)，節(jié)省了N-1次數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)時(shí)間。這樣，自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距就可以在同樣的測(cè)量時(shí)間下，達(dá)到更高的測(cè)距精度，或者達(dá)到同樣的測(cè)量精度的同時(shí)卻有更快的測(cè)量速度，從而有效的克服了傳統(tǒng)激光測(cè)距方法中存在的提高測(cè)距精度和縮短測(cè)量時(shí)間兩者之間的矛盾，有利于實(shí)現(xiàn)高速高精度測(cè)距。
自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距的測(cè)量精度在較大程度上要取決于激光飛行時(shí)間的測(cè)量精度，要獲得較高的測(cè)量精度，就必須設(shè)計(jì)較高的飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)。文中采用CPLD(Complexprogrammable logic devices)研制出自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距的飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)，可以達(dá)到較高的測(cè)量精度。

1 自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距原理及脈沖時(shí)序邏輯
脈沖激光測(cè)距的基本單元包括激光發(fā)射單元，激光接收單元和飛行時(shí)間測(cè)量單元。在傳統(tǒng)的脈沖激光測(cè)距中，測(cè)距原理是基于測(cè)量發(fā)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(shí)間間隔△T。目標(biāo)距離D由下式給出

其中C為光速，時(shí)間間隔△T由飛行時(shí)間測(cè)量單元測(cè)量給出。
自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距方案如圖1所示。利用激光接收單元的輸出信號(hào)自行控制激光發(fā)射單元，進(jìn)而觸發(fā)激光脈沖向目標(biāo)發(fā)射，即激光接收單元接收到激光脈沖之后，去觸發(fā)激光發(fā)射單元產(chǎn)生下一個(gè)激光脈沖。